22558

Энергетические методы расчета деформаций

Лекция

Производство и промышленные технологии

Он основан на применении закона сохранения энергии. При статическом растяжении или сжатии упругого стержня происходит превращение потенциальной энергии из одного вида в другой; часть потенциальной энергии действующего на стержень груза полностью переходит в потенциальную энергию деформации стержня. Это явление имеет место при любом виде деформации всякой упругой конструкции при статической нагрузке; такую конструкцию можно рассматривать как своеобразную машину преобразующую один вид потенциальной энергии в другой. При этих условиях...

Русский

2013-08-04

75.5 KB

4 чел.

Сопротивление материалов Сагадеев В.В.

Лекция № 32. Энергетические методы расчета деформаций.

Постановка задачи.

   Кроме рассмотренных способов вычисления прогибов и углов поворота сечений балок существует более общий метод, пригодный для определения деформаций любых упругих конструкций. Он основан на применении закона сохранения энергии.

   При статическом растяжении или сжатии упругого стержня происходит превращение потенциальной энергии из одного вида в другой; часть потенциальной энергии действующего на стержень груза полностью переходит в потенциальную энергию деформации стержня. Действительно, если мы будем нагружать стержень путем постепенного подвешивания к его нижнему концу очень малых грузов dP, то при добавлении каждого такого груза подвешенная уже часть нагрузки опустится и ее потенциальная энергия уменьшится, а потенциальная энергия деформации стержня соответственно увеличится.

   Это явление имеет место при любом виде деформации всякой упругой конструкции при статической нагрузке; такую конструкцию можно рассматривать как своеобразную машину, преобразующую один вид потенциальной энергии в другой.

   Мы условились называть «статической» такую нагрузку, которая возрастает постепенно и таким образом, что ускорениями элементов конструкции можно пренебречь; передача давлений (сил) от одной части конструкции на другую не меняет характера движения, этих частей, т. е. их скорость остается постоянной и ускорение отсутствует.

   При этих условиях деформация конструкции не будет сопровождаться изменением кинетической энергии системы, и будет иметь место лишь преобразование потенциальной энергии из одного вида в другой. При этом мы пренебрегаем магнитными, электрическими и тепловыми явлениями, сопровождающими упругие статические деформации тела лишь в очень слабой мере.

   Так как характер движения всех элементов конструкции с течением времени не меняется, то в каждый момент времени будет иметь место равновесие как для каждой части конструкции в целом под действием внешних сил и реакций, так и для каждого элемента этой части под действием внешних сил и напряжений, приложенных к этому элементу. Деформации конструкции, напряжения в ее частях и реакции, передающиеся от одной части на другую, успевают следовать за ростом нагрузки.

   Таким образом, можно сказать, что полное преобразование одного вида потенциальной энергии в другой имеет место, если деформация происходит без нарушения равновесия системы. Мерой энергии, превратившейся в другой вид, является величина работы, произведенной силами, действующими на конструкцию.

   Обозначим величину накопленной потенциальной энергии деформации через U, а уменьшение потенциальной энергии внешних нагрузок . Тогда величина измеряется положительной работой этих нагрузок , с другой стороны, накоплению потенциальной энергии деформации U соответствует отрицательная работа внутренних, междучастичных сил А, так как перемещения точек тела при деформации происходят в обратном по отношению к внутренним силам направлении.

Закон сохранения энергии при деформациях упругих систем принимает вид:

заменяя в этой формуле величины и U численно равными им значениями работ и —А, получаем иную формулировку этого закона:

или

   Эта формулировка закона сохранения энергии совпадает с так зазываемым «началом» возможных перемещений в применении к упругим системам. Последнее равенство выражает, что при перемещениях без нарушения равновесия сумма работ всех сил, приложенных к точкам тела, равна нулю.

Таким образом, начало возможных перемещений в применении к упругим системам является следствием закона сохранения энергии.

Таким образом, потенциальная энергия деформации численно равна работе внешних сил , проделанной ими этой деформации:

 

Вычисление потенциальной энергии.

   При вычислении потенциальной энергии будем предполагать, что деформации не только материала, но и всей конструкции, следуя закону Гука, пропорциональны нагрузкам, т. е. линейно с ними связаны и растут постепенно вместе с ними.

   Известно, что при статическом растяжении или сжатии стержня силами Р величина работы , а следовательно, и величина энергии U равняется:

В случае сдвига

При кручении

Так же как и при кручении, может быть вычислена потенциальная энергия при чистом изгибе.

   Концевые сечения балки под действием изгибающих моментов(Рис.1) повернутся на угол , где — центральный угол изогнувшейся по дуге радиусом р оси балки.



Рис.1. Модель расчета потенциальной энергии при чистом изгибе.

 

Тогда

так как из общей теории изгиба а

   Из полученных выражений следует, что потенциальная энергия деформации равна половине произведения силы или пары сил на перемещение по ее направлению того сечения, где эта сила приложена. Условимся называть термином «обобщенная сила» всякую нагрузку, вызывающую соответствующее нагрузке перемещение, т. е. и сосредоточенную силу, и пару сил, и т. п.; перемещение же, соответствующее этой силе, будем называть «обобщенной координатой».

   «Соответствие» заключается в том, что речь идет о перемещении того сечения, где приложена рассматриваемая сила, причем о таком перемещении, что произведение его на эту силу дает нам величину работы; для сосредоточенной силы это будет линейное перемещение по направлению действия силы — прогиб, удлинение; для пары сил — это угол поворота сечения по направлению действия пары.

Иначе: потенциальная энергия деформации численно равна половине произведения обобщенной силы на соответствующую ей координату.

,

где Р—обобщенная сила, — обобщенная координата.

   Полученные соотношения также показывают, что потенциальная энергия является функцией второй степени от независимых внешних сил, так как в эти формулы не входят реакции, зависящие от приложенных к элементу сил и связанные с ними уравнениями равновесия. Из тех же формул видно, что величина потенциальной энергии деформации является функцией второй степени от «обобщенных координат» системы и вполне ими определяется. Таким образом, порядок приложения нагрузок в этом отношении безразличен, важна лишь окончательная форма деформированного элемента. Поэтому, хотя результаты этого параграфа получены в предположении, что нагрузка возрастает статически, при сохранении равновесия в течение всего процесса нагружения, однако выведенные формулы сохраняют силу и при любом способе приложения нагрузок, лишь бы значения сил и деформаций были связаны линейной зависимостью и относились к тому моменту, когда установится равновесие конструкции.

   Известно также, что в общем случае изгиба изгибающий момент М(х) является величиной переменной. В любом сечении ему будет сопутствовать поперечная сила Q(х). Поэтому рассматривать следует уже,не всю балку в целом, а лишь бесконечно малый элемент балки длиной dx.



Рис.2. Энергетическая модель поперечного изгиба

 

   Под действием изгибающих усилий сечения элемента (рис.2, а) поворачиваются и образуют между собой угол (Рис.2, б). Касательные же усилия стремятся вызвать (Рис.2, в) перекос элемента; таким образом перемещения от нормальных напряжений идут перпендикулярно к направлению касательных напряжений, и наоборот.

Это позволяет независимо вычислять работу изгибающих и касательных усилий.

   Обычно работа касательных усилий оказывается малой по сравнению с работой нормальных, поэтому мы пока ею будем пренебрегать. Элементарная работа нормальных усилий (как и в случае чистого изгиба) равна:

или



Рис.3. Расчетная схема примера расчета потенциальной энергии при поперечном изгибе.

 

Вся потенциальная энергия изгиба получится суммированием по длине балки

   Знак предела интегрирования условно указывает, что интегрирование должно охватить всю балку; в тех случаях, когда для М(х) мы имеем несколько участков, то интеграл приходится разбивать на сумму интегралов.

   Вычислим потенциальную энергию балки на двух опорах, нагруженной силой Р (Рис.3). Эпюра моментов имеет два участка; поэтому


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35598. Геологическая деятельность человека 30 KB
  Геология сегодня это фундаментальная наука. Геология это наука о Земле. Геология разделяется на теоретическую и практическую.
35599. Геологическая деятельность озер и болот 17.94 KB
  Источниками питания озер служат атмосферные воды поверхностный сток и подземная разгрузка водоносных горизонтов; Основную массу воды в озера поставляют реки. По величине озера сильно различаются. Существенно различаются озера по глубине солености воды и т. По этому признаку выделяются озера экзогенные происхождение которых связано с поверхностными факторами и эндогенные появление которых обусловлено поверхностным проявлением глубинных факторов.
35600. Тектонические движения 15.19 KB
  Хайн разделил все тектонические движения по уровню их зарождения в земном шаре. Он все тектонические движения разделил на: 1 Общие колебания в ядре Земли; 2 Сверхглубинные движения в нижней мантии; 3 Глубинные движения в верхней мантии в результате физикохимических процессов; 4 Коровые движения производные от глубинных движений делятся на складчатые и разрывные; 5 Покровные поверхностные возникают в результате перетока пластичных масс или гравитационного соскальзывания крупных пластин осадочного чехла что приводит к образованию...
35601. Понятие о геосинклиналях 15.47 KB
  В начальных стадиях развития Геосинклиналей преобладает погружение всей зоны и накопление внутри нее мощных толщ преимущественно обломочных и нередко основных эффузивных пород. В дальнейшем процессе развития Геосинклиналей усиливается интрузивная деятельность а в отдельных местах происходит образование складок завершающееся поднятием а затем новым погружением этих участков что обусловливает перерывы в осадконакоплении в различных местах. Заключительные этапы развития Геосинклиналей связаны с усилением складкообразования и обычно с...
35602. Этапы развития земной коры 15.45 KB
  Важным фактором развития Земли на этом этапе и несколько позднее по аналогии с Луной принимается предполагаемая метеоритная бомбардировка спровоцировавшая разогрев и интенсивный базальтовый вулканизм. На этом этапе развития началось расслоение Земли на оболочки – ядро внутреннее и возможно внешнее мантию кору и атмосферу. Раннеархейский этап 4035 млрд.
35603. Ответы к зачету по геологии 113.87 KB
  Кювье применили палеонтологические методы определения возраста горных пород что позволило установить основные этапы развития Земли и земной коры. Основу геологических знаний дают полевые исследования местности где изучаются геологические породы особенности залегания слоев и геологических тел которые можно изучить в естественных обнажениях шурфах и искусственных карьерах. В витринах к данным стендам представлены образцы разнообразных микроразрывов зеркал скольжения кливажа складок разной формы различных пород. По занимаемому в составе...
35604. Физика. Модели в механике 2.06 MB
  Под воздействием тел друг на друга тела могут деформироваться т. Абсолютно твердым телом называется тело которое ни при каких условиях не может деформироваться и при всех условиях расстояние между двумя точками или точнее между двумя частицами этого тела остается постоянным. Любое движение твердого тела можно представить как комбинацию поступательного и вращательного движений. Вращательное движение это движение при котором все точки тела движутся по окружностям центры которых лежат на одной и той же прямой называемой осью вращения.