1711
.pdf
|
|
|
|
|
_ |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
F=1 |
|
|||
|
3 |
3 |
|
|
|
|||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
3 |
3 |
3 |
|
1.5 |
|
|
2 |
|
|
_ |
|
|
|
Эп. М2 |
Рис. 9.13
30 кНм |
2 |
|
F0=30 кН
2
Эп. МF
Рис. 9.14
4. Определение собственных частот.
Составляем уравнение для определения собственных чисел, которое для данной задачи имеет вид определителя второго порядка (число степеней свободы равно 2).
11m1 |
12m2 |
0. |
m1 21 |
22m2 |
|
Раскроем определитель и получим алгебраическое уравнение второго порядка относительно искомого параметра .
130
( 11m1 )( 22m2 ) 122 m1m2 0;
11 22m1m2 22m2 11m1 2 122 m1m2 0;2 ( 22m2 11m1) 11 22m1m2 122 m1m2 0.
Подставим в последнее уравнение значения перемещений и решим его:
|
2 |
|
75 |
|
246 |
|
|
75 |
|
246 |
|
128,52 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
4 |
|
|
|
|
4 |
|
|
0; |
|
EJ |
EJ |
EJ |
EJ |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EJ 2 |
2 1209 204887,75 0;
EY (EY)2
|
|
1209 642130 |
|
1209 801,33 |
. |
12 |
|
EJ 2 |
|
2EJ |
|
|
|
|
Корнями уравнения являются найденные значения .
|
|
1005,16 |
; |
|
|
|
407,67 |
. |
1 |
|
EY |
|
2 |
|
EY |
||
|
|
|
|
|
По найденным значениям найдём искомые частоты собственных колебаний.
1 |
|
1 |
|
|
|
|
EJ |
|
|
EJ |
|
0,0315 c 1 |
|
|
; |
||||
|
|
|
EJ |
||||||||||||||||
|
1 |
1005,16 |
31,7 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2 |
|
1 |
|
|
|
EJ |
|
|
EJ |
0,0495 c 1 |
|
|
. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
EJ |
||||||||||||
|
2 |
407,67 |
|
20,19 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Определение инерционных сил.
Частоту возмущающей силы примем равной 0,3 min. Тогда частота вынужденных колебаний 0,3 1 0,00945EJ .
Составим систему уравнений для определения инерционных сил J1 и J2, которая в данном случае принимает вид
|
|
* |
J1 |
12 J2 |
1F |
0; |
||||
|
11 |
|||||||||
|
|
|
J |
|
|
* |
J |
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
0. |
||||
|
21 |
1 |
2 |
|||||||
|
|
|
|
22 |
|
2Ft |
131
11* |
11 |
|
1 |
|
|
246 |
|
|
1 |
|
|
2583,33 |
. |
||||||
m 2 |
EJ |
4 EJ(0,00945)2 |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EJ |
|||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22* |
22 |
|
1 |
|
|
|
75 |
|
|
1 |
|
|
3697,44 |
. |
|||||
|
m 2 |
|
EJ |
|
|
3 EJ(0,00945)2 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EJ |
||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
После подстановки найденных параметров в систему уравнений инерционных сил находим их значения.
|
|
|
397,44 |
|
128,5 |
|
240 |
|
||||||||||
|
|
|
|
J |
1 |
|
|
J2 |
|
|
|
|
|
0; |
||||
|
EJ |
EJ |
|
|
EJ |
|||||||||||||
|
128,5 |
|
|
3697,44 |
|
|
|
120 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
J1 |
|
|
|
|
|
|
J2 |
|
|
|
|
|
0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EJ |
|||||||
|
|
|
EJ |
|
|
EJ |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
3697J1 |
128,5J2 240 0; |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3697,44J2 |
120. |
||||||||
|
|
|
|
128,5J1 |
||||||||||||||
|
|
|
|
J1 = 0,074 кH; |
|
|
|
J2 = 0,035 кH. |
6. Построение динамических эпюр внутренних усилий Mдин, Qдин, Nдин. Динамическую эпюру Мдин построим в соответствии с выражением
Эп.Мдин Эп.М1 J1 Эп.М2 J2 Эп.МFt .
На рис. 9.15 и рис. 9.16 показаны произведения единичных эпюр на соответствующие им инерционные силы, а на рис. 9.17 показана итоговая эпюра Мдин.
0.444 |
0.444 |
|
0.222 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_ |
0.222 |
Эп. М1 J1 |
|
|
||
|
|
|
Рис. 9.15
132
0.105 0.00525
0.105
0.0525 |
_ |
|
||
Эп. М2 |
J2 |
|||
|
|
|||
|
|
Рис. 9.16 |
|
0.548 |
0.327 |
0.548 |
|
α2 |
|
|
α3 |
α1 |
Эп. Мдин |
30.274 |
Рис. 9.17
По полученным значениям Mдин строим эпюру Qдин.
Qдин dMдин tg ;
d
Q1 tg 1 15,137кН; |
Q3 |
tg 3 |
0,074кН; |
Q2 tg 2 14,862кН; |
Q4 |
tg 4 |
0,109кН. |
133
0.109
0.074
14.8 |
15.1 |
|
Эп. Qдин
Рис. 9.18
По построенной эпюре Qдин, показанную на рис. 9.18, используя метод вырезания узлов на эп. Qдин, строим эпюру Nдин (рис. 9.20).
Вырезаем узел C так, как это показано рис. 9.19.
у
Qриг |
Nриг |
Из суммы проекций на |
|
оси х и у находим |
|||
|
|
||
|
|
х |
|
|
|
Nриг = 14,86 кН. |
|
Qст |
|
Nст = 0. |
|
|
|
Nст
Рис. 9.19
По этим данным строим эпюру Nдин, показанную на рис. 9.20
7. Проверка правильности построения эпюр Составим уравнения равновесия, спроецировав все силы, действующие
на рассчитываемую раму, на оси х и у соответственно и уравнение моментов.
Σx = 15,137 + 14,862 – 30 = 0 Σy = 0,109 – 0,074 – 0,035 = 0
134
ΣmA = 30 2 + 0,074 3 + 0,035 6 – 0,109 9 + 14,862 4 = 0
Равенство нолю последнего выражения означает, что статическая проверка выполняется.
14.86
Эп. Nдин
.
Рис. 9.20
|
0.074 кН |
0.035 кН |
|
y |
|
14.86 кН |
|
|
|
|
|
F=30 кН |
0.074 кН |
15.13 кН |
x |
|
Рис. 9.21
135
10. УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ
10.1. Основные понятия
Под устойчивостью понимают способность элементов конструкций сохранять первоначальное положение равновесия при действии на них сжимающих нагрузок. Устойчивость является необходимым условием для каждой инженерной конструкции. Когда первоначальная форма равновесия становится неустойчивой, происходит потеря устойчивости конструкции. Потеря устойчивости может привести к разрушению как отдельного элемента, так и конструкции в целом.
Физическим признаком устойчивости формы равновесия служит поведение нагруженной конструкции при её отклонении от положения равновесия на некоторую малую величину. Равновесие конструкции устойчиво, если после устранения причин, вызвавших её отклонение, она возвращается в исходное положение. Если после устранения причин конструкция не возвращается в первоначальное положение, то её первоначальное положе-
ние равновесия неустойчиво. Наименьшая сжимающая нагрузка, при которой происходит потеря устойчивости конструкции, называется критической силой Fкр.
Основы устойчивости упругих систем были разработаны Л. Эйлером (1744 г.). Им впервые решена задача об устойчивости стержня, сжатого си-
лой F (рис. 10.1).
Fв ‹ Fкр |
Fв = Fкр |
Fв › Fкр |
ℓ |
ℓ |
ℓ |
а |
б |
в |
Рис. 10.1
Для сжатого силой F стержня при F < Fкр устойчива прямолинейная первоначальная форма равновесия (рис. 10.1, а). Это состояние характери-
136
зуется тем, что стержень, отклонённый на малую величину от начального положения равновесия, возвращается в первоначальное положение после устранения возмущений.
При сжимающей силе F = Fкр (рис. 10, б) происходят разветвления форм равновесия, т. е. возможны две формы равновесия прямолинейная и криволинейная. В этом случае стержень испытывает состояние, когда бесконечно малое превышение силы F приводит к потере устойчивости. При F > Fкр (рис. 10, в) устойчивыми становятся криволинейные формы равновесия, что ведёт к разрушению стержня.
На рис. 10.1 пунктиром показаны неустойчивые формы равновесия. Основной задачей исследования устойчивости конструкций является определение критических нагрузок. Критические нагрузки определяются статическими, энергетическими и динамическими методами.
Статический метод. Исследуют равновесие систем в отклонённом состоянии. Получают уравнения, описывающие перемещения систем в отклонённом положении, и определяют величину сжимающей силы, при которой возможно появление новых форм равновесия. Минимальная величина этой нагрузки и будет являться критической силой. Для исследований используют любые методы раскрытия статической неопределимости.
Энергетический метод. Этот метод основан на определении критической нагрузки из условия равенства нулю приращения полной энергии системы при переходе её в новое неустойчивое положение равновесия. Если потенциальная энергия системы при этом возрастает, то первоначальное положение равновесия устойчиво.
Динамический метод. Это метод основан на использовании колебаний систем. Если колебания системы происходят с уменьшением амплитуды колебаний, то первоначальное положение системы устойчивое. При достижении нагрузкой критического значения внешнее возбуждение приводит к неограниченному росту амплитуд колебаний.
10.2.Определение усилий в сжато-изогнутых стержнях при смещении их опорных закреплений
При исследовании устойчивости стержневых систем необходимо определить концевые усилия в стержнях при смещениях их опорных закреплений. Рассмотрим стержень длиной , жёсткостью EJz , сжатый силой F
(рис. 10.2).
Предположим, что в результате потери устойчивости стержня, сжатого силой F, левый край его сместился на величину y0 , а поперечное сечение повернулось на угол φ0 . В переместившемся приопорном сечении стержня возникли усилия M0 (изгибающий момент) и Q0 (поперечная сила). На-
137
правления Q0 и M0 выбираем в соответствии с принятыми направлениями для поперечной силы и изгибающего момента.
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
y |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
y0 |
|
|
|
|
|
M0 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
F0 |
|
|
|
|
y0 - y |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
φ0 |
Q0 |
|
ℓ |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 10.2
В произвольном сечении стержня значение изгибающего момента определяется выражением
М(x) M0 Q0 x F(y y0). |
(10.1) |
Из теории изгиба, рассмотренного в курсе сопротивления материалов, уравнение изогнутой оси стержня записывается согласно выражению
EJz y (x) M (х). |
(10.2) |
||
Из равенства выражений (10.1) и (10.2) получаем |
|
||
у'' (x) |
M0 Q0x F(y0 y) |
. |
(10.3) |
|
|||
|
EJz |
|
Обозначим в (10.3) F k2 . Тогда уравнение изогнутой оси стержня
EJz
принимает вид
y''(x) k2 y(x) |
(M0 Q0x Fy0) |
. |
(10.4) |
|
|||
|
EJz |
|
Решением неоднородного дифференциального уравнения (10.4) второго порядка является функция
138
y(x) C sinkx C |
2 |
coskx |
(M0 Q0x Fy0) |
. |
(10.5) |
|
|||||
1 |
|
k2EJz |
|
||
|
|
|
|
Функция (10.5) представляет собой уравнение изогнутой оси сжатого стержня. Согласно известной дифференциальной зависимости получим выражение для угла поворота:
(x) y'(x) kC coskx kC |
2 |
sinkx |
Q0 |
. |
(10.6) |
|
|||||
1 |
|
k2EJz |
|
||
|
|
|
|
Для определения постоянных интегрирования C1 и C2 используем граничные условия: при x = 0 y = y0 , а у у0 . Подставим эти условия в (10.5)
и |
(10.6), |
получаем |
y0 |
C2 |
|
M0 Fy0 |
и |
||||
k2EJz |
|||||||||||
|
|
|
Q0 |
|
|
|
|
|
|
||
y' |
kC |
|
|
. Отсюда |
постоянные интегрирования |
||||||
|
|
||||||||||
0 |
1 |
|
k2EJz |
|
|
|
|
|
C1 yk0' k3QEJ0 z .
соответственно
C2 |
|
M0 |
и |
|
|||
|
|
k2EJz |
После подстановки найденных значений постоянных интегрирования в (10.5) и (10.6) выражения для y(x) и у (x) принимают вид, соответствующий выражениям (10.7) и (10.8).
|
y |
0 |
y' |
sinkx |
|
M |
0 |
(1 coskx) |
Q (kx sinkx) |
|
|
||||||
y(x) |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
. |
(10.7) |
||
|
|
k |
|
|
|
|
|
k2EJz |
k3EJz |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
y'(x) y0' |
coskx |
M0 sinkx |
|
Q0(1 coskx) |
. |
|
(10.8) |
||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kEJz |
k2EJz |
|
|
Продифференцировав по длине стержня, получим выражения для определения внутренних силовых факторов.
Mz (x) EJy''(x) kEJy0' |
sinkx M0 |
coskx |
Q0 sinkx |
. |
(10.9) |
|
|
||||||
|
|
|
|
k |
|
|
Qy (x) k2EJy0' |
coskx kM0 sinkx Q0 coskx . |
(10.10) |
139