Bài 01
Sinh viên hãy lập trình hướng đối tượng bằng C++ thực hiện các việc sau:
- Xây dựng lớp PhuongTienGiaoThong [phương tiện giao thông]:
+] Thuộc tính: Hãng sản xuất [chuỗi ký tự], Tên phương tiện [chuỗi ký tự], Năm
sản xuất [số nguyên], Vận tốc tối đa [float].
+] Phương thức: Hàm thiết lập, hàm nhập, hàm xuất.
- Xây dựng lớp OTo [ô tô] kế thừa lớp PhuongTienGiaoThong bổ sung thêm:
Thuộc tính: Số chỗ ngồi [int], Kiểu động cơ [chuỗi ký tự].
Phương thức:
- Hàm thiết lập, hàm huỷ bỏ, hàm nhập, hàm xuất.
- Vận tốc cơ sở: được tính bằng vận tốc tối đa chia cho số bánh.
- Nạp chồng toán tử < [phương tiện giao thông có 0 : chu trình không đối xứng cùng dấu [âm hoặc dương]. Có thể xem chu trình mạch động là trường hợp đặc biệt của chu trình không đối xứng cùng dấu, trong đó một giới hạn của ứng suất có giá trị bằng 0. Hình 1.2: Phân loại chu trình ứng suất theo hệ số tính chất chu trình +Phân loại theo tính chất thay đổi của của biên độ và ứng suất trung bình: - Chu trình ứng suất ổn định: Khi cả ứng suất trung bình và biên độ ứng suất đều không thay đổi theo thời gian. - Chu trình ứng suất bất ổn định: Khi ứng suất trung bình, hoặc biên độ ứng suất, hoặc cả hai đều thay đổi theo thời gian. Chú ý rằng, máy có thể làm việc ổn định [ở chế độ bình ổn] hoặc không ổn định [ở chế độ không bình ổn] do đó ứng suất trong chi tiết máy có thể thay đổi ổn định hoặc thay đổi bất ổn định. c- Ứng suất tiếp xúc Ứng suất tiếp xúc là ứng suất sinh ra trên bề mặt tiếp xúc chung khi các chi tiết máy trực tiếp tiếp xúc nhau và có tác dụng tương hỗ đối với nhau. Cần phân biệt hai trường hợp: tiếp xúc trên diện tích tích rộng và tiếp xúc trên diện tích hẹp. Khi hai vật thể tiếp xúc với nhau trên diện tích tương đối rộng, ứng suất sinh ra vuông góc với bề mặt tiếp xúc và được gọi là ứng suất dập hoặc áp suất. Để đơn giản, coi áp suất phân bố đều trên bề mặt tiếp xúc. Chẳng hạn tại bản lề [hoặc ổ trượt] đường kính d, chiều dài l, chịu tải hướng kính F gây ra áp suất po phân bố đều trên nửa mặt trụ đối ứng với lực F [hình 1.3]. Từ điều kiện cân bằng lực: r > 0 r =1[0] r < 0 r =- 1 r = 0 r = -
25. ứng suất dập sẽ được xác định như sau: ld F pd 0 [1.1] Khi hai vật thể tiếp xúc với nhau trên một diện tích rất nhỏ: khi mới bắt đầu tiếp xúc là đường -hay gọi là tiếp xúc đường- như khi ép hai hình trụ hay hình trụ với mặt phẳng; hoặc khi mới bắt đầu là điểm - hay gọi là tiếp xúc điểm - như khi ép hai hình cầu hay hình cầu với mặt phẳng. Ứng suất pháp tuyến ở vùng này phân bố theo hình parabon trong mặt cắt ngang của dải tiếp xúc. Giá trị lớn nhất của ứng suất nén này được gọi là ứng suất tiếp xúc, ký hiệu là H và được xác định theo lý thuyết của Héc. Việc áp dụng các công thức của Héc đòi hỏi vật thể [tiết máy] phải thoả mãn các điều kiện sau: - Vật liệu đồng nhất và đẳng hướng; - Vật liệu làm việc trong vùng giới hạn đàn hồi, biến dạng tuân theo định luật Húc; - Diện tích tiếp xúc rất nhỏ so với bề mặt vật thể; - Lực tác dụng có phương pháp tuyến chung của hai bề mặt tiếp xúc. Trường hợp tiếp xúc đường [hai hình trụ tiếp xúc nhau - hình1.4a]: - Vùng tiếp xúc có dạng hình chữ nhật. - Ứng suất tiếp xúc tính theo công thức Héc: 2 q Z H MH [MPa] [1.2] Trong đó, ZM – hằng số đàn hồi của vật liệu các vật thể tiếp xúc: ]]1[E]1[E[ EE2 Z 2 21 2 12 21 M , Với, E1, E2 và 1 , 2 là mô đun đàn hồi và hệ số Poat xông của vật liệu hình trụ 1 và 2 [MPa]; là bán kính cong tương đương: 12 21 [mm]; Trong đó, 1 , 2 là bán kính cong tại đường tiếp xúc ban đầu của vật thể thứ 1 và thứ 2 [mm]. Công thức trên lấy dấu + khi tiếp xúc ngoài, lấy dấu – khi tiếp xúc trong. Với vật liệu là kim loại [gang, thép, đồng thanh...] hệ số Poát xông = 0,25 0,35, nếu lấy trung bình = 0,3 thì công thức [1.2] có dạng : EqH H 418,0 [ MPa] [1.2.3] với, E là mô đun đàn hồi tương đương, được xác định theo công thức sau: 21 21 EE EE2 E Trường hợp tiếp xúc điểm [hai hình cầu tiếp xúc [hình.1.4b] hoặc hình cầu tiếp xúc với mặt phẳng]: - Vùng tiếp xúc có dạng hình tròn; - Ứng suất tiếp xúc tính theo công thức Héc: Hình1. 4: Sơ đồ tính toán ứng suất tiếp xúc a] Ttiếp xúc đường b] Tiếp xúc điểm Fn Hình 1.3: Sơ đồ tính ứng suất dập26. [1.4] Chú ý: Công thức [1.4] sử dụng khi vật liệu của hai chi tiết là kim loại. 1.4.3. Quan hệ giữa tải trọng và ứng suất Trong điều kiện làm việc cụ thể của chi tiết máy, cùng một loại tải trọng tác dụng [không đổi hoặc thay đổi] có thể gây nên các loại ứng suất rất khác nhau: ứng suất có thể là không đổi, có thể là thay đổi theo thời gian; có thể gây ra ứng suất trên bề mặt, có thể gây ra ứng suất bên trong chi tiết. Vì vậy, khi tính toán phải xem xét phân tích cho từng trường hợp cụ thể. Các yếu tố tải trọng và ứng suất có tác dụng quyết định đối với khả năng làm việc của chi tiết máy. Do vậy đánh giá đúng tải trọng và ứng suất là vấn đề rất quan trọng trong tính toán thiết kế và sử dụng chi tiết máy và máy.27. chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của chi tiết máy 2.1. Độ bền 2.1.1. Khái niệm Độ bền là khả năng tiếp nhận tải trọng của chi tiết máy mà không bị phá hỏng [không bị biến dạng dư quá mức cho phép hoặc không bị phá huỷ]. Độ bền là chỉ tiêu quan trọng nhất đối với phần lớn các chi tiết máy. Người ta phân biệt hai dạng phá hỏng là phá hỏng tĩnh và phá hỏng mỏi mà chúng liên quan đến độ bền tĩnh và độ bền mỏi. Phá hỏng tĩnh xảy ra khi ứng suất làm việc vượt quá giới hạn bền tĩnh của vật liệu và thường là do quá tải đột ngột gây nên. Phá hỏng mỏi là do tác dụng lâu dài của ứng suất thay đổi có giá trị vượt quá giới hạn bền mỏi của vật liệu. Tuỳ theo dạng hỏng xảy ra trong thể tích hay trên bề mặt chi tiết máy, người ta phân biệt hai loại độ bền của chi tiết máy: độ bền thể tích và độ bền bề mặt. Để tránh biến dạng dư lớn hoặc gãy hỏng, chi tiết máy cần có đủ độ bền thể tích. Để tránh phá hỏng bề mặt làm việc, chi tiết máy phải có đủ độ bền bề mặt. Khi tính toán độ bền thể tích cũng như độ bền bề mặt, ta chú ý đến tính chất thay đổi của ứng suất sinh ra trong chi tiết máy. Nếu ứng suất là không thay đổi, ta tính theo độ bền tĩnh, nếu ứng suất là thay đổi ta tính theo độ bền mỏi. 2.1.2. Phương pháp tính toán độ bền Phương pháp tính độ bền phổ biến nhất hiện nay được tiến hành theo cách so sánh ứng suất tính toán khi chi tiết máy chịu tải [ký hiệu với ứng suất pháp và với ứng suất tiếp] với ứng suất cho phép [[] và []]. Điều kiện bền được viết như sau: [] hoặc [] [2.1] với [] = lim /s hoặc [] = lim / s [2.2] Trong đó: lim , lim là ứng suất pháp và tiếp giới hạn, khi đạt đến trị số này vật liệu chi tiết máy bị phá hỏng; s là hệ số an toàn. Cũng có khi tính độ bền xuất phát từ điều kiện đảm bảo hệ số an toàn lớn hơn hoặc bằng hệ số an toàn cho phép: s [s] [2.3] 2.1.2. Tính độ bền thể tích 2.1.2. 1. Trường hợp ứng suất không đổi Tính toán theo điều kiện bền [2.1] với chú ý là lim , lim là giới hạn bền [đối với vật liệu dòn] hoặc giới hạn chảy [đối với vật liệu dẻo]. 2.1.2.2. Trường hợp ứng suất thay đổi a] Hiện tượng phá hỏng vì mỏi Khi chi tiết máy làm việc với ứng suất thay đổi đạt tới số chu kỳ đủ lớn, nó có thể bị phá hỏng một cách đột ngột. Sự phá hỏng này xảy ra ngay cả khi ứng suất sinh ra trong nó còn nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn bền tĩnh của vật liệu. Hiện tượng này thường bắt28. vết nứt rất nhỏ [vết nứt tế vi] sinh ra tại vùng chịu ứng suất lớn, theo thời gian các vết nứt này phát triển theo cả bề rộng và bề sâu, làm cho CTM bị hỏng đột ngột. Vết hỏng do mỏi gây ra trên CTM thường gồm hai vùng: vùng ngoài chứa các hạt nhỏ, mịn và vùng trong chứa các hạt thô hoặc các thớ kim loại. b] Đường cong mỏi - Giới hạn mỏi Đồ thị đường cong mỏi: Các nghiên cứu cho thấy giữa ứng suất phá hỏng CTM với số chu kỳ lặp lại tương ứng của ứng suất có quan hệ xác định. Số chu kỳ ứng suất càng lớn thì ứng suất phá hỏng CTM càng bé và ngược lại. Bằng nhiều thí nghiệm và thống kê toán học, người ta đã thiết lập được đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ứng suất [biên độ ứng suất hoặc ứng suất lớn nhất] và số chu kỳ ứng suất tương ứng mà mẫu thử có thể chịu được cho tới khi bị phá huỷ [hình 2.1]. Đồ thị này có tên là đường cong mỏi [hay còn gọi là đường cong Vêle]. Đồ thị đường cong mỏi gồm 2 phần: -Phần đường cong có phương trình: constNm [2.4] Trong đó, là ứng suất phá hỏng [giới hạn mỏi ngắn hạn] của CTM; m là bậc của đường cong mỏi; N là số chu kỳ ứng suất ứng với . -Phần đường thẳng: Khi giảm đến trị số r thì có thể tăng N khá lớn mà mẫu thử vẫn không bị hỏng vì mỏi. Quan hệ này tương ứng với phần đường thẳng song song với trục hoành đi qua điểm [r , N0] và được biểu diễn bằng phương trình: r = const. [2.5] r gọi là giới hạn mỏi dài hạn; N0 là số chu kỳ cơ sở của vật liệu [các loại thép thông thường có N0 = 106 - 108 ]. Chú ý: - Đa số kim loại màu và hợp kim của chúng không có giới hạn mỏi dài hạn, tức là đường cong mỏi không có nhánh nằm ngang. Như vậy, khi tính toán chi tiết máy làm bằng kim loại và hợp kim màu [ví dụ bánh vít], người ta dựa vào giới hạn mỏi ngắn hạn. Tuy nhiên thực nghiệm chứng tỏ rằng kim loại mầu dù làm việc với ứng suất thấp vẫn bị hỏng sau khi số chu kỳ ứng suất đã khá lớn [N > 108 ]. - Mỗi vật liệu ở chế độ nhiệt luyện nhất định có một độ bền mỏi nhất định. Đồ thị ứng suất giới hạn Đồ thị đường cong mỏi Vêle được dùng phổ biến khi tiến hành các thí nghiệm mỏi, nhưng nó không cho phép xác định các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của ứng suất trong chu trình ứng suất thay đổi không đối xứng. Chính hai trị số này mới xác định rõ trị số ứng suất thay đổi làm CTM hỏng hay không hỏng vì mỏi. Vì vậy, khi nghiên cứu về mỏi người ta thường sử dụng đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất so với ứng suất trung bình, và gọi là đồ thị ứng suất giới hạn [hình 2.2]. Miền nằm giữa hai nhánh AB và CD là những trị số ứng suất không làm hỏng chi tiết. c] Các nhân tố ảnh hưởng tới giới hạn mỏi Nk N0 k r N m .N=const Hình 2.2: Đồ thị ứng suất giới hạn Hình 2.1: Đồ thị đường cong mỏi29. được xác định bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, trong thực tế CTM có những sai khác về hình dáng, kích thước, tính chất cơ lý, đặc tính tải trọng, trạng thái ứng suất vv... Vì vậy, khi tính toán cần kể đến các ảnh hưởng này vào giới hạn mỏi đã được xác định cho mẫu thử: -Ảnh hưởng của hình dáng kết cấu: Hình dáng kết cấu có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của CTM. Dưới tác dụng của tải trọng, ở những chỗ có tiết diện thay đổi đột ngột [như vai trục, rãnh then, lỗ khoan vv... ] có sự tập trung ứng suất làm cho ứng suất thực tế lớn hơn ứng suất danh nghĩa. Ảnh hưởng đó được kể đến bằng hệ số tập trung ứng suất: Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết và xác định theo công thức: = max / , = max / Trong đó, max , max là ứng suất lớn nhất sinh ra tại nơi có tiết diện thay đổi; , là ứng suất danh nghĩa tại tiết diện đó. Trên thực tế, việc sử dụng trực tiếp các trị số và vào tính toán nhiều khi không thích hợp. Thí nghiệm chứng tỏ rằng tại chỗ tập trung ứng suất xuất hiện trạng thái căng khối và do ảnh hưởng của biến dạng dẻo nên các đỉnh nhọn ứng suất cục bộ được san bằng một phần tuỳ theo điều kiện chịu tải. Bên cạnh đó, hiệu ứng tăng bền do hiện tượng cứng nguội trên lớp bề mặt khi gia công cơ cũng có ảnh hưởng đến độ bền mỏi. Do vậy, phải dùng hệ số tập trung ứng suất thực tế [nhỏ hơn so với hệ số tập trung ứng suất lý thuyết] để đánh giá sự tập trung ứng suất. Hệ số tập trung ứng suất thực tế k và k là tỷ số giữa giới hạn mỏi của mẫu nhẵn không có tập trung ứng suất [r , r ] và giới hạn mỏi của CTM có hình dáng tập trung ứng suất [rc , rc ] được chế tạo cùng vật liệu và kích thước tiết diện như mẫu: k = r / r c , k = r / r c Các giá trị hệ số nói trên được cho trong các sổ tay tính toán CTM. - Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối: Kích thước tuyệt đối của CTM càng tăng thì giới hạn mỏi càng giảm. Nguyên nhân là do khi kích thước tăng lên thì sự không đồng đều về cơ tính vật liệu tăng lên, CTM có thể có thêm nhiều khuyết tật. Ngoài ra, khi kích thước CTM tăng lên, tỷ lệ giữa chiều dày lớp bề mặt được tăng bền nhờ nhiệt luyện hoặc gia công cơ so với kích thước tổng sẽ giảm xuống. Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối được đặc trưng bởi hệ số ảnh hưởng kích thước . Đó là tỷ số giữa giới hạn mỏi của chi tiết có đường kính d và giới hạn mỏi của mẫu có đường kính d0 [ thông thường d0 = 7 10 mm]: = r d / r do , = r d / r do Các hệ số này có trong các sổ tay tính toán CTM. - Ảnh hưởng của công nghệ gia công bề mặt: Lớp bề mặt của chi tiết máy sau khi gia công cắt gọt [tiện, phay, mài...] và gia công tăng bền [lăn ép, phun bi v.v...] có ảnh hưởng rất lớn đến giới hạn mỏi. Nguyên nhân là do: - Có các yếu tố tập trung ứng suất như các nhấp nhô, các vết xước sau gia công cơ hoặc phát sinh trong quá trình sử dụng; - Có chứa những tinh thể bị phá huỷ làm giảm sức bền ở vùng bề mặt; - Ứng suất khi chịu tải uốn, xoắn, tiếp xúc đều lớn hơn ứng suất ở lớp bên trong; - Là nơi trực tiếp chịu ảnh hưởng của môi trường. Để đánh giá ảnh hưởng của lớp bề mặt đến độ bền của chi tiết máy người ta dùng hệ số trạng thái bề mặt , là tỉ số giữa giới hạn bền mỏi của mẫu có trạng thái bề mặt như của chi tiết máy [được mài, đánh bóng hoặc tiện .., có gia công tăng bền hay không] với giới hạn mỏi của mẫu có bề mặt mài mà không được gia công tăng bền. Chú ý: bề mặt chi tiết được tăng bền thì > 1, nếu không được tăng bền thì 1. - Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất:30. đổi của ứng suất [giá trị của a , m ] ảnh hưởng đến giới hạn mỏi trong đó biên độ ứng suất là thành phần chủ yếu gây nên phá huỷ vì mỏi. Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy rằng trị số của ứng suất trung bình cũng có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy. Từ hình 2.2 ta thấy, khi ứng suất trung bình m > 0 , m càng lớn thì giới hạn biên độ ứng suất a càng nhỏ. Điều đó có nghĩa, khi m tăng thì a tuy nhỏ cũng có thể gây nên phá huỷ mỏi. Khi ứng suất trung bình m = 0 , giới hạn của biên độ ứng suất bằng giới hạn mỏi ở chu kỳ đối xứng -1 . Khi ứng suất trung bình m < 0 , a cao hơn giới hạn bền mỏi trong chu kỳ đối xứng -1 . d] Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi Để tránh cho CTM không bị hỏng vì mỏi hoặc để kéo dài tuổi thọ của nó, người ta có thể dùng các biện pháp kết cấu hoặc các biện pháp công nghệ. Các biện pháp kết cấu: Dạng hỏng vì mỏi là do CTM chịu ứng suất thay đổi. Những vết nứt do mỏi thường sinh ra ở những chỗ có tập trung ứng suất. Do vậy, khi định kết cấu của CTM cần chú ý dùng các biện pháp làm giảm tập trung ứng suất. Cụ thể như sau: - Bố trí các chỗ gây tập trung ứng suất ở xa các phần chịu ứng suất cao của CTM [nếu có thể được]. - Tại chỗ lượn chuyển tiếp giữa các bậc của CTM, cần tạo hình dạng hợp lý như dùng góc lượn tròn có bán kính lớn nhất có thể, hoặc dùng chỗ lượn có cung e - lip. - Dùng rãnh để giảm tập trung ứng suất. - Khi có rãnh then bằng, nên dùng rãnh then chế tạo bằng dao phay đĩa. - Dùng then hoa răng thân khai thay cho then hoa răng chữ nhật. - Đối với mối ghép bằng độ dôi phải vát mép mayơ hoặc tăng độ mềm của mayơ để áp suất giữa trục và mép mayơ giảm xuống, dẫn đến ứng suất trong mối ghép phân bố đều hơn v.v... Các biện pháp công nghệ: - Dùng các biện pháp nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện như tôi bề mặt, thấm than, thấm nitơ v.v... - Dùng biện pháp biến cứng nguội như lăn nén, phun bi... - Dùng các biện pháp gia công tinh bề mặt như đánh bóng, mài nghiền v.v... để giảm độ nhám bề mặt. e] Cách tính độ bền khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi ổn định Tính toán theo điều kiện bền [2.1]. Khi CTM làm việc ở chế độ dài hạn, tức khi số chu kỳ chịu tải N lớn hơn hoặc bằng số chu kỳ cơ sở N0, ứng suất giới hạn lấy theo giới hạn mỏi dài hạn: lim=r KhiCTM làm việc ở chế độ ngắn hạn, tức N