![](/user_photo/_userpic.png)
книги / Статические и динамические проблемы теории упругости
..pdfВопрос устойчивости пластин возникает также в случае использова ния стержней с поперечными сечениями, показанными1 на рис. 7.
В случае кручения квадратных труб (рис. 8) каждая сторона трубы находится в условиях чистого сдвига и может потерять устойчивость при достижении сдвигающими напряжениями некоторого критического значе ния. Относительно величины этого критического значения известно следую щее. Если длина пластины велика (Z>4a),
а кромки пластины можно считать свободно опертыми, то критическое значение сдвига ющих напряжений определяется выраже нием
^ ° б»3 5 Ц-(Г1*«Н г - |
(10) |
Рис. 7. |
Рис. 8. |
В случае жестко защемленных кромок критические напряжения
п2*Е |
h2 |
|
ткр — 8,98 •12(1— v2) |
а2 |
(П ) |
Если же пластина не является длинной, а кромки ее свободно оперты, то критические напряжения даются формулой
п2Е |
К2 |
( 12) |
ТКр — ос - |
а2 |
|
12(1 — v2) |
|
где а — числовой коэффициент, зависящий от отношения длины пластины к ее ширине. Значения этого коэффициента приведены ниже:
На |
1 |
1,2 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
оо |
а |
9,4 |
8,0 |
7,3 |
7,1 |
7,0 |
6,8 |
6,6 |
6,3 |
6,1 |
5,35 |
Если формулы (8) — (12) дают критические напряжения выше предела текучести на сдвиг для данного материала, то в качестве критических на пряжений должен быть принят предел текучести.
В случае сжатия круговой трубы ее стенки могут терять устойчивость так, как показано на рис. 9. Значение критических напряжений определя ется соотношением
акр ~ / 3 (1 — V2) " к " ’
где h — толщина стенки; R — радиус трубы. Выпучивание в упругой области, как следует из этой формулы, может происходить лишь для очень тонкостенных труб.
1 Некоторые |
формулы для вычисления критических напряжений |
в этом случае |
|||||
приведены в книге |
T i m o s h e n k o |
S. Р. Strength of materials, |
pt II. Advanced |
theory |
|||
and problems. 1 edition. N. Y., Van |
Nostrand |
Co., Inc., 1930, |
p. 604—609. |
[Русский |
пере |
||
вод: Т и м о ш е н к о С. П. Сопротивление |
материалов. Часть |
II. Более сложные во |
|||||
просы теории и задачи; перевод с |
английского Ш о ш и н а |
Н. |
А., Л.— М., Гостехиз- |
||||
дат, 1934, стр. 196—201J. |
|
|
|
|
|
|
ДЛИННЫЕ ТРУБЫ КРУГОВОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
ПРИ ДЕЙСТВИИ РАВНОМЕРНОГО ВНЕШНЕГО ДАВЛЕНИЯ
Вопрос упругой устойчивости |
имеет |
большое практическое |
значение |
и в случае, когда длинная труба |
кругового поперечного сечения подвер |
||
жена действию равномерного внешнего |
давления. Хорошо |
известно, |
что если внешнее давление р превышает некоторое значение ркр, то |
круго |
|
вая форма поперечного |
сечения трубы становится неустойчивой и труба |
|
6-2UtRh |
выпучивается так, как показано на |
рис. 10 |
|
сплошной линией. Критическое значение вне |
|
|
шнего давления определяется формулой1 |
|
|
/г3 |
(14) |
|
Ркр — 4(1 — V2) я 3 |
Рис. 9.
а соответствующее значение сжимающих напряжений в окружном направ лении
РкрЯ |
E |
h 2 |
(15) |
|
h |
1 — v2 |
4R2 ' |
||
|
||||
где h есть толщина стенки, a R — радиус трубы2. |
0,3 и откла |
|||
Принимая £ = 2, 1-10* кг/см2, а коэффициент Пуассона v = |
||||
дывая акр в зависимости от 2R/h, получаем |
кривую АВ (рис. |
11), которая |
определяет критические напряжения для стальных труб различных размеров. Кривая АВ представляет собою действительные критические напряжения только в случае, если величина этих напряжений не превышает предел про порциональности материала. Выше этого предела кривая дает завышенные значения критических напряжений. Для того чтобы получить корректные значения этих напряжений, необходимо поступить так же, как для случая сжатого стержня, т. е. использовать приведенный модуль упругости. Таким образом, можно показать, что для материалов с резко выраженным пределом
1 Это уравнение было получено М. Леви (Levy М. Мёгшже sur un nouveau cas integralle du probleme de l’elastiqueet Типе de ses applications. Journal de mathematiques pures et
appliquees. 1884, Serie |
3, vol. 10, |
p. 5— 42). Вывод этого уравнения может быть найден |
||
также на стр. 598— 601 |
работы |
С. |
П. Тимошенко, |
упомянутой в сноске на стр. 382, и |
стр. 191— 193 соответствующего |
перевода на русский |
язык. |
2 Толщина стенки трубы считается малой, а внешний и средний радиусы отождествля
ются.
обозначим через и. Тогда для определения и можно использовать дифферен циальное уравнение1
d2u |
и = |
12(1 — |
v2) MR2, |
(17) |
|
d02 ■+ |
|
|
Eh2 |
|
|
где iW — изгибающий момент, |
который считается положительным, |
когда |
он уменьшает кривизну трубы. Следуя этому правилу, можно сделать вы вод, что в частях АВ и DC равномерное внешнее давление вызовет положи тельный изгибающий момент, а в частях AD и ВС — отрицательный изги бающий момент. В точках Л, В, С и D изгибающий момент равен нулю, а взаимодействие между частями определяется силами Т, касательными ок ружности, соответствующей идеальной форме трубы. Эта окружность может рассматриваться в качестве веревочной кривой для внешнего давления. Сжимающая сила вдоль этой кривой остается постоянной и равной Т. Таким образом, изгибающий момент в любом поперечном сечении полу чается путем умножения Т на полное радиальное перемещение uQ+ и для этого поперечного сечения. Для вырезанного из трубы элементарно го кольца единичной ширины в направлении, перпендикулярном к плос кости рисунка, сжимающая сила Т из условия статического равновесия по лучается равной pR. Тогда изгибающий момент в любом поперечном сечении кольца будет
М = |
pR (и + и0) = pR (и + Xcos 20). |
|
|
Подставляя его в уравнение (17), получаем |
|
||
или |
12 (k 3 V2) |
^ cos 20) |
|
12(1 — va) |
12(1 — v2) |
|
|
d?u |
XpR13cos 20. |
||
|
Eh3 |
Eh2 |
|
Решение этого уравнения, удовлетворяющее условиям непрерывности |
|||
в точках А, В, С и D, имеет вид |
|
|
|
|
и = |
cos 20, |
(18) |
где /?Кр определяется формулой (14). Видно, что в точках Л, В, С и D и и du2/dQ2 равны нулю. Следовательно, изгибающие моменты в этих точках также равны нулю, что и принималось выше. Максимальный изгибаю щий момент возникает при 0 = О и 0 = я. В этих поперечных сечениях
- **(х + -S F T ) - "RX-r= k r- |
<19> |
Видно, что для небольших значений отношения р/ркр можно пренебречь изменением эллиптичности трубы, вызванным давлением р, и при вычисле нии максимального изгибающего момента умножать сжимающую силу pR на Хи. Когда отношение р/ркр не является малым, нужно рассматривать изменение начальной эллиптичности, и при вычислении Мтах следует
1 Это уравнение было получено Ж. Буссинэ (В о u s s i п е s q J. Resistance d un anneau a la flexion, quand sa surface exterieure supporte une pression normale constante par unite de longueur de sa fibre. Comptes rendus des seances de 1 Academie des sciences, 1883, vol.97, N 15, p. 842—848). Вывод этого уравнения можно найти также в работе автора, упомянутой в сноске на стр. 382 (см. стр. 457—460 и стр. 60 63 соответствующего перевода на русский язык).
ОБ ИЗГИБЕ ПЕРЕКРЕСТНЫХ БАЛОК
Uber die |
Biegung |
von |
Tragerrosten. Zeitschrift |
fur angewandte Mathematik |
|||
und Mechanik, |
1933, Bd |
13, Hft 2, |
April, |
S. 153— 159. Перепечатка: T i m o |
|||
s h e n k o |
S. |
P. |
The |
collected |
papers |
New |
York — London — Toronto, |
McGraw-Hill Publishing Company, |
Ltd, |
1953, p. 482— 492. |
Для случая системы перекрестных балок, состоящей из большого числа одинаковых балок, расположенных на равных расстояниях друг от друга и подкрепленных одной или многими поперечными балками (рис. 1 и 2), может быть получено приближенное решение для упругих линий попереч ных балок при использовании тригонометрических рядов. Найденные та ким образом приближенные формулы для больших прогибов поперечных балок являются очень простыми и могут быть с успехом применены при практических расчетах.
СЛУЧАЙ ОДНОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ БАЛКИ
Пусть ряд одинаковых параллельных балок, находящихся на расстоя нии d друг от друга, поддерживается одной поперечной балкой АВ, распо ложенной перпендикулярно первым (см. рис. 1). Предположим, что все параллельные балки нагружены одинаково, и пусть нагрузка на каждую балку равна Q. Эта нагрузка воспринимается частично опорами параллель ных балок и частично поперечной балкой. Нагрузка, воспринимаемая попе речной балкой, зависит от ее изгибной жесткости. Если поперечный брус настолько жесткий, что его прогибами можно пренебречь, то каждую из параллельных балок можно рассматривать как неразрезную балку с тремя опорами. Тогда легко вычислить нагрузку на среднюю опору, т. е. на по перечную балку. Обозначим эту нагрузку через aQ, где а — число, которое зависит от характера распределения нагрузки Q и от положения попереч ного бруса. Так, например, для линейного распределения нагрузки (равно мерная, треугольная или трапециевидная нагрузка) и для случая, когда параллельные балки поддерживаются поперечной посередине, а = 5/8.
Но вообще нагрузка, которая передается каждой балкой на попереч ную, меньше, чем aQ из-за прогиба поддерживающей балки. Это уменьше ние нагрузки пропорционально прогибу у поперечной балки и может быть охарактеризовано величиной уу, где у — коэффициент, зависящий от из гибной жесткости Е111 продольной балки и от положения поперечного
стержня. Так, например, для случая, когда поперечная балка поддерживает
48ЕЛ параллельные в их средних точках, у = — .
Если обозначим суммарную силу давления каждой продольной балки на поперечную через R, то
R = aQ — уу. |
(1) |
Для упрощения последующего решения заменим сосредоточенную силу непрерывно распределенной нагрузкой, величину которой в каждом попере чном сечении получим, разделив выражение (1) на расстояние d между
параллельными балками, принимаемое постоянным. Здесь через у обозна чается прогиб поперечной балки в рассматриваемом поперечном сечении.
Используя обозначения
|
|
|
Q= |
a Q |
|
|
|
|
(2 ) |
|
|
|
|
~1Г' |
|
|
|
|
|||
£ |
& АУ |
Г |
|
для непрерывно распределенной нагруз |
||||||
V / X |
ки на поперечную балку, получаем |
вы |
||||||||
|
П |
|||||||||
|
|
|
ражение |
q — ky и |
дифференциальное |
|||||
|
|
|
уравнение |
упругой |
линии |
поперечной |
||||
|
|
|
' |
балки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
E I - ^ r = q — ky. |
|
(3) |
||||
|
|
|
Это уравнение идентично уравнению для |
|||||||
|
|
|
|
стержня на упругом основании с моду |
||||||
|
|
|
i |
лем, равным k. |
|
|
|
|||
|
|
|
Рассмотрим теперь поперечную бал |
|||||||
|
|
|
ку со свободно опертыми концами. При |
|||||||
|
|
|
нимая начало координат в |
ее середине |
||||||
У |
|
|
|
(см. рис. |
1) и вводя |
обозначения |
|
|||
|
Рис. 2. |
|
|
|
Р = |
¥ Ш Ю , и = р//2, |
(4) |
|||
|
|
|
|
|
получаем в качестве решения уравнения (3), удовлетворяющего также гра
ничным условиям, |
выражение |
|
|
|
|
|
__ |
ql4 |
/ j |
2 sin и ■sh и |
- sin ах •sh ах — |
|
|
J |
6 4 Е!иА \ |
cos2u + ch2u |
|
|||
|
|
2 cos и •ch и |
|
chax . |
(5) |
|
|
|
cos 2u + ch 2u |
C0SaX |
|||
Прогиб в середине будет1 |
|
|
|
|
||
я __/-л |
__ |
ql* |
(л |
2 cos и • ch и |
( 6) |
|
____ |
|
64EIu* |
\ |
cos2 w -f"ch2w |
1 Различные задачи такого вида обсуждались И. Г. Бубновым в его курсе «Строи
тельная механика корабля», часть II. С.-Петербург, тип. Морского министерства в главном Адмиралтействе, 1914; см. стр. 368.
а изгибающий момент в той же точке
М = — Е/ (у")х=:о = |
йЦ |
2 |
sh и •sin и |
|
8 |
и2 |
ch 2и + cos 2и |
Расчет поперечного бруса и параллельных балок легко может быть выпол нен при использовании табл. 1 для функций
Ф = 2 cos и * ch и |
„ Ш = J 2 _ |
Sin и - sh и |
|
cos2 н + ch 2 и |
и2 |
cos 2 ы+ ch 2 a |
* |
В случае поперечной балки, обладающей большой изгибной жесткостью по сравнению с продольными параллельными балками, величина и (выра-
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
и |
Ф |
V |
1 |
- |
1 ф |
Я' |
|
|
|
||||
0,1 |
1,000 |
1,000 |
|
1,2 |
0,272 |
0,405 |
0,2 |
0,999 |
0,999 |
|
1,3 |
0,178 |
0,327 |
0,3 |
0,993 |
0,995 |
|
1,4 |
0,100 |
0.262 |
0,4 |
0,979 |
0,983 |
|
1,5 |
0,037 |
0,208 |
0,5 |
0,950 |
0,959 |
|
1,6 |
—0,013 |
0,164 |
0,6 |
0,901 |
0,919 |
|
1,7 |
—0,052 |
0.129 |
0,7 |
0,827 |
0,859 |
|
1,8 |
—0,081 |
0,101 |
0,8 |
0,731 |
0,781 |
|
1,9 |
—0,102 |
0,079 |
0,9 |
0,619 |
0,689 |
|
2,0 |
—0,117 |
0,062 |
1,0 |
0,498 |
0,591 |
|
2,2 |
—0,133 |
0,037 |
1,1 |
0,380 |
0,494 |
|
2,4 |
—0,135 |
0,021 |
жение (4)) мала и значения функции Ф и ¥ близки к единице. Так, напри |
||
мер, для а = 0,2 |
значения Ф и ЧГ суть Ф = Ч? = 0,999. Тогда из выражений |
|
(6) и (7) |
следует, |
что прогиб б в середине приближается к нулю и что изги |
бающий |
момент там же стремится к значению ql2/8. В этом случае парал |
лельные балки могут рассматриваться как неразрезные балки на трех жестких опорах. С ростом и функция Ф уменьшается и прогиб б средней продольной балки растет. Для и = п/2 Ф = 0, и прогиб средней продоль ной балки становится равным прогибу стержня, опертого по концам. Сила R становится равной нулю и средняя продольная балка не поддержи вается больше поперечной. При дальнейшем возрастании и сила R стано вится отрицательной, изогнутая поперечная балка действует только на среднюю продольную балку, условия нагружения которой теперь менее благоприятны, чем если бы поперечная балка совсем отсутствовала.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЯ УПРУГОЙ ЛИНИИ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИМ РЯДОМ
Расчеты предыдущего параграфа можно упростить, представляя упру гую линию поперечной балки в виде
у = агsin —— f- азsin — ---- f- a3sin — ---- 1- |
(9) |
при этом начало координат принималось на конце поперечной балки. Коэф фициенты аъ а2, а3, можно легко вычислить, используя выражение для потенциальной энергии деформации системы. Потенциальная энергия изгиба
поперечной балки будет
о
Потенциальная энергия деформации упругого основания, которым можно было бы заменить действие параллельных стержней на поперечную балку, соответственно будет
V2= -J- j ky4x = ~ |
2 а\. |
* 0 |
4 П=1 |
Если рассмотрим прогибы, которые вызываются элементарной нагрузкой qdx, приложенной на расстоянии х от начала координат, то коэффициенты аъ а2, а3, определяются из уравнения
о(Ул + У2) |
j |
» |
• ляд: . |
|
|
dJn — dan= qdansin —— dx |
|
||||
и отсюда при использовании соотношений |
(4) найдем |
|
|||
|
|
п >п . |
ЛЯДС |
, |
|
|
а„ = |
2rq sin —-— |
dx |
|
|
|
EI (я4 я4 |
+ 64ы4) |
|
||
|
|
|
|||
Интегрируя это выражение по х в пределах от х = 0 до х = |
/, получаем |
||||
коэффициенты аъ а2, а3, |
для случая |
равномерной нагрузки |
q, которая |
||
распределена по всей длине балки. Ряд (9) запишется теперь в виде |
|||||
|
4ql4 |
Х ^ |
|
ппх |
|
У = |
|
|
( 10) |
||
£/я5 |
/2=1.3.5... |
|
64ли4 |
||
|
|
|
тт.4 |
|
Обычно на практике а меньше единицы, и прогибы у можно вычислить, используя только первый член ряда (10). Тогда получим для прогиба в се редине поперечной балки формулу
б = |
_____!_____ |
ЕЫЬ |
64w4 |
|
1 + я4 |
Подставляя это значение в выражение (1) для у, получаем с учетом соотно шения (4) выражение
|
(П) |
V |
и4+ ■64 |
Эта формула дает очень хорошую точность для вычисления давления осно вания R при малых значениях а. С ростом ипогрешность формулы (11)также возрастает и достигает значения около 1% при и = 1.
Описанный здесь метод может быть применен также в случае двух по перечных балок. Пусть ух и у2— прогибы этих балок, a Rx и R2 — давле ния, которые передаются на них параллельными балками. Тогда получим соотношения
Ri = aXQ — угуг — у\у2, R2 = azQ — у2ух— у2у2,
в которых постоянные аь а2, Yi» Уг, у!, У2 могут быть определены из условия того, что параллельные стержни считаются неразрезными балками на четы