- •§6. Основные теоремы о линейно-деформируемых системах (лфс)
- •Теорема Клапейрона о работе внешних нагрузок
- •Теорема Бетти о взаимности работ и теорема Максвелла о взаимности перемещений
- •Теорема о потенциальной энергии внутренних сил упругости
- •Интеграл Мора для определения перемещений
- •Теорема Кастильяно о взаимности энергии и перемещений
- •Теорема Рэлея о взаимности реакций
- •Правило Верещагина для перемножения эпюр
- •Формулы трапеций и Симпсона
- •§7. Силовой расчет статически неопределимых стержневых систем (снс).
- •Достоинства:
- •Недостатки:
- •Метод сил
- •1 Единичное состояние о.С.
- •5 Единичное состояние о.С.
- •3 Единичное состояние о.С.
- •Метод перемещений
- •Комбинированный метод.
- •Смежный метод.
- •Метод конечных элементов.
- •Метод предельного равновесия.
- •§8. Расчет статически неопределимых балок, арок и ферм. Неразрезные балки.
- •Синтез:
- •Неразрезные арки
- •Статически неопределимые фермы.
- •§9. Расчет пространственных стержневых систем.
- •§10. Колебания стержневых систем.
- •Собственные колебания систем с n степенями свободы.
- •Внутренние колебания систем с n степенями свободы.
Теорема о потенциальной энергии внутренних сил упругости
Потенциальная энергия есть суммарная интегральная квадратичная функция внутренних усилий, возникающих во всех сечениях элементов сооружения при его нагружении.
Для пространственных конструкций она имеет следующее выражение:
1 слагаемое учитывает растяжение-сжатие;
2 и 3 слагаемые учитывают сдвиг;
4 и 5 слагаемые учитывают изгиб;
6 слагаемое учитывает кручение.
Для плоских стержневых систем:
Для плоских рам, стержни которых работают преимущественно на изгиб:
Докажем последнюю формулу. Выделим из стержня (балки), подверженного чистому изгибу, элемент бесконечно малой длины и рассмотрим схему его деформации, вызванной действием изгибающих моментов, переведенных в разряд внешних сил.
dθ
M M
dz
Примем оба момента М за обобщенную силу, а взаимный элементарный угол поворота смежных сечений за обобщенное перемещение. Тогда, согласно теореме Клапейрона, элементарная работа будет равна:.
Воспользуемся дифференциальным уравнением изогнутой оси балки:
Преобразуем его, учитывая что .
Подставляя в элементарную работу, получаем:
Интегрируя по всей длине стержня, находим:
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая внешними силами, с небольшими потерями (порядка 0,01%) на нагрев и другие эффекты переходит в потенциальную энергию внутренних сил упругости. Эта энергия, накаливаясь в элементах сооружения, обеспечивает его равновесное состояние при воздействии нагрузок и возвращает в исходное состояние после снятия нагрузок. Произведем суммирование по всем m стержням сооружения и учтем, что U=W. Тогда получаем:
Мы видим, что изгибающий момент стоит под знаком интеграла во второй степени и, следовательно, потенциальная энергия внутренних сил упругости есть интегральная квадратичная функция внутреннего усилия. В силу этого к потенциальной энергии не применим принцип суперпозиции, т.е. если обозначать энергию, создаваемую при действии силы F1 через U1, создаваемую при действии силы F2 через U2, создаваемую при действии обеих сил через U, то , в общем случаеUΣ.
Интеграл Мора для определения перемещений
Перемещение любой точки конструкции есть суммарная интегральная функция от произведения внутренних усилий, возникающих в сечениях в двух состояниях системы: действительном и возможном.
i Pi=1
i
Для изгибаемых конструкций интеграл Мора имеет вид:
При доказательстве теоремы Бетти мы рассмотрели две последовательности нарущения упругой конструкции и получили:
при этом
Следовательно, можно записать равенство:
Выразим отсюда взаимную работу:
Работы, стоящие в правой части, заменим потенциальными энергиями внутренних усилий (моментов), учитывая, что M(F1,F2)=M(F1)+M(F2)=M1+M2.
Взаимная работа выражается через обобщенную силу и обобщенное перемещение.
Применим в качестве I обобщенной силы возможную (отсутствующую в реальном времени) единичную силу .
В качестве II обобщенной силы принимаем заданные внешние нагрузки . Следовательно, ∆12 – это действительное перемещение от внешних нагрузок по направлению возможной единичной силы:
Приравнивая правые части формул (*) и (**), получаем:
Эта формула носит название интеграла Мора для определения перемещений.
Здесь ∆iF – действительное перемещение i точки конструкции в направлении единичной обобщенной силы, вызванное внешней нагрузкой; и изгибающий момент, возникающий в сеченииZ от действия единичной силы - изгибающий момент, возникающий в сеченииZ от действия заданной внешней нагрузки .