что принимается в качестве неизвестных метода сил

Что принимается в качестве неизвестных метода 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 X_i-, где i — номер неизвестного. Наибольшее значение i равно степени статической неопределимости системы. Заметим, что для внутренних связей силы X_i, — 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.

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.

Источник

Строительная механика

Главное меню

Присоединяйтесь

Метод сил при расчете статически неопределимых систем

Статически неопределимой называется система строительной механики, для которой невозможно определить внутренние усилия из уравнений равновесия.

В статически неопределимых систем существуют «лишние» связи, количество которых определяется степенью статической неопределимости системы.

В качестве неизвестных при решении таких систем используются силы, поэтому данный метод называется методом сил.

1) Рассчитывается степень статической неопределимости системы.

Степень статической неопределимости n простой системы (количество «лишних» связей) рассчитывается по формуле:

где Ш – количество простых шарниров (равно k-1, где k – число дисков, соединяемых шарниром);

С₀ – количество реакций, которые могут возникать во всех опорах системы;

Д – количество дисков.

Пример определения степени статической неопределимости:

Рисунок 1. Степень статической неопределимости

— балка (рис. 1, а): n=2·0+4–3·1=1;

— рама (рис. 1, б): n=2·2+4–3·2=2.

2) С целью преобразования статически неопределимой системы в статически определимую исключаются «лишние» связи. Их реакции заменяют неизвестными силами, а полученная система называется основной системой (ОС).

Пример: у балки (рис. 2, а) степень статической неопределимости n=1 (данную систему называют заданной системой (ЗС), ). Если убрать «лишнюю» связь (правую опору) и обозначить неизвестную реакцию через X, получим ее ОС (рис. 2, б). Вариантов исключения лишних связей несколько (рис. 2, в-д). Для каждого из вариантов объем расчетов будет различным. Поэтому необходимо выбирать наиболее оптимальную ОС. Так в нашем примере необходимо выбрать первый вариант ОС (рис. 2, б), т.к. в этом случае эпюры построить проще.

Рисунок 2. Метод сил

3) Записываются канонические уравнения метода сил, исходя из условия, что перемещения системы по направлениям убраных связей равны нулю.

Пример: балка со степенью статической неопределимости 1. Ее ЗС (рис. 3, а) и ОС (рис. 3, б) должны быть эквивалентными. Чтобы это произошло перемещение в направлении убраной связи должно равняться нулю: Δ =0.

Рисунок 3. Каноническое уравнение метода сил

Полученное уравнение называется уравнением совместности деформаций.

Так как сила X неизвестна, перемещение Δ _X определить невозможно.

Рассмотрим единичное состояние (ЕС) основной системы, в котором на сооружение действует только единичная сила P =1 (рис. 3, д).

По закону Гука, в линейно-упругой системе Δ _X = δ X. Тогда уравнение совместности деформаций предстанет в следующем виде:

Полученное уравнение называется каноническим уравнением метода сил.

Причем количество уравнений равно количеству убраных «лишних» связей:

где δ_ii – главные коэффициенты;

δ_ij – боковые коэффициенты;

Δ iP – грузовые коэффициенты.

5) Выполняется проверка коэффициенты канонических уравнений:

Построчная проверка выполняется для проверки всех коэффициентов одного уравнения. Если сумма всех коэффициентов i-ой строки системы канонических уравнений равна произведению i-ой единичной эпюры на суммарную единичную эпюру, то коэффициенты этой строки вычислены верно:

Универсальная проверка выполняется для одновременной проверки всех коэффициентов системы канонических уравнений. Если сумма всех коэффициентов системы канонических уравнений равна произведению суммарной единичной эпюры на саму себя, то все коэффициенты системы канонических уравнений вычислены верно.

Постолбцовая проверка используется для проверки коэффициентов одного столбца системы канонических уравнений. Если сумма всех грузовых коэффициентов равна произведению суммарной единичной эпюры на грузовую эпюру, то грузовые коэффициенты вычислены верно.

6) Полученная система уравнений решается матричным способом и определяются неизвестные усилия Xi.

7) Строятся эпюры изгибающих моментов от каждого найденного усилия Xi. Для этого ординаты построенных ранее единичных эпюр умножаются на найденные соответствующие величины Xi.

8) Строится итоговая эпюра изгибающих моментов (М). Для этого ординаты построенных эпюр изгибающих моментов от каждого найденного усилия Xi складываются с ординатами грузовой эпюры (Мp).

9) На базе эпюры М строится эпюра поперечных сил (Q).

10) Методом вырезания узлов из эпюры поперечных сил строится эпюра продольных сил (N).

– статическая проверка состоит в проверке выполнения условий равновесия (уравнения статики), т.е.:

– деформационная проверка – в результате умножения окончательной эпюры изгибающих моментов М на любую из единичных эпюр должен получаться нуль.

Источник