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

8658

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
25.11.2023
Размер:
1.77 Mб
Скачать

Лекция №8

Метод начальных параметров

Основные положения метода

Существует метод: метод начальных параметров, который позволяет свести решение к определению всего двух постоянных интегрирования. Для этого необходимо при решении использовать приём, который сводится к следующим правилам:

При решении задачи использовать единую (глобальную) систему координат для всех участков балки. Начало координат необходимо помещать на левом или правом конце балки.

Жесткость всех участков балки должна быть одинаковой и постоянной – EJx = const.

Прогиб и угол поворота в начале координат обозначим vo и θо, которые называются геометрическими или кинематическими начальными параметрами.

Изгибающий момент и поперечную силу в начале координат обозначим Mo и Qо,

которые называются статическими начальными параметрами.

При составлении выражения изгибающего момента для нагрузки от сосредоточенных моментов необходимо использовать следующую форму записи:

M = M(z-a)o.

Если распределённая нагрузка обрывается в сечении, расположенном левее сечения с абсциссой z(ось z направлена вправо), необходимо нагрузку продолжить до конца балки и одновременно приложить на этой части балки такую же нагрузку,

но противоположного направления (рис. 52).

Рис. 52

При интегрировании двучленов вида (z-a)kследует пользоваться следующей формулой:

(z a)k

dz = (z a)k+1 .

 

k +1

Произвольные постоянные интегрирования на всех участках получаются одинаковыми, и решение задачи сводится к нахождению лишь двух неизвестных при любом числе участков статически определимой балки.

Универсальное уравнение прогибов и углов поворота.

Рассмотрим балку постоянного сечения, нагруженную моментом M, cосредоточенной силой Fи распределёнными нагрузками (рис. 53). Ось z направим вправо. Направление нагрузок создают положительные изгибающие моменты.

Рассматриваемая балка имеет четыре участка, каждому из которых соответствует свое уравнение моментов, уравнение прогибов и углов поворота сечений.

Рис. 53

Для балки постоянного сечения дифференциальное уравнение записываем в виде

EJxv′′(z)= ±Mx (z).

Напоминаем, что в уравнении выбираем знак «плюс», если ось у направляем вверх,

и знак «минус», если ось у направляем вниз. Для каждого участка балки составляем дифференциальное уравнение изогнутой оси и дважды его интегрируем.

1-й участок. 0 ≤ zа:

EJxv1′′ (z)= ±Mx(1) (z)= ±[Mo +Qo z].

EJ

θ

 

(z)= ±

M z +Q

z2

+ C

.

 

1

 

 

 

 

 

x

 

 

 

o

 

o

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EJ v

 

(z)= ±

M

z2

+Q

 

z3

+C

 

z + D .

 

 

 

 

 

 

 

1

x

1

 

 

o

2

o

6

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-й участок. a zb:

EJxv2′′(z)= ±Mx(2) (z)= ± Mo +Qo z + M(z a)o .

EJ θ

 

(z)= ±

M z +Q

z2

+M(z a)

+C

.

2

 

 

x

 

 

o

 

o

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

(z)= ±

 

 

z2

 

 

z3

(z a)2

 

 

EJxv2

Mo

 

+Qo

 

 

+ M

 

 

+C2 z +D2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

6

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3-й участок. b zc:

EJxv3′′ (z) = ± Mx(3) (z) = ± Mo +Qo z + M (z a)o + F (z b) .

 

 

 

 

z2

 

(z b)2

 

 

EJxθ3

(z) = ± Mo

z +Qo

 

 

+ M(z a) + F

 

+ C3 .

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

z3

(z a)2

(z b)3

 

EJxv3

(z) = ± Mo

 

+ Qo

 

 

+ M

+ F

 

 

+ C3 z + D3 .

 

 

 

 

 

 

2

 

 

6

2

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4-й участок. c zl:

EJx v4′′ (z) = ± Mx(

4

 

 

 

 

 

+ Qo z + M

(z a)

o

+ F (z b) + q

(z c)2

+ tgα

(z c)3

 

 

) (z) = ± Mo

 

2

 

 

 

6

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(z b)2

(z c)3

 

(z c)4

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

EJxθ4

(z) = ± Mo

z + Qo

 

 

 

+ M (z a) + F

 

+ q

+ tgα

 

 

 

+ C4 .

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

6

 

 

24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

z3

(z a)2

(z b)3

(z c)4

 

(z c)5

 

 

EJx v4

(z) = ± Mo

 

+ Qo

 

 

 

+ M

+ F

 

 

+ q

+ tgα

 

 

 

+ C4 z + D4 .

2

6

 

6

120

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изогнутая ось балки есть плавная кривая. На границах участков балки значения углов поворота и прогибов, вычисленных из уравнений соседних участков, будут равны.

Эти равенства называются условиями плавности и непрерывности изогнутой оси на

границе участков.

Рассмотрим эти условия, используя полученные для балки выражения.

Граница 1-го и 2-го участков. z= a: θ1(a) = θ2(a).

Отсюда следует С1

= С2.

v1(a) = v2(a).

Отсюда следует D1 = D2.

 

 

Граница 2-го и 3-го участков. z= b: θ2(b) = θ3(b).

Отсюда следует С2

= С3.

v2(b) = v2(b).

Отсюда следует D2 = D3.

 

 

Граница 3-го и 4-го участков. z= c: θ3(c) = θ4(c).

Отсюда следует С3 = С4.

v3(c) = v4(c).

Отсюда следует D3 = D4.

 

 

Из полученного решения следует, что, используя при решении правила, изложенные

в пункте 2.1, постоянные интегрирования всех участков балки всегда будут равны и могут быть заменены фактически двумя постоянными интегрирования независимо от количества участков балки:

С1 = С2 = С3 = С4 = ….. = С. D1 = D2 = D3 = D4 = ….. = D.

С учётом введённых обозначений угла поворота и прогиба в начале координат из

равенств (2.3) при z= 0 получим следующие выражения постоянных интегрирования С и

D:

C = EJxθo, D = EJxvo,

т.е. постоянная интегрирования С есть угол поворота в начале координат, а D – прогиб в начале координат, умноженные на жёсткость балки при изгибе.

Из формул следует, что выражения моментов, углов поворота и прогибов предыдущих участков входят как составная часть выражений для последнего (4-го )

участка балки. Это позволяет результаты решения для всех участков объединить и записать формулы для углов поворота и прогибов в виде единого выражения для всех участков, используя следующий приём:

 

k

 

0

при z £a

 

 

z³a (z - a)

 

 

 

 

=

 

 

 

 

.

 

(z - a)

k

при z

 

 

 

 

 

³a

 

 

 

 

 

 

 

 

Применяя правило, из формулы для погибов 4-го участка при z<a получим выражение прогиба 1-го участка, при z<b получим выражение прогиба 2-го участка, при z<cполучим выражение прогиба 3-го участка.

Таким образом, для уравнения прогибов балки с учётом можно записать обобщённое уравнение прогибов в виде:

EJxv(z) = EJxvo

 

z2

 

z3

(za)2

(zb)3

(zc)4

 

(zc)5

 

+ EJxθoz ± Mo

 

+Qo

 

+M

+F

 

+q

+tgα

 

 

2

6

6

120

 

 

 

 

2

24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение является универсальным уравнениемпрогибов балки, поскольку может быть использовано для определения прогибов для балки с любым числом участков.

Определение прогибов балок с помощью универсального уравнения требует выполнения следующих правил.

1.Уравнение применимо для решения балок только с постоянной жёсткостью EJx = const.

2.Начало координат необходимо помещать либо на левом конце балки, либо на правом конце балки.

3.Знак «плюс» перед квадратными скобками следует выбирать, если ось у направить вверх, а знак «минус», если ось у направить вниз.

4.Прогиб балки всегда выражается через четыре начальных параметра: два статических

Мо, Qo и два геометрических vo, θo, поэтому метод называется методом начальных параметров.

5.Неизвестный прогиб vo и угол поворота θo в начале координат необходимо определять из условий закрепления балки .В частности:

если в начале координат расположена жёсткая заделка, то

vo = 0

и

θo = 0;

если в начале координат расположена шарнирная опора, то

vo = 0

и

θo ≠ 0;

если в начале координат отсутствует опора (свободный край), то

vo ≠ 0 и θo ≠ 0.

6.При использовании универсального уравнения условия плавности и непрерывности на границах участков балки выполняются автоматически.

7.Знак слагаемых, стоящих в квадратных скобках, определяют по правилу знаков для изгибающих моментов. В частности:

если силы F и нагрузки q направлены вверх, то изгибающие моменты от такой нагрузки будут положительными независимо от выбора положения начала координат;

если силы F и нагрузки q направлены вниз, то изгибающие моменты от такой нагрузки будут всегда отрицательными;

изгибающие моменты от моментной нагрузки будут положительными, если сосредоточенные моменты Мдействуют по часовой стрелке при размещении начала координат на левом конце балки;

при размещении начала координат на правом конце балки сосредоточенный момент М необходимо вводить в уравнение со знаком «плюс», если он действует против часовой стрелки.

8.Универсальное уравнение углов поворота сечений балки получается из уравнения путём его дифференцирования: EJxθ(z) = EJxv′ (z).

ПРАКТИКА

Практика №1.

Пример 1. Для заданного поперечного сечения стального стержня, состоящего из следующих элементов:

1.вертикального листа 400 х 12 мм;

2.прокатного двутавра №20;

3.прокатного швеллера №20;

4.неравнополочного уголка 100 х 65 х 10 мм,

необходимо определить:

-положение центра тяжести поперечного сечения (т. С);

-главные центральные оси поперечного сечения;

-главные центральные моменты инерции поперечного сечения;

-главные центральные радиусы инерции сечения.

Ре ш е н и е.

Геометрические характеристики элементов, составляющих заданное сечение:

 

Площадь в

Моменты инерции сечения элементов в см4

эл-

 

см2

 

 

 

 

 

Элементы

 

Jx i

 

Jy i

J x i y i

та

 

Аi

 

 

 

 

 

 

1

Вертикальный лист

А1 = 48.0

Jx 1

= 6400

Jy 1

=5.76

Jx 1 y 1

= 0

 

400х12

 

 

 

 

 

 

 

2

Двутавр №20

А2= 26.8

Jx 2

= 115

Jy 2

= 1840

J x 2 y 2

= 0

3

Швеллер №20

А3= 23.4

Jx 3

= 1520

Jy 3

= 113

J x 3 y 3

= 0

4

Уголок 100х65х10

А4= 15.67

J x 4

= 51.68

Jy 4

= 155.52

J x 4 y 4

= 51.18

1). Общая площадь составного сечения

А = ∑ Аi= 48.0 + 26.8 + 23.4 + 15.67 = 113.87 см2.

2). Статические моменты заданного сечения относительно осей х1 и у1

 

Sx 1

=Ai yi

= 48 · 0 + 26.8 · 15 + 23.4 · (-10) + 15.67 · (-18.36) = - 119.7 см3,

Sy 1

=Ai xi

= 48 · 0 + 26.8 · 10.6 + 23.4 · 2.67

+ 15.67 · (-3.97) = 284.35 см3.

3). Координаты центра тяжести составного сечения

 

 

 

 

 

 

 

Sy 1

 

284.35

 

Sx 1

119.7

 

 

 

xc =

 

 

=

 

=2.50см, yc =

 

 

=

 

=−1.05

см.

 

 

A

113.87

A

 

113.87

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4). Координаты центров тяжести элементов сечения относительно осей х и у

точка С1: a1 = 1.05 см,

 

 

 

b1 = - 2.5 см;

 

точка С2: а2 = 15 + 1.05 = 16.05 см,

b2= 10.6 – 2.5 = 8.1 см;

 

точка С3: а3 = - (10.0 – 1.05) = - 8.95

см,

b3= 2.67 – 2.50 = 0.17 см;

 

точка С4: а4 = - (18.36 – 1.05) = - 17.31 см,

b4 = - (3.97 + 2.5) = - 6.47 см.

5). Моменты инерции сечения относительно осей х и у

 

Jx

= ( Jx i + Ai ai2 ) = [6400 + 48 · 1.052] + [115 + 26.8 ·16.052] +

 

 

 

+ [1520 + 23.4 · (-8.95)2] + [51.68 + 15.67 · (-17.31)2] = 21613.04 см4,

Jy

= ( Jy i + Ai bi2 ) = [5.76 + 48 · (-2.5)2] + [1840 + 26.8 · 8.12] +

 

 

 

+ [113 + 23.4 · 0.172] + [155.52 + 15.67 · (-6.47)2] = 4829.27 см4,

 

Jxy

= ( Jx i y i + Ai ai

bi ) = [0 + 48 · 1.05 · (-2.5)]

+ [0 + 26.8 ·16.05 · 8.1]

+

 

 

+ [0 + 23.4 · (-8.95) · 0.17] + [51.18 + 15.67 · (-17.31) · (-6.47)] = 5128.68 см4.

6). Главные центральные моменты инерции заданного сечения

 

 

 

 

 

 

J max

= J1,2 =

Jx +Jy

±

1

 

[(Jx - Jy )2 + 4 J 2xy ]=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

min

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

21613.04 + 4829.27

±

1

 

[(21613.04 - 4829.27)2 + 4×5128.68 2 ]

= 13221.16 ± 9834.99.

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jmax

= J1 = 23056.15 см4,

 

 

 

 

Jmin = J2 = 3386.17

см4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка: Jx + Jy = 21613.04 + 4829.27 = 26442.31 см4,

J1 + J2= 23056.15 + 3386.17 = 26442.32 см4.

7). Углы наклона главных центральных осей инерции сечения

 

 

 

 

 

 

 

tgαmax

=

 

Jxy

 

 

=

 

 

 

5128.68

 

= - 0.28138,

 

 

αmax

= -15.72

o

.

Jy

 

 

 

 

4829.27 - 23056.15

 

 

 

 

 

 

 

- Jmax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tgαmin

=

 

 

Jxy

 

 

=

 

 

 

 

 

5128.68

 

 

= 3.5539325,

 

 

 

αmax

= 74.28

o

.

Jy

 

 

 

 

 

4829.27 - 3386.17

 

 

 

 

 

 

 

- Jmin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка:

 

αmax

 

+

 

αmin

 

= 15.72o + 74.28o = 90o.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8). Главные центральные радиусы инерции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

imax =

 

Jmax

 

 

=

 

 

 

23056.15

 

= 14.23 см, imin =

Jmin

=

 

3386.17

 

= 5.45 см.

 

A

113.87

 

113.87

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у4

 

у1

у3

 

 

 

 

у2

 

 

 

 

3.97 см

 

2.67 см

min (2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.60 см

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х2

 

 

 

 

 

 

 

 

c2

 

 

 

 

 

 

 

2.50 см

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

1

 

 

 

 

 

 

 

 

х1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с

 

MAX = -

15.

72

O

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

max (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х3

 

 

 

 

c3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х4

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.37 см

 

 

 

 

 

 

20.00 см

 

10.00 см

1.20 см

7.60 см

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2. Для заданного поперечного сечения стержня, состоящего из следующих фигур:

1.полукруга с диаметром 8 см;

2.равнобедренного треугольника 6х9 см;

3.прямоугольного отверстия 2х3 см;

необходимо определить:

-положение центра тяжести поперечного сечения (т. С);

-главные центральные оси поперечного сечения;

-главные центральные моменты инерции поперечного сечения;

-моменты сопротивления сечения.

Ре ш е н и е.

Вычисление геометрических характеристик фигур, составляющих заданное сечение,

выполнено и представлено в таблице.

1). Определяем общую площадь заданного сечения

А = А1 + А2 – А3 = 25.13 + 27 - 6 = 46.13 см2. 2). Определяем статический момент сечения относительно оси х1.

Sx 1 = y1 A1 + y2 A2 - y3 A 3 = 0 + (-4.7) ×27 - (-3.2) ×6 = -107.7 см3 .

3). Определяем координаты центра тяжести заданного сечения.

Поскольку заданное сечение имеет ось симметрии (ось у), то центр тяжести располагается на этой оси, поэтому необходимо определить только координату ус

yc = Sx 1 = - 107.7 = - 2.335 см .

A 46.13

4). Через полученный центр тяжести проводим горизонтальную ось х.

Оси х, у является искомыми главными центральными осями инерции заданного сечения,

т.к. ось у

ось симметрии и Jxy = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5). Вычисляем главные центральные моменты инерции сечения

 

 

 

 

 

 

 

Jx

= (Jx 1 + a12 A1 )+ (Jx 2 + a22 A 2 )- (Jx 3 + a32 A 3 )= [0.28 ×100.53 + 2.335 2 ×25.13 ]+

+

[121.5 + (- 2.365) 2 ×27] - [4.5 + (- 0.865) 2 ×6]= 428.69 см4 ,

 

 

 

 

 

 

 

Jy

= Jy

+

Jy

2

- Jy

= 100.53 + 40.5 - 2 = 139.03 см4 ,

Jxy = Jx y

1

+ Jx

y

2

- Jx

y

= 0 .

 

 

1

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

3

 

3

Из полученного решения следует:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jmax = J1 = Jx = 428.69 см4, Jmin = J2 = Jy = 139.03 см4 .

 

 

 

 

 

6). Вычисляем осевые моменты сопротивления сечения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wx( 1) =

Jx

=

428.69

= 92.49см3 ,

Wx( 2 ) =

 

 

Jx

 

 

=

428.69

= 51.25см3 ,

 

 

 

 

y1

4.635

 

 

y2

 

 

8.365

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

=

 

Jу

 

=

139.05

= 34.76см3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]