Предисловие. 
Сопротивление материалов и конструкций

Учебник соответствует программе дисциплины «Сопротивление материалов», читаемой для студентов бакалавриата и специалитета высших технических учебных заведений.

Цель дисциплины — научить студентов современным методам расчетов на прочность, жесткость и устойчивость элементов машин и конструкций для использования полученных в области прочности знаний в практической инженерной деятельности, при проектировании и эксплуатации машин, приборов и сооружений, для решения проблемы увеличения их надежности и долговечности. Курс позволяет приступить к изучению специальных дисциплин, в которых излагаются основы теории, расчета, конструирования и эксплуатации машин соответствующего назначения.

В результате изучения материалов данного учебника студенты должны приобрести следующие компетенции:

знать

• • предмет, цели и задачи дисциплины «Сопротивление материалов»;
• • общие положения, методологические принципы, понятийный и категориальный аппарат, используемый при проведении инженерных расчетов элементов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость;
• • механические характеристики конструкционных материалов, способы их экспериментального определения, взгляды на процесс деформирования и разрушения конструкционных материалов и подходы к его оценке;
• • понятие напряженно-деформированного состояния в точке тела;
• • теории начала текучести, теории разрушения и трещинообразования для конструкционных материалов;
• • дифференциальные зависимости между внешними силами и внутренними силовыми факторами в стержневых системах;
• • системы разрешающих уравнений, используемые для расчета толстостенных цилиндров, круглых пластин, безмоментных и моментных осесимметричных цилиндрических оболочек;
• • порядок и суть поверочного и проектного расчетов;
• • порядок расчетов элементов конструкций на прочность по допускаемым напряжениям и предельной нагрузке с учетом геометрической формы, вида нагружения и свойств материалов, из которых они изготовлены;
• • методы расчетов статически определимых и статически неопределимых стержневых конструкций на прочность и жесткость при простых видах нагружения, а также при сложном нагружении;
• • методы расчетов осесимметричных деталей: толстостенных цилиндров, круглых пластин, осесимметричных безмоментных и цилиндрических моментных оболочек;
• • методы расчетов стержневых систем на устойчивость;
• • методы оценки ресурса деталей при напряжениях, циклически изменяющихся во времени;
• • историю, логику и тенденции развития науки о прочности;
• • современные представления и подходы, связанные с применением ЭВМ для расчетов на прочность, жесткость и устойчивость;

уметь

• • создавать расчетную схему или математическую модель объекта, учитывающую особенности его геометрической формы, механические характеристики материалов, нагрузку и условия эксплуатации;
• • обрабатывать результаты механических испытаний материалов;
• • выбирать рациональные методы и приемы расчетов, необходимые для адекватной оценки жесткостных и прочностных характеристик анализируемых конструкций;
• • оценивать величину коэффициента запаса элементов конструкций на прочность, но методам допускаемых напряжений и предельных нагрузок;
• • рассчитывать на прочность и жесткость стержневые конструкции, работающие в условиях растяжения-сжатия, изгиба, кручения, в режиме комбинированного нагружения;
• • рассчитывать на прочность и жесткость осесимметричные детали: толстостенные цилиндры, круглые пластины, осесимметричные безмоментные и цилиндрические моментные оболочки;
• • рассчитывать стержневые конструкции на устойчивость;
• • оценивать ресурс деталей при напряжениях, циклически изменяющихся во времени;
• • давать самостоятельную оценку техническому состоянию машин, приборов и конструкций с учетом возможных аварийных ситуаций, прогнозировать, проводить анализ его и разрабатывать предложения, но восстановлению эксплуатационной пригодности конструкций;

владеть

• • методами инженерных расчетов на прочность, жесткость п устойчивость с целью обеспечения нормальной работы машин, приборов и конструкций под действием внешних нагрузок в течение нормативного срока;
• • навыками системного анализа при расчетах и проектировании сложных конструкций с целью нахождения рациональных параметров их отдельных элементов по заданным условиям работы;
• • навыками поиска информации, необходимой для проведения расчетов на прочность, жесткость и устойчивость изделий из современных конструкционных материалов, в том числе композиционных материалов;
• • навыками инженерных расчетов стержневых конструкций и их элементов на сдвиг, кручение, плоский поперечный и косой изгиб, продольный изгиб;
• • современными технологиями расчета стержневых элементов конструкций на ЭВМ;
• • навыками расчета на прочность и жесткость стержневых конструкций, работающих в условиях растяжения-сжатия, изгиба, кручения, в режиме комбинированного нагружения;
• • навыками расчета на прочность и жесткость осесимметричных деталей: толстостенных цилиндров, круглых пластин, осесимметричных безмоментных и цилиндрических моментных оболочек;
• • навыками расчета стержневых конструкции на устойчивость;
• • навыками оценки ресурса деталей при напряжениях, циклически изменяющихся во времени;
• • навыками работы с учебной и научной литературой по специальности.

МГТУ им. Н. Э. Баумана заслуженно считается флагманом технического образования в России. Истоки заслуженного авторитета связаны с «русским методом обучения ремеслам» и успехами отечественной инженерной школы.

Сопромат как базовая инженерная дисциплина занимает особое место в подготовке современного специалиста. Подтверждением этому служит факт, что почти по каждому техническому направлению и почти в каждом вузе появились свои учебники, отражающие специфику учебного заведения и субъективные предпочтения авторов. Это объясняется большим количеством и разнообразием задач, с которыми приходится сталкиваться специалистам в области прочности — «прочнистам», занимающимся вопросами расчетов динамики, прочности и устойчивости конструкций. С одной стороны, данный факт следует признать отрадным, с другой стороны, обозначилось в определенном смысле разобщение сообщества прочнистов. По многочисленным мнениям специалистов, одним из наиболее авторитетных учебников признавался учебник В. И. Феодосьева «Сопротивление материалов», выдержавший 16 изданий, в том числе семь после смерти автора. В связи с развитием науки о прочности в последних изданиях учебника были методически переработаны некоторые главы и внесены дополнения в параграфы, посвященные стержневым элементам конструкций, возвращена глава о расчете пластин и оболочек, которая в последнем, девятом, прижизненном издании была изъята.

Изменение структуры высшего образования в России, переход на двухуровневую систему образования по схеме «бакалавр — магистр» объективно потребовали пересмотреть содержание и методику изложения традиционного курса сопротивления материалов. Усиление доли научно-исследовательской, творческой компоненты нашло свое отражение в данном учебнике. Авторы посчитали необходимым уточнить название учебника добавлением понятия конструкций. Материал, излагаемый в учебнике «Сопротивление материалов и конструкций», подобран с целью подготовки студентов к дальнейшему углубленному изучению дисциплин прочностного цикла и творческому решению современных технических проблем.

В излагаемом курсе сделана попытка удалить отдельные болевые точки, связанные с методикой изложения, и рассогласования со смежным курсом теоретической механики. В соответствии с современной концепцией поддержки жизненного цикла продукции и технологией CAD/CAE/CAM в учебнике излагаются современные численные методы расчета, и в первую очередь метод конечных элементов (МКЭ). При этом авторы не склонны рассматривать МКЭ как особый вид расчета и выносить его за рамки изучения основных методов расчета на прочность. Метод должен естественно вписаться в существующий курс после разумного объяснения физических основ рассматриваемой задачи.

Развитие численных методов объективно привело к критическому пересмотру и сокращению отдельных разделов, посвященных ручным приемам счета. Нс отрицая их полезности в ретроспективном (историческом) понимании развития курса, следует признать, что некоторые из них объективно устарели. Сокращены разделы, посвященные освоению графоаналитических методов и технике построения и перемножения эпюр для пространственных стержневых систем. Грамотный расчетчик немыслим без навыков ручных вычислений и умений доводить решение до конкретного числового результата. Однако путь механистического усложнения имеет свои пределы полезности, поскольку излишние вычисления в отдельных случаях затеняют суть проблемы.

Особо следует выделить вопросы понимания используемых гипотез и допущений, которые, но своему предназначению являются важнейшими инструментами в познании мира. На каком-то этапе они помогают построить модель и разобраться в сути явления, но с определенного момента становятся тормозом для дальнейшего развития. Например: гипотезы сплошности и однородности не позволяют объяснить причины усталостного разрушения. Гипотеза неизменности начальных размеров не позволяет изучать геометрически нелинейные задачи. Попытки использовать приближенные приемы расчета инженерных конструкций, основанные на тех или иных гипотезах, могут приводить к неверным результатам, в чем нужно честно признаться, дабы предостеречь читателя от возможных ошибок. Поэтому в основу изложения курса поставлена цель понимания физических процессов, происходящих в элементах машин и конструкций.

Опыт общения с современными студентами, хорошо владеющими средствами электронного сетевого взаимодействия, показывает, что их прежде всего интересует конкретная информация, желательно сконцентрированная в одном месте. Поэтому особое внимание в учебнике уделено вопросам систематизации информации, подразумевая иод этим ее правильную организацию, выделение главного и второстепенного.

Начало настоящего учебника «Сопротивление материалов и конструкций» положили лекции профессоров Г. С. Глушкова и В. П. Копыленко, которые Н. В. Валишвили слушал в студенческие годы. В дальнейшем, уже в процессе преподавания курса для студентов Московского станкоинструментального института, а затем Московского высшего технического училища им. Н. Э. Баумана, пришло осознание простого факта, насколько преподавателю важно встать на позиции слушателя, которому необходимо понять суть явления с практических позиций.

Основой для написания курса послужили лекции, которые в течение многих лет оба автора читали в МГТУ (МВТУ) им. Н. Э. Баумана, а также в ряде других вузов. Являясь организатором создания и первым ректором Кутаисского политехнического института, профессор Н. В. Валишвили подготовил и издал совместно со своим учеником Д. Ш. Георхелидзе учебник «Сопротивление материалов и конструкций» на грузинском языке. Настоящее издание, сохраняющее преемственность с предыдущей книгой, переработано, дополнено и подготовлено к печати профессором С. С. Гаврюшиным, являющимся учеником II. В. Валишвили.