Одним из способов повышения жесткости без существенного увеличения массы является устранение изгиба, замена его на растяжение или сжатие.
Повышенная жесткость деталей, работающих на растяжение-сжатие, в конечном итоге обусловлена лучшим использованием материала при этом виде нагружения. В случаях изгиба или кручения нагружены преимущественно крайние волокна сечения. Предел нагружения наступает при достижении опасных значений напряжений в них, в тоже время сердцевина остается недогруженной. При растяжении-сжатии напряжения одинаковы по всему сечению. Предел нагружения наступает при достижении опасного значения нагружения во всех точках сечения.
Сравнив консольную балку круглого сечения, нагруженную силой P (рисунок 1, а) и треугольную ферму с одинаковым вылетом из стержней того же диаметра (рисунок 1, б) получим: при соотношениях показанных на рисунке максимальное напряжение изгиба в балке в 550 раз больше напряжений в стержнях фермы. Максимальная деформация (в точке приложения силы P) в консольной балке больше в 9000 раз.
Конструктивную аналогию систем показанным на рисунке 1, представляет литой кронштейн (рисунок 2). В случае раскосного кронштейна (рисунок 1, б) стержни работают преимущественно на растяжение-сжатие, тогда как балочный кронштейн (рисунок 2, а) подвергается изгибу. Еще более прочная и жесткая конструкция (рисунок 1, в), в которой стержни кронштейна соединены сплошной перемычкой. Кронштейн ферменного типа, но с одним консольным стержнем (рисунок 2, г) менее жесткий, чем кронштейн на рисунке 2, б. Консольный стержень в нем подвергается изгибу и для ограничения деформаций практически не используется.
В тонкостенном цилиндрическом патрубке, несущем нагрузку P перпендикулярную оси (рисунок 3, а), все участки, расположенные по образующим, подвергаются изгибу. Нагрузку воспринимают преимущественно боковые стенки (рисунок 3, б), параллельные плоскости действия изгибающего момента (залиты на рисунке). При конической форме (рисунок 3, в, г), приближающей конструкцию к ферменной, стенки конуса работают: верхние на растяжение, а нижние на сжатие. Боковые стенки испытывают преимущественно изгиб, но их жесткость в данном случае соизмерима с жесткостью верхних и нижних стенок. Следовательно, при конической форме стенки патрубка полностью включаются в работу, прочность и жесткость конструкции увеличиваются.
Связь между растянутыми и сжатыми стенками осуществляют кольца жесткости m и n, которые помимо силового замыкания предотвращают смятие конуса под действием нагрузки. Такие кольца являются непременным условием правильной работы тонкостенных конструкций.
Близки к конусам по жесткости тюльпанные (рисунок 3, д), сферические (рисунок 3, е), тороидные (рисунок 3, ж) и аналогичные формы.
Еще один пример устранения напряжений изгиба показан на рисунке 4. Тут двухопорная балка, подвергающаяся изгибу (рисунок 4, а), заменена более выгодной стержневой системой (рисунок 4, б), наклонные стержни которой работают на сжатие, а горизонтальные – на растяжение. Еще вариант это арочная балка (рисунок 4, в), работающая так же преимущественно на сжатие.
На рисунке 5, а показан случай нагружения цилиндра осевой силой. Нагрузка вызывает прогиб днища цилиндра, передающийся обечайке через пояс сопряжения обечайки с днищем (деформации показаны штриховой линией). Система является не жесткой. При замене цилиндра конусом (рисунок 5, б) система по основной схеме восприятия сил приближается к стержневой ферме, изображенной на рисунке 4, б. Стенки конуса работают преимущественно на сжатие. Роль стержня воспринимающего распор, в данном случае выполняют жесткие кольцевые сечения конуса, ограничивающие радиальные деформации стенок.
Наибольшей жесткости при наименьшей массе обладают конусы с углом при вершине 60-90 градусов.
Повышенную жесткость имеют сферическая, яйцевидная и тому подобные формы (рисунок 5, в и г).
На рисунке 5, д-з приведены конструктивные примеры. Как и в случае конуса, работающего на изгиб (рисунок 3) существенное условие повышения жесткости и прочности состоит в наличие в деталях кольцевых поясов жесткости, из которых верхний m работает на сжатие, а нижний n – на растяжение.
В усиленных конструкциях (рисунок 5, и-м) введены элементы, прямо воспринимающие усилие сжатие: ребра, цилиндры и конуса.