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

primeri_zao

.pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
15.05.2015
Размер:
748.4 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И СТРОИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИКИ

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

(ОБЩИЙ КУРС)

Примеры решения контрольных работ для студентов заочной формы обучения всех строительных специальностей

Краснодар

2008

Составитель: канд. физ.-мат. наук, доц. С.Ю. Молдаванов

УДК 539.3/8

Сопротивление материалов (общий курс): Примеры решения контрольных работ для студентов заочной формы обучения всех строительных специальностей / С.Ю. Молдаванов Краснодар: Изд. КубГТУ, 2008. 43 с.

В предлагаемых методических указаниях приведены примеры решения контрольных работ, выполняемых студентами-заочниками всех строительных специальностей в 6 и 7 семестрах при изучении общего курса сопротивления материалов. Примеры, представленные в данной работе, полностью соответствуют контрольным заданиям для студентов заочной формы обучения всех строительных специальностей, утвержденным кафедрой «Сопротивление материалов и строительная механика» КубГТУ в 2007 г.

Предназначены для студентов 3-го и 4-го курсов всех строительных специальностей заочной формы обучения.

Ил. 17.

2

ЗАДАЧА № 1 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛОСКИХ СЕЧЕНИЙ

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ

Для заданного поперечного сечения, состоящего из швеллера и равнобокого уголка, или из двутавра и равнобокого уголка, или из швеллера и двутавра, требуется:

1)определить положение центра тяжести;

2)найти осевые и центробежный моменты инерции относительно случайных осей, проходящих через центр тяжести сечения (zc и yc);

3)определить направление главных центральных осей (u и v);

4)Найти моменты инерции относительно главных центральных осей;

5)Вычертить сечение в масштабе и указать на нем все размеры в чис-

лах и все оси.

Исходные данные для решения задачи: составное сечение состоит из швеллера № 16; равнобокого уголка 90×90×6. Сечение показано на рис. 1.

2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

Рассмотрим первый элемент сечения швеллер № 16 (ГОСТ 8240-72). Площадь поперечного сечения А1 = 18,1 см2. Величина смещения главных осей элемента от внешней грани полки х01 =1,80 см. Осевые моменты инерции первого элемента равны: Jх1 = 747 см4, Jу1 = 63,3 см4. Центробежный момент: Dy1x1 = 0.

Рассмотрим второй элемент сечения равнобокий уголок 90×90×6 (ГОСТ 8509-72). Площадь сечения второго элемента А2=10,6 см2. Моменты инерции этого элемента относительно центральных осей в соответствии с сортаментом прокатной стали равны: Jy2 = Jx2 = 82,1 см4 ; Jmax = 130 см4; Jmin = 34 см4. Величина смещения главных осей элемента от внешних граней полки х02 02 =2,43 см. Центробежный момент инерции равнополочного уголка:

Dx 2 y 2 =

J max Jmin

Sin2θ =

130 34 Sin(2 45o )= −48 см4.

2

 

 

2

Выбираем вспомогательную систему прямоугольных декартовых координат, проводя оси ξ и η через центр тяжести одного из элементов сечения таким образом, чтобы они были параллельны осям yi и xi. Определяем координаты центров тяжести элементов сечения в новой системе ξ - η

η1 = 0;

ξ1 = 0;

η2 = (2 9,0 2,43)16 / 2 = 7,57 см;

ξ2 = −1,80 2,43 = −4,23 см.

Вычисляем координаты положения центра тяжести составного сечения

3

 

 

n

 

 

 

 

ηc

=

Aiηi

=

0 ×18,1+7,57 ×10,6 = 2,80 см;

 

i=1

 

 

n

 

 

 

 

Ai

 

18,1+10,6

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

ξc =

Aiξi

= 0

×18,1+(4,23)×10,6 = −1,56 см.

 

i=1

 

n

 

 

Ai

 

 

18,1+10,6

 

 

i=1

 

 

 

 

Через точку С, имеющую координаты ξс = 1,56 см и ηс=2,80 см,

про-

водим центральные

оси

Y и

X составного сечения параллельно осям

его

элементов yi и xi .Для проверки правильности определения положения центра тяжести составного сечения воспользуемся свойством центральных осей, которое гласит, что статический момент относительно указанных осей равны нулю. Предварительно вычисляем координаты центров тяжести элементов сечения в системе центральных осей Y и X:

b1

=ξ1 ξc

= 0 (1,56)=1,56 см;

a1 =η1 ηc

= 0 2,80 = −2,80 см;

b2

=ξ2

ξc

= (4,23)(1,56)= −2,67 см;

a2 =η2 ηc

= 7,57 2,80 = 4,77 см;

 

 

 

Находим величины статических моментов относительно централь-

ных осей Y и X

 

=18,1×(2,80)+10,6 ×4,77 = −50,68 +50,562 = −0,118 см3.

 

S

Х

= A a + A a

2

 

 

1

1

2

 

 

 

 

 

 

Погрешность вычислений

0,118 ×100% = 0,23% .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50,68

 

 

 

 

S

Y

= A b + A b =18,1×1,56 +10,6 ×(2,67)= 28,236 28,302 = −0,066 см3.

 

 

 

1

1

2 2

 

 

 

 

 

 

Погрешность

вычислений

 

0,066

×100% = 0,23% . Погрешность в обоих

28,302

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

случаях не превышает 5 % , следовательно, положение центра тяжести составного сечения найдено верно.

Осевые моменты инерции составного поперечного сечения определяются по формулам, учитывающим плоско-паралельное смещение центральных осей его элементов относительно центральных сечения в целом

n

JY = ( J yi + bi2 Ai ) = ( J y1 + b12 A1 ) +( J y2 + b22 A2 ) =

i=1

=63,3 +1,562 ×18,1+82,1+(2,67)2 ×10,6 = 265,01 см4;

n

J X = ( J xi + ai2 Ai ) = ( J x1 + a12 A1 ) +( J x2 + a22 A2 ) =

i=1

=747 +(2,8)2 ×18,1+82,1+4,772 ×10,6 =1212,18 см4.

4

Центробежный момент инерции составного сечения относительно осей Y и X с учетом смещения осей его элементов относительно центральных осей составного сечения равен

n

DYX = ( Dyixi + ai bi Ai ) = ( Dy1x1 + a1b1 A1 ) +( Dy2 x2 + a2b2 A2 ) =

i=1

=0 +1,56 ×(2,8)×18,148 +(2,67)×4,77 ×10,6 = −262,06 см4.

Для определения положения главных центральных осей инерции сечения воспользуемся следующей формулой

 

2 D

 

 

 

2 ×(262,06)

 

o

α = 0,5 arctg

YX

 

=

0,5 arctg

 

 

=14,48 .

 

 

 

 

 

 

265,011212,18

 

 

 

JY J X

 

 

Угол поворота центральных осей Y и X до положения главных центральных осей V и U имеет положительный знак, следовательно, поворот осей осуществляется против часовой стрелки.

Находим величину главных центральных моментов инерции составного сечения, используя следующую формулу

 

 

 

J

max

= JY + J X ± 1

(J

Y

J

X

)2 + 4D2 ;

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

YX

 

 

 

 

 

min

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jmax

= JV

=

265,01+1212,18

+

1

(265,011212,18)2

+4 ×(262,06)2

=

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 738,60 +541,26 =1279,86 см4;

 

 

Jmin

= JU

=

265,01+1212,18

1

(265,011212,18)2

+4 ×(262,06)2

=

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

= 738,60 541,26 =197,34 см4.

Поверяем правильность вычисления главных моментов инерции сечения. Первая проверка основана на свойстве инвариантности суммы осевых моментов инерции, которое гласит, что сумма осевых моментов инерции при повороте центральных осей не изменяется:

JY + J Х = JV + JU ;

265,01+1212,18 = 1279,86 + 197,34;

1477,19 см4 1477,20 см4.

Вторая проверка основана на следующем свойстве главных центральных осей инерции сечения: центробежный момент инерции относительно главных центральных осей равен:

5

DUV = J X 2JY sin 2α + DYX cos 2α =

= 1212,18 265,01 ×Sin 28,96o +(262,06) ×Сos28,96o = 2

= 229,31229,29 = 0,02 см4 0,

следовательно, величина главных центральных моментов инерции сечения определена верно.

 

 

Y

U

у2

η у1

 

 

 

 

 

х2

 

b=90

 

=47,7

C2

 

V

 

=75,7

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

η

a

C

 

α=14,48°

X

 

 

 

 

 

 

=28,0

=28,0

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

a

c

 

х1

ξ

 

 

 

η

C1

 

 

 

 

 

 

b=90

 

 

 

 

 

 

b2=26,7 b1=1,56

Масштаб М 1:2

ξc=1,56

ξ2=4,23

Рисунок 1

6

z =0 ;

ЗАДАЧА № 2 РАСЧЕТ СТУПЕНЧАТОГО СТЕРЖНЯ НА ОСЕВОЕ РАСТЯЖЕНИЕ

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ

 

 

 

Для заданного статически определимого сту-

 

 

l

пенчатого стержня (рис. 2) требуется:

F

 

1)

построить эпюру продольных сил;

 

2)

из условия прочности подобрать площади

 

 

2l

3)

поперечных сечений стержня;

 

 

 

построить эпюру нормальных напряжений в

 

 

 

 

поперечных сечениях стержня;

 

 

2l

4)

построить эпюру перемещений.

А

2F

 

Исходные данные для решения задачи: ма-

 

 

 

 

 

териал стержня – сталь; внешние продольные силы

 

F

l

F = 30 кН; длины участков стержня – l =1 м; рас-

 

z

 

четное сопротивление стали при растяжении и сжа-

 

 

тии R =160 МПа; модуль упругости Е = 2 105 МПа.

 

Рисунок 2

 

 

 

2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

В защемлении в общем случае возникает три реакции связи – вертикальная и горизонтальная опорные реакции и момент защемления. В данном случае стержень нагружен только осевыми силами и поэтому в защемлении возникает только вертикальная опорная реакция V. Величину указанной опорной реакции определим из уравнения статического равновесия:

z = 0 ; 2F + F + F V = 0,

следовательно,

V = 4F =120 кН.

Рассматриваемый стержень состоит из пяти участков, границами которых являются сечения, где приложены внешние силы и места изменения размеров поперечного сечения. Проводим произвольные сечения в пределах каждого участка стержня. Рассматривая верхнюю отсеченную часть, составляем уравнения равновесия оставшейся части, откуда определяем величины продольных сил:

0 z1 l ;

N1

=V =120 кН;

l z2 3l ;

N2

=V F =120 30 = 90 кН;

3l z3 5l ;

N3 =V F 2F = 30 кН;

5l x4 6l ;

N4

=V F 2F F = 0 кН.

7

По полученным значениям строим эпюру продольных сил N (рис. 3).

V

 

 

120

160

0

 

 

 

1

м

 

 

 

 

z

 

 

 

 

F=30

l=1

90

120

8,0

 

2

 

 

 

 

 

z

 

 

120

160

 

 

 

 

 

3

м

 

 

 

 

z

2l=2

 

 

 

 

4

 

30

 

80

20,0

 

 

 

 

 

z

 

 

90

120

 

2A

2F=60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

м

 

 

 

 

2l=2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F=30

 

 

 

 

28,0

 

30

 

80

 

 

м

 

 

 

l=1

 

 

 

 

z

 

Эп. N, кН

Эп. σ, МПа

Эп. w 10-4, м 28,0

Рисунок 3

Для определения опасного сечения проанализируем напряжения на каждом участке:

σ1 = 2NA1 = 1202A = 60A МПа;

σ2 = 2NA2 = 290A = 45A МПа;

σ3 = NA3 = 30A = 30A МПа;

σ4 = NA4 = 0 МПа.

8

Наибольшее напряжение возникает на первом участке. Определим необходимые размеры поперечного сечения стержня исходя из условия прочности при одноосном растяжении:

σmax

=σ1 =

N1

=

60

R =160 МПа,

 

A

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

N

1

 

 

60 103

 

 

 

 

4

2

2

 

=

 

 

= 3,75 10

 

 

м = 3,75 см .

R

 

160 106

 

 

 

Определяем напряжения на каждом участке стержня:

0 z

l ;

σ

 

=

 

N1

 

 

=

 

120 103

 

=

160 МПа;

 

2A

 

2 3,75 104

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

l z

2

3l ;

σ

 

2

=

 

N2

=

 

90 103

 

 

=120 МПа;

 

2A

 

2 3,75 104

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3l z

3

5l ;

σ

3

=

 

N3

 

 

=

 

30 103

 

=80

МПа;

 

A

3,75 104

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5l z4 6l ;

σ4

=

 

N4

 

= 0 МПа.

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По полученным значениям строим эпюру нормальных напряжений σ

(рис. 3).

Построение эпюры перемещений начинаем от заделки, так как перемещение в защемлении заведомо известно и равно нулю. Перемещение определяем по закону Гука и на каждом из участков стержня соответственно равны (при Е = 2 105 МПа):

первый участок:

0 z

 

l ;

w =

N1 z1

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

E2A

 

 

 

 

 

 

z1

= 0 ;

w1 = 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

= l ;

w = 0 +

 

 

 

120 103 1,0

 

 

= 8,0 104 м;

2

1011 2 3,75 104

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

второй участок:

l z

2

3l ;

w

=8,0

 

104 +

N2 (z2 l)

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

E2A

z

 

= l ;

w = 8,0 104 м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2

= 3l ;

w = 8,0 104 +

90 103 (3 1,0 1,0)

= 20,0 104 м;

 

 

2

 

 

 

 

2 1011 2 3,75 104

 

 

N3 (z3 3l)

 

третий участок:

3l z

3

5l ;

w

 

= 20,0 104 +

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

EA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

z

3

= 3l ;

w = 20,0 104 м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

3

= 5l ;

z

3

= 20,0 104

+

30 103 (5 1,0 3 1,0)

= 28,0 104 м;

 

 

 

 

 

 

2 1011 3,75 104

 

 

 

 

четвертый участок:

5l z

4

6l ;

w = 28,0 104

+

N4 (z4 5l)

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

EA

 

z

 

= 5l ;

 

w = 28,0 104

м;

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

4

= 6l ;

 

w = 28,0 104

м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По полученным данным строим эпюру перемещений w (рис. 3).

ЗАДАЧА № 3 РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМОЙ СТЕРЖНЕВОЙ СТСТЕМЫ

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ

Абсолютно жесткий брус опирается на шарнирно неподвижную опору

иприкреплен к двум стержням с помощью шарниров. Требуется:

6)найти усилия и напряжения в стержнях, выразив их через силу Q;

7)найти допускаемую нагрузку Qдоп, приравняв большее из напряжений в двух стержнях расчетному сопротивлению R =160 МПа;

8)найти предельную грузоподъемность системы Qт и допускаемую на-

грузку Qдоп, если предел текучести σт = 240 МПа и коэффициент запаса прочности k =1,5;

9)сравнить величины Qдоп, полученные из расчета по допускаемым напряжениям и допускаемым нагрузкам.

Исходные данные для решения задачи: схема стержневой системы показана на рис. 4; площадь поперечного сечения – А=17 см2; линейные разме-

ры – a = 2,2 м, b = 2,5 м, c =1,7 м,

2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

При действии на стержневую систему внешней силы Q абсолютно жесткий брус повернется по часовой стрелке относительно точки А, что вызовет удлинение стержней 1 и 2. Де-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С′

 

формация стержней приводит к

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

возникновению в них продоль-

 

 

В′′

В′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ных усилий N1 и N2. Помимо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

этих усилий к системе приложе-

Q

A

В

 

 

 

 

 

С

 

А

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

ны две опорные реакции, возни-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N1

N2

b=2,5

кающие в шарнирно неподвиж-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ной опоре А. На плоскости мож-

 

 

с=1,7 м

 

 

α

 

 

 

 

 

 

a=2,2 м

b=2,5 м

 

 

 

 

 

 

но составить только три незави-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

симых уравнения статики. Сле-

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]