Ударним навантаженням називають навантаження, яке передається на тіло протягом малого проміжку часу і викликає значні прискорення в тілі, що зазнає удару.
Розрахунок на дію ударного навантаження проводиться у так званій технічній теорії удару, в основу якої покладені такі припущення:
1.Під час удару виникають тільки пружні деформації, тобто після припинення дії ударного навантаження тіло повертає свої початкові форму і розміри.
2.Для ударного навантаження матеріалу розраховуваного елемента конструкції дійсний закон Гука.
3. Удар вважають абсолютно непружним, тобто ударний вантаж після удару не відскакує від пружної системи, а продовжує в процесі дії деформації рухатися разом з нею.
4.Маса пружної системи, яка приймає удар, мала порівняно з масою ударного тіла, і тому масою пружної системи можна нехтувати.
5.Робота падаючого (ударного) тіла повністю переходить у потенціальну енергію деформації елемента конструкції, який сприймає дію удару.
На основі цих припущень визначимо напруження і деформації, що виникають у стержневих елементах при ударі.
Поздовжній удар
Розглянемо систему, яка складається з вертикального пружного стержня і вантажу Q, який падає на цей стержень (рис. 14.1, а).
Розглянемо два випадки:
1) вантаж Q прикладається до стержня статично і стискає стержень на величину (рис. 14.1, б);
2) вантаж падає на стержень з висоти к і стискає стержень на величину (рис. 14.1, в).
Зміна деформації стержня при ударному навантаженні Q порівняло з деформацією при статичній дії сили Qхарактеризується коефіцієнтом динамічності
(14.1)
З фізичних міркувань очевидно, що кд > 1.
Враховуючи лінійний зв'язок між напруженнями і деформаціями по аналогії з формулою (14.1) одержимо
(14.2)
де
(14.3)
— напруження, що виникає в стержня при статичній дії сили Q.
За законом Гука
; (14.4)
На основі закону збереження енергії робота, яку виконує вантаж під час падінні дорівнює потенціальній енергії деформації стержня:
(14.5)
де Nд — найбільша величина динамічної сили при ударі.
З (14.4) визначаємо і підставляємо в (14.5)
;
або
; (14.6)
Одержаний вираз перепишемо так
(14.7)
Звідси знаходимо динамічну деформацію
(14.8)
Так як знак мінус не відповідає фізичному змісту задачі, то в (14.8) беремо знак плюс.
Оскільки h = (V — швидкість вантажу в момент удару), то коефіцієнт динамічності можна визначати ще так:
(14.10)
Звернемо увагу, що при h = 0, тобто, коли сила прикладається миттєво, то з (14.9) або з (14.10) одержимо kд= 2. Отже, при динамічному навантаженні стержня переміщення, зусилля і напруження у два рази більше від відповідних статичних величин.
Використовуючи формулу (14.2), визначимо динамічні напруження при ударі
. (14.11)
Поперечний удар
При поперечному ударі залишаються чинними формули (14.9-14.11), одержані для поздовжнього удару, якщо в них під розуміти статичний прогин балки.
Наприклад, при ударному навантаженні силою Q, що падає з висоти h на кінець балки (рис. 14.2), будемо мати
де kд обчислюється за формулою (14.9), а , наприклад, за способом Верещагина
Крутильний удар
Крутильний удар може виникнути, наприклад, під час раптового гальмування обертового руху валів із закріпленими на них маховиками, шківами тощо. Нехай вал довжиною l, на кінці якого закріплений маховик з масою m, обертається з кутовою швидкістю . При раптовому гальмуванні кінця А парою сил з моментом М на його другому кінці виникне пара сил з моментом такої ж величини і зворотного напрямку, викликана силою інерції маховика. Ці пари сил раптово закручують вал (рис. 14.3).
Умова збереження енергії
T0=Uд (14.12)
Для обертового руху маємо
Т0= (14.13)
де — динамічний момент інерції маховика (масою вала нехтуємо).
Потенціальна енергія деформації кручення для вала круглого перерізу
(14.14)
де GIр — жорсткість вала при крученні.
Підставляючи (14.13) і (14.14) в (14.12), одержуємо рівняння для визначення Мд
(14.15)
Якщо маховик має вигляд циліндра з масою m і радіусом R, то
За відомим динамічним крутним моментом Мд можна знайти максимальне дотичне напруження та динамічний кутзакручування