Учебное пособие 1432
.pdfF 1 см2, F |
2 см2 и F |
3 см2, изготовленных из материа- |
||||
1 |
2 |
3 |
|
|
|
|
лов с модулями упругости |
E1 105 |
МПа, E1 |
2 105 |
МПа, |
||
|
|
|
E3 |
0,7 105 |
МПа. |
Систе- |
|
|
|
ма нагружена силой Р = 60 |
|||
|
|
|
кН (рис. 2.11). Требуется |
|||
|
|
|
определить |
удлинения |
||
|
|
|
стержней и напряжения в |
|||
|
|
|
стержнях. |
|
|
Решение Предполагая возмож-
ность только вертикального перемещения узлов, введем два базовых перемещения 1 и 3 , определяющих перемещения узлов А и С, (рис. 2.11) и выразим через них удлинения стерж-
|
Рис. 2.11 |
|
|
|
|
ней: |
|
|
|
|
|
|
l1 1 e1 1, |
||
l3 3 e3 3 , |
|
|
|
|
|
|
|
l2 |
( 1( AC AB) 3 AB)/ AC ( 11,25 |
||||||
31)/ 2,25 (5 1 |
4 3 )/ 9. |
|
|
|
|
||
|
Матрица связи удлинений стержней с базовыми переме- |
||||||
щениями имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
|
||
|
|
|
|
5 |
|
4 |
|
|
|
D |
|
. |
|||
|
|
9 |
9 |
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
0 |
1 |
|
Матрица жесткостей стержней С имеет вид
60
|
E1F1 |
|
|
0 |
0 |
|
||
|
|
|
|
|||||
l1 |
||||||||
|
2F2 |
|
|
|
||||
|
|
|
E |
|
|
|
||
C |
0 |
|
|
|
0 |
. |
||
|
|
l2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
0 |
|
|
0 |
|
E3F3 |
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
l3 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Матрица связи нормальных сил в стержнях с базовыми перемещениями CD имеет вид
|
|
|
|
|
|
|
|
E1F1 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
c1 |
0 |
|
|
l1 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
4E |
|
F |
|
|||||||||||||
5 |
4 |
|
|
|
5E |
F |
|
|
|
||||||||||
CD |
|
c2 |
|
c2 |
|
|
2 2 |
|
|
|
|
2 2 |
. |
||||||
9 |
9 |
|
9l2 |
|
|
9l2 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
0 |
c3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
3 |
F |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l3 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Составим уравнения равновесия системы:
1)в проекциях сил на ось у
Piy 0, N1 N2 N3 P 0;
2)моментов сил относительно точки В
MB 0, N1 AB N3BC PBD 0,
или
N1 1,25N3 0,5P,
или
4N1 5N3 2P.
Таким образом, система уравнений равновесия рассматриваемой системы имеет вид
4N1 5N3 2P, N1 N2 N3 P .
Составим матрицу R системы уравнений равновесия стержневой системы
61
4 |
0 |
5 |
|
R |
1 |
1 |
|
|
1 |
и матрицу Pˆ правых частей системы уравнений равновесия стержневой системы
Pˆ 2 P.1
Матрица связи базовых перемещений с внешними силами имеет вид
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4c |
1 |
|
|
|
|
5c |
3 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M RCD |
|
|
|
|
5 |
|
4 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(c1 |
|
c |
2 |
) ( |
|
c2 c |
3 |
) |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
||
|
Разрешающая система уравнений задачи имеет вид |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Поскольку |
|
|
|
|
|
|
|
|
M P. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
E F |
|
|
|
|
2 105100 |
107 Н/м, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
c1 |
|
|
|
|
1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
l1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
E |
F |
|
|
|
|
|
|
2 105150 |
|
2 107 Н/м, |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
c2 |
|
2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
l2 |
|
|
|
|
1,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
E |
F |
|
|
|
|
|
0,7 105200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
c3 |
|
3 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 106 Н/м, |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
l3 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
4 10 |
7 |
|
|
|
|
|
|
5 7 |
10 |
6 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
3,5 |
||||||||||
M |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
107 |
|
||||||||||||||||||||
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
. |
|||||||||||||
|
|
|
|
(4 |
|
|
2)10 |
|
( |
|
|
|
2 |
0,7 )10 |
|
|
|
|
|
5,11 |
|
1,588 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Тогда система уравнений задачи принимает вид |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
4 |
3,5 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
107 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
6 104 . |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
5,11 |
|
|
1,588 2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Определитель матрицы M
det M 1014(( 4) 1,588 17,888) 24,24 1014
отличен от нуля и поэтому существует обратная матрица
62
|
|
M 1 |
|
|
107 |
|
0,0655 |
00,1443 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,1649 |
. |
|
|||
|
|
|
24,24 10 |
|
|
|
|||||||||
|
Тогда |
|
|
14 0,2108 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 ˆ |
10 |
3 |
0,1310 0,1443 |
10 |
3 |
0,0798 |
|||||||
|
M |
P 6 |
|
|
0,426 0,1649 |
|
|
|
3,519 |
. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Удлинения стержней |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
l1 |
0,0798 мм; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l3 |
3,519 мм; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l2 |
(5 0,0798 4 3,519)/ |
9 1,608 мм. |
|
|
|
|
|
Нормальные силы в стержнях
N1 c1 l1 107 0,0798 10 3 798 Н;
N2 c2 l2 2 107 1,608 10 3 32,16 кН;
N3 c3 l3 6 106 3,519 10 3 21,114 кН.
Нормальные напряжения в стержнях
1 N1 / F1 798/ 100 7,98 Па;
2 N2 / F2 32160/ 150 214 Па;
3 N3 / F3 21114 / 200 105,507 Па.
Пример 6
Раскрытие статической неопределимости и определение площадей сечений стержней статически неопределимой системы
63
Для заданной стержневой системы (рис. 2.12), состоящей из стальных стержней круглого поперечного сечения, требуется:
а) подобрать диаметры поперечных сечений стержней, если известны: отношения площадей, величина действующей нагрузки Р= 60 кН и допускаемое напряжение 160 Мпа.
Решение Поскольку вследствие симметрии системы узлы А и В мо-
гут перемещаться независимо друг от друга только по вертикали, рассматриваемая система два раза кинематически определима.
Для определения сил и напряжений в стержнях системы используем принцип суперпозиции.
Пусть 1 и 2 перемещения точек А и В соответственно. Закрепив мысленно точку В, сообщаем точке А перемещение
1 . |
Тогда удлинения стержней будут равны l11 1, |
l21 |
1 cos , l31 0. Нормальные силы в стержнях, вы- |
званные перемещением 1
N11 c1 l11 c1 1 ,
N21 c2 l21 c2 1 cos ,
N31 c3 l31 0.
Закрепив точку А, сообщаем точке В перемещение 2 . Тогда удлинения стержней будут равны
l12 2 ,
Рис. 2.12
l32 2 cos ,
l22 0.
Нормальные силы в стержнях, вызванные перемещением2 определятся по формулам
64
N12 c1 l12 c1 2 ,
N32 c3 l32 c3 2 cos ,
N22 c2 l22 0 .
Таким образом, за счет обоих перемещений в стержнях будут действовать нормальные силы
N1 N11 N12 c1 1 c1 2 c1( 1 2 ),
N2 N21 N22 c2 1 cos 0 c2 1 cos ,
N3 N31 N32 0 c3 2 cos c3 2 cos .
Уравнение равновесия узлов А и В имеют вид (рис. 2.12,б)
P 2N2 cos N1 0,
N1 |
2N3 cos 0 . |
|
||
Подставляя сюда выражения для нормальных сил, получа- |
||||
ем уравнения для 1 и 2 |
) 2c2 1 cos2 P , |
|||
c1( 1 |
2 |
|||
c2( 1 |
2 ) 2c3 2 |
cos2 0, |
||
или |
|
|
|
|
(c1 2c2 cos2 ) 1 |
c1 2 |
P, |
||
|
|
2c3 cos2 ) 2 |
(2.20) |
|
c1 1 (c1 |
0. |
Далее проще эту систему численно, для чего нужно определить коэффициенты при 1 и 2 .
Из рис. 2.12, а следует
l1 a, l2 a2 (1,5a)2 1,802a , l3 (2a)2 (1,5a )2 2,5a,
cos a / l2 a /(1,802a) 0,5547, cos 2a / l3 2a /(2,5a) 0,8,
c1 E1F1 / l1 2EF / a,
c2 E2 F2 / l2 2EF /(1802a) 1,111EF / a, c3 E3F3 / l3 EF /(2,5a) 0,4EF / a.
65
Тогда
c1 2c2 cos2 |
|
2EF |
|
|
2 1,111EF |
|
0,55472 2,683 EF / a, |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
c1 2c3 cos2 |
|
2EF |
|
2 0,4EF |
0,82 2,512 EF / a. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Система (2.20) приобретает вид |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2,683 |
|
|
EF |
1 2 |
EF |
|
2 |
P , |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2EF |
1 2,512 |
EF |
|
2 |
0 . |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
||||||||||||||
Отсюда следует |
|
|
|
|
|
Pa |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pa |
|
||||||||||||||||
1 |
1,256 2 |
0 , 2 0,730 |
|
|
, 1 0,917 |
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EF |
|
|
EF |
||||||||||||||||
|
|
|
|
2EF |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
N1 |
c1( 1 2 ) |
(0,917 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Pa |
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
0,730 ) |
0,374P 22,426кH , |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
EF |
|
|
|
|
|
|
1,111EF |
|
|
|
|
|
|
|
Pa |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
N2 |
c2 1 cos |
0,917 |
0,5547 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
EF |
|
|
|
|
||||||||
0,565P 33,907кН , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
N3 |
c3 2 cos |
0,4EF |
0,730 |
Pa |
0,8 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
EF |
|
|
|
|
0,234P 14,016кН .
Следовательно, стержни 2 и 3 сжаты, а стержень 1 — растянут.
Для определения площадей поперечных сечений стержней используем условия прочности стержней
|
|
|
|
Ni |
|
или F |
|
Ni |
. |
|
|
||||||||
|
i |
|
|
F |
i |
i |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
Отсюда получаем три неравенства для определения F.
66
F1 2F N1 22,426*103/160= 140,16 мм2,
F2 2F N2 33,907*103/160= 211,91 мм2,
F3 F N3 14,016*103/160= 87,63 мм2.
Отсюда получаем 3 неравенства для определения величины площади F
F 70,08 мм2, F 105,955 мм2, F 87,63 мм2.
|
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
F 105,955 мм2, и F F |
211,91 мм2, F |
105,955 мм2. |
||||||||||||||
|
|
1 |
|
2 |
3 |
|
||||||||||
|
Диаметры стержней |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
d1 d2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
16,426 мм, |
||||
F1 / |
211,91/ |
|||||||||||||||
d3 |
2 |
|
|
|
2 |
|
|
11,633 мм. |
|
|||||||
|
F3 / |
105,955 / |
|
|||||||||||||
|
Принимаем d1 d2 |
18 мм. Тогда |
|
|||||||||||||
F |
F |
|
d 2 / 4 182 |
/ 4 254,469 мм2, |
|
|||||||||||
1 |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
F |
0,5F 127,235 мм2. |
|
|
|
|
|
||||||||||
3 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
d3 |
2 |
|
|
2 |
|
12,728 мм. |
|
|||||||||
|
F3 / |
127,235 / |
|
|||||||||||||
|
Для сохранения соотношений площадей стержней округ- |
|||||||||||||||
ление диаметра d2 до 13 мм производить не нужно. |
||||||||||||||||
|
|
34,25 10 7 P 34,25 10 7 550 103 |
1,88 мм . |
Пример 7
Определение температурных напряжений в статически неопределимой системе с жестким телом
Определить температурные напряжения в стержнях си-
стемы, изображенной на рис. 2.13, а, если a=1м; F 5 см2 ;
67
E 2 105 см2 повышение температуры стержней после сбор-
ки системы составляет 80 С. Решение
Система два раза статически неопределима и один раз кинематически определима. Поскольку в системе имеются три неизвестных нормальных силы, для раскрытия статической неопределимости этой системы с использованием уравнений совместности необходимо составить три уравнения равновесия, а с использованием МБП – только одно уравнение.
Характеристики стержней.
Рис. 1.13
Длины
l1 a ; l2 (3a)2 a2 10a 3,16a , l3 a2 (1,5a )2 3,25a 1,803a,
AC (2a)2 (3a )2 13a 3,60a,
AD 0,5AC 1,80a.
Тригонометрические функции углов cos 3a / 3,60a 0,832,
sin 2a / 3,60a 0,556, |
arcsin(0,556 ) 33,78 , |
cos 3a / 3,16a 0,949, sin a / 3,16a 0,316 ,
68
arcsin(0,316 ) 18,42 ,
2(90 ) 2(90 33,78 ) 112,44 , cos 0,382,sin 0,924 .
Пусть перемещение точки В равно , тогда, поскольку твердое тело вращается относительно точки А, получаем (рис. 2.13, б)
C |
|
е |
AC |
3,60a |
1,20 ; |
D |
|
1 |
C 0,6 . |
AB |
|
|
|||||||
|
|
|
3a |
|
2 |
|
Направления векторов перемещений точек перпендикулярны радиусам, соединяющим эти точки с точкой А, и показаны на рис. 2.13, б.
Удлинения стержней
l1 1,
l2 c cos(90 ) 1,20 0,79 0,948 ,l3 D cos( 90 ) 0,6 sin 0,6 0,924 0,555 .
Жесткости стержней
C1 E1F1 / l1 E3F / a 3EF / a3 2 105 5 102 / 1000 3 105 н / мм,
C2 E2F2 / l2 E2F / 3,16a 0,63EF / a 0,63 105 н / мм,
C3 E3F3 / l3 EF / 1,80a 0,55EF / a 0,55 105 н/ мм.
При изменении температуры стержней нормальные силы определяются по формулам
Ni ( li tli )Ci .
Тогда
N1 ( t a)C1 3 105( ta), N2 ( 0,948 t3,16a)0,633 105
0,6( 3,33 ta ) 105 ,
N3 ( 0,555 t 1,803a) 0,555 105
69