12607

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ПРОДОЛЬНО СЖАТОГО СТЕРЖНЯ

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ПРОДОЛЬНО СЖАТОГО СТЕРЖНЯ Методические указания к лабораторной работе № 19 по курсу Сопротивление материалов для студентов технических специальностей Составили: Круглов А.А. к.т.н. доцент кафедры Теоретическая ...

Русский

2013-05-02

891 KB

4 чел.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ПРОДОЛЬНО СЖАТОГО СТЕРЖНЯ

Методические указания к лабораторной работе № 19

по курсу «Сопротивление материалов»

для студентов технических специальностей

Составили:  

Круглов А.А.,  к.т.н., доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика», Денисова Л.М., ст. преп. кафедры «Теоретическая и прикладная механика», Михайлова M.А., асс. кафедры «Теоретическая и прикладная механика».

Рецензент: Цейтлин А.Г., к.т.н, доц. кафедры «Холодильные машины»

Исследование  устойчивости прямолинейного продольно сжатого стержня. Методические указания к лабораторной работе № 19 по курсу «Сопротивление материалов» для студентов технических специальностей / АГТУ; Сост. А.А. Круглов, Л.М. Денисова, М.А. Михайлова. – Астрахань, 2010. -  12 с.

В методических указаниях изложены теоретические основы потери устойчивости и представлены методики теоретического и экспериментального определения величин критической силы.

Методические указания  рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Теоретическая и прикладная механика»

1.02.2010 г. Протокол №  1/10

Астраханский государственный технический университет
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование устойчивого и неустойчивого состояний прямолинейного продольно сжатого стержня постоянного сечения.

2. ЗАДАЧИ РАБОТЫ

2.1. Теоретическое определение критической силы.

2.2. Опытное определение критической силы.

2.3. Сравнение полученных результатов.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Если прямолинейный стержень нагрузить, как показано на рис.1, силой F, приложенной вдоль его оси, то, пока величина силы F не превосходит некоторого значения, стержень остается прямолинейным и испытывает осевое сжатие. При этом, если стержень изогнуть, приложив к нему дополнительно некоторое малое возмущающее воздействие (например, сосредоточенную поперечную силу f в некотором сечении стержня), а затем возмущающее воздействие снять, то стержень вернется в исходное положение, т. е. примет прямолинейную форм у.

Такое состояние конструкции называют устойчивым состоянием, а соответствующая этому состоянию первоначальная форма упругого равновесия нагруженной конструкции (в данном случае – прямолинейная форма продольно сжатого стержня) называется устойчивой формой упругого равновесия.

При достижении силой F некоторого определенного значения стержень (рис. 1), отклоненный возмущающим воздействием f от своего первоначального положения, после снятия возмущающего воздействия в исходное положение не возвратится, но будет при этом находиться в состоянии равновесия (положение, показанное на рис. 1 пунктиром). Такое состояние конструкции называют неустойчивым состоянием равновесия, а форма упругого равновесия конструкции, соответствующая этому состоянию, называется неустойчивой формой упругого равновесия. В неустойчивом состоянии конструкция может иметь неограниченно большое число  форм равновесия (формы, указанные на рис. 1 пунктиром).

Наименьшее значение внешней нагрузки, действующей на конструкцию, при которой конструкция переходит в неустойчивое состояние, называется критической нагрузкой. В данном случае – критической силой продольно сжатого стержня  Fкр.

Явление перехода конструкции из неустойчивого состояния в новое устойчивое состояние называется потерей устойчивости конструкции.

В реальных условиях конструкция долго находиться в неустойчивом состоянии равновесия не может: она быстро теряет устойчивость, т.е. разрушается. Поэтому неустойчивое состояние конструкции рассматривается как ее предельное состояние, а критическая нагрузка считается разрушающей нагрузкой. Таким образом, определение Fкр представляет собой  очень важную задачу, решением которой занимались многие ученые, в том числе  Л.Эйлер, Ф.Ясинский.

Как известно, формула для определения теоретического значения  критической силы прямолинейного продольно сжатого стержня выбирается в зависимости от соотношения фактической () и предельной (пред) гибкости стержня. Фактическая гибкость определяется по формуле

,

где µ – коэффициент приведения длины, зависящий от способа закрепления стержня (рис.2) и приложения нагрузки;

lдлина стержня;

Imin минимальный осевой момент инерции сечения стержня относительно главных центральных осей;

Аплощадь поперечного сечения.

Значения коэффициента µ для некоторых

случаев закрепления стрежня

Предельная гибкость стержня определяется по формуле

,

где Е – модуль продольной упругости материала стержня;

пц - предел пропорциональности материала стержня.

Если   пред, т.е. напряжения в стержне меньше или равны пределу пропорциональности материала стержня (  пц), то критическая сила определяется по формуле Эйлера

Если < пред, т.е. > пц, то критическая сила определяется по эмпирической формуле Ясинского

Fкр = (а - b) А,

где а и b - размерные коэффициенты, зависящие от материала стержня [1].

4. ОПИСАНИЕ ОБРАЗЦА

Испытуемый образец представляет собой стальной стержень (сталь 3) прямоугольного поперечного сечения. Концы стержня имеют клиновую форму (рис. 3.б).

5. ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТЫ

5.1. Лабораторная установка СМ-20.

5.2. Штангенциркуль с ценой деления 0,1 мм.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ СМ-20

Общий вид лабораторной установки СМ-20 показан на рис.3а, а конструктивная схема - на рис. 3б.

Установка СМ-20 выполнена в виде полого цилиндра с прорезью, установленного на треноге вертикально (рис.3а). Испытуемый стержень устанавливается в опоры - призмы 2 и 3.

      

Рис.3

Общий вид и принципиальная схема установки СМ-20

Угол заострения концов стержня значительно меньше угла у опор, что позволяет стержню отклоняться в опорах в плоскости чертежа на любой угол, но не дает возможности линейного смещения. Это соответствует шарнирному закреплению. Верхняя опора 2 неподвижна, а нижняя опора 3 соединена динамометрической пружиной 4 с ползуном 5. Пружина 4 служит для определения сжимающей силы - осадка пружины пропорциональна сжимающей силе. Усилие на стержень создается перемещением ползуна 5 вверх при вращении маховика 6. Величина сжимающей силы определяется по шкале 7, оттарированной в кГ. Цена деления шкалы С = 2,5 кГ/дел.

6. ПРОВЕДЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

6.1. Штангенциркулем замерить размеры стержня: l, H, В.

6.2. Стержень установить на нижнюю опору установки СМ-20 и вращением маховика добиться соприкосновения верхнего конца стержня с верхней опорой.

6.3. Зафиксировать положение указателя на силоизмерительной шкале установки - начальное количество делений nн .

6.4. Вращением маховика создать сжимающее усилие и нагружать стержень до перевода стержня в неустойчивое состояние. При этом периодически проверять, что стержень находится в  устойчивом состоянии.

6.5. Зафиксировать количество делений на силоизмерительной шкале nк , соответствующее неустойчивому состоянию.

6.6. Вычислить опытное значение критической силы

6.7. Определить фактическую гибкость стержня .

6.8. Определить предельную гибкость стержня пред.

6.9. Определить теоретическое значение критической силы

6.10. Вычислить расхождение между  и :

6.11. Объяснить причины расхождения между теоретическим и опытным значением критической силы.

6.12. Геометрические параметры стержня, результаты лабораторной работы занести в таблицу 1.

                             

                

7. ФОРМА ОТЧЕТА

Лабораторная работа N 19

"Исследование  устойчивости прямолинейного продольно сжатого стержня"

1.Цель работы:

2. Задачи работы:

3.Оборудование, измерительный инструмент:

4.Схема установки:

5. Экспериментальное определение критической силы:

6. Теоретическое определение критической силы:

                                                  Таблица 1

Схема закрепления стержня

Материал стержня

Модуль упругости Е, кг/см2

Предел пропорциональности пц, кг/см2

Поперечное сечение стержня (изобразить),    размеры В, Н, см

Длина стержня l, см

Площадь сечения стержня А, см2

Минимальный момент инерции  сечения Jmin, см4

Коэффициент приведения длины

Критическая сила

, кг  

 

, кг

Расхождение , %

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как  ведет себя прямолинейный стержень при сжатии его силами, действующими вдоль его оси?

2. Какая сила называется критической?

3. От чего зависит фактическая гибкость стержня?

4. От чего зависит предельная гибкость стержня?

5. Как определяется теоретическое значение критической силы?

6. Устройство установки СМ-20.

7. Последовательность проведения испытаний?

8. Какие условия, принятые в расчетной схеме, нельзя точно реализовать в эксперименте?

9. В чем причина расхождения между  и ?

10. Запишите условие устойчивости

11. Во сколько раз изменится величина расчетной  критической силы, если закрепить испытуемый стержень не шарнирно, а так, как показано на рис.2.б, рис.2.в, рис.2.г.

12. Во сколько раз нужно уменьшить длину испытуемого стержня (не меняя размеры поперечного сечения, материал  и способ закрепления),  чтобы возникающие в стержне критические напряжения были равны пределу пропорциональности.

13. Какие элементы (детали) предложенных конструкций могут потерять устойчивое равновесие: здание, мост, табурет, навес.

14. Приведите другие примеры реальных изделий, конструкций или элементов конструкций, представляющих собой продольно сжатые стержни,  которые могут потерять устойчивость при  внезапной перегрузке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сопротивление материалов. Учебник для вузов / Г.С.Писаренко, В.А.Агаев и др.; под общей редакцией Г.С.Писаренко - Киев: “Вища школа”, 1986. - 775 с.


F

Рис. 1

Прямолинейный продольно

cжатый стержень

f

l

F

F

µ = 1

µ= 0,7

µ = 2

µ = 0,5

F

Рис. 2

)

в)

г)

а)

F


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25933. Реакторы. Назначение. Конструктивное исполнение. Принцип действия. Условия выбора. Сдвоенные реакторы 26 KB
  Реакторы. Сдвоенные реакторы. Для ограничения ударного тока короткого замыкания применяют токоограничивающие реакторы. По этой причине реакторы выполняют без стальных сердечников несмотря на то что при этом для поддержания такого же значения индуктивности их приходится делать больших размеров и массы.
25934. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Назначение. Конструктивное исполнение. Принцип действия. Условия выбора 26 KB
  Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Трансформатор напряжения трансформатор предназначеный для преобразования высокого напряжения в низкое в цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения. Виды трансформаторов напряжения Заземляемый трансформатор напряжения однофазный трансформатор напряжения один конец первичной обмотки которого должен быть наглухо заземлен или трехфазный трансформатор напряжения нейтраль первичной обмотки которого...
25935. Разрядники: назначение, конструкция, принцип действия. Вентильные и трубчатые разрядники. Нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН): назначение, конструкция, принцип действия. Условия выбора 52.5 KB
  Нелинейные ограничители перенапряжения ОПН: назначение конструкция принцип действия. В результате пробоя в трубке возникает интенсивная газогенерация и через выхлопное отверстие образуется продольное дутье достаточное для погашения дуги . ОПН Ограничитель перенапряжения нелинейный ОПН это разрядник без искровых промежутков. Активная часть ОПН состоит из последовательного набора варисторов.
25936. Устройство защитного отключения (УЗО). Назначение, схема подключения 53 KB
  Устройство защитного отключения УЗО. Устройство защитного отключения УЗО; более точное название: Устройство защитного отключения управляемое дифференциальным остаточным током сокр. УЗО−Д механический коммутационный аппарат или совокупность элементов которые при достижении превышении дифференциальным током заданного значения при определённых условиях эксплуатации должны вызвать размыкание контактов. Основная задача УЗО защита человека от поражения электрическим током и от возникновения пожара вызванного утечкой тока через...
25937. Конструкция и принцип действия воздушных выключателей. Достоинства и недостатки. Условия выбора. Сравнение с другими высоковольтными выключателями 27.5 KB
  Воздушные выключатели обладают высокими техническими характеристиками. Сетевые выключатели на напряжение 6кВ и выше применяемыев электрических сетях и предназначенные для пропуска и коммутации тока в нормальных условиях работы цепи и в условиях КЗ. Генераторные выключатели на напряжение 624 кВ предназначенные для пропуска и коммутации токов в нормальных условиях а также в пусковых режимах и при КЗ. Выключатели для электротермических установок с напряжениями 6220 кВ предназначенные для работы как в нормальных так и в аварийных режимах 4.
25938. Конструкция и принцип действия элегазовых выключателей. Достоинства и недостатки. Условия выбора. Сравнение с другими высоковольтными выключателями 23 KB
  В элегазовых выключателях гашение дуги происходит так же как и в воздушных выключателях при интенсивнои охлаждении дуги потоком газа. В элегазовых дугогасительных устройствах в отличие о воздушных при гашении дуги истечение газа через сопло происходит не в атмосферу а в замкнутый объем камеры заполненный элегазом при небольшом избыточном давлении. По способу гашения дуги в элегазе различают следующие ДУ: с системой продольного дутья в которую предварительно сжатый воздух поступает из резервуара с относительно высоким давлением элегаза ДУ...
25939. Выключатели нагрузки. Назначение, конструктивное исполнение и принцип действия выключателей нагрузки. Условия выбора 21 KB
  Выключатели нагрузки. Назначение конструктивное исполнение и принцип действия выключателей нагрузки. Выключатели нагрузки используются для оперативного соединения и разъединения цепи. Выключатель нагрузки обеспечивает двухкратное включение нормированного для него тока включения на короткое замыкание без повреждений препятствующих его дальнейшей работе в нормальном и эксплуатационном режиме.
25940. Расчет деревянных, металлических, железобетонных перекрытий 1.07 MB
  Орел 2011 Расчет деревянного перекрытия Подобрать сечение деревянной балки для перекрытия жилого дома.Предварительно принимаем собственный вес одного метра балки qnбалки=025кН м;f=1.1 qбалки= qnбалки f=0.Собираем нагрузку на погонный метр балки с учетом её собственного веса: qn=qnперекрытияlгр qnбалки=18140275=277кН м; q= qперекрытияlгр qбалки=234120275=3083кН м.
25941. СБОРНО-МОНОЛИТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ 26.5 KB
  СБОРНОМОНОЛИТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ конструкции состоящие из заранее изготовленных на заводах отд. Наибольшее распространение получили сборномонолитные конструкции со сборными элементами из железобетона см. Железобетонные конструкции . арматуру конструкции и иногда используются в качестве формы опалубки для монолитного бетона; их целесообразно делать предвари тсльно напряженными.