TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA FÖR I2 MHA 051. 6 april 2002 08.45 13.45 (5 timmar) Lärare: Anders Ekberg, tel 772 3480



Relevanta dokument
Tentamen i Hållfasthetslära för I2

Institutionen för tillämpad mekanik, Chalmers tekniska högskola TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA F MHA AUGUSTI 2010

K-uppgifter Strukturmekanik/Materialmekanik

Tentamen i Hållfasthetslära för I2 MHA 051

Institutionen för tillämpad mekanik, Chalmers tekniska högskola TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA F MHA AUGUSTI 2014

Tentamen i Hållfasthetslära för K4 MHA 150

BISTEEX SL ÖVNINGSEXEMPEL I STÅLBYGGNAD FÖR BYGG- INGENJÖRSUTBILDNINGEN VID CTH

Belastningsanalys, 5 poäng Balkteori Deformationer och spänningar

Rättningstiden är i normalfall tre veckor, annars är det detta datum som gäller:

Tentamen i Hållfasthetslära för K4 MHA 150

NATIONELLT PROV I MATEMATIK KURS E HÖSTEN 1996

Institutionen för tillämpad mekanik, Chalmers tekniska högskola TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA F MHA JUNI 2014

P R O B L E M

Frågorna 1 till 6 ska svaras med sant eller falskt och ger vardera 1

Tentamen i Optik för F2 (FFY091)

Innehållsförteckning

Tillåtna hjälpmedel: Physics Handbook, Beta, kalkylator i fickformat, samt en egenhändigt skriven A4-sida med valfritt innehåll.

Tentamen MF1039 DoP Komponenter

Plannja Lättbalk Teknisk information

Rapport LUTFD2/TFHF-3089/1-16/(2013) Föreläsningsexempel i Teknisk mekanik

TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA FÖR F (MHA081)

Tentamen i Hållfasthetslära AK

Hållfasthetslära. VT2 7,5 p halvfart Janne Färm

TAOP88/TEN 1 OPTIMERING FÖR INGENJÖRER

CRAMO INSTANT STATISKA BERÄKNINGAR MODULTYP C40 KARLSTAD Tommy Lindvall

Bestämning av hängarkrafter i några av hängarna på Höga Kusten-bron

TENTAMEN I KURSEN DIMENSIONERING AV BYGGNADSKONSTRUKTIONER

TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA FÖR I1 MME januari (5 timmar) Lärare: Lars Sonnerup, tel:

LABORATIONSHÄFTE NUMERISKA METODER GRUNDKURS 1, 2D1210 LÄSÅRET 03/04. Laboration 3 3. Torsionssvängningar i en drivaxel

LÖSNING

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

TAOP61/TEN 1 OPTIMERING AV REALISTISKA SAMMANSATTA SYSTEM. Tentamensinstruktioner. När Du löser uppgifterna

Tentamen i Hållfasthetslära AK2 för M Torsdag , kl

Biomekanik Belastningsanalys

TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA FÖR F (MHA081)

En ideal op-förstärkare har oändlig inimedans, noll utimpedans och oändlig förstärkning.

Betongkonstruktion Facit Övningstal del 1 Asaad Almssad i samarbete med Göran Lindberg

Grundläggande maskinteknik II 7,5 högskolepoäng

TENTAMEN I KURSEN BYGGNADSMEKANIK 2

Biomekanik, 5 poäng Moment

LÖSNINGAR. TENTAMEN i Hållfasthetslära grk, TMHL07, kl DEL 1 - (Teoridel utan hjälpmedel)

Lektionsanteckningar 2: Matematikrepetition, tabeller och diagram

Möjligheter och begränsningar hos höghållfasta stål

TENTAMENSUPPGIFTER I ELEKTROTEKNIK MED SVAR

Tenta Elektrisk mätteknik och vågfysik (FFY616)

Teknisk handbok Bärankarsystem

7,5 högskolepoäng. Provmoment: tentamen Ladokkod: TT081A Tentamen ges för: Högskoleingenjörer årskurs 1. Tentamensdatum: Tid:

Institutionen för tillämpad mekanik, Chalmers tekniska högskola TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA F MHA MAJ 2011

Kortfattad sammanfattning av studenternas synpunkter och förslag

LATHUND FÖR LASTSÄKRING

Hållfasthetslära. Böjning och vridning av provstav. Laboration 2. Utförs av:

Hjälpmedel: Tore Dahlbergs formelsamling, TeFyMa eller någon annan liknande fysik- eller matematikformelsamling, valfri miniräknare, linjal, passare

50 poäng. Allmänna anvisningar: <Hjälptext: Frivilligt fält. Skriv här ytterligare information som studenterna behöver>

Institutionen för tillämpad mekanik, Chalmers tekniska högskola TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA KF OCH F MHA JUNI 2016

Kompletterande lösningsförslag och ledningar, Matematik 3000 kurs A, kapitel 6

Hållfasthetslära Sammanfattning

Kunna beräkna medelantal kunder för alla köer i ett könät med återkopplingar. I denna övning kallas ett kösystem som ingår i ett könät oftast nod.

Uppvärmning, avsvalning och fasövergångar

Kranar. Allmänt om kranar

Monteringsinstruktion

TENTAMENSUPPGIFTER I ELEKTROTEKNIK

EN 1993 Dimensionering av stålkonstruktioner. Inspecta Academy

TENTAMEN I KURSEN DIMENSIONERING AV BYGGNADSKONSTRUKTIONER

Låt eleverna öva på att dra slutsatser om textens handling genom att leta ledtrådar i texten.

T Pac2 standard för mikrokapslad gänglåsning Dri-Loc Dimension och provningsspecifikationer

Kapacitansmätning av MOS-struktur

Bygga hus med LECA-stenar

Tentamensskrivning i Mekanik (FMEA30) Del 1 Statik och partikeldynamik

NpMaD ht Anvisningar. Grafritande räknare och Formler till nationellt prov i matematik kurs C, D och E.

Övningar för finalister i Wallenbergs fysikpris

KONSTRUKTIONSTEKNIK 1

Karlstads universitet 1(7) Byggteknik

Lärobok, föreläsningsanteckningar, miniräknare. Redovisa tydligt beräkningar, förutsättningar, antaganden och beteckningar!

Institutionen för tillämpad mekanik, Chalmers tekniska högskola TENTAMEN I HÅLLFASTHETSLÄRA F MHA APRIL 2015

Tentamen i Hållfasthetslära AK

Linnéuniversitetet. Naturvetenskapligt basår. Laborationsinstruktion 1 Kaströrelse och rörelsemängd

Belastningsanalys, 5 poäng Balkteori Moment och tvärkrafter. Balkböjning Teknisk balkteori Stresses in Beams

Enda tillåtna hjälpmedel är papper, penna, linjal och suddgummi. Skrivtid 4 h. OBS: uppgifterna skall inlämnas på separata papper.

Tentamen i Hållfasthetslära gkmpt, gkbd, gkbi, gkipi (4C1010, 4C1012, 4C1035, 4C1020) den 13 december 2006

1. Ett material har dragprovkurva enligt figuren.

Mekanik III, 1FA103. 1juni2015. Lisa Freyhult

Lösningar/svar till tentamen i MTM113 Kontinuumsmekanik Datum:

TENTAMEN I FÖRDJUPNINGSKURS I BYGGKONSTRUKTION

Exempel. Inspecta Academy

SKOLPORTENS NUMRERADE ARTIKELSERIE FÖR UTVECKLINGSARBETE I SKOLAN. Bilagor

Tentamen i Mekanik Statik

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Kortfattade lösningsförslag till tentamen , kl

GLH FÖRTAGNINGSSYSTEM FÖR BETONGKONSTRUKTIONER

Tentamen i Mekanik Statik TMME63

Laboration i Maskinelement


TENTAMEN I FÖRDJUPNINGSKURS I BYGGKONSTRUKTION

Eurocode Software AB. CAEBBK04 Sprickbredd. Användarmanual

Statik. Nåväl låt oss nu se vad som är grunderna för att takstolsberäkningen ska bli som vi tänkt.

Byggnader som rasar växande problem i Sverige. Dimensionering av byggnadskonstruktioner

Ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Tentamen den 22 mars 2003 Elkraftteknik och kraftelektronik TEL202

Textil mekanik och hållfasthetslära. 7,5 högskolepoäng. Ladokkod: 51MH01. TentamensKod: Tentamensdatum: 12 april 2012 Tid:

CAETRA10 Balkpelare trä

24 oktober 2007 kl. 9 14

Transkript:

2002-04-04:anek TENTAMEN I HÅFASTHETSÄRA FÖR I2 MHA 051 6 april 2002 08.45 13.45 (5 timmar) ärare: Anders Ekberg, tel 772 3480 Maximal poäng är 15. För godkänt krävs 6 poäng. AMÄNT Hjälpmedel 1. äroböcker i hållfasthetslära och mekanik. 2. Handböcker, formelsamlingar, elementarfall och sammanfattningsblad i hållfasthetslära, matematik och fysik. Dock ej sammanfattningar med lösta exempel eller OH-kopior från de avslutande föreläsningarna om avancerad hållfasthetslära. 3. Ordböcker och språklexikon. Alla medtagna böcker måste vara skrivna på svenska, engelska eller tyska; de får innehålla normala marginalanteckningar (inklusive omskrivningar av ingående formler), men inga lösningar till problemuppgifter. ösa anteckningar, varken handskrivna eller tryckta, är inte tillåtna. Undantaget är uppkopierade elementarfall, 4. Miniräknare med tangentbord och sifferfönster i en enhet (periferienheter, såsom t.ex skrivare och bandspelare, tillåts inte). Vid tveksamma fall: kontakta skrivningsvakten innan hjälpmedlet används. ärare Anders Ekberg, tel 772 3480 ösningar Anslås på anslagstavlan vid ingången till institutionens lokaler (2a våningen i södra trappuppgången, nya maskinhuset) senast måndagen den 8/4. Dessutom läggs de ut på kursens hemsida. Betygsättning En fullständig och korrekt lösning på en uppgift ger poäng enligt vad som anges på uppgiftslappen. Smärre fel leder till poängavdrag. Ofullständig lösning, många fel, eller metodfel leder till att uppgiften inte ger något poäng. Normalt görs en helhetsbedömning när skrivningen poängsätts; en snäll bedömning av en lösning kan kompenseras av en hårdare bedömning på en annan. Maximal poäng på tentan är 15 och betygsgränserna är enligt följande: 6-8 poäng ger betyg 3 9-11 poäng ger betyg 4 12-15 poäng ger betyg 5 Resultatlista Anslås på samma ställe som lösningarna senast fredagen den 26/4, 2002. Granskning Måndag den 29/4 kl. 12.00. Plats meddelas på kursens hemsida samt på rättningslistor (p.g.a. ombyggnad i institutionens lokaler) Tänk på: Uppgifterna är inte ordnade efter svårighetsgrad välj ut de uppgifter du tycker att du behärskar och börja med dessa. Ange varifrån du hämtar de ekvationer som används. Om du gör antaganden utöver vad som anges i uppgiftstexten: förklara dessa. Bedöm om möjligt rimligheten i dina lösningar. Om du tycker resultatet verkar orimligt, men inte kan hitta några fel i lösningen eller tror att du räknat rätt, så påpeka detta. Kontrollera dimensionen i dina svar en lösning med fel dimension i svaret ger normalt inga poäng. Skriv så att den som ska rätta kan läsa (d v s skriv tydligt) och ge förklaringar så att beräkningarna går att följa. Rita tydliga figurer; det måste framgå vad som är positiva/negativa riktningar på krafter, förskjutningar, etc. Om du inte gjort det innan, fyll i kursenkäten! Den finns på kursens hemsida: www.solid.chalmers.se/anek/teaching/i2/

UPPGIFTER 1. En struktur består av en konsol, A-B och en pelare B-C enligt figur 1. En last, P angriper i punkten B. När belastningen ökar sluts det lilla gapet δ = Ú 10 mellan konsolen och pelaren. När belastningen P ökas ytterligare knäcks pelaren B-C. Din uppgift är att beräkna övre och undre gräns för kraften P då pelaren B-C knäcks! Uttryck svaret i givna storheter. (3p) edning: Försumma inverkan av konsolens och pelarens vikt, samt axialdeformationer i pelaren före knäckning! Knäcklasten varierar beroende av vilken friktion som finns mellan pelare och konsol i punkten B. A figur 1 Kontrollutrustning bestående av en konsol (med applicerad punktlast), samt en pelare. ösning 1: Elementarfall 3 ger nedböjningen av konsoländen som P 3 3δ δ = --------- P = ----------- (1) 3 3 Knäckning som Euler 1 vid friktionsfri kontakt vid den kritiska lasten π 2 P E1 = ----------- (2) 4 2 vilket ger den kritiska lasten för strukturen som P kr = ----- 2 π 2 ----- 4 3δ + ----- (3) Vid oänlig friktion fås Euler 3, med den kritiska lasten P E3 2 2.05 π = -------------------------- 2 B C P δ (4) vilket ger kritisk last för strukturen som 2 3δ P kr = ----- (5) 2 2.05 π + ----- Sätt nu δ = Ú 10 och uttryck intervallet för den kritiska lasten ----- π 2 3 2 ----- + ----- 2 3 P 4 10 kr ----- 2 2.05 π + ----- 10 eller P kr 2 2.77 ------------------ 20.53 (6) (7) 2. Ett material har en flytgräns vid enaxligt drag som är 100 MPa. a) Materialet belastas nu i ren vridning. Vid vilken skjuvspänning, τ = τ flyt kan man förvänta sig att materialet plasticerar enligt von Mises kriterium? (1p) b) Materialet belastas nu även med en hydrostatisk spänning, σ x = σ y = σ z = 30 MPa, utöver skjuvspänningen från vridningen. Vid vilket τ kan man förvänta sig att materialet plasticerar enligt Trescas kriterium? (2p) ösning 2: a) Vid enaxligt drag med σ = σ s fås effektivspänningarna enligt von Mises och Tresca som σ evm = σ etr = σ s Vid ren vridning fås spänningstensorn 0 τ 0 σ ij = τ 00 000 (8) (9) (här är koordinatsystemet cylindriskt och τ svarar mot omkretsled, men det spelar ingen roll för fortsättningen). von Mises effektivspänning vid ren vridning är σ evm = 3τ (10) Plasticitet fås då denna uppgår till den effektiva flytspänningen, d.v.s. 3τ = σ s τ = d.v.s. τ = 58 σ s ------ 3 MPa. (11) 2 (5)

b) Dela upp spänningstensorn i två delar (en deviatorisk och en volymetrisk om man skall vara noggrann) σ ij = = σ ij, dev + σ ij, vol 0 τ 0 τ 00 000 + 30 0 0 0 30 0 0 0 30 (12) För den volymetriska delen blir effektivspänningen σ etr = 0 och för den deviatoriska delen blir den (beräkna t.ex. huvudspänningarna m.h.a. Mohr s spänningscirkel): σ etr = τ ( τ) = 2τ vilket ger plasticering då 2τ = σ s τ = σ s Ú 2 (13) (14) d.v.s. τ = 50 MPa. (Naturligtvis kan man även lösa detta genom att sätta upp spänningstensorn och beräkna huvudspänningar och Trescaspänning, men det är mycket knöligare.) 3. En drivaxel har dimensioner enligt figur 2. Axeln roterar 500 varv per minut. Axeln är gjord av stål ( E = 210 GPa, ν = 0.3 ). a) Hur stor effekt P [W] kan överföras av axeln om tillåten skjuvspänning är 150 MPa och tillåten förvridningsvinkel per längdenhet är ϕ Ú = 0.05 [rad/m]? (1p) b) Ett plaströr ( E = 25 GPa, ν = 0.3 ) med en tjocklek av m sätts nu utanpå stålröret (fullständigt fixerat till stålröret). Vilken effekt, P, kan nu tillåtas om maximal tillåten förvridningsvinkel per längdenhet fortsatt är ϕ Ú = 0.05 [rad/m]? (2p) Observera! Antag lineärt elastiskt material och notera att det här inte ges något krav på spänningsnivån. plaströr i uppg. b M v M v d D ösning 3: a) Ur läroboken fås maximal skjuvspänning som 2M v ( D Ú 2) τ max = -------------------------------------- π --- D 2 4 d -- 2 4 Detta ger vridmomentet som π( D 4 d 4 ) M v = --------------------------τ 16D max med numeriska värden fås (15) (16) π( 0.04 4 0.02 4 ) M v, max = ---------------------------------------- (17) 16 0.04 150 10 6 d.v.s. M v, max = 1.77 knm. Förvridningsvinkel per längdenhet fås som ϕ -- 2M v = ------------------------------------------- Gπ --- D 2 4 d -- 2 4 Detta ger vridmomentet som ϕ Eπ( D 4 d 4 ) M v = -- ------------------------------ 21 ( + ν) 32 och med numeriska värden (18) (19) 210 109π( 0.04 4 0.02 4 ) M v, max = 0.05 ---------------------------------------------------------------- (20) 21 ( + 0.3) 32 d.v.s. M v, max = 0.95 knm. Förvridningsvinkeln är alltså dimensionerande och maximal effekt fås som P max M 2πn v, max --------- 2π 500 = = 0.95 ------------------- 60 60 d.v.s. P max = 49.8 kw. (21) b) Strukturen är nu statiskt obestämd. Vi vet dock att det sammansatta röret vrids ϕ Ú = 0.05 [rad/m]. Enligt a-uppgiften vet vi att stålröret då tar upp vridmomentet M v, max = 0.95 knm. Det vridande moment som plaströret tar upp ges av ekvationen för förvridningsvinkeln hos ett tunnväggigt rör: figur 2 Drivaxel i längs- och tvär-sektion. Dimensioner är D = 40 mm och d = 20 mm. Axeln är belastad med ett vridande moment p.g.a. drivningen. ϕ -- M v = ----------------------------------- 2Gπ --- D t + -- 3 t 2 2 vilket ger (22) 3 (5)

M v = ϕ 2Gπ( D+ t) 3 t -- --------------------------------- 8 och med insatta värden (23) Vertikal jämvikt ger R A = 1000 + 1000 1750 = 250 N (28) Detta ger ett tvärkraftsdiagram enligt: 2 25 109π( 0.042) 3 0.002 M v = 0.05 ---------------------------------------------------------------------- 8 2( 1+ 0.3) vilket ger M v = 56 Nm Totala vridande momentet blir då (24) M v, tot = 952 + 56 = 1.01 knm (25) vilket motsvarar en effekt av P max M 2πn v, tot --------- 2π 500 = = 1.01 ------------------- (26) 60 60 vilket är P max = 52.9 kw (en ökning med ca 6%) 4. En träbalk med tvärsnitt och belastning enligt figur 3 är uppbyggd av 20 mm tjocka brädor sammanfogade med spikar. Spikarna har en diameter av d = 5 mm. De är satta med ett centrumavstånd s. Bestäm det maximala centrumavståndet, s, om medelskjuvspänningen (över spiktvärsnittet) ej får överstiga τ till = 20 MPa i någon sektion av balken! (3p) s 1000 N 150 500 N/m [mm] 250 1000 750 Maximala tvärkraften blir alltså T max = 1000 N. (Vi kan naturligtvis räkna ut böjmoment också, men dessa behövs ej). Sektionskonstanterna fås enligt: 0.2 3 0.15 0.16 3 0.11 I = ------------------------ --------------------------- = 6.25 10 5 (29) 12 12 (rektangulärt tvärsnitt med centrerat rektangulärt hål) S A = 0.02 0.11 ( 0.1 0.01) = 1.98 10 4 Där detta statiska moment gäller för arean nedan: A* (30) A b τ s Skjuvspänning i spikförbandet figur 3 Belastad träbalk och tvärsektion. ösning 4: Statiskt bestämd struktur; frilägg och beräkna stödreaktionerna. Momentjämvikt runt vänstra stödet ger vilket ger R B = 1750 N. 20 200 1000 2 R B 4 + 500 2 5 = 0 (27) Skjuvspänningen fås som S A τ T 1 = ------------ -- (31) Ib 2 där 1Ú 2 kommer av att vi har två snitt (alternativt snittar man från mitten där skjuvspänningen är noll p.g.a. symmetri och får ett snitt och halva arean). Tvärkraften som verkar på varje spik blir (se figur) S A F spik = τbs = ------------ T s 2I Medelskjuvspänningen i spiken blir (32) 4 (5)

F spik τ spik, med = ------------ = A spik S A T s ------------ -------------- 2Ib 2 πr spik (33) Sätt τ spik, med = τ till och lös ut s 2 I τtill 2 s till = ---------------------- S A T πr spik (34) vilket med numeriska värden ger 2 20 10 6 6.25 10 5 s till = ------------------------------------------------------------ 1.98 10 4 π 0.0025 2 1000 och s till = 0.25 m. (35) 5. a) Ge en hållfasthetsmässig motivering till varför man bör sträva efter att bygga bilar så att deformationerna i motorutrymmet blir så stora som möjligt vid en frontalkrock! (1p) (Naturligtvis bör däremot deformationerna i passagerarutrymmena vara minimala.) b) Betrakta ett elastiskt idealplastiskt material med flytgräns σ s som innehåller en (ideal) spricka. En last appliceras så att sprickan belastas i mod I. Vad är spänningen precis vid sprickspetsen? Motivera! (1p) c) Betrakta en struktur med en viss egenfrekvens. Beskriv två sätt att sänka egenfrekvensen hos strukturen? (1p) ösning 5: a) Den energi som absorberas är proportionell mot deformationen hos materialet. Ju mer energi som kan absorberas i strukturen, desto mindre energi påverkar föraren. Med andra ord: bilen tar smällen och föraren klarar sig. b) Spänningen blir σ s. Detta beror på att för idealelastiska material blir spänningen vid (den ideala) sprickspetsen oändlig. Detta är teoretiskt fallet även vid oändligt låga lastnivåer. I ett elastiskt-idealplastiskt material kan dock inte spänningen bli högre än flytgränsen, d.v.s. σ s. (På grund av detta måste materialet längre bort från sprickan ta en del av den spänning som materialet alldeles vid sprickspetsen inte längre tar. Man kallar detta för att man får spänningsomlagringar.) c) Minska flexibiliteten (inklusive ta bort stöd) eller öka massan. (Normalt sänks då egenfrekvensen, men i undantagsfall kan det hända att det inte påverkar egenfrekvensen alls. I praktiken är man dock oftare intresserad av att höja egenfrekvenserna. I sådant fall gör man tvärt om.) 5 (5)