sopromat2
.pdf∑m(B) = 0; VD ·l – 0,5Fl = 0, VD = 0,5F.
Рассматриваем равновесие всей рамы: ∑Fy = 0; VA + VD = F; VA = F – VD = 0,5F;
∑Fz = 0; HA + HD = q(a + b);
∑m(D) = 0; VA ·l + HA ·b + 0,5qa2 – 0,5qb2 – 0,5Fl = 0,
HA = [ – 0,5qa2 + 0,5qb2 – 0,5Fl + 0,5Fl]/b, HA = 0,5q(b2 – a2)/b;
HD = q(a + b) – HA = q(a + b) – 0,5q(b2 – a2)/b = 0,5 q(a + b)2/b.
Полученные соотношения дают:
VA = VD = 0,5F; HA = 0,5q(b2 – a2)/b; HD = 0,5q(a + b)2/b. |
(16) |
Строим аналитические выражения для изгибающих моментов Mp для стержней AB (участок 1), DB (участок 2) и CB (участок 3). Обозначим
координаты на осях стержней AB, DB и CB через s1 , s2 |
и |
s3 , и будем |
||||||||||
отсчитывать их от узлов A, D и C соответственно (рис.7). Тогда |
||||||||||||
аналитические выражения для изгибающих моментов Mp примут вид: |
|
|||||||||||
– на первом участке Mp(s1) = HA· s1 – 0,5qs2 = |
|
0,5q( |
b2 − a2 |
s |
− s2); |
(17) |
||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
b |
1 |
1 |
|
|
– на втором участке |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
при s2 |
< |
0,5l |
Mp(s2) = 0,5Fs2; |
|
|
|
|
|
|
|
(18) |
|
при s2 |
≥ |
0,5l |
Mp(s2) = 0,5Fs2 – F(s2 – 0,5l) = 0,5Fl – 0,5Fs2 ; |
(19) |
||||||||
– на третьем участке |
Mp(s3) = – 0,5s |
2. |
|
|
|
|
|
|
(20) |
|||
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
По выражениям (17)÷(20) строим эпюру изгибающих моментов Mp в |
||||||||||||
основной системе |
при |
действии заданных |
|
сил |
P = |
{q, |
F}, которая |
|||||
приведена на рис.11. |
|
|
|
δ11 и |
|
|
|
|
|
|||
Вычисляем обобщенные перемещения |
1p . Для упрощения |
|||||||||||
вычислений умножим перемещения δ |
и |
|
на EJ1. |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
11 |
1p |
|
|
|
|
|
|
Так как эпюра M1 состоит из двух прямых, то интегрирование
можно произвести по правилу Верещагина (см. Приложение 12), умножая площадь каждого треугольника на его же ординату, проходящую через центр тяжести.
271
Для проверки равновесия вырежем узел В и приложим реакции отсеченных частей рамы – изгибающие моменты M, перерезывающие Q и продольные N силы, которые выражают действие отсеченных частей рамы на оставшуюся. Составим уравнения равновесия:
− алгебраическая сумма моментов относительно точки B равна нулю
∑m(B) = 20 + 9,64 – 29,64 = 0;
− алгебраическая сумма вертикальных реакций равна нулю
∑Fy = 8,39 – 8,39 = 0;
− алгебраическая сумма горизонтальных реакций равна нулю
∑Fz = 20 + 27,41 – 47,41 = 0.
Следовательно, узел B находится в равновесии. Кроме статической проверки необходима кинематическая проверка, так
Рис. 13. Равновесие узла В.
как следует убедиться в том, что деформации и перемещения системы удовлетворяют условиям опорных закреплений и неразрывности контура. Рассчитываемую раму можно рассматривать как статически определимую систему, нагруженную заданной внешней нагрузкой и лишней неизвестной. Обобщенное перемещение по направлению лишней неизвестной (угол взаимного поворота стержней в узле B исходной расчетной схемы) должно равняться нулю. Отсюда следует, что должно выполняться равенство
∑∫ |
MM1 ds |
= 0 , |
(24) |
|
|||
EJ |
|
где M1 – единичная эпюра моментов, вызываемая в основной системе обобщенной силой X1 =1.
Вычисление левой части (24) выполним методом непосредственного интегрирования.
Функции M и M1 на стержне AB выражаются через s1 следующим образом:
|
|
2 |
− a |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
q b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
M (s ) = |
|
|
|
|
s |
− |
qs1 |
− 9,64 |
s1 |
= 12,59 s1 |
– 5s2 |
; |
|
= 0,25 s1. |
|
|
M |
||||||||||||
|
2b |
|
|
b |
||||||||||
1 |
|
1 |
2 |
|
|
1 |
1 |
275
Интегрирование по длине стержня AB дает: |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
4 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
− 5s |
2 )0,25s ds = 67,157 – 80 = – 12,843. |
|||||||||||||
∫ MM |
ds = ∫(12,59s |
|||||||||||||||||||||||||
0 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Функции M и |
|
|
1 на стержне DB выражаются через s2 следующим |
|||||||||||||||||||||||
M |
||||||||||||||||||||||||||
образом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
при s2 < 3 м M(s2) = 25,17s2/3, |
|
|
1= s2/6; |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
M |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
– |
при s2 ≥ 3 м M(s2) = – 11,603s2 + 59,98. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Интегрирование по длине стержня DB дает: |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
6 |
|
|
|
|
3 |
25,17 |
|
|
|
s |
2 |
|
6 |
|
|
|
|
|
s |
2 |
|
|||||
∫ MM |
ds = ∫ |
s |
2 |
|
ds + ∫ (−11,603s |
2 |
+ 59,98) |
|
ds = |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
0 |
1 |
0 |
3 |
|
|
|
6 |
|
3 |
|
|
|
|
6 |
|
|||||||||||
= 12,582 – 121,842 + 134,96 = 25,7. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
2 |
MM ds |
|
|
|
|
|
|
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
EJ |
|
∑ ∫ |
1 |
|
|
=∑ ∫ MM |
|
1 |
ds |
= – 12,843 + 0,5·25,7 = 7·10-3. |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
1k =1 |
EJk |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 Jk |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ошибка err в расчетах оценивается как отношение разницы между суммой положительных и суммой отрицательных чисел к наименьшей из этих сумм: err = 100·0,007/12,843 = 0,055%.
Пример 2. Применение теоремы Кастильяно и метода сил.
Расчетная схема рамы представлена на
рис. 14. Осевые моменты Jk и модули
упругости стержней Ek принимаем
одинаковыми: Jk = J, Ek = E, k = 1, 2, 3, 4. Требуется построить эпюры изгибающих моментов (М), продольных (N) и перерезывающих (Q) сил.
Рама один раз статически неопределимая.
Для |
раскрытия |
статической |
||
неопределимости воспользуемся теоремой |
||||
Кастильяно: |
∂U |
|
|
|
|
= |
, |
(25) |
|
|
|
|||
|
i |
∂Pi |
|
|
|
|
|
|
|
где |
i, Pi – обобщенное перемещение в |
Рис.14. Исходная расчетная схема.
276
∂M
∂ 34 = 0. HB
Рис. 18. Стержень 3-4.
Участок 7 – 8 (рис. 19).
Σ m(c )= 0; M78 – VB z3 sin β + HB z3 cos β = = 0.
Угол β определяется как угол наклона стержня 7-8 к вертикали (см. рис. 16):
|
|
1 |
|
|
β = arctg |
|
|
|
= 0,245рад. |
4 |
M78 = VB sin β z3 – HB cos β z3;
∂∂M78 = − z3 cos β HB
Рис. 19. Стержень 7-8.
Длина стержня 7-8 l78 = 42 +1 = 4,123 м.
|
Участок 5 – 6 (рис. 20). |
|
||
|
Рассекаем раму по стержню 5-6 и |
|||
|
отбрасываем левую часть рамы. В сечении |
|||
|
прикладываем реакции отброшенной части |
|||
|
– усилия N56, Q56, M56 (см. рис. 14). |
|||
|
Для |
определения |
M56 |
составляем |
|
уравнение равновесия |
выделенной части |
||
|
рамы, из решения которого находим M56. |
|||
|
Локальную систему координат y46z4 |
|||
Рис. 20. Стержень 5-6. |
выбираем с началом в узле 6. |
|
279