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

Расчёты по 1 части-ПРОСТОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

.pdf
Скачиваний:
35
Добавлен:
04.06.2015
Размер:
6.15 Mб
Скачать

Вычислим координаты xc, yc центра тяжести С всего сечения по (2.6).

 

x

F1x1 F2 x2

 

49,8 6,25 0

3,46см,

 

 

 

 

 

C

F1 F2

 

 

49,8 40,2

 

 

 

 

 

y

F1 y1

F2 y2

 

 

49,8 16,49 0

9,12 см.

 

 

 

 

C

 

 

F1

F2

 

 

49,8 40,2

 

 

 

 

 

Получаем координаты центра тяжести сечения: С(xс; yс) = С(3,46; 9,12). Поставим эту точку на чертѐж сечения и проведѐм центральные оси (xc, yc) всего сечения (рис. 2.5).

 

20

 

 

1

 

y2

yc

y1

 

 

3,46

 

6,71

υ,min

 

 

 

c1

12,5

 

 

 

x1

 

 

 

3

 

 

c

 

 

xc

 

13,5

 

 

 

 

o

αo =-23 25'

 

 

 

 

9,12

 

α

27

 

 

 

u,max

c2

 

 

x2

 

 

 

 

6,25

 

2

 

 

 

 

12,5

 

 

 

 

 

 

 

с1 (6,25;16,49)

 

Рис. 2,5

Рис. 2.5

с2 (0;0)

 

 

 

с3 (3,46;9,12)

 

 

 

 

71

3. Вычисление центральных моментов инерции

 

 

 

 

 

Центральные моменты инерции Ixс, Iyс, Ixсyс

относительно центральных

осей (xc, yc) запишем по (2.2):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

Fi

 

2

F1

Ix 2

 

2

F2 ,

 

 

 

 

Ixc Ixi ai

Ix1 a1

a2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

Fi

 

 

2

F1

I y 2

 

2

F2 ,

 

 

 

 

I yc I yi bi

I y1 b1

b2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

xcyc

 

I

xiyi

a b F

I

x1y1

a b F I

x 2 y 2

a

2

b F .

 

 

 

 

i i

i

 

1

1

1

 

 

2 2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ai и bi расстояния между центральными осям i-го элемента и всего сечения, которые вычислим по (2.7) как ai = yi - yC, bi = xi - xC (рис. 2.5, б):

a1 y1 yc 16,49 9,12 7,37 см,

b1 x1 xc

6,25 3,46 2,79 см.

a2 y2 yc 0 9,12 9,12 см,

b2 x2 xc

0 3,46 3,46 см,

Тогда центральный момент инерции всего сечения I xc относительно оси xс получает значение:

I xc = 617 7,372 49,8 5010 ( 9,12)2 40, 2 11676 см4.

Значение центрального момента инерции всего сечения Iyс относительно оси yс равно:

Iyс = 2026 2,792 49,8 260 3,46 2 40,2 3155 см4.

Значение центробежного момента инерции Ixсyс:

Ixсyс = 2775 7,37 2,79 49,8 0 ( 9,12) ( 3,46) 40,2 5068см4.

4. Определение положения главных осей и значений главных моментов инерции

Найдем положение главных осей, используя формулу (2.4):

tg2α0

2 I xcyc

=

2 5068

 

1,19 .

I xc I yc

11676

3155

 

 

 

Отсюда угол наклона

главных осей α0

=-23,250. Угол получен

отрицательным, поэтому главные оси (u, v) покажем поворотом центральных осей (xс, yс) на угол 23,250 по часовой стрелке (причѐм ось u всегда наклонена к оси x под углом α0). Нанесѐм главные оси (u, v) на сечение (рис. 2.5).

72

Главные моменты инерции по (2.5) равны

I

u

 

I

max

 

 

I

xc

I

y c

 

I

xc

I

y c

2

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

I 2 xcy c

 

 

Imin

 

 

 

 

 

 

 

 

Iv

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

11676 3155

 

 

11676 3155

2

 

2

 

 

 

14036

 

4

 

 

 

 

14036,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5068

 

 

 

 

 

 

cм .

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

794,5

 

795

 

 

Моменты инерции Iu, Iv это экстремальные моменты, т. е. один из них

Imax, другой Imin. Сумма моментов инерции относительно всех взаимно перпендикулярных осей, проходящих через данную точку, есть величина постоянная:

Iu + Iv=Imax + Imin=14036+795= Ixc + Iyc=11676+3155=14831 cм4.

И так, получаем Imax =14036см4, Imin =795см4.

Окончательным пунктом вычисления геометрических характеристик является назначение оси максимальных Imax и оси минимальных моментов Imin инерции, что очень важно для рационального расположения сечения по отношению к плоскости нагрузки. Установить назначение этих осей можно после получения значений Imax, Imin и угла αo. Существует правило: ось максимальных моментов инерции Imax наклонена под меньшим углом к той оси (оси xc, или оси yc), относительно которой момент инерции имел наибольшее значение (это Ixс или Iyс).

В нашем случае Ixс=11676см4 > I=3155см4, тогда

Imax=Iu=14036см4, Imin=Iv=795см4,

поэтому подписываем ось u как ось максимальных моментов инерции I max – ось max, а ось v как ось минимальных Imin – ось min.

2-й вариант схемы: сечение из 3-х элементов.

Рассмотрим вычисление главных моментов инерции и определение положения главных осей для несимметричного сечения, составленного из двутавра, швеллера и уголка (рис. 2.6). Сечение состоит из 3-х профилей (говорим: из 3-х элементов): двутавра №16, швеллера №14 и уголка №5/3,2. При вычислении выполняем все пункты, указанные выше.

1. Выполнение чертежа сечения

73

Присвоим индексы элементам сечения: i=1, 2, 3. Габаритные размеры, расстояния до центров тяжести, площадь и моменты инерции выбираем для двутавра из ГОСТ 8239-89, для швеллера из ГОСТ 8240-93, для уголка из ГОСТ 8510-97 (см. табл. 4, 5, 7 Прил.). Пользуясь таблицами, запишем следующие значения в собственных осях элементов.

Для 1-го элемента (двутавра № 16) высота h=16см, ширина полки b=8,1см; площадь F1=20,2см2, осевые и центробежный моменты инерции Ix1=873см4, Iy1=58,6см4 и запишем, учитывая симметрию двутавра, Ix1y1=0.

Для 2-го элемента (швеллера № 14) высота h= 14см, ширина полки b=5,8см, расстояние до центральной оси z0=1,67см; площадь F2=15,6см2, осевые и центробежный моменты инерции Ix2=51,5см4, Iy2=493см4 и, как результат симметрии швелллера, Ix2y2=0.

Для 3-го элемента (уголка № 5/3,2) ширина полок B=5см, b=3,2см, расстояния до центральных осей x0=0,76см, y0=1,65см; площадь F3=3,17см2, осевые и центробежный моменты инерции Ix3=7,98см4, Iy3=2,56см4 и Ix3y3=2,59см4. Необходимо помнить, что знак центробежного момента инерции Ixy уголка зависит от расположения его в сечении и направления собственных осей (знак может быть и положительным, и отрицательным). Для этого знака составлена табл. 8 Приложения. В нашем случае будет знак ‹+›.

На чертѐже всего сечения, выполненном в масштабе, ставим габаритные размеры (рис. 2.6), наносим центры тяжести Сi профилей, через которые проведѐм собственные оси элементов. На чертѐже показаны собственные оси всех 3-х элементов сечения.

2. Определение положения центра тяжести

Исходя из удобства, выберем исходные оси (x, y) и укажем в этих осях координаты xi, yi центров тяжести (т. е. точек Сi) всех профилей:

C1(x1, y1)=C1(4,05; 8), C2(x2, y2)=C2(7; 1,8), C3(x3, y3)=C3(13,24; 1,65).

Определим координаты xc, yc центра тяжести (точки С) всего сечения по (2. .), используя здесь и далее для сокращения записи матричную форму, более удобную при i>2:

 

 

 

 

 

F1

 

 

 

20,2

 

 

 

 

 

(x , x

, x )

F

 

 

(4,05; 7,0; 13,24 )

15,6

 

 

 

 

1

2

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3,17

 

 

 

xc

 

 

 

 

F3

 

 

 

 

5,97

см,

 

F1

+F2 F

 

20,2 15,6 3,17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

74

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.6

 

 

 

 

 

 

 

F1

 

 

 

20,2

 

 

 

(y , y

, y

) F

 

 

( 8,0; -1,8; 1,65)

15,6

 

 

 

1

2

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3,17

 

 

yc

 

 

 

F3

 

 

 

 

3,56 см.

F1 +F2

F

 

20,2+15,6 3,17

 

 

 

 

 

 

 

Получаем координаты точки С:

 

 

 

С(xс; yс)=С(5,97; 3,56).

Поставим эту точку на чертѐж сечения и проведѐм центральные оси (xc, yc) всего сечения.

75

3. Вычисление центральных моментов инерции

Далее нужно вычислить в осях (xc, yc) центральные моменты инерции Ixс, Iyс, Ixсyс. Вычисление выполняем по (2.2.), записывая в матричной форме,

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

873

 

 

 

 

 

20,2

 

 

 

 

x1

 

+(а1

2

2

; a3

2

 

1

 

 

51,5

 

2

2

2

 

15,6

 

4

Ixс=

I x 2

 

 

; a2

 

F2

 

=

 

+(4,34

;(-5,36) ; 1,91

 

)

 

=1790,4см ,

 

I x 3

 

 

 

 

 

 

 

F3

 

 

7,98

 

 

 

 

 

3,17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где по (2.7) аi = (yi) - yc =

 

8,0

 

 

4,34

 

=

1,8

- 3,56=

5,36

см;

 

1,65

 

 

1,91

 

 

 

 

 

 

I y1

 

F1

 

 

58,6

 

Iyс = I y 2

 

+(b12; b22; b32) F2

 

=

493

+ (-1,922; 1,032;

 

I y 3

 

 

 

 

2,56

 

 

 

F3

 

 

 

20,2 7,272) 15,6 =812,7см4,

3,17

 

4,05

 

-1,92

 

где по (2.7) (bi) = (xi) - xc =

7,0

 

- 5,97= 1,03

см;

 

 

 

 

 

13,24

 

7,27

 

 

 

I x1 y1

 

F1

 

 

Ixсyс=

I

x 2 y 2

 

+ (а1b1; a2b2; а3b3 ) F

 

=

 

 

 

 

2

 

 

 

 

I x 3 y 3

 

 

 

 

 

 

 

F3

 

 

76

 

 

0,0

 

 

20,2

 

 

=

 

0,0

 

+ (-1,92 4,34; 1,03 (-5,36); 7,27 (-1,91))

15,6

 

-299,8cм4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,59

 

 

3,17

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Определение положения главных осей и значений главных моментов инерции

Найдѐм угол αo наклона главных осей, используя формулу (2.4):

tg(2α

 

)=

 

2( 299,8)

0,63 .

0

 

 

 

1790,4

812,72

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда угол αo наклона главных осей αo =15,760. Угол получен положительным, поэтому главные оси (u, v) покажем поворотом центральных осей (xс, yс) на угол 15,80 против часовой стрелки (причѐм ось u всегда наклонена к оси x под углом αo). Нанесѐм главные оси (u, v) на сечение.

Главные моменты инерции определяем по (2.5).

Iu

Imax

 

I

xc

I

yc

 

I

xc

I

y c

2

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

I 2 xcy c =

 

 

 

 

 

 

 

 

Iv

 

Imin

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

1790,4 812,7

 

 

1790,4 812,7

2

299,75

2

1875

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

728

cм .

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

Моменты инерции Iu, Iv это экстремальные моменты, т. е. один из них Imax, другой Imin , а сумма моментов инерции относительно всех взаимно перпендикулярных осей, проходящих через данную точку, есть величина постоянная:

Iu+Iv=Imax+Imin=1875+ 728= Ixc I y ñ =1790,4+812,7=2603см4.

Получаем Imax =1875см4, Imin = 728 см4.

Окончательным пунктом вычисления геометрических характеристик является назначение оси максимальных Imax и оси минимальных моментов Imin инерции, что очень важно для рационального расположения сечения по отношению к плоскости нагрузки. Установить назначение этих осей можно после получения значений Imax, Imin и угла α0. Используем правило: ось максимальных моментов инерции Imax наклонена под меньшим углом к той

77

оси (оси xc, или оси yc), относительно которой момент инерции имел наибольшее значение (это Ixс или Iyс).

В нашем случае Ixс=1790,4см4 > I=812,7см4, тогда

Imax=Iu=1875см4, Imin=Iv= 728см4,

поэтому подписываем ось u как ось максимальных моментов инерции Imax – ось max, а ось v как ось минимальных Imin – ось min.

Задача 11. Вычисление геометрических характеристик несимметричных сечений из простых фигур

Дана схема сечения (рис. 2.7, а), составленного из 2-х простых фигур: прямоугольника а 4а, т. е. высотой а и шириной 4а, и четверти круга радиуса r=1,7а. Значение отрезка a равно a=3 мм.

Решение:

1. Выполнение чертежа сечения

Используя заданное значение a =3см, найдѐм высоту прямоугольника как h=3см, ширину прямоугольника b=12см, и радиус четверти круга r=5см.

Выполним чертѐж сечения и проставим числовые размеры фигур (рис. 2.7, б). Сечение состоит из 2-х элементов: прямоугольника и четверти круга. Присвоим им индексы i=1, 2, укажем их на чертеже сечения.

2. Определение положения центра тяжести всего сечения

Найдем положение центра тяжести всего сечения, взяв вспомогательные координатные оси (х, у). Для удобства вычислений оси х и у проведены так, что они совпадают с основаниями четверти круга.

Укажем координаты хi и уi центров тяжести каждого элемента сечения относительно осей хоу (рис. 2.7, б):

C1( х1; у1) = C1 (-1; -1,5) , C2 (х2; у2) = C2 (2,12; 2,12).

Определим координаты xc, yc центра тяжести (точки С) всего сечения по (2.6).

 

 

 

x

F1x1 F2 x2

 

36 ( 1) 19,6 2,12

0,1см,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

F1 F2

 

36 19,6

 

 

 

 

 

y

 

 

F1 y1

F2 y2

 

36 ( 1,5) 19,6 2,12

0,22см.

C

 

 

 

 

 

F1

F2

 

36 19,6

 

 

 

 

78

а ─ Заданная схема

б ─ чертѐж составного сечения

сечения

 

в ─ 1-й элемент сечения

г ─ 2-й элемент сечения

Рис. 2.7

Получаем координаты центра тяжести (точки С) всего сечения:

С(xс; yс)= =С(0,1; -0,22).

Поставим эту точку на чертѐж сечения и проведѐм центральные оси (xc, yc) всего сечения.

3. Вычисление центральных моментов инерции

В начале найдѐм геометрические характеристики элементов: центральные оси, площадь, осевые и центробежный моменты инерции. Для удобства изобразим отдельно элементы (рис. 2.7, в), нанесѐм центры тяжести каждого как Сi (см. табл. 10 Прил.). Для прямоугольника центр тяжести С1 расположен на расстоянии h/2 =1,5см и b/2=6см от его сторон, а для четверти круга удалѐн от оснований на 0,424·r=0,424·5=2,12см. Через точки Сi проведѐм собственные оси каждого элемента (xi, yi).

Площади и моменты инерции элементов (осевые Ixi, Iyi и центробежный Ixiyi) относительно собственных осей элементов (xi, yi), подсчитаем по известным формулам, которые можно найти в справочниках или взять из табл. 10 Приложения.

79

Для 1-го элемента (прямоугольника): площадь F1=12∙3=36 см2; моменты инерции относительно своих центральных осей: осевые

 

 

b h3

 

12 3 2

 

 

 

 

 

 

 

b3

h

 

123 3

 

 

 

 

 

 

Ix1

 

 

 

 

 

 

 

 

27 см4 ,

 

I y1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

432 см4,

 

12

 

 

 

12

 

12

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

центробежный момент инерции в силу симметрии Ix1 y1 0 .

Для 2-го элемента (четверти круга): площадь F

r2

 

5 2

 

 

 

 

19,6 см2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

моменты инерции относительно своих центральных осей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ix1 I y1

0,0549 r4

0,0549 54 34,3 см4,

 

центробежный момент инерции согласно с табл. 8 Прил. запишем со

знаком «-»:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ix1 y1 -0,0165 r4

-0,0165 54

10,29 см4.

 

Центральные моменты инерции Ixс, Iyс, Ixсyс

всего сечения вычислим в

осях (xc, yc) по (2.2.) как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

xc

 

 

 

I

xi

a2 F ,

I

yc

 

 

I

yi

b2 F

 

,

I

xcyc

 

 

I

xiyi

a b F ,

 

 

 

 

i i

 

 

 

 

i

i

 

 

 

 

 

 

 

 

i i i

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

где ai и bi расстояния между

центральными осям i-го элемента и всего

сечения по (2.7) равны ai = yi - yC,

bi = xi - xC :

 

a1 y1 yc

1,5 ( 0,22) 1,28 см,

b1 x1 xc 1 0,1 1,1см,

a2 y2 yc

2,12 ( 0,22) 2,34 см,

b2 x2 xc 2,12 0,1 2,02 см.

Центральный момент инерции всего сечения относительно оси xС принимает значение:

I

xc

I

x1

a2

F I

x 2

a2

F

=

 

 

1

1

2

2

 

27 ( 1,282 36 34,4 2,342 19,6 227,7 см4.

Вычислим центральный момент инерции всего сечения относительно оси yс:

I

yc

I

y1

b2

F I

y 2

b2

F

=

 

 

1

1

2

2

 

432 ( 1,1)2 36 34,4 2,022 19,6 590 см4.

80