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Aufgabe:

Das dargestellte System besteht aus zwei Stäben des gleichen elasto-plastischen Materials mit unterschiedlichen Querschnitten.

a) Bei welcher Kraft Fmax F_{\max } und in welchem Stab wird die Fliefspannung σf \sigma_{f} zuerst erreicht?

b) Bei welcher Kraft fliefen beide Stäbe?

c) Wie groß ist die Verschiebung umax u_{\max } von C \mathrm{C} im Fall a)?

 Geg :  E1=E2=EA1=AA2=2AσF, \begin{array}{l}\text { Geg: } \\ E_{1}=E_{2}=E \\ A_{1}=A \\ A_{2}=2 A \\ \sigma_{F}, \ell\end{array}

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Antwort mit KI erzeugt

Fließgrenze ermitteln

Um die Fragen zu beantworten, müssen wir die Eigenschaften beider Stäbe detailliert betrachten und verstehen, wie die mechanischen Spannungen in den Stäben aufgrund der angelegten Kraft FF wirken.

a) Bei welcher Kraft FmaxF_{\max} und in welchem Stab wird die Fließspannung σFσ_{F} zuerst erreicht?

Die Spannung in einem Stab wird durch die Formel σ=FAσ = \frac{F}{A} bestimmt, wobei σσ die Spannung, FF die Kraft und AA die Querschnittsfläche ist.

Da Stab 2 eine doppelte Querschnittsfläche von Stab 1 hat (A2=2AA_2 = 2A), wird er bei derselben Kraft nur die Hälfte der Spannung von Stab 1 erfahren. Daher erreicht Stab 1 zuerst die Fließspannung σFσ_{F}.

Die Kraft FmaxF_{\max}, bei der die Fließspannung zuerst in Stab 1 erreicht wird, kann durch Umstellung der Spannungsformel bestimmt werden:
Fmax=σFA1=σFAF_{\max} = σ_{F} \cdot A_1 = σ_{F} \cdot A

b) Bei welcher Kraft fließen beide Stäbe?

Um die Kraft zu bestimmen, bei der beide Stäbe fließen, nutzen wir wieder die Spannungsformel. Da beide Stäbe aus dem gleichen Material sind, müssen wir nach der Kraft FF suchen, die in beiden Stäben die gleiche Spannung σFσ_{F} erzeugt.

Für Stab 2 gilt:
σF=FA2=F2Aσ_{F} = \frac{F}{A_2} = \frac{F}{2A}

Um die Fließspannung in beiden Stäben zu erreichen, muss die Kraft FF folgendermaßen sein:
F=σFA2=σF2AF = σ_{F} \cdot A_2 = σ_{F} \cdot 2A

Daher ist die Kraft, bei der beide Stäbe fließen, F=σF2AF = σ_{F} \cdot 2A.

c) Wie groß ist die Verschiebung umaxu_{\max} von C\mathrm{C} im Fall a)?

Die Verschiebung in einem Stab, der elasto-plastisch verformt wird, kann bei Erreichen der Fließgrenze durch Betrachtung des elastischen Bereiches bestimmt werden, da die Dehnung im plastischen Bereich nicht mehr linear abhängig von der Kraft ist und ohne spezifische plastische Eigenschaften schwierig direkt zu berechnen ist. Die Dehnung (εε) im elastischen Bereich bis zur Fließgrenze ergibt sich aus:

ε=σEε = \frac{σ}{E}

Die Längenänderung (Verschiebung uu) für Stab 1, der die Länge \ell hat, bis zur Fließgrenze, kann mit folgender Formel berechnet werden:
u=ε=σFE=FmaxAEu = ε \cdot \ell = \frac{σ_{F}}{E} \cdot \ell = \frac{F_{\max}}{A \cdot E} \cdot \ell

Setzen wir Fmax=σFAF_{\max} = σ_{F} \cdot A aus Teil a) in diese Gleichung ein:
umax=σFAAE=σFEu_{\max} = \frac{σ_{F} \cdot A}{A \cdot E} \cdot \ell = \frac{σ_{F}}{E} \cdot \ell

Zusammenfassend haben wir:

- a) Die Kraft Fmax=σFAF_{\max} = σ_{F} \cdot A, bei welcher Stab 1 zuerst die Fließgrenze erreicht.
- b) Beide Stäbe fließen bei der Kraft F=σF2AF = σ_{F} \cdot 2A.
- c) Die maximale Verschiebung von C im Fall a) ist gegeben durch umax=σFEu_{\max} = \frac{σ_{F}}{E} \cdot \ell.
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