Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Образцов И.Ф. Методы расчета на прочность кессонных конструкций типа крыла

.pdf
Скачиваний:
42
Добавлен:
30.10.2023
Размер:
14.29 Mб
Скачать

Здесь i/i(z) и U2(z')—соответственно искомые продольные пе­ ремещения, отражающие закон плоскости и депланацию при кру­ чении;

Сечение по Иь

Фиг. 121. Расчетная модель стреловидной оболочки. Схе­ ма нагружения.

Vi(z) и V2 (z) искомые поступательные поперечные перемещения сечения z=const в вертикальном направлении и угол закручивания.

Выбор аппроксимирующих функций

Функцию <р1

(5)

выберем в

виде q>i(z) =«/($), представленном на

фиг. 87, а.

 

 

 

 

Функцию фг(«), соответствующую обобщенной депланации се­

чения z=const

при

кручении,

выбираем в виде

cp2(s) —x(s)y(s)

(фиг. 89, а). Функция ipi(s) =y'(s) показана па фиг.

87, е.

Функцию ф2

(«),

отражающую поворот поперечных сечений обо­

лочки, представим так (фиг. 89,а):

t|?2(s)=/z*(s),

где h* (s) —длина перпендикуляра, опущенного из начала коорди­ нат на соответствующую пластину.

19

428

28

9

Дифференциальные уравнения равновесия элементарной полоски относительно искомых обобщенных перемещений

В соответствии с искомыми обобщенными перемещениями, пред­ ставленными в форме разложений (3. 172), элементарная полоска обладает двумя степенями свободы из плоскости поперечного се­ чения и двумя в своей плоскости. При этих степенях свободы (т=2, п=2) и заданных внешних нагрузках рассматриваемая за­ дача приводится к следующей системе дифференциальных уравнений:

чапи] — Ь^ — 1/1 = 0; |

си^ 14-П1^1=0; (

(3. 173)

cn^i* + rllft9"=0,

где 9 (z)= V2(z).

Коэффициенты этих уравнений представлены формулами (3. 15)

и (3. 16).

Нетрудно заметить, что первые два уравнения (3. 173) относятся к изгибу оболочки, а последние — к кручению. Интегралы дифферен­ циальных уравнений (3. 173) запишем в такой форме:

^ = -^-+C2z + C3;

Ulk=A2 + k2A3e^z—k2A4e~k‘z;

! (3.174)

6 = — 7- (A1b1 4- A2bxz + A^e*^ 4- A^e-1^ —

b2

— A3akle^z—A^akle-^).

Здесь коэффициенты a, bit b2 представлены равенствами (3. 122), a

(3.175)

Ci, C2, C3, C4, Л1, A2, A3, A4 — произвольные постоянные интегри­ рования.

Таким образом, интегралами (3. 174) представлено общее реше­ ние рассматриваемой задачи с точностью до восьми произвольных постоянных.

290

Определение постоянных интегрирования

Постоянные интегрирования

определяем из

граничных условий

в сечении z=l и сечении косой

заделки (фиг.

121). Удовлетворяя

граничным условиям U^z) при z=Z, приравняем нулю коэффициент при екг, т. е. положим

4 = 0.

(3.176)

Другие статические граничные условия при z=Z будут такие:

EanU\= — М;

I

O(c11Z7i + r11Vi) = Q;

| (3177)

—-[(&?-&!) (Д2-М4 -«) +aM3V"w]

 

Ь2

'

Формулами (3. 177) устанавливается зависимость между внутрен­ ними обобщенными силами и искомыми перемещениями в сечении z=l.

Имея в виду равенства (3. 174), (3. 176) и раскрывая условия (3. 177), получим

с =я qz.

2

Еа'л

(3.178)

 

 

А

-

abfi2

2

 

4=о.

В сечении косой заделки граничными будут:

1)условия равенства нулю продольных перемещений точек 1 и 2

внаправлении образующих оболочки;

2)условия равенства нулю поперечных перемещений в направ­

лении 1-Г и 2-2' (фиг. 121). Эти условия запишутся так:

Ux (24) ©! (sj + Uik (zt) ?2 (S1) =0; j

(52) + ^1й(г2)?2(«2) = 0; I

(3.179)

К (^) Ф1 («И') + 8 (2j) <P2 (s„.)=0; I

+MM=o. '

19*

291

В раскрытом виде эти равенства будут иметь вид

 

 

— — С& “j— ^2^2 —

—0 >

 

 

Л с,

 

_1 CJ„, -1 Сз-ЛД + ЛД^-'-^О;

 

4

7«11

2

 

Л

 

 

 

 

 

 

 

 

С4+— (A1b1

+ А& — A4ak2) 2d2—О;

(3.180)

 

 

>2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Clz?Tp ^стр

r f

CVcrp

,

n

 

 

 

—--------------------

Ь36стр

-

■ -f- ь4 —

 

 

 

були

2

 

 

н

rn

 

 

 

—L (ЛД + A2bdCTP + A^e-^p-A4akle~k^)2d2 =0.

 

b2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решая

совместно

выражения

(3. 180), получим формулы для

остальных постоянных интегрирования:

 

 

 

 

 

 

 

4стр

 

М

^стр

 

2Hb2d2

 

 

 

 

 

2

/

Еап 2

 

abxk\

(3.181)

 

 

 

м2(1 + ^2'стр)

 

 

 

 

 

 

 

 

г _ _ь 9/стрУ

 

2 )

,

Жтр

 

 

3

£йп(1 + е-*2Н £«п(1 -н-^стр)

 

 

 

_ 2Hb2d2

Л +

 

2

\ .

 

 

(3.182)

 

 

abxk2

\

1_^е_А2гстр/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

/3

\

ъ

 

 

 

 

 

 

‘стр

‘стр

j

б’2/сТр^2

СУсТр^2

 

 

 

Гц б^Дп/

2

 

 

 

 

4^16^2

 

 

 

 

4&16?2

 

 

 

Л [^(1 + ^/ст^_а^(1 + е-Аг1стр^.

(3 183)

с4= - 2А!

- ^-2 (&! - akl).

 

 

(3.184)

 

 

Ь2

 

Ь2

 

 

 

 

 

 

Определение нормальных напряжений Нормальные напряжения определяются из равенства

о (г, s)=Е [U\ (г) (s) + U\k (г) <р2 («)].

Раскрывая это выражение при помощи равенств (3. 174), (3. 178) и (3. 181), получим асимптотическую формулу для определения нор­ мальных напряжений в любой точке стреловидной четырехзамкнутой

292

кессонной конструкции при действии на' нее поперечной силы, изги­ бающего и крутящего моментов.

.

ч

Q(l — г)

,

ч

М

, .

a

(z, S) = —(pj

(S)------- (S) -

 

 

 

Ли

 

 

ап

 

Q^crp

/

4гр \

^стр

 

277^2^2^

 

 

 

d2(l+e

^1 )

 

(3.185)

 

 

 

 

Здесь первые два слагаемых отражают закон плоских сечений, а последний — депла-нацию.

Формулы'для определения нормальных напряжений в жестко заделанной четырехзамкнутой стреловидной оболочке

1. При действии на оболочку одной поперечной силы Q

/ х

 

Q Ц —г)

/ \

 

(3.186)

о (г, s)=

 

----- ЦДз)

Zand2(\+e

 

 

 

ап

 

 

 

2. При действии

изгибающего момента М

 

 

° (z, S)

=

Af

. ,

Л4/стр£2е *2Z?2(s)

(3.187)

 

---- ?1 («)

2and2(l

 

 

 

 

Й11

 

3. При действии крутящего момента Н

а(~

2Hb2Ee~k^2(s)

(3.188)

 

 

 

Коэффициенты формул

(3. 186) —« (3.

188)

определяются из

выражений:

 

 

 

«2/5

5

\

1

ail=rflteAl+2/?2+TAj;

 

a=Edld2^—Er + -F2+5^fy,

(3.189)

61 = G(2rf?F2+10^22/:'1);

 

|

b2=G(10dlF1-2dlF2).,

 

J

Произведем теперь расчет стреловидной оболочки по формулам (3. 186) и (3. 188) от действия поперечной силы <2=350 кг и кру­ тящего момента Я=12 80О кгсм. Размеры оболочки согласно

293

фиг. 121: Z= 131,5 см; ZCTp =42,5 см; 3i=O,2 см; ог=О,2 см; zZi = = 8 см; d2=16 см.

На фиг. 122 показана пространственная картина распределения нормальных напряжений по верхней панели оболочки вдоль лон­ жеронов от действия поперечной силы ,Q=350 кг. Крестиками на­ несены результаты эксперимента.

Фиг. 122. Распределение ‘нормальных напряжений по верхней панели кессона.

На фиг. 123 показано распределение нормальных напряжений

Ширима оболочки ----»-

Фиг. 123. График нормальных .’Напряжений в корневом сечеаии оболочки и результаты эксперимента.

На оси абсцисс указаны номера продольных тензодатчиков, ко­

торыми измерялись деформации.

На фиг. 124 сплошной линией показан график распределения напряжений от действия крутящего момента Н= 12 800 кгсм в се­ чении корневой нервюры. Крестиками нанесены результаты экспе­ римента.

294

В корневой части заднего (последнего) лонжерона к бимоментным напряжениям прибавились изгибные напряжения, возникаю­ щие в сечении косой заделки от действия крутящего момента и вычисленные по формуле

°(Н) =------- -<Р1>

«11,

где % — угол стреловидности.

Фит. 124. Распределение нормальных бимоментных на­ пряжений при кручении в корневом сечении кессона.

Сопоставляя графики теоретических напряжений с результата­ ми эксперимента, следует отметить, что формула (3. 186) отражает правильную качественную и количественную картину распределения нормальных напряжений в стреловидной четырехзамкнутой оболоч­ ке от действия поперечной силы. Значительные расхождения между теорией и экспериментом получаются только в корневой части пе­ реднего лонжерона.

При кручении график теоретических напряжений, изображенный на фиг. 124 сплошной линией, не совпадает с экспериментальными данными. Этого следовало ожидать, так как для уточненного рас­ чета одной функции депланации <piE=xy при кручении недостаточно. Если же ввести в расчет вторую функцию депланации (см. фиг. 89,6), то она исправит график теоретических напряжений (фиг. 124) и приблизит его к экспериментальным точкам. Такое заклю­ чение можно сделать на основании исследования напряженного со­ стояния прямоугольной четырехзамкнутой оболочки при кручении, проведенного в предыдущей главе. Для более точного расчета че­ тырехзамкнутой стреловидной кессонной конструкции необходимо

295

аппроксимировать деформированное состояние оболочки нескольки­ ми функциями депланации.

§ 31. К использованию электронных вычислительных машин для решения дифференциальных уравнений равновесия кессонных

конструкций

Точность решения рассматриваемых в данной работе задач за­ висит от числа членов выбираемого ряда функций деформации. Чем точнее требуется решение, тем большее число членов ряда не­ обходимо брать, и наоборот. Например, в предыдущем параграфе для простоты решения задачи продольные искомые обобщенные пе­ ремещения мы представили в виде суммы, состоящей из двух чле­ нов, и получили простые, но> приближенные формулы для определе­ ния нормальных напряжений. С увеличением числа оставляемых чле­ нов ряда для искомой функции перемещения увеличиваются трудно­ сти решения задач, связанные с вычислительной работой. Однако со­ временное состояние вычислительной техники позволяет быстро и с большой точностью решать сложные системы дифференциальных уравнений. Таким образом, при решении вариационной задачи в пере­ мещениях предлагаемыми в настоящей работе методами искомые обобщенные перемещения можно задавать в форме конечного ряда, состоящего из любого числа слагаемых. Это приведет решение задачи соответственно к системе обыкновенных линейных дифференциаль­ ных уравнений с постоянными коэффициентами, которые легко' интег­ рируются с помощью интеграторов. Изучение предлагаемых в данной работе методов решения показывает, что все вычисления, связанные с решением этих задач, могут производиться на быстродействующих вычислительных машинах.

Рассмотрим более точное решение кессонной четырехзамкнутой стреловидной конструкции, показанной на фиг. 121. Контур попереч­ ного сечения будем считать недеформируемым, так как он подкреплен жесткими в своей плоскости стеночными нервюрами. Пусть искомые обобщенные продольные и поперечные перемещения точки М (z,s) кессонной конструкции представлены в форме конечных рядов (3. 1)

и (3. 2):

u(z, s) = U1 (г)<р1(х)-4-472(г)ср2(5)+/73(г) <p3(s) +

+ Uik (^) фи (s) + U2k (?) (s);

Ц (?, s) = V1 (?) (s) +.r2 (?) <p2(s).

Аппроксимирующие функции, входящие в эти выражения, описа­ ны подробно в § 25. При заданных искомых обобщенных продоль­ ных и поперечных перемещениях и внешних нагрузках (фиг. 121) рассматриваемая задача приводится к системе дифференциальных уравнений (3. 14) без правой части.

Представим эти дифференциальные уравнения в виде двух мат­ риц, где первая матрица будет содержать уравнения изгиба обо­ лочки, а вторая — уравнение кручения.

296

 

 

 

Матрица 1

и,

и2

и3

К

iauD‘2—bn

~612

— ^13

— cnD

— ^21

7«22£>2 — i22

— Ь2з

— c2lD

— Д1

^32

1азз^2 — Дз

— C3i-O

Сц£>

С]2О

С13£>

/■117)2

 

 

 

Матрица 2

 

и1к

u2k

Vlk

iankD^—buk

— b\2k

— cnkD

 

~ b2\k

— b22k

— c2\kD

 

cllkD

C12kD

rukD2

Здесь через D и D2 обозначены первая и вторая производные по независимой переменной от функций, записанных в первой строке матриц. Коэффициенты уравнений, записанных в виде матриц 1 и 2, представлены формулами (3. 15) и (3.16).

Интегралы уравнений изгиба и кручения оболочки, написанные в виде матриц, можно получить на интеграторе, счетно-решающих электронных машинах или методами, описанными в настоящей ра­ боте. В главе X интегралы указанных дифференциальных уравне­ ний получены нами в таком виде:

С4Ф4Д +2.2(С2Ф2 С4Ф4 ф-6С5) +

+ Ц (С2Ф'2 -ф С4Ф; + ЗС5г2 + 2С6г + С7);

£Д = A (Q®2 + С4ФУ) 4-Л4 (С2ф2 4- С4ф4 -L6С5);

Д (^Ф^4- С4фУ)4-^6 (С2Ф2 4- С4Ф4 + 6С5);

=Д (С2ФГ 4- с4ФГ) -д (с2Фг+с4ФГ) +

+До (<32®24- С4Ф44-бС5г4-2Се)4-

(3.190)

+ Д1 (С2Ф24С4Ф4+С5г34С6г2+ С7г4С8);

Ulk = Llk (А2Ф2' 4- Л4Ф'”) +L2k (Д2ф' + Д4ф; 4- Д) •

а (А$2+л4ф; ) 4-/4й (Л2ф; 4- л4ф;+л5);

0 = Да (Лгф2У + A$4V) ~ Д* (Л2ф24АФ4) +

+ L-n (^2Ф2 Д А4Ф4 + ^5г + А) •

428

297

Здесь Ф» = Ф{(г) (Z=T, 2, 3...)—функции, представленные равенствами (3.31), коэффициенты Ц— выражениями (3.37), a Ai

и Ci — постоянные

интегрирования.

Коэффициенты А1=Л3=С1=

= С3=0 получены при удовлетворении

граничным условиям функ­

ции при z=l и поэтому не вошли в интегралы (3. 190).

Таким образом,

формулами (3. 190)

представлено общее решение

(рассматриваемой задачи с точностью до 14 произвольных постоян­ ных интегрирования.

Определение постоянных интегрирования

Постоянные интегрирования -определяем из граничных условий При z — l (фиг. 125) и в сечении косой заделки.

При z=l граничные условия будут статические:

Еапи\ — -М;

U2’ =U'3=0-,

U'lk=U'^=Q-, } (3.191)

g (<?ц£/i2 + Cis^з + гп О

В сечении косой заделки будут геометрические граничные усло­ вия. Так как рассматриваемая модель обладает в отношении переме­

щений точек элементарной полоски пятью степенями свободы в про­ дольном направлении и двумя — в поперечном, то граничные условия необходимо представить в виде связей, которые закрепили бы эти перемещения. На фиг. 125 эти связи изображены в виде опорных стержней в точках 1, 2, 3, 4, 5, 1 и 5'. Нижняя панель кессона также должна быть закреплена от продольных перемещений пятью продоль­ ными опорными стержнями подобно верхнему креплению. Эти

298

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ