Определение сил, действующих на швеллер, брус, стальной вал

Задача 1

Исходные данные:

Сложное сечение состоит из двух составляющих: 1 — швеллер № 14, 2 — прямоугольник с размерами h₂ = 18 см = 0,18 м, b₂ = 0,8 см =0,008 м. Ось Х проходит через центр тяжести обоих составляющих (рис. 1).

Требуется:

Привести геометрические характеристики простых составляющих сечения относительно их собственных центральных осей.

Вычертить сечение в масштабе с указанием основных размеров в числах и обозначением центральных осей простых составляющих сечения, параллельных вспомогательным осям.

Определить координаты центра тяжести всего сечения и построить на чертеже центральные оси, параллельные вспомогательным осям.

Выполнить проверку правильности выполнения третьего пункта путём вычисления статических моментов всего сечения относительно общих центральных осей.

Определить значения главных центральных моментов инерции сечения.

Определить значения осевых моментов сопротивления (W_X, W_Y).

Рис. 1.

Решение: стальной стержень вал диаметр

I. Геометрические характеристики швеллера относительно его собственных центральных осей (рис. 2, б) согласно ГОСТ 8240–89 следующие:

площадь A₁ = 15,6 см²= 0,0156 м²;

высота сечения h₁ = 14 см =0,14 м;

длина полки b₁=5,8 см = 0,058 м.

моменты инерции, ;

абсцисса центра тяжести швеллера.

Индекс в нижнем правом углу означает номер простой составляющей сечения. Швеллер согласно принятой в задаче нумерации имеет номер 1.

Геометрические характеристики прямоугольника относительно его собственных центральных осей (рис. 2, в) следующие:

площадь A₂ = h₂ · b₂ = 18 · 0,8 = 14,4 см²;

моменты инерции относительно собственных центральных осей.

II. Определение координаты центра тяжести сечения.

Строим вспомогательную систему координат. В качестве вспомогательной системы координат выбираем центральные оси швеллера и .

Определяем координаты центра тяжести сечения относительно вспомогательной системы координат. Для рассматриваемого сечения необходимо вычислить только одну координату, так как другая координата известна. Поскольку центр тяжести всего сечения должен лежать на прямой, соединяющей центры тяжести простых составляющих (это правило действительно для сечений, состоящих их двух частей), то в нашем случае центр тяжести лежит на оси (рис. 2, а), а значит координата .

Координата центра тяжести (к. ц. т.) сечения определяется по формуле:

где — статический момент всего сечения относительно оси; А — площадь всего сечения. Для рассматриваемого примера статический момент сечения следует обозначить как, так как определяется относительно оси .

Рассматриваемое сечение сложное. Для определения статического момента сложного сечения существует формула:

.

где n — число простых составляющих сложного сечения; - статический момент i — й составляющей сложного сечения; , — координата центра тяжести и площадь i — й составляющей сложного сечения.

Применительно к нашей задаче формула примет следующий вид:

Так как координата x в прямоугольной системе координат представляет собой кратчайшее расстояние (перпендикуляр) от центра тяжести соответствующей фигуры до оси Y, то:

и определены в пункте I. Подставим в формулу полученные значения: .

Площадь сложного сечения:

Тогда для рассматриваемого случая:

Следовательно, .

Показываем на чертеже центральные оси всего сечения и. Причём эти оси строим параллельно вспомогательным осям, как показано на рис. 11, а.

IІІ. Проводим проверку правильности определения центра тяжести сечения.

В основе проверки лежит положение о том, что статические моменты сечения относительно центральных осей равны нулю. Значит, в нашем случае следует вычислить статические моменты сечения относительно полученных центральных осей и; при этом координаты ц. т. простых составляющих относительно этих осей:

.

;

.

Статические моменты сечения относительно осей и :

Иными словами, координаты ц. т. всего сечения вычислены правильно.

V. Определяем главные центральные моменты инерции сечения.

Вычисляем центробежный момент инерции всего сечения.

Ось (центральная ось всего сечения) и, (центральные оси простых составляющих) совпадают. Оси и — главные оси швеллера (так как ось — ось симметрии швеллера), значит центробежный момент инерции швеллера относительно них. Оси и — главные оси прямоугольника (так как оси и — оси симметрии прямоугольника), значит. В этом случае центробежный момент инерции всего сечения в соответствии с формулой изменения центробежных моментов инерции при параллельном переносе осей:

Находим главные оси всего сечения.

Так как центробежный момент инерции сечения относительно главных осей равен нулю, то в нашем случае оси и — главные оси инерции всего сечения.

Вычисляем главные центральные моменты инерции всего сечения.

Поскольку главными центральными моментами инерции являются моменты инерции относительно главных центральных осей, то вычисления моментов инерции будем производить относительно осей и .

Воспользовавшись формулой определения осевых моментов инерции сложного сечения и формулой перехода между параллельными осями для осевых моментов инерции, получим:

ІV. Определяем значения осевых моментов сопротивления.

Осевые моменты сопротивления в нашем случае вычисляются по формулам:

;

где и — расстояния от соответствующих осей до наиболее удалённых точек сечения.

Здесь:

;

;

Тогда:

;

;

.

Задача 2

Абсолютно жёсткий брус АС опирается на шарнирно — неподвижную опору А и прикреплён к стальному стержню ВС длиной L с помощью шарнира С рис.3).

Требуется:

Определить реакции в опорах А и В.

Определить продольную силу N в стальном стержне и построить её эпюру.

Определить площадь поперечного сечения стержня.

Определить удлинение стержня ВС и величину вертикального перемещения точки С.

Исходные данные:

Предел текучести материала стержня (Ст. 3); коэффициент запаса прочности; модуль Юнга; a = 1,6 м; b = 1,1 м; L = 2,1 м; F = 10 кН.

Решение:

I. Определяем реакции в опорах A и В.

Рассматриваемая система является статически определимой, поскольку число связей, накладываемых на систему, соответствует числу уравнений равновесия статики в плоскости. Последних всегда три. В нашем случае в опоре В возникает только одна реакция в направлении продольной оси стержня ВС (реакция), в опоре, А — две (и), так как она является шарнирно неподвижной опорой (см. рис. 3, а).

Составляем уравнения равновесия статики. Желательно каждое уравнение представить так, чтобы оно содержало только одну неизвестную:

Проверка правильности определения реакций:

.

Полученное тождество свидетельствует о правильности результатов.

II. Определяем продольную силу N в стальном стержне и строим её эпюру.

Пользуясь методом сечения, определяем значение продольной силы N в сечении m — n стержня ВС (см. рис. 3, б): .

Строим эпюру продольной силы. Поскольку при изменении значения координаты сечения m — n в пределах длины стержня продольная сила остаётся постоянной, эпюра продольной силы представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (см. рис. 3, б).

III. Определяем площадь поперечного сечения стержня ВС.

Условие прочности при растяжении для пластичных материалов.

где, — наибольшее по абсолютной величине расчётное растягивающее напряжение, возникающее в сечении с продольной силой N_max и с площадью поперечного сечения А.

Допускаемое напряжение:

Из условия прочности решаем проектировочную задачу, математическая формулировка которой .

Предельное значение площади.

.

IV. Определяем удлинение стержня ВС и величину вертикального перемещения точки С.

Удлинение стержня ВС определяем согласно закону Гука для абсолютных удлинений на основании следующей формулы:

.

Вертикальное перемещение точки С находим, заменяя дугу (радиусом) перпендикуляром С₂С₁ на первоначальное направление стержня (см. рис. 3, а). Малая величина удлинения по сравнению с длиной стержня допускает такую замену при весьма незначительной погрешности результата. Из треугольника СС₁С₂ находим, что вертикальное перемещение:

Задача 3.

К стальному валу приложены три вращающих момента.

Требуется:

Определить реактивный момент в заделке.

Построить эпюру крутящих моментов.

Определить диаметр вала (расчёты произвести из условия прочности и условия жёсткости).

Построить эпюру углов закручивания.

Исходные данные: допускаемое касательное напряжение; допускаемый относительный угол закручивания; модуль сдвига. a=1,6 м, b=1,1 м, c=1,4 м, M₁=6 кНм, M₂=2 кНм, M₃= 6 кНм.

Решение:

Определяем реактивный момент в заделке.

Так как стержень и любая его часть находятся в равновесии, то алгебраическая сумма скручивающих моментов, приложенных к каждой части стержня, должна быть равна нулю. Из уравнения равновесия всего стержня определим реактвный момент M_А в заделке.

;

Строим эпюру крутящих моментов:

Участок, а ():

Участок b ().

Участок с ().

Определяем диаметр вала.

Наибольший крутящий момент.

Определяем диаметр вала из условия прочности:

Определяем диаметр вала из условия прочности:

Из двух найденных диаметров принимаем с округлением .

Строим эпюру углов закручивания.

Для определения углов закручивания стержня необходимо вычислить полярный момент инерции сечения:

Углы закручивания сечений равны: ;

Задача 4.

Даны две схемы стальных балок (рис.).

Требуется:

Для схемы «а»:

Построить эпюры поперечной силы Q и изгибающего момента M.

Определить максимальное нормальное напряжение в балке сложного поперечного сечения, уже рассмотренного в задаче 1.

Определить фактический коэффициент запаса прочности.

Определить прогиб конца консоли аналитическим методом, составляя и интегрируя дифференциальные уравнения изогнутой оси балки.

Для схемы «б»:

Построить эпюры поперечной силы Q и изгибающего момента M.

Подобрать сечения следующей формы: прямоугольное (h[b = k); круглое; кольцевое (б = d[D); состоящее из двух швеллеров; двутавровое.

Оценить эффективность формы сечения.

Общие данные: предел текучести материала; коэффициент запаса прочности; модуль упругости (модуль Юнга) .

Исходные данные:

, ,, , .

Решение:

I. Построим эпюры поперечной силы Q и изгибающего момента M.

Получим выражения для Q и M по участкам. Заданная балка имеет два участка нагружения: по длине первого участка распределена равномерная нагрузка q, прекращение действия которой означает начало второго участка (см. рис., а). На рисунке и — координаты поперечных сечений первого и второго участков. Для каждого участка выбирается своя система координат.

I — ый участок:

Рассматривая равновесие левой отсечённой части балки, запишем выражения для и :

Полученное выражение представляет собой уравнение наклонной прямой, следовательно, для её построения необходимо определить координаты двух точек. Мы выберем крайние точки:

; .

Равнодействующая распределённой нагрузки q на участке равняется и приложена в середине участка, то есть расстояние от силы до сечения равно. Данное выражение изгибающего момента представляет собой уравнение кривой второго порядка. Следовательно, для построения эпюры M требуются координаты трёх точек:

При:

Тогда:

II — ой участок: .

Рассматривая равновесие левой части, отсечённой сечением с координатой, запишем выражения для и :

.

Полученное выражение представляет собой уравнение прямой, параллельной оси эпюры.

.

В данном случае мы получили уравнение прямой, наклонной к оси эпюры. Для её построения определим координаты двух крайних точек:

;

II. Определяем максимальное нормальное напряжение в балке сложного поперечного сечения, уже рассмотренного в задаче 1.

Для этого следует воспользоваться формулой:

.

III. Определяем фактический коэффициент запаса прочности как:

.

Конструкция не пригодна к эксплуатации, так как действительный запас прочности больше нормативного, то есть 0,408 > 1,5.

IV. Определяем прогиб конца консоли аналитическим методом.

Составляем приближённые дифференциальные уравнения изогнутой оси балки по участкам с соблюдением условий Клебша.

Необходимо отметить, что в этом случае выбирается только одна система координат с началом в крайней левой точке балки (см. рис., г). Если в этой точке балка жёстко или шарнирно зафиксирована, то прежде чем приступить к составлению уравнений, необходимо определить реакции в опорах.

Для нашего случая: I — ый участок:

II — ой участок:

Дважды интегрируем дифференциальные уравнения:

Рассматриваем граничные условия и доказываем равенство постоянных интегрирования на обоих участках.

При (на границе двух смежных участков балки), , так как они являются углами поворота и прогибами, соответственно, одного и того же сечения.

Тогда, учитывая формулы (1) и (3), получим:

откуда .

Из формул (2) и (4) получим:

откуда .

Следовательно, имеют место только две постоянных интегрирования: C, D.

Из начальных условий определяем значения постоянных интегрирования C и D.

Первое условие: при, то есть в защемленном конце балки угол поворота равен нулю, иными словами сечение не поворачивается. Тогда согласно формуле (3).

.

Откуда .

Второе условие: при, , то есть в защемленном конце балки прогиб равен нулю — сечение не перемещается вертикально. Тогда в соответствии с формулой (4).

.

Откуда .

Вычисляем прогиб конца консоли Для этого воспользуемся формулой (2) при :

.

Согласно принятому направлению координатных осей (см. рис., г) при решении задачи аналитическим методом знак «-» указывает на то, что прогиб конца консоли балки направлен вниз.

Задача 5

Исходные данные:

, ,, , .

Решение:

I. Построим эпюры поперечной силы Q и изгибающего момента M.

Определяем опорные реакции балки. Заданная балка зафиксирована в двух сечениях с помощью шарнирно-подвижной и шарнирно-неподвижной опор (см. рис.). Характер прикладываемой нагрузки обуславливает необходимость определения только вертикальных реакций опор и, так как горизонтальная составляющая реакции в опоре, А равна нулю ().

Проверка:

.

Полученное тождество свидетельствует о правильности результатов.

Записываем уравнения для Q и M по участкам. Для каждого участка выбирается своя система координат.

I — ый участок: .

Рассматриваем равновесие левой части балки:

II — ой участок: .

Рассматриваем равновесие правой части балки:

.

II. Подбираем сечения указанных в задании форм.

Условие прочности при изгибе по нормальным напряжениям для пластичных материалов:

.

.

Тогда условие проектировочной задачи принимает следующий вид:

.

Так как, то предельное значение осевого момента сопротивления:

.

Подбираем прямоугольное сечение. Соотношение сторон (рис.).

Так как для прямоугольного сечения момент сопротивления относительно оси X (см. рис.) и по условию, то:

,.

.

Подбираем круглое сечение.

Для круглого сечения осевой момент сопротивления (рис.), тогда:

;

.

Подбираем кольцевое сечение. Отношение диаметров .

Для кольцевого сечения осевой момент сопротивления. Тогда:

;

;

.

Подбираем сечение, состоящее из двух швеллеров.

В основе определения осевого момента сопротивления лежит соотношение.

Рассматриваемое сечение сложное состоит из двух равных частей (рис.):

По условию проектировочной задачи:

Тогда предельное расчётное значение осевого момента сопротивления для одного швеллера .

По таблице ГОСТ 8240–72 выбираем швеллер № 10 с ближайшим большим моментом сопротивления. Следовательно, площадь всего сечения балки .

Подбираем двутавровое сечение.

Условие проектировочной задачи для балки с двутавровым сечением (рис.):

.

По таблице ГОСТ 8239–72 выбираем двутавровую балку № 14 с ближайшим значением момента сопротивления, значение которого отвечает условию проектировочной задачи:

.

III. Оцениваем эффективность формы сечения.

Для этого сравниваем площади всех подобранных сечений:

Наиболее эффективной формой сечения балки (балка с наименьшим весом) является двутавровое сечение, наименее эффективной — круглое сплошное сечение.

Задача 6

Стальной стержень длиной l сжимается силой F.

Требуется:

Найти размеры поперечного сечения стержня при допускаемом напряжении на центральное сжатие, пользуясь методом последовательных приближений.

Найти величину критической силы, если предельная гибкость .

Найти коэффициент запаса устойчивости.

Исходные данные:

, , (м — коэффициент, зависящий от условий закрепления стержня, для нашего случая при жестко заделанном одном конце).

Решение:

I. Находим размеры поперечного сечения стержня при допускаемом напряжении на центральное сжатие, пользуясь методом последовательных приближений.

Записываем выражение для определения площади поперечного сечения стержня из условия устойчивости.

Условие устойчивости:

где — коэффициент уменьшения допускаемого напряжения на сжатие, или коэффициент продольного изгиба.

В расчётной формуле (1) имеются две неизвестные величины — коэффициент и искомая площадь A. Поэтому при подборе сечения необходимо использовать метод последовательных приближений.

Для упрощения расчётов выполним вспомогательные преобразования.

Так как проектируемое сечение сложное, минимальный момент инерции (потеря устойчивости происходит в плоскости наименьшей жёсткости) определяется следующим образом:

.

Площадь поперечного сечения (1).

.

Тогда .

Минимальный радиус инерции (2).

.

.

Выполняем первое приближение. В первом приближении коэффициент продольного изгиба обычно принимают, тогда (3):

.

Используя соотношения (2) и (3), получим:

;

.

Тогда расчётная гибкость колонны:

.

Определяем значение коэффициента, соответствующего гибкости :

Путём линейной интерполяции:

.

Проверим выполнение условия устойчивости в первом приближении. Для этого вычислим рабочие напряжения первого приближения следующим образом:

.

Затем определим допускаемые напряжения по устойчивости в первом приближении:

.

Из приведённых вычислений следует, что условие устойчивости не выполняется, так как:

.

В этом случае перенапряжение составляет:

.

что недопустимо, так как перенапряжение превышает 5%. Следовательно, необходимо второе приближение.

Выполняем второе приближение. Во втором приближении коэффициент продольного изгиба:

.

Тогда площадь сечения:

.

;

.

Гибкость колонны:

.

Определяем значение коэффициента, соответствующего этой гибкости:

.

Проверим выполнение условия устойчивости во втором приближении. Для этого вычислим рабочие напряжения второго приближения:

.

Затем определим допускаемые напряжения по устойчивости во втором приближении:

.

Из приведённых вычислений следует, что условие устойчивости не выполняется, так как:

.

В этом случае перенапряжение составляет:

.

что опять недопустимо, так как перенапряжение превышает 5%. Следовательно, необходимо третье приближение.

Выполняем третье приближение. В третьем приближении коэффициент продольного изгиба.

.

Тогда площадь сечения:

;

.

Гибкость колонны.

.

Определяем значение коэффициента, соответствующего этой гибкости:

.

Проверим выполнение условия устойчивости в третьем приближении. Для этого вычислим рабочие напряжения третьего приближения:

.

Затем определим допускаемые напряжения по устойчивости в третьем приближении:

;

.

Из чего следует, что условие устойчивости не выполняется, однако перенапряжение составляет:

.

что допустимо, так как оно не превышает 5%. То есть окончательно принимаем:. Следовательно, сечение имеет размеры 72Ч108 см:

;

.

II. Находим величину критической силы.

Так как, то есть, то используем формулу Эйлера для определения критической силы:

.

III. Определяем коэффициент запаса устойчивости следующим образом:

.