Задачи определения напряжений и деформаций при кручении брусьев некруглого поперечного сечения нельзя решить методами сопротивления материалов. Эти задачи рассматриваются в теории упругости. Причина этого в том, что у таких брусьев гипотеза плоских сечений не применима, так как поперечные сечения заметно искривляются, что и приводит к существенному изменению распределения напряжений.
Отметим некоторые закономерности распределения напряжений в сечениях некруглой формы, а затем приведем готовые решения, полученные методами теории упругости для некоторых форм поперечных сечений. Прежде всего, покажем, что касательные напряжения в поперечных сечениях для точек вблизи контура направлены по касательной к нему. Для этого
положим, что в некоторой точке А касательное напряжение τ направлено под углом, тогда его можно разложить по направлениям касательной
и нормали
к контуру сечения (7.12, а). По закону парности касательных напряжений на поверхности стержня должно возникнуть напряжение
, но эта поверхность свободна от нагрузки, следовательно,
,
направлено по касательной к контуру.
Аналогично можно показать, что в сечении с внешними углами напряжения равны нулю. Разложим напряжения вблизи угла на две составляющие и (7.12,б), так как парные им напряжения и равны нулю, то и в ноль обращаются и . Значит, вблизи внешнего угла касательные напряжения в поперечном сечении отсутствуют.
На рис. 7.13 показана эпюра касательных напряжений для бруса прямоугольного сечения, полученная методами теории упругости. Как видим, в углах напряжения равны нулю, а наибольшей величины они достигают в точках А по средине больших сторон:
, (7.15)
в точках В касательные напряжения вычисляются по формуле:
.
Здесь h – размер большой стороны, b – размер меньшей
стороны прямоугольника.
Коэффициенты α, β и η зависят от отношения сторон h/b.
Угол закручивания находится из выражения . (7.16)
Коэффициент так же является функцией отношения сторон. При h/b≥10 .
Таблица
h/b
|
| 1,5
| 1,75
|
| 2,5
|
|
|
|
|
| ∞
|
α
| 0,208
| 0,231
| 0,239
| 0,246
| 0,258
| 0,267
| 0,282
| 0,299
| 0,307
| 0,313
| 0,333
|
β
| 0,141
| 0,196
| 0,214
| 0,229
| 0,249
| 0,263
| 0,281
| 0,299
| 0,307
| 0,313
| 0,333
|
η
| 1, 00
| 0,859
| 0,82
| 0,795
| 0,766
| 0,753
| 0,745
| 0,743
| 0,742
| 0,742
|
|
Для формул (7.15), (7.16) введем геометрические параметры:
,
тогда они примут вид