Общие понятия. 
Сопротивление материалов и конструкций

Предмет сопротивления материалов

При создании машины, сооружения, прибора или иного технического устройства разумно стремиться к достижению желаемых показателей качества и надежности изделия при минимизации затрат на этапах проектирования, изготовления, эксплуатации, ремонта и даже утилизации, характеризующих так называемый жизненный цикл продукции.

Под качеством технического устройства понимается совокупность свойств, определяющих степень его пригодности для использования по назначению. Подробно основные требования к системе управления качеством в организации изложены в стандарте ИСО^[1] 9001:2008 «Системы менеджмента качества — требования».

Термином «надежность» обозначается свойство технического устройств сохранять требуемые показатели качества в течение всего периода его использования. Среди ряда требуемых показателей надежности одним из важнейших является прочностная надежность изделия.

Проблема обеспечения прочностной надежности рассматривается в рамках научного направления, получившего название динамика и прочность машин, приборов и конструкций.

В курсе сопротивления материалов рассматриваются прикладные инженерные методы расчетов на прочность, жесткость и устойчивость, а также затрагиваются отдельные вопросы динамики конструкций.

Прочность — способность конструкции или ее элементов сопротивляться внешним воздействиям, не разрушаясь.

Под разрушением в широком смысле понимается потеря функционального назначения или работоспособности конструкции; в узком — нарушение сплошности отдельного элемента, связанное с распространением трещин и разделением целого на части.

Жесткость — способность конструкции или ее элементов сохранять свои геометрические размеры и форму при внешних воздействиях.

Устойчивость — способность тела или конструкции сохранять свое равновесное состояние при внешних воздействиях.

Основываясь на данных о прочностных свойствах конструкционных материалов и экономно их используя, расчетчик-прочнист должен определить рациональные геометрические размеры конструкции и ее элементов, чтобы под действием внешних нагрузок не произошло разрушение. Однако удовлетворение только условия прочности не всегда гарантирует работоспособность изделия. В целом ряде случаев предъявляются требования к жесткости изделия, устойчивости и его поведению при действии нагрузок, изменяющихся во времени.

При проектировании и расчете конструкции инженеру приходится учитывать условия равновесия и движения, основываясь на закономерностях теоретической механики. В теоретической механике при изучении законов движения тела, вычислении его скорости, ускорения и т. д. используется допущение об абсолютно жестком теле. Однако реальные тела под действием приложенных сил изменяют свою форму, размеры и взаимное расположение отдельных частей, т. е. деформируются. В отличие от теоретической механики в курсе сопротивления материалов и конструкций учитывается свойство твердых тел испытывать деформации.

Процессы деформирования твердых тел изучает механика твердого деформируемого тела, которая объединяет ряд дисциплин: теорию упругости, теорию пластичности и ползучести, строительную механику, теорию разрушения твердых тел и др. Эти дисциплины детально и глубоко рассматривают различные стороны процессов деформирования, используют минимум исходных допущений и соответствующие поставленным задачам методы исследования. Применяемый при этом математический аппарат относительно сложен для неподготовленного исследователя и не всегда удобен для применения в широкой инженерной практике.

Применение допущений и гипотез значительно облегчает проведение практических инженерных расчетов. Поэтому в курсе сопротивления материалов используются допущения или гипотезы о характере деформаций тела. Обоснованность и рациональность гипотез и допущений подтверждаются посредством сопоставления результатов расчета с данными экспериментальных исследований. Очевидно, что качество и точность расчетов будут зависеть от используемых допущений. Точные результаты могут быть достигнуты только тогда, когда все предварительные условия точно соответствуют картине реальной деформации тела, что редко случается на практике. Однако данное обстоятельство отступает на второй план, поскольку в большинстве случаев при практических инженерных расчетах вполне приемлемым оказывается приближенное решение.

Использование рациональных допущений позволяет существенно упростить процесс вычислений и добиться при этом получения решения с приемлемой для практических целей точностью.

Для изучения деформации твердого тела необходимо знать его физикомеханические свойства, которые прежде всего определяются материалом тела. Поэтому изучение физико-механических свойств различных материалов является одной из задач дисциплины сопротивления материалов. Реальные прочностные характеристики машины, прибора или конструкции могут не вполне соответствовать расчетным характеристикам. Данное обстоятельство связано с объективно существующим разбросом механических свойств материала, отклонениями от проектных размеров и формы, погрешностями в оценке внешних нагрузок и др. Поэтому в особо ответственных случаях уже созданная конструкция проходит специальное испытание в условиях, близких к эксплуатационным, что позволяет установить се реальную прочностную надежность. Создание методов таких испытаний представляет также предмет исследования сопротивления материалов.

Весь комплекс расчетов, который проводится для обеспечения прочностной надежности конструкций, можно объединить в одном обобщенном виде и кратко назвать — расчеты на прочность.

Как мы отметили выше, основными требованиями к расчетным методам, излагаемым в курсе сопротивления материалов, являются простота и возможность широкого использования этих методов в инженерной практике. Говоря о простоте и сложности, нужно учесть субъективность и относительность этих понятий. То, что несколько лет назад казалось расчетчику сложным и даже невозможным, сегодня становится относительно простым и легко доступным. В этом отношении при изучении сопротивления материалов и конструкций, так же как и в любой другой прикладной дисциплине, большую роль сыграло развитие вычислительных средств и численных методов, разработанных на их основе, среди которых следует особо выделить метод конечных элементов.

С помощью современных электронных вычислительных машин в техническую плоскость переводятся проблемы, связанные с решением систем дифференциальных и алгебраических уравнений, численным интегрированием и т. п. Все это в последнее время потребовало внести существенные изменения в методики расчетов. Вместе с тем всегда важно сохранять необходимый баланс и понимать, что при решении конкретных задач усложнение расчетной физической модели и соответственно математического аппарата, используемого для ее анализа, не может быть самоцелью. При решении любой реальной задачи необходимы творческий подход и чувство меры, что требует от расчетчика определенных практических навыков, которые, в свою очередь, формируются только прилежным трудом.

• [1] ИСО — Международная организация по стандартизации (ISO — International Organization for Standartization).