Mohrova kružnica — manuál
Kompletný sprievodca transformáciou rovinného stavu napätia. Od základov po praktické príklady.
Mohrova kružnica je graficko-analytická metóda na transformáciu rovinného stavu napätia v bode telesa. Vynašiel ju nemecký inžinier Christian Otto Mohr v roku 1882.
Umožňuje jednoducho nájsť hlavné napätia (σ₁, σ₂), maximálne šmykové napätie (τmax) a smer hlavných osí (θp) — teda informácie kritické pre posúdenie pevnosti konštrukcie.
Mohrovu kružnicu potrebuješ vždy, keď máš kombinované namáhanie — teda normálové aj šmykové napätia pôsobiace súčasne:
- Ohyb + šmyk v nosníku
- Dvojosová napätosť v stene nádrže
- Krútenie + ohyb hriadeľa
- Napätia v základovej pôde pod šikmým zaťažením
- Zvárané spoje s kombináciou síl
| Veličina | Symbol | Jednotka | Popis |
|---|---|---|---|
| Normálové napätie x | σx | MPa | Napätie v smere osi x. Ťah = kladné (+), tlak = záporné (−). |
| Normálové napätie y | σy | MPa | Napätie v smere osi y. Ťah = kladné (+), tlak = záporné (−). |
| Šmykové napätie | τxy | MPa | Šmykové napätie v rovine xy. Znamienko podľa konvencie (kladné = proti smeru hodinových ručičiek na kladnej ploche). |
Všetky vzorce vychádzajú z transformačných rovníc pre rovinný stav napätia (tenzor napätia 2. rádu).
Stred kružnice
Stred leží na osi σ a predstavuje priemernú hodnotu normálových napätí. Je to zároveň hydrostatická zložka napätia.
Polomer kružnice
Polomer udáva maximálne šmykové napätie a „rozptyl" napätí od strednej hodnoty. Ak R = 0, ide o hydrostatický stav (rovnaké napätie vo všetkých smeroch).
Uhol hlavných osí
Uhol θp určuje natočenie hlavných smerov oproti pôvodným osiam x, y. V hlavných smeroch je šmykové napätie nulové.
Hlavné napätia
Hlavné napätia sú extrémy normálového napätia — v týchto smeroch je šmyk nulový. Sú to body kde kružnica pretína os σ.
Maximálne šmykové napätie
Najväčší šmyk nastáva v smere natočenom o 45° od hlavných smerov. Na diagrame je to najvyšší (a najnižší) bod kružnice.
Von Misesovo (redukované) napätie je skalárna hodnota, ktorá umožňuje porovnať kombinovaný stav napätia s jednoosovou medzou klzu materiálu.
Ak σ_VM ≤ fy (medza klzu), materiál sa plasticky nedeformuje. Toto je základ podmienky HMH (Huber-Mises-Hencky), najpoužívanejšieho kritéria porušenia pre ťažné materiály (oceľ).
Diagram Mohrovej kružnice má:
- Vodorovná os σ — normálové napätie (ťah vpravo, tlak vľavo)
- Zvislá os τ — šmykové napätie
- Stred C — na osi σ, hodnota (σx+σy)/2
- σ₁ — pravý priesečník s osou σ (maximálne hlavné napätie)
- σ₂ — ľavý priesečník s osou σ (minimálne hlavné napätie)
- τmax — najvyšší bod kružnice
- Bod X — (σx, τxy) — pôvodný stav na ploche kolmej na x
- Bod Y — (σy, −τxy) — pôvodný stav na ploche kolmej na y
Zadanie: V bode nosníka pôsobí σx = 80 MPa, σy = −40 MPa, τxy = 30 MPa.
Krok 1 — Stred
Krok 2 — Polomer
Krok 3 — Hlavné napätia
Krok 4 — Maximálny šmyk
Krok 5 — Uhol hlavných osí
Krok 6 — Von Mises
- Zámena znamienok: Ťah = kladné, tlak = záporné. Ak zamieňaš, dostaneš nesprávne hlavné napätia.
- Šmyk so zlým znamienkom: Konvencia musí byť konzistentná. Pozri si na element, akým smerom šmyk pôsobí.
- Zamieňanie θ a 2θ: Na kružnici sú uhly dvojnásobné. Ak chceš natočenie v telese, deľ dvomi.
- Aplikovanie na 3D: Táto metóda je pre rovinnú napätosť. V 3D treba riešiť 3 hlavné napätia z kubickej rovnice.
- Brdička, M. — Mechanika kontinua
- Šejnoha, J. — Pružnost a pevnost
- Höschl, C. — Pružnost a pevnost ve strojírenství
- Gere, J.M., Goodno, B.J. — Mechanics of Materials
- Beer, Johnston, DeWolf — Mechanics of Materials