1073
.pdf
А b∙0,7b 72 ∙0,7 34,3 см2.
Рисунок фигуры в масштабе
Рис. 7. Расчетные положения систем координатных осей составной фигуры
11
Примечание: оси, обозначения размеров или размеры наносятся на рисунок по мере выполнения расчетов.
Определение положения центра тяжести составной фигуры
(Далее индекс 1 относится к параметрам швеллера, а 2 – прямоугольника).
Определяются координаты центров тяжести отдельных фигур в выбранных осях X, Y (рис. 7):
X1 = z0 = 1,94 см;
Y1 = H/2 = 18/2 9 см;
X2 = b + d/2 = 7 + 4,9/2 = 9,45 см;
Y2 = H – h1 b/2 = 18 – 5,25 + 7/2 = 16,25 см.
Вычисляются координаты центра тяжести всей фигуры (см.
форм. (1.2)):
XC |
|
SY |
|
|
A1 X1 |
A2 X2 |
|
|
20,7 1,94 34,3 9,45 |
6,62 см; |
|||||
|
А |
|
A A |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
20,7 34,3 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
YC |
|
SX |
|
|
A1 Y1 |
A2 Y2 |
|
|
20,7 9 34,3 16,25 |
13,52 см. |
|||||
|
A |
|
A A |
|
20,7 34,3 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
Через центр тяжести (точка С) проводятся центральные оси х, у.
Определение моментов инерции фигуры относительно центральных осей х, у
Предварительно вычисляются расстояния от центральных осей отдельных фигур до центральных осей х, у (см. рис. 7):
а1 XC X1 6,62 – 1,94 4,68 см; b1 YC Y1 13,52 9 4,52 см; а2 XC X2 6,62 – 9,45 2,83 см;
b2 YC – Y2 13,52 – 16,25 2,73 см.
Вычисляются моменты инерции фигуры относительно центральных осей х, у (см. форм. (1.4)):
Jх Jx1 b12А1 Jx2 b22А2
3
1090 4,522 20,7 4,9 7 ( 2,73)2 34,3 1908,6 см4; 12
Jу Jy1 а12А1 Jy2 а22А2
3
86 4,682 20,7 7 4,9 ( 2,83)2 34,3 882,7см4; 12
Jху Jx1y1 а1b1А1 Jx2y2 а2b2А2
12
0 4,68 4,52 20,7 0 ( 2,83)( 2,73) 34,3 702,9 см4.
Определение главных центральных моментов инерции фигуры (см. форм. (1.5))
max |
|
|
J |
x |
J |
y |
|
|
J |
y |
J |
x |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||||
Jmin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Jxy |
|
||
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1908,6 882,7 |
|
882,7 1908,6 |
|
2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
702,92 |
1395,7 870,2 см4. |
|
2 |
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
Jmax 2265,9 см4. |
|
Jmin 525,5 см4. |
|||||
Определение положения главных центральных осей (см.
форм. (1.6))
tg |
Jx Jmax |
|
1908,6 2265,9 |
0,508, |
26,9 . |
|
Jxy |
702,9 |
|||||
|
|
|
|
Через центр тяжести фигуры проводятся главные центральные оси u, v (см. рис.7).
Таким образом,
Ju Jmax 2265,9 см4, Jv Jmin 525,5 см4.
2. РАБОТА № 2. ПОСТРОЕНИЕ ЭПЮР ВНУТРЕННИХ УСИЛИЙ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ИЗГИБЕ
2.1. Цель работы
Целью работы является освоение практических навыков построения эпюр внутренних усилий при изгибе балок.
2.2.Краткие теоретические сведения
Встержнях внутренние силы, распределенные по всей площади произвольного поперечного сечения, определяются по величинам интегральных внутренних усилий (далее в тексте просто внутренних усилий), приведенных к главным центральным осям сечения. В свою очередь, внутренние усилия определяются по заданной внешней нагрузке, действующей на стержень.
13
Построение графиков (эпюр) внутренних усилий, изменяющихся при переходе от одного поперечного сечения к другому, является первоочередной задачей при расчетах стержней на прочность и жесткость.
Рис. 8. Положительные направления внутренних усилий в сечении
На рис. 8a изображена ось стержня. Неподвижная система координатных осей xyz связана с его началом. Подвижная (локальная) система координатных осей xy связана с поперечным сечением, координата z которого зависит от выбранного начала отсчета.
Стержни, изгибаемые внешними моментами и поперечными нагрузками, называют балками. При изгибе балки в плоскости yz в поперечных сечениях возникают распределенные по площади сечения силы, дающие в сумме поперечную силу Qy(z) и изгибающий момент Мx(z) (далее просто Q(z) и М(z)).
При построении эпюр Q(z) и М(z) можно руководствоваться следующим алгоритмом.
1.Вся балка делится на участки. Границами участков являются:
начало и конец балки;
начало и конец внешней распределенной нагрузки;
точки приложения внешних сосредоточенных сил и моментов, включая реакции опор.
2.На схеме балки обозначается длина каждого участка.
3.Поочередно в пределах каждого из участков поперечным сечением балка рассекается на две части. Координата сечения z указывается на схеме балки.
4.Мысленно отбрасывается одна из частей (левая или правая), то есть временно исключается из рассмотрения.
5.К оставшейся части балки прикладывается внешняя нагрузка, действующая на эту часть. Дополнительно в сечении прикладываются внутренние усилия Q и М. Положительные направления внутренних усилий для левой оставшейся части балки показаны на рис. 8б, а для правой части на рис. 8в.
6.Из уравнений равновесия оставшейся части определяются
14
внутренние усилия на рассматриваемом участке.
7.В результате записываются аналитические выражения для Q(z)
иМ(z) для каждого участка.
8.Вычисляются значения внутренних усилий в характерных точках участков, и строятся эпюры Q и М с учетом дифференциальных
зависимостей: dQdz = q и ddzМ = Q.
2.3. Задания к работе № 2.
Для трех заданных расчетных схем требуется:
разбить балку на участки, обозначив длину каждого из них;
при необходимости определить реакции опор;
используя уравнения равновесия, записать аналитические выражения для внутренних усилий Q и М в произвольном сечении каждого из участков;
построить эпюры внутренних усилий в выбранном масштабе;
проверить правильность построения эпюр, используя дифференциальные зависимости между М, Q и q.
Варианты заданий: расчетные схемы изображены на рис. 9, а исходные данные представлены в табл. 3.
Для выполнения работы 2 необходимо изучить теоретический материал, содержащийся в [1, гл. 4], [2, гл. 8], [3, гл. 4], [4, гл. 5], [5, гл. 6].
2.4.Вопросы для самоконтроля
1.Как определяются границы участков при делении оси балки на участки?
2.Каков физический смысл понятий ″поперечная сила″ и ″изгибающий момент″ в произвольном сечении балки?
3.Какие направления Q и М принимаются положительными?
4.Как записать аналитическое выражение для поперечной силы в произвольном сечении?
5.Как записать аналитическое выражение для изгибающего момента в произвольном сечении?
15
6. Какими дифференциальными зависимостями связаны величины
М, Q и q?
16
Рис. 9. Варианты схем (начало)
17
Рис. 9. Варианты схем (окончание)
|
|
|
|
Таблица 3 |
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
a, |
q, |
F, |
M, |
|
строки |
м |
кН м |
кН |
кН м |
|
1 |
4,0 |
3 |
10 |
30 |
|
2 |
3,0 |
5 |
14 |
12 |
|
3 |
2,0 |
4 |
12 |
24 |
|
4 |
2,5 |
8 |
16 |
18 |
|
5 |
3,5 |
10 |
20 |
20 |
|
6 |
4,0 |
7 |
18 |
22 |
|
7 |
3,0 |
6 |
10 |
16 |
|
8 |
2,0 |
9 |
14 |
26 |
|
9 |
3,5 |
3 |
12 |
28 |
|
10 |
4,0 |
5 |
16 |
14 |
|
11 |
2,0 |
4 |
20 |
22 |
|
12 |
2,5 |
8 |
18 |
30 |
|
13 |
3,5 |
10 |
10 |
24 |
|
14 |
4,0 |
7 |
14 |
16 |
|
15 |
2,5 |
6 |
12 |
20 |
|
16 |
2,0 |
9 |
16 |
28 |
|
17 |
3,5 |
3 |
20 |
14 |
|
18 |
3,0 |
5 |
18 |
18 |
|
2.5.Пример выполнения работы № 2
Впримере приняты расчетные схемы, изображенные на рис. 10, и данные, представленные в табл. 4.
|
|
|
Таблица 4 |
|
|
|
|
|
|
a, |
q, |
F, |
M, |
|
м |
кН⁄м |
кН |
кН м |
|
|
|
|
|
|
1 |
10 |
15 |
20 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 10. Расчетные схемы балок
18
Задача 1 (расчетная схема 1, рис. 10а)
Рис. 11. Координаты сечений и схемы нагружения выделяемых частей балки
Рис. 12. Эпюры Q и M для расчетной схемы 1
Построение эпюр внутренних уси-
лий
Участок 1: 0 ≤ z1 ≤ 2a.
Выражения для Q(z1) и М(z1), полученные из уравнений равновесия правой части балки (рис. 11):
Q(z1) q(2a z1) F ; М(z1) q(2a z1) 2a2 z1F(2a z1 a) .
Для построения эпюр вычисляются значения Q(z1) и М(z1) в характерных точках участка 1.
Q(0) 2q a F = 2·10·1 15 5 кН.
Q(2a) F 15 кН.
М(0) q 2a2 F 3a
10 2 12 15 3 1 25 кН м.
М(a) 12q a2 F 2a
0,5 10 12 15 2 1 25 кН м. М(2a) F a 15 1 15 кН м.
В пределах участка знак поперечной силы изменяется, следовательно, М(z1) имеет на участке точку экстремума. Координата точки Q(z1) 0: z1 0,5a. Момент в точке экстремума:
М(0,5a) 0,5q(2a 0,5a)2 F(3a 0,5a)
0,5 10 (1,5 1)2 15 (2,5 1)
26,25 кН м.
Участок 2: 0 ≤ z2 ≤ a.
Выражения для Q(z2) и М(z2), полученные из уравнений равновесия правой части балки (см. рис. 11):
Q(z2) F const;
19
М(z2) F(a z2) .
Для построения эпюр вычисляются значения Q и М в характерных точках участка 2.
Q = const = F = 15 кН. М(0)= F a = 15 1 = 15 кН м. М(a) = 0.
Эпюры Q и М, построенные по вычисленным значениям внутренних усилий в выбранных точках участков, изображены на рис. 12.
Задача 2 (расчетная схема 2, рис. 10б)
Определение реакции RA (рис. 13)
MB |
0. |
RA 3a 2q 2a |
2a |
M 0. |
|||||
2 |
|||||||||
Отсюда |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
||
RA |
|
(4q a2 M) |
(4 10 12 20) 6,67 кН. |
||||||
|
3a |
3 1 |
|||||||
Построение эпюр внутренних усилий Участок 1: 0 ≤ z1 ≤ a.
Выражения для Q(z1) и М(z1), полученные из уравнений равновесия левой части балки (см. рис. 13):
Q(z1) RA ; М(z1) RA z1 .
Для построения эпюр вычисляются значения Q и М в характерных точках участка 1.
Q const RA 6,67 кН. М(0) 0.
М(a) RA a 6,67 1 6,67 кН м.
Участок 2: 0 ≤ z2 ≤ 2a.
Выражения для Q(z2) и М(z2), полученные из уравнений равновесия левой части балки (см. рис. 13):
Q(z2) RA 2q z2 ;
М(z2) RA(a z2) 2q z2 z22 .
Рис. 13. Координаты сечений и схемы нагружения выделяемых частей балки
20