Лекции

 

 

Главная

 

Часть 15. Изгиб и кручение тонкостенных стержней

 

15.1. Общие положения и основные особенности расчета

 

В настоящее время в машиностроении, авиации, строительстве, железнодорожном транспорте все больше используются конструк­ции, выполненные из тонкостенных и штампованных профилей или просто из тонколистовой стали. Эти конструкции обеспечива­ют высокую жесткость и прочность при сравнительно небольшом весе, поэтому их применение в технике является весьма экономич­ным. На железнодорожном транспорте это элементы тележек, сте­нок локомотивов, вагонов и многих других конструкций.

Специфика расчета этих конструкций на прочность породила особую расчетную схему - схему тонкостенного стержня.

Основным признаком тонкостенного стержня является харак­терное отношение его геометрических размеров. В поперечном се­чении одно из измерений (толщина) существенно меньше другого- срединной длины контура s. Последняя в свою очередь намного меньше, чем длина стержня l (рис.15.1).

Длина контура для тонкостенного стержня, представленного на рис.15.1:

s = h + 2b.

Следовательно, характерные размеры тонкостенных стер­жней открытого профиля взаимосвязаны и меняются в преде­лах и .

Рис. 15.1

               

Основные положения теории тон­костенных стержней были даны С.П. Тимошенко. Полное и общее развитие эта теория получила в трудах В.З. Власова и потому обычно назы­вается теорией Власова.

Тонкостенный стержень, как рас­четная схема, сохраняет в себе основ­ные свойства обыкновенного стержня и формулы сопротивления материа­лов, связанные с растяжением (сжа­тием), изгибом и кручением бруса, остаются в основном справедливыми.

Вместе с тем, тонкостенный стержень в силу геометрических соотношений обнаруживает свойства, существенно отличающие его от стержней сплошного сечения. При некоторых видах загружения не соблюдается гипотеза плоских сечений, происходит так называе­мая депланация сечения за счет неравномерной деформации стерж­ня вдоль его оси. Иными словами, не соблюдается принцип Сен-Венана - глубина «проникновения» краевых особенностей вдоль оси существенно больше, чем в сплошном стержне.

Вообще говоря, сравнительная оценка нормальных и касатель­ных напряжений s и t в поперечных сечениях бруса при переходе от сплошного сечения к тонкостенному профилю существенно меняется, и этот вопрос требует особого изучения.

Рис.15.2

               

При кручении тонкостенных стержней и вообще стержней с некруглым поперечным сплошным сечени­ем, поперечные сечения плоские до дефор­мации, искривляются по некоторой поверх­ности w(x, y, z) (рис.15.2), что называется депланацией сечения. По характеру фор­мирования депланаций сечения по длине стержня, следует различать два типа круче­ния стержней: свободное и стесненное.

Если депланация во всех поперечных сечениях одинакова по длине стержня или иначе w(x, y, z) = w(x, y), т.е. она является постоянной и не зависит от z, то такое кручение называется сво­бодным. При переменных депланациях по длине стержня, кручение называется стесненным.

При свободном кручении в поперечных сечениях стержня воз­никают только касательные напряжения, а при стесненном кру­чении, наряду с касательными возникают и нормальные напряже­ния. Эффект от неравномерной депланации сечения по его длине наиболее существенен для стержней открытого профиля.

После определения полной системы внешних сил, заметим, что порядок вычисления напряжений и перемещений в тонкостенном стержне закрытого профиля при свободном кручении принципи­ально ничем не отличается от метода расчета обычных стержней. Поэтому, здесь этому вопросу специальное внимание не уделяется.

 

15.2. Секториальная площадь

 

В дополнение к уже известным геометрическим характеристи­кам сечений (F - площадь поперечного сечения; Sx, Sv - статиче­ские моменты сечения; Jx, Jv, Jxy - осевые и центробежный момен­ты инерции) введем ряд новых. Эти характеристики свойственны только тонкостенным стержням и определяются на основе понятия секториальной площади.

Рассмотрим срединную линию контура поперечного сечения (рис.15.3). Срединная линия - это геометрическое место точек поперечного сечения, равноудаленно расположенных от контурных линий. Выберем на срединной линии начало 0 отсчета дуги s и из заданного полюса Р. Проведем два луча к концам элементарного отрезка ds. Удвоенную площадь треугольника PAB обозначают через .

Очевидно, что

,                                                                                                                             (15.1)

где r - расстояние от полюса Р до каса­тельной к линии контура в точке А.

Интеграл

,                                                                                                                               (15.2)

называется секториальной площадью. Таким образом, сектори­альная площадь представляет собой удвоенную площадь, очер­чиваемую радиус-вектором РА при движении т. А по контуру от начала отсчета 0 до некоторого значения дуги s. Если радиус-век­тор вращается по часовой стрелке, приращение площади  имеет знак плюс, против часовой стрелки - минус.

Рис.15.3

 

Точка Р называется секториальным полюсом.

При заданном полюсе и заданном начале отсчета в каждом конкретном случае может быть построена эпюра секториальной площади.

Рис.15.4

               

В качестве примера по­строим эпюру секториальной площади для контура, приве­денного на рис.15.4, а. Выби­раем в качестве полюса точ­ку P, а за начало отсчета при­нимаем точку 0 (рис.15.4, а).

Рассмотрим участок 0-3. На этом участке 0 £ s £ a. Век­тор r вращается по часовой стрелке, следовательно эпюра  имеет знак плюс:

;   ;   .

На участке 3-4, 0 £ s £ a, вектор r вращается против часовой стрелки, то есть приращение площади будет отрицательным:

;   ;   .

На участке 0-2, 0 £ s £ a, вектор r вращается против часовой стрелки, то есть приращение площади будет отрицательным:

;   ;   .

На участке 2-1, 0 £ s £ a, вектор r вращается по часовой стрелке, то есть приращение площади будет положительным:

;   ;   .

Эпюра секториальной площади  приведена на рис.15.4, б.

Отметим, что при переносе полюса секториальная площадь ме­няется на величины, линейно зависящие от координат x и y, т.е.:

,                                                                              (15.3)

где  и - секториальная площадь относительно нового Р0 и старого полюса Р', соответственно; xc, yc, x0, y0 - координаты центра изгиба и начала отсчета, соответственно.

 

15.3. Секториальные характеристики и их определение

 

Наряду с общепринятыми, для тонкостенных стержней вводят­ся дополнительные характеристики поперечных сечений.

Секториально статический момент поперечного сечения:

, м4 .

Секториально линейные моменты площади поперечного сечения:

 и , м.

Секториальный момент инерции поперечного сечения:

, м6 .

Окончательные выражения секториальных характеристик, исхо­дя из предположения, что толщина тонкостенного сечения по все­му контуру постоянна и равна d.

При поперечном изгибе или кручении всегда существует такая точка, относительно которой момент от касательных сил, возни­кающих в поперечном сечении, равен нулю. Эта точка называется центром изгиба или кручения. Для сечений, имеющих две оси симметрии, центр изгиба или центр кручения совпадают с центром тяжести.

Положение центра изгиба (или кручения) не зависит от дейст­вующих на стержень сил, а зависит только от формы и размеров поперечного сечения тонкостенного стержня.

При стесненном кручении центр кручения, а также начало отсчета секториальной площади не могут быть выбраны произ­вольно. Эти точки должны быть выбраны так, чтобы секториально линейные моменты, а также секториально статический момент бы­ли равны нулю, т.е.:

                                                                                     (15.4)

Выполнение условий первых двух условий из (15.4) зависит только от выбора координат полюса. Выполнение же третьего из условий (15.4) зависит от выбора начала отсчета 0.

Эпюра , построенная при полюсе, в качестве которого взят центр изгиба, и удовлетворяющая третьему уравнению (15.4), носит название эпюры главной сектроиальной площади.

Положение центра изгиба и секториальные характеристики се­чения на практике определяются в следующей последовательности.

Сначала выбирается положение полюса Р и строится эпюра секториальной площади ¢ относительно полюса.

Далее определяются величины  и  относительно по­люса P и вычисляются координаты центра изгиба по формулам:

 и .                                                                                                       (15.5)

Определяется секториальная площадь относительно центра из­гиба по формуле (15.3) и вычисляется секториaльно стaтический мо­мент поперечного сечения по формуле:

,

как площадь эпюры , умноженную на .

Далее определяется постоянная D из третьего условия (15.4) по формуле:

                                                                                                                                    (15.6)

и строится эпюра главной секториальной площади:

.                                                                                                                                (15.7)

 


email: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

 

Теоретическая механика   Сопротивление материалов

Прикладная механика  Детали машин  Теория машин и механизмов

 

 

 

 

Рейтинг@Mail.ru Каталог-Молдова - Ranker, Statistics Каталог@MAIL.RU - каталог ресурсов интернет