22516

Метод сил

Лекция

Производство и промышленные технологии

Метод сил. Наиболее широко применяемым в машиностроении общим методом раскрытия статической неопределимости стержневых и рамных систем является метод сил. Он заключается в том что заданная статически неопределимая система освобождается от дополнительных связей как внешних так и взаимных а их действие заменяется силами и моментами. Таким образом при указанном способе решения неизвестными оказываются силы.

Русский

2013-08-04

142 KB

7 чел.

Сопротивление материалов Сагадеев В.В.

Лекция № 38. Метод сил.

   Наиболее широко применяемым в машиностроении общим методом раскрытия статической неопределимости стержневых и рамных систем является метод сил. Он заключается в том, что заданная статически неопределимая система освобождается от дополнительных связей как внешних, так и взаимных, а их действие заменяется силами и моментами. Величина их в дальнейшем подбирается так, чтобы перемещения в системе соответствовали тем ограничениям, которые накладываются на систему отброшенными связями. Таким образом, при указанном способе решения неизвестными оказываются силы. Отсюда и название «метод сил». Такой прием не является единственно возможным. В строительной механике широко применяются и другие методы, например метод деформаций, в котором за неизвестные принимаются не силовые факторы, а перемещения в элементах стержневой системы.

   Итак, раскрытие статической неопределимости любой рамы методом сил начинается с отбрасывания дополнительных связей. Система, освобожденная от дополнительных связей, становится статически определимой. Она носит название основной системы.



а-д) модификации основной системы
Рис.1. пример стержневой рамы:

 

   Для каждой статически неопределимой стержневой системы можно подобрать, как правило, сколько угодно основных систем. Например, для рамы, показанной на рис. 1, можно предложить основные системы, а), б),..., которые получены путем отбрасывания семи дополнительных связей в различных комбинациях. Вместе с тем нужно помнить, что не всякая система с семью отброшенными связями может быть принята как основная. На рис. 2 показано три примера для той же рамы, в которой также отброшено семь связей, однако сделано это неправильно, так как оставшиеся связи не обеспечивают кинематической неизменяемости системы, с одной стороны, и статической определимости во всех узлах,— с другой.



Рис.2.Некорректные преобразования заданной системы в основные по причине кинематической изменяемости- а) б), или статической определимости во всех узлах — в)

 

   После того как дополнительные связи отброшены и система превращена в статически определимую, необходимо, как уже говорилось, ввести вместо связей неизвестные силовые факторы. В тех сечениях, где запрещены линейные перемещения, вводятся силы. Там, где запрещены угловые смещения, вводятся моменты. Как в том, так и в другом случае неизвестные силовые факторы будем обозначать Xi-, где i — номер неизвестного. Наибольшее значение i равно степени статической неопределимости системы. Заметим, что для внутренних связей силы Xi, — являются взаимными. Если в каком-либо сечении рама разрезана, то равные и противоположные друг другу силы и моменты прикладываются как к правой, так и к левой частям системы.



а)-д) по отношению к заданной системе
Рис.3. Пять разновидностей основных систем

 

   Основная система, к которой приложены все внешние заданные силы и неизвестные силовые факторы, носит название эквивалентной системы. На рис. 3 показано пять эквивалентных систем, которые соответствуют приведенным выше основным системам (рис. 1). Принцип приложения неизвестных силовых факторов становится ясным без дальнейших пояснений.

Теперь остается составить уравнения для определения неизвестных.

   Обратимся к некоторому конкретному примеру. Рассмотрим, например, первую эквивалентную систему из числа представленных на рис. 3,4. Тем, что рассматривается конкретно взятая семь раз статически неопределимая система, общность рассуждений не будет нарушена.

   Перейдем теперь к составлению уравнений для определения неизвестных силовых факторов. Условимся через обозначать взаимное смещение точек системы.



Рис.4. Пример расчета рамы а)по выбранной основной системе- б)

 

   Первый индекс при соответствует направлению перемещения, а второй — силе, вызвавшей это перемещение.

   В рассматриваемой раме в точке А отброшена неподвижная опора. Следовательно, горизонтальное перемещение здесь равно нулю и можно записать:

   Индекс 1 означает, что речь идет о перемещении по направлению силы Х1, а индекс [Х1, Х2,..., Р] показывает, что перемещение определяется суммой всех сил, как заданных, так и неизвестных.

Аналогично можно записать:

   Так как под величиной понимается взаимное смещение точек, то обозначает вертикальное смещение точки В относительно С, — горизонтальное взаимное смещение тех же точек, есть взаимное угловое смещение сечений В и С. Угловым смещением будет также в рассматриваемой системе величина .

   В точках A и D смещения являются абсолютными. Но абсолютные смещения можно рассматривать как смещения, взаимные с неподвижными отброшенными опорами. Поэтому принятые обозначения приемлемы для всех сечений системы.

Пользуясь принципом независимости действия сил, раскроем выражения для перемещений

   Аналогичным образом запишем и остальные пять уравнений: каждое из слагаемых , входящих в уравнение, обозначает перемещение в направлении силы с первым индексом под действием силы, стоящей во втором индексе. Поскольку каждое перемещение пропорционально соответствующей силе, величину можно записать в следующем виде:

   Что касается перемещений , и т. д., то под индексом Р будем понимать не просто внешнюю силу Р, а вообще систему внешних сил, которая может быть произвольной Поэтому величины , ,... в уравнениях оставим неизменными.

Теперь уравнения примут вид:

   Эти уравнения являются окончательными и носят название канонических уравнений метода сил. Число их равно степени статической неопределимости системы. В некоторых случаях, как увидим далее, когда имеется возможность сразу указать значения некоторых неизвестных, число совместно решаемых уравнений снижается. Остается теперь выяснить, что представляют собой коэффициенты и как следует их определять. Для этого обратимся к выражению (6.1).

Если , то

   Следовательно, коэффициент это есть перемещение по направлению i-го силового фактора под действием единичного фактора, заменяющего k-й фактор. Например, коэффициент уравнения представляет собой взаимное горизонтальное смещение точек B и С, которое возникло бы в раме, если бы к ней вместо всех сил была приложена только единичная сила в точке А (рис. 5 а). Если, например, вместо сил приложив единичные силы, а все прочие силы с эквивалентной системы снять (рис. 5 б), то угол поворота в сечении D под действием этих сил будет , горизонтальное перемещение в точке А будет и т. д.



а) , б) и
Рис.5. Интерпретация коэффициентов уравнений метода сил:

 

   Весьма существенно отметить, что в проделанном выводе совершенно не обусловливается то, каким образом возникают перемещения . Хотя мы и рассматриваем раму, работающую на изгиб, все сказанное с равным успехом может быть отнесено, вообще, к любой системе, работающей на кручение, растяжение и изгиб или на то, другое и третье совместно.

   Обратимся к интегралам Мора. Для того чтобы определить величину , следует вместо внешних сил рассматривать единичную силу, заменяющую k-й фактор. Поэтому внутренние моменты и силы , , , , и в интегралах Мора заменим на , , , , и , понимая под ними внутренние моменты и силы от единичного k-го фактора. В итоге получим:

где , … — внутренние моменты и силы, возникающие под действием i-го единичного фактора. Таким образом, коэффициенты получаются как результат перемножения i-го и k-го внутренних единичных силовых факторов. Индексы i и k непосредственно указывают, какие факторы должны быть перемножены под знаком интегралов Мора. Если рама состоит из прямых участков и можно пользоваться правилом Верещагина, то представляет собой результат перемножения i-х единичных эпюр на k-е единичные эпюры.

Очевидно, что

   Это следует, с одной стороны, непосредственно из выражений для , а с другой стороны, из теоремы о взаимности перемещений, поскольку перемещения и возникают под действием одной и той же силы, равной единице.

   Величины , входящие в канонические уравнения, представляют собой перемещения в направлениях 1, 2,..., возникающие под действием заданных внешних сил в эквивалентной системе. Они определяются перемножением эпюры моментов заданных сил на соответствующие единичные эпюры.

   Пример Раскрыть статическую неопределимость и построить эпюру изгибающих моментов для рамы, показанной на рис. 6.



Рис.6. Заданная расчетная схема

 

   Рама три раза статически неопределима. Выбираем основную систему, отбрасывая левую заделку. Действие заделки заменяем двумя силами , и моментом и определяем эквивалентную систему (рис. 7).



Рис.7. Динамика решения: от эквивалентной системы и силовой эпюры Р, включая эпюры моментов от единичных сил: 1, 2, 3 в точках приложения неизвестных , ,

Канонические уравнения (6.2) принимают для рассматриваемой системы такой вид:

   Основные перемещения в рассматриваемой раме определяются изгибом. Поэтому, пренебрегая сдвигом и сжатием стержней, строим эпюры изгибающих моментов от заданной силы P и от трех единичных силовых факторов (рис. 7).

   Определяем коэффициенты уравнений, считая, что жесткость на изгиб всех участков рамы постоянна и равна EJ. Величина определяется перемножением первой единичной эпюры самой на себя. Для каждого участка берется, следовательно, площадь эпюры и умножается на ординату этой же эпюры, проходящую через ее центр тяжести:

   Заметим, что величины при всегда положительны, поскольку площади эпюр и ординаты имеют общий знак.

Определяем, далее, и остальные коэффициенты уравнений, перемножая эпюры с соответствующими номерами:

, , , , , , , .

Подставляем найденные коэффициенты в канонические уравнения. После сокращений получаем:

, ,

Решая эти уравнения, находим:

, ,

Раскрытие статической неопределимости на этом заканчивается.



Рис.8. Суммарная эпюра изгибающих моментов.

 

   Эпюра изгибающих моментов может быть получена наложением на эпюру моментов заданных сил трех единичных эпюр, увеличенных соответственно в , и раза Суммарная эпюра изгибающих моментов представлена на рис. 8. Там же пунктиром показана форма изогнутой оси рамы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27457. Государственная власть и способы ее осуществления 27 KB
  Государственная власть представляет собой особую разновидность социальной власти. Согласно одной точке зрения государственная власть – более узкая категория чем политическая власть ибо последняя осуществляется не только государством но и другими звеньями политической системы общества: партиями общественными организациями и т. В соответствии с другой точкой зрения понятие политическая власть тождественно понятию государственная власть так как первая исходит от государства и реализуется не иначе как при его прямом или косвенном...
27458. Государство и партия в политической системе России 28 KB
  Элементами политической системы в широком смысле выступают политические институты материальные и идеологические а также социальные нормы регулирующие деятельность этих институтов политические моральные корпоративные юридические. Политическая система в узком смысле – это система субъектов политических отношений иначе еще ее называют политической организацией общества. Элементами политической организации общества являются государство общественные объединения отдельные граждане.
27459. Государство как субъект правоотношений 30 KB
  Государство как субъект правоотношений. Государство: обладает как субъект правоотношений особым свойством суверенитетом ; общая правосубъектность государства определяется Конституцией данного государства нормами международного права; является субъектом внутригосударственных международных правоотношений; относится к т. Государство во всех правоотношениях выступает как политический субъект проявляющий властные полномочия как носитель суверенитета. Государство регламентирует статус участников правоотношений является субъектом...
27460. Государство: понятие, назначение и признаки 28 KB
  Государство – это политикотерриториальная суверенная организация публичной власти общества взимающая с населения налоги издающая законы и обеспечивающая их реализацию. Марксистсколенинское понимание признаков государства: 1 разделение населения по территориальному признаку; 2 наличие публичной власти которая стоит над обществом; 3 наличие налоговой системы. принадлежность людей к данному обществу гражданству; порядок и понятия формы предоставления гражданства именно через понятия гражданство население происходит объединение...
27461. Гражданское общество: понятие, структура, характер и формы его взаимодействия с государственно-правовыми институтами 29.5 KB
  Госво управляет обществом служит формой его организации. общество – способное противостоять госву контролировать его и заставить служить обществу. Это общество которое может сформировать правовое госво.
27462. Дайте классификацию юридических (фактических) составов 24 KB
  Такая совокупность юрих фактов в юриспруденции именуется фактическим юрим составом. Юридический фактический состав это система юридических фактов предусмотренных нормами права в качестве основания для наступления правовых последствий возникновение изменение прекращение правоотношения. 2 По процессу накопления фактов: Завершённые процесс накопления фактов завершен; Незавершённые процесс накопления не закончен. 3 По способу накопления фактов: Простые юридические составы с независимым накоплением элементов.
27463. Дайте отличия нормативного акта от правоприменительного (на конкретном примере) 25.5 KB
  Нормативные правовые акты следует отличать от индивидуальных и интерпретационных актов. Индивидуальные правовые акты – это акты государственных органов негосударственных организаций должностных лиц выражающие решение по конкретному юридическому делу приговор или решение суда приказ руководителя предприятия или учреждения и др. Индивидуальные акты – это акты применения права поэтому их называют еще правоприменительными. В отличие от индивидуальных нормативные правовые акты носят общеобязательный характер и отличаются неконкретностью...
27464. Действие нормативно-правовых актов во времени, в пространстве и по кругу лиц 27.5 KB
  Действие нормативноправового акта порождение тех юридических последствий которые в нем предусмотрены. Действие т. во времени Действие нормативноправовых актов во времени определяется двумя моментами: моментом вступления нормативноправового акта в силу и моментом утраты им юридической силы. Существуют такие понятия как футуроспективное действие закона обращен в будущее рассчитан на facta futura ретроактивное распространение на отношения возникшие до вступления данного акта в силу и ультраактивное действие акт утрачивает силу а...
27465. Действие права 28.5 KB
  Действие права это действие составляющих его разнообразных норм которые в официальной форме выражены в различных нормативноправовых и иных правоустановительных актах. Эти характеристики пределов действия норм права официально закрепляются в соответствующих нормативноправовых актах. Действие во времени определяется периодом времени от момента вступления нормативноправового акта и содержащихся в нем норм в силу до момента ее утраты. Время вступления в законную силу разных нормативноправовых актов определяется различными способами: 1...