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

OM-labi-1

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
21.02.2016
Размер:
823.9 Кб
Скачать

де y1 =0 , z1 =0 – координати центру ваги першої фігури;

y2 =−z02 =−2,19 см, z2 =z01 +z02 =1,94+2,19=4,13 см – координати центру ваги другої фігури.

Визначаємо центральні моменти інерції перерізу відносно осей Оyс , Оzс:

I

z

 

=I

z

+a 2 A +I

z

+a

2 A =

 

 

c

 

 

1

1

2

2

2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1090+0,682 20,7+67+1,512 9,38=1178 см4,

де

a1 =y1 yc =0(0,68)=0,68

см; a2 =y2 yc =−2,19(0,68)=−1,51 см –

відстані між осями zс

і z1, z2 відповідно.

 

 

 

Iy

c

=Iy

+c12 A1 +Iy

+c22 A2 =86+1,292 20,7+57+2,842 9,38=253 см4,

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

z

 

де с1 =z1 zc =01,29=−1,29 см;

c2 =z2 zc =4,131,29=2,84 см – відстані між

осями yc і y1 , y2 відповідно.

Визначаємо відцентровий момент інерції перерізу відносно осей Оyс , Оzс

Izc yc =Iz1y1 +a1c1A1 +Iz2 y2 +a2c2 A2 =

=01,29 0,68 20,7+33,451,51 2,84 9,38=−24,9 см4.

Положення головних центральних осей інерції перерізу

 

2Izc yc

 

2 (24,9)

 

tg2α=

 

=

 

 

=−0,054 ;

α=−1°33 .

Izc Iyc

1178253

Якщо кут від’ємний, то центральні осі слід повернути за годинниковою стрілкою.

Головні центральні осьові моменти інерції дорівнюють

21

Iu,v =

Izc +Iyc

±

1

(Izc Iyc )2

+4I Z2 Y =

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

=1178+253

±1

c c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1178253)2 +4 (24,9)2 =

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

=715,5±

1 855625+4 620,01=715,5±1

855625+2480,04 =

 

 

2

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

=715,5±2

858102,04 =715,5±463,2 см .

 

 

Iu =715,5+463,17=1178,7 см4;

Iv =715,5463,17=252,3 см4.

Головні радіуси інерції:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

=

 

Iu

=

1178

=6,3 см;

i =

Iv

=

253

=2,9 см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

A

30,08

 

 

v

A

30,08

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У даному випадку головні моменти інерції не суттєво відрізняються від центральних моментів інерції відносно осей, які проведені паралельно основним розмірам.

Слід пам’ятати, що в розрахунках на міцність та жорсткість балки при їх згині у формулах використовують головні центральні моменти інерції.

Задача № 4

Розрахунок вала постійного перерізу на міцність та жорсткість при крученні

Вихідні дані:

схема – 2; довжини дільниць: a = 2, 2 м, b =1,5 м,

c = 2,9 м, d =1,5 м; кру-

тні моменти: T1 =1, 2 кН·м, T2 =1, 2 кН·м, T3 = 0,8

кН·м; допустиме напру-

ження [τ]= 4 кН/см2 ; модуль пружності при зсуві G =8 104 МПа.

Розв’язання:

 

1. Визначимо величину крутного моменту T , при якому кут повороту в перерізі 4 на вільному кінці стержня дорівнюватиме ϕ4 = 0 .

Він визначається, як сума кутів закручування на кожній ділянці:

ϕ4 = ϕ0 01 12 23 34 = 0 .

Запишемо вирази кутів закручування для кожної ділянки, починаючи з вільного кінця.

22

Ділянка 3-4:

 

 

ϕ

=

Mкр34 d

; M

34

=T ;

ϕ

 

=

T d

.

 

 

 

 

 

 

 

кр

 

 

 

 

34

 

 

G

Iρ

 

 

 

 

 

34

 

G I ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ділянка 2-3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

23

=

Mкр23 c

; M

34

=T T ; ϕ

23

 

= (T T3 ) c .

 

 

кр

 

 

 

 

G Iρ

 

 

 

 

 

3

 

 

 

G Iρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ділянка 1-2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Μ12

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

=

 

 

кр

 

 

;

Μ

12 =T

T +T ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

G Iρ

 

 

 

кр

 

 

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(T T3 +T2 ) b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ12 =

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G Iρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

Ділянка 0-1:

 

 

 

 

 

 

 

 

M

01 a

 

 

 

ϕ

 

=

 

кр

 

; M 01 =T T +T

+T ;

01

 

 

 

 

 

G Iρ

 

кр

3 2

1

 

 

 

(T T3 +T2

+T1 )a

 

 

 

 

 

ϕ01 =

.

 

 

 

 

 

G Iρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ0 = 0 – кут закручування в затисненні.

Отримані вирази кутів закручування для кожної ділянки підставимо у вираз для визначення ϕ4:

ϕ4

=

(T T3 +T2 +T1 ) a

+

(T T3 +T2 ) b

+

(T T3 ) c

+

T d

= 0 .

G Iρ

G

Iρ

G Iρ

G Iρ

 

 

 

 

 

 

На підставі принципу суперпозиції та закону Гука одержуємо:

T(a +b +c +d )T3 (a +b +c)+T2 (a +b)+T1 a = 0;

Т8,1Т3 6,6 +Т2 3,7 +Т1 2, 2 = 0;

Т = 0,8 6,6 1, 2 3,7 1, 2 2, 2 = −0, 222 кН·м. 8,1

2. Побудуємо епюру крутних моментів.

Користуючись методом перерізів, визначимо крутні моменти на відповідних ділянках вала:

 

0 x

 

1,5

м;

 

 

M 34

=Т = −0,222 кН·м;

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

кр

 

 

 

 

 

 

0 x 2,9

м;

 

M 23 =Т Т

3

 

= −0,222 0,8 = −1,022 кН·м;

 

3

 

 

 

кр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 x 1,5 м;

M

12 =Т Т

3

 

+Т

2

 

= −0,222 0,8 +1,2 = 0,178 кН·м;

 

2

 

кр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 x

2, 2 м; M 01

=Т Т

3

+Т

2

+Т

1

= −0,222 0,8 +1,2 +1,2 =1,378 кН·м.

1

кр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Виконаємо підбір діаметра стержня.

Складемо умову міцності:

 

Mкрmax

 

 

 

 

 

 

Mкрmax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τmax

=

 

 

 

 

 

 

=

 

[τ].

 

 

 

 

 

W

 

 

 

0, 2D3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

Визначаємо необхідний діаметр стержня:

 

 

D 3

 

Mкрmax

 

 

 

 

 

 

 

 

137,8

 

 

 

 

=

3

 

0,2 4 =5,564 см.

 

 

0,2 [τ]

 

Приймаємо D = 6 см.

Полярний момент інерції перерізу:

24

Iρ = π32D4 = π3264 =127, 235 см4. 4. Побудуємо епюру кутів закручування.

Приймаємо, що кут закручування в затисненні дорівнює нулю. Далі визначаємо послідовно кути закручування для перерізів, у яких прикладені зовнішні

моменти Т1 , Т2 , Т3

та Т . Таким чином одержуємо ординати, на підставі яких

будується епюра кутів закручування.

 

 

 

 

 

Визначаємо кут закручування перерізу 1 на відстані a

від лівого кінця

стержня:

 

 

 

 

 

 

Mкр01

а

 

 

 

 

 

 

ϕ = ϕ

0

01

= 0

+

=

137,8 220

= 29,78

10

3

рад;

 

 

 

 

1

 

 

 

G Iρ

 

 

8 103 127, 235

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Визначаємо кут закручування перерізу 2 на відстані a +b від лівого кінця

стержня:

 

 

 

 

17,8 150

 

ϕ

2

= ϕ +ϕ

= 29,78 103 +

 

=32, 4 103 рад;

 

 

 

1 12

 

8

103 127, 235

 

 

 

 

Визначаємо кут закручування перерізу 3 на відстані a +b +c від лівого

кінця стержня:

 

 

 

 

 

 

102, 2 290

 

ϕ = ϕ

2

23

=32, 4 103

 

=3, 28 103 рад;

 

 

3

 

 

 

8

103 127, 235

 

 

 

 

 

 

Визначаємо кут закручування перерізу 4 на відстані a +b +c +d від лівого кінця стержня, тобто кут закручування вільного кінця стержня:

ϕ

4

= ϕ +ϕ

 

=3, 28 103

 

 

22, 2 150

 

 

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

3

34

 

 

 

8 103 127, 235

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Визначимо найбільший відносний кут закручування:

 

θ =

 

Mкрmax

=

 

137,8

 

=

0,133 10

3

рад/см.

 

G Iρ

8

103 127, 235

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача № 5

 

 

 

 

 

Розрахунок балки на міцність при згині

 

 

 

 

 

 

Вихідні дані:

 

 

 

 

консольна балка; схема 2;

геометричні розміри: A=6 м; a1 =0,3A=1,8 м;

a2 =0,3A=1,8 м; навантаження: M =9 кН·м;

F =14 кН;

q=10 кН/м; розрахун-

ковий опір R=1,6 кН/см2; співвідношення розмірів балки прямокутного перерізу h:b=1,5 .

За вказівкою викладача студенти можуть розрахувати одну із цих двох схем.

25

Розв’язання

Розв’язання задачі виконуємо відповідно до пп. 1-5 (с. 11).

Розрахункова схема

 

Епюри поперечних сил та згинальних моментів

Визначимо опорні реакції

 

 

ΣmА =0 ;

МА М q 1,8 0,9+F 6=0;

 

МА =−910 1,8 0,9+14 6=58,8 кН·м;

ΣmВ=0 ;

МA М q1,8 5,1RА6=0 ;

 

R =

58,89+10 1,8 5,1

=4 кН.

 

 

 

A

6

 

 

 

 

 

Перевіримо правильність визначення опорних реакцій

ΣY =0 ;

q 1,8F RA =0 ; 10 1,8144=0 .

Побудуємо епюри внутрішніх зусиль.

У даному випадку слід розглянути дві ділянки.

Перша ділянка: 0x1 1,8 м (ліворуч від проведеного перерізу)

Поперечні сили:

Q(x1)=RA qx1; Q(0)=4 кН; Q(1,8)=410 1,8=−14 кН,

де qx1 – рівнодіюча сила від рівномірно розподіленого навантаження, яке

прикладене в центрі ваги.

Ордината нуля поперечної сили Q=0

RA qx1 =0 ; x1 =RqA =104 =0,4 м.

26

Згинальні моменти

Mзг(x1)=M A +RAx1 qx212 ;

Mзг(0)=58,8 кН·м;

Mmax (0,4)=58,8+4 0,810 0,42 2 =62 кН·м; Mзг(1,8)=58,8+4 1,810 1,82 2 =49,8 кН·м.

Друга ділянка: 0x2 4,2 м (праворуч від проведеного перерізу) Поперечна сила Q(x2 )=−F =−14 кН; Згинальний момент Mзг(x2 )=Fx2 ;

Mзг(0)=0 ; Mзг(4,2)=14 4,2=58,8 кН·м.

Небезпечний переріз: M =58,8 кНм, Q=14 кНм.

Виконаємо підбір прямокутного перерізу. Момент опору згинанню

Wz =bh62 =b(1,56b)2 =0,375b3 .

Умова міцності

σmax =Mmax = Mmax3 R .

Wz 0,375b

b3

Mmax

 

5880кН см

=21,4

см;

 

=3

 

 

0,375 R

0,375 1,6кН/см2

 

h=1,5b=1,5 21,4=32,1 см.

 

Балка на двох опорах, R = 20

кН/см2.

 

 

Розрахункова схема

27

Епюри поперечних сил та згинальних моментів

Визначимо опорні реакції

 

 

ΣmB =0 ;

RА4,2+М +q2,4 1,2F1,8=0 ;

 

R =

9+10 2,4 1,214 1,8

=3 кН;

 

 

 

A

4,2

 

 

 

 

 

ΣmA =0 ;

RB 4,2F 6q 2,4 3M =0 ;

 

R =9+10 2,4 3+14 6 =35 кН.

 

B

4,2

 

 

Перевіримо правильність визначення опорних реакцій

ΣY =0 ;

 

q 2,4+F RA RB =0 ;

 

 

10 2,4+14335=0 .

Побудуємо епюру внутрішніх зусиль. Розглянемо три ділянки:

Перша ділянка: 0x1 1,8 м (ліворуч від проведеного перерізу)

Q(x1)=RA =3 кН;

Mзг(x1)=RA x1;

Mзг (0)=0 ; Mзг (1,8)=3 1,8=5,4 кН м.

Друга ділянка: 0x2 1,8 м (праворуч від проведеного перерізу)

Q(x2 )=F =14 кН кН;

Mзг(x2 )=−Fx2 ;

Mзг(0)=0 ; Mзг(1,8)=−14 1,8=−25,2 кН·м.

Третя ділянка: 0x3 2,4 м (праворуч від проведеного перерізу)

Q(x3)=F RB +qx3 ,

де q x3 – рівнодіюча сила від рівномірно розподіленого навантаження, яке прикладене в центрі ваги.

28

Q(0)=1435=−21 кН;

Q(2,4)=−2,1+10 2,4=3 кН.

Ордината нуля поперечної сили Q=0

F RB +qx3 =0 ; x3 =F q+RB =1410+35 =2,1 м.

qx2

Mзг =−F(1,8+x3)+RBx3 23 ;

Mзг(0)=−14 1,8=−25,2 кН·м;

Mmax (2,1)=−14 3,9+35 2,110 22,12 =−3,15 кН·м; Mзг(2,4)=−14 4,2+35 2,410 2,42 2 =−3,6 кН·м.

Небезпечний переріз: M =25,2 кНм, Q=−21 кНм.

 

 

Підбір двотавру

 

 

 

 

 

 

σ

max

=Mmax R ;

W

Mmax

=2520 кН см

=126

см3.

 

 

Wz

A

z

RA

20 кН/см2

 

 

 

 

 

 

 

 

З таблиці

сортаментів

та

ГОСТ обираємо двотавр

№ 18, у якого

Wz =143 см3.

Враховуючи, що момент опору, необхідний за розрахунками (Wz =126 см3), більший від обраного, у даній системі буде невеликий запас міцності.

Задача № 6

Визначення переміщень при згині балок

Вихідні дані:

схема – 2; геометричні розміри: A=6 м; a=0,9 м, b=1,4 м, c=1,4 м; навантаження: F =6 кН, M =3 кН·м, q=3 кН/м; тип балки – двотавр № 24 ( IZ =3460 см4 =3460 108 м4); E =2 105 МПа = 2·108 кН/м2.

Потрібно:

Знайти прогин v та кут закручування θ в перерізі B .

29

Розв’язання:

Знайдемо опорні реакції

ΣmC =0 ; RA 3,7+F 2,8+q 2,3 2,55+M =0 ;

RA =6 2,8+3 2,3 2,55+3 =10,11 кН; 3,7

ΣmA =0 ;

RC 3,7+M F 0,9q 2,3 1,15=0 ;

 

R =

3+6 0,9+3 2,3 1,15

=2,79 кН.

 

 

 

C

3,7

 

 

 

 

Перевіримо правильність визначення опорних реакцій

ΣY =0 ; q 2,3+F RA RC =0 ; 3 2,3+610,112,79=0 .

Скористуємося універсальним рівнянням зігнутої осі стержня, яке має вигляд

 

 

 

 

M

 

x2

 

Q x3

qx4

 

q(x2,3)4

 

F(x0,9)3

 

υ(x)=v

0

x

 

0

 

0

+

 

 

+

 

.

 

 

 

 

 

 

0

 

 

2!EI

 

3!EI

4!EI

 

4!EI

 

3!EI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У цьому рівнянні: υ0 ; θ0 ;

M0 ; Q0 – початкові параметри, які являють со-

бою відповідно прогин, кут закручування, згинальний момент і поперечну силу на початку координат, інші складові – це ті величини, які залежать від

навантаження, що діє у прогоні балки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничні умови:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при x=0 :

 

υ0 =0 ;

 

 

 

M0 =0 ;

 

 

 

 

 

 

 

Q0 =10,11 кН;

 

 

 

 

 

при x=3,7 :

 

υ(3,7)=0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Після підстановки значень маємо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

υ(x)0x

10,11x3

 

3x4

 

 

 

3(x2,3)4

 

6(x0,9)3

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

.

 

 

 

 

3!EI

4!EI

 

 

4!EI

 

3!EI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скористуємось умовою υ(3,7) і визначимо θ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ0 3,710,11 3,73

+

3 3,74

3 1,44

 

+

6 2,83

=0 ;

 

 

 

 

 

 

 

24EI

24EI

 

 

6EI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6EI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ0 =

40,45

=10,93 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3,7EI

 

 

EI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Підставимо θ0 у рівняння

 

υ(x)

 

і отримаємо універсальне рівняння для

визначення прогинів у даній балці

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

10,11x3

 

 

3x4

 

3(x2,3)4

6(x0,9)3

 

υ(x)=

 

 

10,93x

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EI

 

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

 

4!

 

 

 

 

4!

 

 

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Одержимо рівняння для визначення кутів закручування перерізів

 

 

 

1

 

 

 

10,11x2

 

 

 

3x3

 

 

3(x2,3)3

 

6(x0,9)2

 

θX (x)=

 

10,93

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

.

EI

 

2!

 

 

 

 

3!

 

3!

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]