atapin

Требуется определить:

1)площади поперечных сечений стержней;

2)коэффициент запаса прочности каждого стержня.

Указание. Затемненные на расчетных схемах элементы конструкции считать абсолютно жесткими.

А. СТЕРЖНЕВАЯ СИСТЕМА БЕЗ ЖЕСТКОГО ЭЛЕМЕНТА

ПРИМЕР РАСЧЕТА И ОФОРМЛЕНИЯ ЗАДАЧИ

Плоская стержневая система нагружена в соответствии с заданной расчетной схемой (рис. 1.7, а). Стержни изготовлены из разных материалов, механические характеристики которых приведены в табл. 1.3. Исходные данные приведены в табл. 1.5.

Требуется определить:

1)площади поперечных сечений стержней;

2)коэффициент запаса прочности каждого стержня.

33

Решение

Уравнения равновесия. Рассекаем стержни и рассматриваем равновесие узла В под действием силы F и усилий в стержнях (рис. 1.7, б). Первоначально предполагаем, что стержень 1 растянут, а стержни 2, 3 сжаты.

Составляем уравнения равновесия. Начало системы координат xy поместим в узле В. Для узла В:

Неизвестных усилий – три (N1, N2, N3), число уравнений статики для плоской системы сходящихся сил – два, следовательно, система один раз статически неопределима.

Уравнение перемещений. Составим уравнение перемещений, выражающее связь между изменениями длин стержней, которая графически изображается диаграммой перемещений. Диаграмма перемещений может строиться в произвольном масштабе, не связанном с масштабом чертежа самой стержневой системы.

При построении диаграммы перемещений предположение о характере деформации необходимо согласовать с направлением усилий в стержнях на силовой диаграмме (рис. 1.7, б). Это оз-

начает: если при составлении уравнений равновесия полагают стержень растянутым, то на диаграмме перемещений этот стержень должен иметь удлинение, если сжатым, то – укоро-

чение.

Ранее мы предположили, что стержень 1 растянут, а стержни 2, 3 сжаты (рис. 1.7, б). Следовательно, шарнир В опустится вниз, допустим, вправо от линии действия нагрузки в точку В* (рис. 1.8). Из точки В* опускаем перпендикуляры на направления стержней. Здесь обозначено:

отрезок ВВ1 = l1 – удлинение стержня 1, отрезок ВВ2 = l2 – укорочение стержня 2, отрезок ВВ1 = l3 – укорочение стержня 3.

34

Обозначим через u, υ проекции вектора перемещений узла

BB* на оси x, y. Тогда из рис. 1.8 получаем:

l3 = υcosβ + usinβ.

Исключая u, υ из (3), с учетом α = 30°, β = 60° приходим к следующему уравнению перемещений:

Выразим удлинения li (i = 1, 2, 3) через усилия в стержнях, используя формулу

Учитывая заданное соотношение площадей (табл. 1.5), принимаем

А2 = 4А1, А3 = 2А1.

Из табл. 1.3 следует, что

Е1 = 2·105 МПа, Е2 = 0,7·105 МПа, Е3 = 1·105 МПа.

35

Длины стержней определяются из рис. 1.6, а

l1 = l, l2 = l/cosα, l3 = l/cosβ.

Подставляя полученные выражения в (4), получаем с учетом α = 30о, β = 60о, l = 1,0 м уравнение перемещений, выраженное через

внутренние силы Ni :

Усилия в стержнях. Система уравнений (1), (2), (5) позволяет определить усилия в стержнях. Эта система будет иметь вид:

N2 = 1,732N3,

0,7N2 + N3 = N1.

Решая систему (6) с учетом F = 10 кН, получаем: N1 = 5,26 кН (стержень растянут); N2 = 4,12 кН (стержень сжат);

N3 = 2,38 кН (стержень сжат).

Определение площадей поперечных сечений стержней при расчете по допускаемым напряжениям.

Площади поперечных сечений стержней с учетом заданного соотношения площадей А1: А2: А3 = 1:4:2 или А1 = А, А2 = 4А, А3 = 2А:

36

За допускаемое значение А принимаем максимальное из всех полу-

ченных А = 0,358 10 4 м2. Так как максимум А реализуется для

стержня 1, то напряжение в нем будет равно допускаемому, а напряжения в других стержнях будут меньше допускаемых. Действительные площади стержней:

Построение действительной диаграммы перемещений. Для про-

верки правильности полученного решения строим действительную диаграмму перемещений (рис. 1.9). Предварительно найдем длины и удлинения (укорочения) стержней:

l1 = l = 1 м; l2 = l/cosα = 1/0,866 = 1,155 м;

Для построения действительной диаграммы перемещений отложим от точки В по направлениям соответствующих стержней удлинение

l1, укорочения l2, l3 и получим точки В1, В2, В3 соответственно (рис.1.9). Если теперь из точек В1, В2, В3 восстановить перпендику-

37

ляры к стержням 1, 2, 3 соответственно, то эти перпендикуляры должны пересечься в одной точке В*.

Определение коэффициентов запаса прочности стержней. Вы-

числим действительные коэффициенты запаса прочности ni каждого стержня:

Рис. 1.9. Действительная диаграмма перемещений

38

Б. СТЕРЖНЕВАЯ СИСТЕМА С ЖЕСТКИМ ЭЛЕМЕНТОМ

ПРИМЕР РАСЧЕТА И ОФОРМЛЕНИЯ ЗАДАЧИ

Плоская стержневая система нагружена в соответствии с заданной расчетной схемой (рис. 1.10). Стержни изготовлены из разных материалов, механические характеристики которых приведены в табл. 1.3. Исходные данные к задаче приведены в табл. 1.6.

Требуется определить:

1)площади поперечных сечений стержней;

2)коэффициент запаса прочности каждого стержня.

(рис. 1.10). Рассекаем стержни и рассматриваем равновесие жестко-

39

го (твердого) тела под действием силы F, усилий в стержнях

Ni (i = 1, 2, 3) и реакций в шарнире YB, XB (рис. 1.11). Предполагаем, что стержни 1, 2 растянуты, стержень 3 сжат.

Рис. 1.11. Расчетная схема системы для определения усилий в стержнях

Для плоской системы можно составить три уравнения равновесия:

Имеем число неизвестных – пять (N1, N2, N3, YB, XB), число уравнений статики – три. Следовательно, система два раза статически неопределима. Необходимо дополнительно составить два уравнения перемещений.

Уравнения перемещений. Составим уравнения перемещений, выражающие связи между изменениями длин стержней, которые графически изображаются диаграммой перемещений. Для этого дадим системе возможное перемещение, совместимое с наложенными ограничениями (связями). В рассматриваемом случае – это поворот жесткого элемента вниз вокруг шарнира В (рис.1.12). В этом случае диаграмма перемещений находится в соответствии с силовой диаграммой (рис. 1.11) – стержни 1, 2 растянуты, а стержень 3 сжат. Для

40

определения укорочения стержня 3 из точки С1 опускаем перпендикуляр на направление стержня 3 (рис. 1.12). Здесь обозначено:

отрезок KK1 = l1 – удлинение стержня 1, отрезок DD1 = l2 – удлинение стержня 2, отрезок CC2 = l3 – укорочение стержня 3.

Рис. 1.12. Предполагаемая диаграмма перемещений

Учитывая заданные размеры, из геометрических соображений имеем:

Учитывая заданное соотношение площадей (табл. 1.6), принимаем

А2 = 4А1, А3 = 2А1.

41