Жесткость на кручение: Определение, формулы и применение
Жесткость на кручение объясняет способность конструкции противостоять скручивающей силе. Такие компоненты, как мосты, небоскребы и зубчатые передачи, призваны противостоять силе или нагрузке, чтобы эффективно функционировать. Без этого возможны неблагоприятные побочные эффекты.
В этом руководстве мы расскажем вам, что нужно знать о жесткости на кручение, включая ее применение и т.д.
Что такое торсионная жесткость?
Жесткость при кручении - это способность материала или конструкции противостоять скручиванию при приложении крутящего момента или крутящей силы. Она измеряет способность компонента противостоять деформации, когда на него действует скручивающая сила.
Жесткость на кручение важна в конструкционном строительстве, поскольку она объясняет, насколько хорошо объект, деталь или материал может выдержать определенную нагрузку без потери прочности, формы или повреждений.
Основные свойства и формулы
Жесткость на кручение представлена в виде GJ, где G обозначает модуль сдвига, а J - полярный момент инерции.
Значение жесткости на кручение можно также вывести из приложенной силы и угла закручивания. Единицей измерения жесткости на кручение является Нм².
Уравнение жесткости на кручение: GJ = TL/θ или θ = TL/JG
Где,
J = Полярный момент инерции
G= Модуль сдвига
T = Приложенный крутящий момент
L = длина объекта
θ = Угол закручивания
Модуль сдвига
Модуль сдвига - это способность компонента выдерживать напряжение сдвига или деформацию. Он рассматривается как отношение напряжения к деформации. Если материал имеет более высокое значение отношения напряжения к деформации, то он, скорее всего, будет обладать более высокой жесткостью на кручение.
Полярный момент инерции
Полярный момент инерции определяет способность объекта противостоять кручению вокруг своей оси вращения. На величину этого свойства влияют такие факторы, как форма, состав, масса и размер.
Например, резину легче скрутить, чем металл, потому что у резины меньше масса и состав. Поэтому можно сказать, что чем выше полярный момент инерции материала, тем лучше его жесткость на кручение.
Свойства материала, влияющие на жесткость при кручении
Модуль сдвига материала влияет на его способность противостоять силе скручивания. Сталь с более высоким модулем сдвига имеет лучший уровень жесткости при кручении, чем полимеры или алюминий с меньшим значением модуля сдвига.
Еще одно свойство материала, влияющее на жесткость при кручении, - изотропность или анизотропность.
В то время как изотропные материалы сохраняют одинаковый уровень жесткости при кручении независимо от направления крутящего момента, уровень жесткости анизотропных материалов может измениться, если крутящая сила будет приложена из другого положения.
| Содержание наполнителя (wt%) | Кристалличность матрицы (%) | G* (МПа) | σy (МПа) ±0,5 МПа |
εr(%) ±(80%) |
|
| PE | 0 | 52 | 2.8 | 16 | 1100 |
| ПЭ-кальцит | 9.6 | 48 | 3.2 | 16 | 720 |
| PE-Calcite-SA | 7.7 | 48 | 3.1 | 15 | 720 |
| ПЭ-Арагонит | 10.3 | 51 | 3.45 | 15 | 910 |
| PE-Aragonite-SA | 9.3 | 53 | 2.6 | 16 | 930 |
| PE-C.Fornicata | 8.6 | 49 | 2.8 | 16 | 670 |
| PE-C.Fornicata-SA | 9.5 | 49 | 3 | 15 | 740 |
| PE-C.Gigas | 6.5 | 52 | 2.8 | 16 | 730 |
| PE-C.Gigas-SA | 9.3 | 50 | 3.2 | 15 | 830 |
| PE-P.Maximus | 10.8 | 47 | 3 | 16 | 680 |
| PE-P.Maximus-SA | 9.7 | 50 | 3.2 | 16 | 760 |
Сравнительная таблица предела текучести, предела прочности при растяжении и модуля Юнга для различных материалов
| Материал | Предел текучести (МПа) |
UTS (МПа) | Модуль Юнга (ГПа) |
| Алюминий | 35 | 90 | 69 |
| Медь | 69 | 200 | 117 |
| Латунь | 75 | 300 | 120 |
| Железо | 130 | 262 | 170 |
| Никель | 138 | 480 | 210 |
| Сталь | 180 | 380 | 200 |
| Титан | 450 | 520 | 110 |
| Молибден | 565 | 655 | 330 |
| Циркониевый сплав (типичная облицовка) | 380 | 510 | 99 |
| Нержавеющая сталь 08Х18Н10Т | 216 | 530 | 196 |
| Сплав 304L из нержавеющей стали | 241 | 586 | 193 |
| SA-508 Gr.3 Cl.2 (низколегированная ферритная сталь) | 500 | 700 | 210 |
| 15Х2НМФА (низколегированная ферритная сталь) | 490 | 610 | 220 |
Жесткость на кручение в различных геометрических формах
Геометрическая форма предмета или материала также влияет на его жесткость при кручении.
Круговые сечения
Металлический материал круглого сечения оказывает сильное сопротивление крутящему моменту, поскольку материал равномерно распределен от центра или оси вращения, что делает его более жестким на скручивание.
Прямоугольные сечения
Прямоугольные сечения противостоят скручиванию, но не так сильно, как круглые. Это объясняется тем, что материалы распределены неравномерно, а боковые стороны не вносят большого вклада в жесткость опоры.
Полые и сложные поперечные сечения
Полые профили, такие как трубы и трубки, также выдерживают большие усилия на скручивание, поскольку внешняя часть материала работает на сопротивление силе, сохраняя при этом небольшой вес. Обычно используется в строительных лесах, балках и карданных валах.
Жесткость на кручение в различных материалах
Как правило, металлы с высоким модулем сдвига лучше сопротивляются крутящему моменту, чем большинство полимеров или композитов, что делает их пригодными для применения в приложениях, требующих высокой жесткости при кручении.
ПолимерыС другой стороны, они имеют низкий модуль сдвига и жесткость при кручении. Тем не менее, они также полезны в некоторых операциях, таких как гибкое соединение, где требуется определенный уровень гибкости или деформации.
Сравнительная таблица металлов, полимеров и композитов
| Тип материала | Пример материала | Модуль сдвига (G) в ГПа | Полярный момент инерции (J)( ×10-6m4 | Жесткость на кручение (ГДж) В Нм2 | Относительная плотность (кг/м³) | Общие приложения |
| Металл | Сталь (AISI 1045) | 80 | 5 | 400 | 7050 | Балки приводных валов в мостах, зубчатые передачи и валы машин. |
| Металл | Алюминий (6061-T6) | 26 | 4 | 104 | 2700 | Конструкции самолетов, велосипедные рамы, автомобильные колеса и оружие. |
| Полимер | Полиэтилен (HDPE) | 0.8 | 3 | 2.4 | 950 | Трубы, гибкие муфты, баки, пластиковые контейнеры. |
| Полимер | Поликарбонат (PC) | 2.3 | 3.5 | 8.05 | 1200 | Защитные приспособления и шлемы, корпуса устройств, автомобильное остекление |
| Композит | CFRP | 100 | 6 | 600 | 1600 | Аэрокосмические компоненты, высокопроизводительные автомобили и спортивное оборудование |
| Композит | CFRP | 25 | 4.5 | 112.5 | 1850 | Морские компоненты, автомобильные панели |
Как улучшить жесткость материала при кручении
Повысить жесткость материала на кручение можно следующим образом:
Выбор подходящего материала
Чем выше модуль сдвига материала, тем выше его жесткость при кручении. Например, модуль сдвига стали составляет 80 ГПа, что делает ее пригодной для операций, требующих высокой жесткости при кручении.
Однако полимеры имеют низкий модуль сдвига - от 0,5 до 3 ГПа, и поэтому не могут применяться в случаях, когда требуется жесткость при кручении.
Увеличение размера объекта
Поскольку высокоплотные вещества выдерживают больший крутящий момент, чем низкоплотные, вы можете повысить жесткость предмета на кручение, увеличив его размер. Таким образом, предмет становится плотнее, что повышает его способность сопротивляться скручивающим усилиям.
Совершенствование производственного процесса
Анизотропный Известно, что материалы имеют различные уровни жесткости при кручении в зависимости от направления скручивающей силы. Поддерживая однородность материала в процессе производства и используя изотропные материалы, можно повысить уровень жесткости при кручении.
Применение жесткости на кручение в строительной технике
Ниже приведены некоторые области применения жесткости на кручение в конструкциях:
Небоскребы и мосты
Благодаря использованию жесткости на кручение инженеры могут проектировать мосты и небоскребы, способные выдерживать большие нагрузки.
Они могут определить и построить конструкции, способные противостоять природным силам, таким как землетрясения. Чтобы предотвратить такие ситуации, как обрушение мостов или зданий, они следят за тем, чтобы каждый созданный конструкционный материал соответствовал требуемому уровню жесткости.
Балки и колонны
Балки и колонны также должны быть созданы таким образом, чтобы выдерживать любые скручивающие усилия или нагрузки. Поэтому они предназначены для поддержки структурных компонентов, включая кровлю, потолки, эстакады и т. д., чтобы предотвратить скручивание от нагрузок, ветра или землетрясений.
Жесткость при кручении в машиностроении
В машиностроении жесткость при кручении играет важную роль, поскольку объясняет, почему некоторые детали машин, включая валы и шестерни, сохраняют определенный уровень жесткости под действием скручивающей силы.
Например, вал под действием крутящего момента изгибается лишь в незначительной степени, чтобы инструмент мог работать точно. Это позволяет избежать неблагоприятных механических условий и повысить производительность.
Кроме того, работа зубчатых передач в значительной степени зависит от жесткости на кручение, поскольку она помогает устранить рассыпание, обеспечивая точную передачу энергии между ними.
Аналогичным образом, в автомобильной и аэрокосмической промышленности жесткость на кручение помогает обеспечить безопасность и улучшить эксплуатационные характеристики деталей автомобилей и самолетов.
Заключение
Чтобы обеспечить надлежащую функциональность, эффективность и производительность компонентов или систем, необходимо убедиться, что материал измеряет точный уровень жесткости на кручение.
DEK удовлетворяет все ваши потребности в материалах, гарантируя, что они соответствуют уровню жесткости на кручение, необходимому для вашего проекта. Если вам нужны рекомендации по выбору металлических материалов или вы хотите их приобрести, мы всегда готовы обсудить это с вами. Не стесняйтесь обращаться к нам прямо сейчас.
