Giáo án thiết kế cơ khí - Chương 6 Cột doc

Chương 6 Cột

Tổng quan

Bạn là nhà thiết kế

6.1 Nội dung của chương

6.2 Các đặc trưng của mặt cắt ngang của cột

6.3 Liên kết đầu cột và chiều dài làm việc

6.4 Độ mảnh

6.5 Độ mảnh giới hạn

6.6 Tính toán cột dài: Công thức Euler

6.7 Tính toán cột ngắn: Công thức J.B. Johnson

6.8 Bảng tính toán cột

6.9 Các dạng phù hợp với mặt cắt ngang của cột

6.10 Thiết kế cột

6.11 Cột cong

6.12 Cột chịu tải lệch tâm

248

Tổng quan

Nội dung thảo luận

 Cột là một chi tiết

dài, mảnh chịu tải

trọng nén dọc trục

và hỏng do mất ổn

định hơn là do phá

huỷ.

Tìm hiểu

Tìm ít nhất 10 ví dụ về cột. Mô tả chúng, chúng chịu tải như

thế nào, và thảo luận với các bạn học của mình.

Cố gắng tìm ít nhất một cột mà bạn có thể đặt tải thuận tiện

bằng tay, và quan sát hiện tượng mất ổn định.

Thảo luận với các bạn học về những thông số tác động đến

việc cột hỏng như thế nào và tải trọng mà nó có thể chịu

trước khi bị hỏng

Chương này sẽ giúp bạn nắm được một số công cụ phân tích

cần thiết để thiết kế và tính toán cột.

Cột là một bộ phận kết cấu chịu tải trọng nén dọc trục và có xu hướng hỏng do sự mất ổn định đàn

hồi, hoặc oằn, hơn là do hỏng vật liệu. Mất ổn định đàn hồi là dạng hỏng do hình dạng của cột

không đủ bền vững để giữ nó thẳng dưới tác dụng của tải trọng. Tại điểm xảy ra mất ổn định,

đường tâm của cột bị uốn cong hoàn toàn một cách đột ngột. Khi đó nếu tải trọng không giảm cột

sẽ bị oằn. Dĩ nhiên trong các kết cấu và chi tiết máy cần phải tránh dạng hỏng này.

Các cột thẳng một cách lí tưởng, tương đối đối dài và mảnh. Nếu chi tiết bị nén ngắn đến

mức nó không có xu hướng mất ổn định, thì để phân tích cần sử dụng các phương pháp đã trình

bày trong chương 5. Chương này sẽ trình bày một vài phương pháp tính toán và thiết kế cột đảm

bảo an toàn với các chế độ tải trọng khác nhau.

Hãy dành một vài phút để hình dung các ví dụ về mất ổ định cột. Tìm chi tiết bất kì dài và

mảnh, ví dụ que đo, thước nhựa, chốt bằng gỗ dài với đường kính nhỏ, ống hút, hay một thanh

nhựa hoặc kim loại mỏng. Đặt tải trọng hướng xuống một cách cẩn thận trên cột của bạn trong khi

kê đầu dưới trên bàn hoặc sàn. Cố gắng đảm bảo rằng nó không bị trượt. Tăng tải trọng dần dần

và quan sát trạng thái của cột cho đến khi nó bắt đầu uốn một cách đáng kể ở giữa. Tiếp theo giữ

mức tải trọng này. Không tăng quá mức này, có thể làm cột bị gãy.

Bây giờ dỡ tải cột sẽ trở lại hình dạng ban đầu của nó. Sẽ không xảy ra phá hủy hay chảy

dẻo. Nhưng liệu rằng bạn sẽ không cần chú ý đến hiện tượng cột bị hỏng tại điểm mất ổn định?

Việc giữ tải trọng tác dụng nhỏ hơn tải bắt đầu gây ra mất ổn định là không quan trọng?

Bây giờ quan sát xung quanh bạn. Nghĩ đến những thứ mà bạn thấy quen thuộc, hay dành

thời gian đi ra ngoài và tìm những ví dụ khác về cột. Nhớ rằng tìm kiếm những chi tiết tương đối

dài, mảnh và chịu nén. Chú ý đến các bộ phận của đồ đạc, nhà cửa, ôtô, xe tải, đồ chơi, các kết

cấu, máy móc công nghiệp, và máy xây dựng. Cố gắng tìm ít nhất 10 ví dụ. Mô tả chúng: được

làm từ vật liệu gì, cách thức đỡ, cách thức chịu tải. Làm công việc đó với các bạn học trong lớp,

đem những nội dung đó đến buổi học tới để thảo luận.

Chú ý rằng bạn đã được yêu cầu tìm các chi tiết chịu tải tương đối dài, mảnh. Bạn sẽ phải

biết một chi tiết thế nào là dài và mảnh? Ở điểm này, bạn nên tiến hành tranh luận và đưa ra ý

kiến. Nếu đã có cột, và bạn đủ mạnh để làm nó mất ổn định, tiến tới và thử. Ở phần sau trong

chương này, chúng ta sẽ xác định ý nghĩa của các thuật ngữ dài và mảnh.

249

Nếu bạn thấy các cột bị biến dạng mà không bị mất ổn định, vậy đặc trưng gì của vật liệu

có liên quan chủ yếu đến đến hiện tượng hư hỏng do mất ổn định? Nhớ rằng hư hỏng đã được mô

tả là mất ổn định đàn hồi. Khi đó có thể thấy rằng môđun đàn hồi của vật liệu là yếu tố then chốt.

Xem lại định nghĩa của đặc trưng này từ chương 1, và tìm giá trị trong bảng về các đặc trưng của

vật liệu trong phụ lục 3-13.

Cũng cần lưu ý rằng chúng ta đã định rõ ban đầu các cột thẳng và tải trọng tác dụng dọc

trục. Điều gì xảy ra nếu các điều kiện trên không đạt được? Nếu cột hơi cong trước khi đặt tải?

Bạn có cho rằng nó sẽ mang được một tải trọng nén bằng với cột như vậy nhưng thẳng? Tại sao

và tại sao không? Sẽ thế nào nếu cột chịu tải lệch tâm, là tải có hướng lệch so với tâm, cách một

khoảng so với trục trọng tâm của cột? Điều đó sẽ tác động thế nào đến khả năng mang tải? Cách

thức đỡ ở các đầu của cột ảnh hưởng như thế nào đến khả năng này? Các kiểu đỡ nào thường gặp?

Những câu hỏi trên đây và những câu khác nữa sẽ bắt gặp trong chương này. Bất cứ khi

nào bạn gặp rắc rối trong thiết kế mà tải trọng tác dụng là nén, bạn nên nghĩ đến việc tính toán nó

như là cột. Sau đây phần Bạn là nhà thiết kế là một ví dụ tốt về vấn đề thiết kế máy như vậy.

Bạn là nhà thiết kế

Bạn là thành viên của nhóm đang thiết kế

một máy nén thương mại để giảm thể tích rác

bìa cứng và giấy loại để có thể vận chuyển dễ

dàng đến nhà máy xử lí. Hình 6-1 là một bản

phác thảo của pittông nén được dẫn động bằng

một xylanh thủy lực với một lực khoảng vài

nghìn pound. Thanh truyền giữa xylanh thủy

lực và pittông cần được thiết kế như cột vì nó

là một chi tiết chịu nén tương đối dài, tiết diện

nhỏ. Mặt cắt ngang thanh truyền nên chọn

hình dạng nào? Từ đó loại vật liệu chế tạo sẽ

là gì? Và nó sẽ được nối như thế nào với

pittông và xylanh thủy lực? Những kích thước

cuối cùng của thanh là gì? Bạn, người thiết kế,

cần phải xác định tất cả các thông số trên.

Hình 6-1 Máy ép giấy phế liệu

6-1 Nội dung của chương

Sau khi hoàn thành chương này, bạn sẽ có thể:

1. Nhận dạng mọi chi tiết chịu nén tương đối dài và mảnh cần được tính toán như với cột

để tránh xảy ra mất ổn định.

2. Xác định các dạng mặt cắt ngang hiệu quả với cột.

3. Tính bán kính quán tính của một mặt cắt ngang của cột.

250