Упругая линия балки - ось балки после деформации.

Прогиб балки $y$ - поступательное перемещение центра тяжести в поперечном направлении балки. Прогиб вверх считаем положительным, вниз - ’ емким.

Уравнение упругой линии - математическая запись зависимости $y(x)$ (прогиба по длине балки).

Стрела прогиба $f = {y_{\max }}$ - максимальное по длине значение прогиба балки.

Угол поворота сечения $\varphi $ - угол, на который поворачивается сечение в процессе деформирования балки. Угол поворота считаем положительным, если сечение поворачивается против часовой стрелки, и наоборот.

Угол поворота сечения равен углу наклона упругой линии. Таким образом, функция изменения угла поворота по длине балки равна первой производной от функции прогибов $\varphi (x) = y"(x)$.

Таким образом, при изгибе рассматриваем два вида перемещений - прогиб и угол поворота сечения.

Цель определения перемещений

Перемещение в стержневых системах (в частности в балках) определяются для обеспечения условий жесткости (прогибы ограничиваются строительными нормами).

Кроме этого, определение перемещений необходимо для расчета прочности статически невыдающихся систем.

Дифференциальное уравнение упругой линии (изогнутой оси) балки

На данном этапе необходимо установить зависимость перемещений в балке от внешних нагрузок, способа закрепления, размеров балки и материала. Для полного решения задачи необходимо получить функцию прогибов $y(x)$ по всей длине балки. Вполне очевидно, что перемещения в балке зависят от деформаций каждого сечения. Ранее нами была получена зависимость кривизны сечения балки от изгибающего момента, действующего в этом сечении.

$\frac{1}{\rho } = \frac{M}{{EI}}$.

Кривизна линии определяется ее уравнением $y(x)$ так

$\frac{1}{\rho } = \frac{{y}}{{{{\left({1 + {{\left({y"} \right)}^2}} \right)}^{3/2}}}}$ ,

где $y"$ и $y$ - соответственно, первая и вторая производная от функции прогибов с координатой x .

С практической точки зрения эту запись можно упростить. На самом деле $y" = \varphi $ - угол поворота сечения в реальных конструкциях не может быть большим, как правило не больше 1град = 0,017рад . Тогда $1 + {\left({y"} \right)^2} = 1 + {0.017^2} = 1.000289 \approx 1$, то есть можно считать, что $\frac{1}{\rho } = y" = \frac{{{d^2}y}}{{d{x^2}}}$. Таким образом, мы получили уравнение упругой линии балки (дифференциальное уравнение изогнутой оси балки). Это уравнение впервые получено Эйлером.

$\frac{{{d^2}y}}{{d{x^2}}} = \frac{{M(x)}}{{EI}}.$

Получена дифференциальная зависимость показывает взаимосвязи между перемещениями и внутренними усилиями в балках. Учитывая дифференциальную зависимость между поперечной силой, изгибающим моментом и поперечной нагрузкой, покажем содержание производных от функции прогибов.

$y(x)$ - функция прогибов;

$y"(x) = \varphi (x)$ - функция углов поворота;

$EI \cdot y"(x) = M(x)$ - функция изменения изгибающего момента;

$EI \cdot y""(x) = M"(x) = Q(x)$ - функция изменения поперечной силы;

$EI \cdot {y^{IV}}(x) = M"(x) = q(x)$ - функция изменения поперечной нагрузки.

Лекция 13 (продолжение). Примеры решения на вычисление перемещений методом Мора-Верещагина и задачи для самостоятельного решения

Определение перемещений в балках

Пример 1.

Определить перемещение точки К балки (см. рис.) при помощи интеграла Мора.

Решение.

1) Составляем уравнение изгибающего момента от внешней силы M F .

2) Прикладываем в точке К единичную силу F = 1.

3) Записываем уравнение изгибающего момента от единичной силы .

4) Определяем перемещения

Пример 2.

Определить перемещение точки К балки по способу Верещагина.

Решение.

1) Строим грузовую эпюру.

2) Прикладываем в точке К единичную силу.

3) Строим единичную эпюру.

4) Определяем прогиб

Пример 3.

Определить углы поворота на опорах А и В

Решение.

Строим эпюры от заданной нагрузки и от единичных моментов, приложенных в сечениях А и В (см. рис.). Искомые перемещения определяем с помощью интегралов Мора

, которые вычисляем по правилу Верещагина.

Находим параметры эпюр

C 1 = 2/3, C 2 = 1/3,

а затем и углы поворота на опорах А и В

Пример 4.

Определить угол поворота сечения С для заданной балки (см. рис.).

Решение.

Определяем опорные реакции R A =R B ,

, , R A = R B = qa .

Строим эпюры изгибающего момента от заданной нагрузки и от единичного момента, приложенного в сечении С , где ищется угол поворота. Интеграл Мора вычисляем по правилу Верещагина. Находим параметры эпюр

C 2 = -C 1 = -1/4,

а по ним и искомое перемещение

Пример 5.

Определить прогиб в сечении С для заданной балки (см. рис.).

Решение.

Эпюра M F (рис. б)

Опорные реакции:

ВЕ : , ,

, R B + R E = F , R E = 0;

АВ : , R А = R В = F ; , .

Вычисляем моменты в характерных точках , M B = 0, M C = Fa и строим эпюру изгибающего момента от заданной нагрузки.

Эпюра (рис. в).

В сечении С , где ищется прогиб, прикладываем единичную силу и строим от нее эпюру изгибающего момента, вычисляя сначала опорные реакции ВЕ - , , = 2/3; , , = 1/3, а затем моменты в характерных точках , , .

2. Определение искомого прогиба. Воспользуемся правилом Верещагина и вычислим предварительно параметры эпюр и :

Прогиб сечения С

Пример 6.

Определить прогиб в сечении С для заданной балки (см. рис.).

Решение.

С. Пользуясь правилом Верещагина, вычисляем параметры эпюр ,

и находим искомый прогиб

Пример 7.

Определить прогиб в сечении С для заданной балки (см. рис.).

Решение.

1. Построение эпюр изгибающих моментов.

Опорные реакции:

, , R A = 2qa ,

, R A + R D = 3qa , R D = qa .

Строим эпюры изгибающих моментов от заданной нагрузки и от единичной силы, приложенной в точке С .

2. Определение перемещений. Для вычисления интеграла Мора воспользуемся формулой Симпсона, последовательно применяя ее к каждому из трех участков, на которые разбивается балка.

Участок АВ :

Участок ВС :

Участок С D :

Искомое перемещение

Пример 8.

Определить прогиб сечения А и угол поворота сечения Е для заданной балки (рис. а ).

Решение.

1. Построение эпюр изгибающих моментов.

Эпюра М F (рис. в ). Определив опорные реакции

, , R B = 19qa /8,

, R D = 13qa /8, строим эпюры поперечной силы Q и изгибающего момента М F от заданной нагрузки.

Эпюра (рис. д). В сечении А , где ищется прогиб, прикладываем единичную силу и строим от нее эпюру изгибающего момента.

Эпюра (рис. е). Эта эпюра строится от единичного момента, приложенного в сечении Е , где ищется угол поворота.

2. Определение перемещений. Прогиб сечения А находим, пользуясь правилом Верещагина. Эпюру М F на участках ВС и CD разбиваем на простые части (рис. г). Необходимые вычисления представляем в виде таблицы.


	-qa 3 /6	2qa 3 /3	-qa 3 /2			-qa 3 /2
C i
		-qa 4 /2	5qa 4 /12	-qa 4 /6	-qa 4 /12		-qa 4 /24

Получаем .

Знак “минус” в результате означает, что точка А перемещается не вниз, как была направлена единичная сила, а вверх.

Угол поворота сечения Е находим двумя способами: по правилу Верещагина и по формуле Симпсона.

По правилу Верещагина, перемножая эпюры M F и , по аналогии с предыдущим получим

Для нахождения угла поворота по формуле Симпсона вычислим предварительно изгибающие моменты посредине участков:

Искомое перемещение, увеличенное в EI x раз,

Пример 9.

Определить, при каком значении коэффициента k прогиб сечения С будет равен нулю. При найденном значении k построить эпюру изгибающего момента и изобразить примерный вид упругой линии балки (см. рис.).

Решение.

Строим эпюры изгибающих моментов от заданной нагрузки и от единичной силы, приложенной в сечении С , где ищется прогиб.

По условию задачи V C = 0. С другой стороны, . Интеграл на участке АВ вычисляем по формуле Симпсона, а на участке ВС – по правилу Верещагина.

Находим предварительно

Перемещение сечения С ,

Отсюда , .

При найденном значении k определяем значение опорной реакции в точке А : , , , исходя из которого находим положение точки экстремума на эпюре М согласно условию .

По значениям момента в характерных точках

строим эпюру изгибающего момента (рис. г).

Пример 10.

В консольной балки, изображенной на рисунке.

Решение.

М от действия внешней сосредоточенной силы F : М В = 0, М А = –F 2l (эпюра линейная).

По условию задачи требуется определить вертикальное перемещение у В точки В консольной балки, поэтому строим единичную эпюру от действия вертикальной единичной силы F i = 1, приложенной в точке В .

Учитывая, что консольная балка состоит из двух участков с разной жесткостью на изгиб, эпюры и М перемножаем с помощью правила Верещагина по участкам отдельно. Эпюры М ипервого участка перемножаем по формуле , а эпюры второго участка – как площадь эпюры М второго участка Fl 2 / 2 на ординату 2l /3 эпюры второго участка под центром тяжести треугольной эпюры М этого же участка.

В этом случае формула дает:

Пример 11.

Определить вертикальное перемещение точки В однопролетной балки, изображенной на рисунке. Балка имеет постоянную по всей длине жесткость на изгиб EI .

Решение.

Строим эпюру изгибающих моментов М от действия внешней распределенной нагрузки: М А = 0; M D = 0;

Прикладываем в точке В единичную вертикальную силу F i = 1 и строим эпюру (см. рис.):

откуда R a = 2/3;

Откуда R d = 1/3, поэтому M a = 0; M d = 0; .

Разделим рассматриваемую балку на 3 участка. Перемножение эпюр 1-го и 3-го участков не вызывает трудностей, так как перемножаем треугольные эпюры. Для того чтобы применить правило Верещагина ко 2-му участку, разобьем эпюру М 2-го участка на две составляющие эпюры: прямоугольную и параболическую с площадью (см. таблицу).

Центр тяжести параболической части эпюры М лежит посередине 2-го участка.

Таким образом, формула при использовании правила Верещагина дает:

Пример 12.

Определить максимальный прогиб в двухопорной балке, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой интенсивности q (см. рис.).

Решение.

Находим изгибающие моменты:

От заданной нагрузки

От единичной силы, приложенной в точке С , где ищется прогиб .

Вычисляем искомый наибольший прогиб, который возникает в среднем сечении балки

Пример 13.

Определить прогиб в точке В балки, показанной на рисунке.

Решение.

Строим эпюры изгибающих моментов от заданной нагрузки и единичной силы, приложенной в точке В. Чтобы перемножить эти эпюры, надо балку разбить на три участка, так как единичная эпюра ограничена тремя различными прямыми.

Операция перемножения эпюр на втором и третьем участках осуществляется просто. Затруднения возникают при вычислении площади и координат центра тяжести основной эпюры на первом участке. В таких случаях намного упрощает решение задачи построение расслоенных эпюр. При этом удобно одно из сечений принять условно за неподвижное и строить эпюры от каждой из нагрузок, приближаясь справа и слева к этому сечению. Целесообразно за неподвижное принимать сечение в месте перелома на эпюре единичных нагрузок.

Расслоенная эпюра, в которой за неподвижное принято сечение В , представлена на рисунке. Вычислив площади составных частей расслоенной эпюры и соответствующие им ординаты единичной эпюры, получаем

Пример 14.

Определить перемещения в точках 1 и 2 балки (рис. а).

Решение.

Приведем эпюры М и Q для балки при а =2 м; q =10 кН/м; С =1,5а ; М =0,5qa 2 ; Р =0,8qa ; М 0 =М ; =200 МПа (рис. б и в ).

Определим вертикальное перемещение центра сечения, где приложен сосредоточенный момент. Для этого рассмотрим балку в состоянии под действием только сосредоточенной силы приложенной в точке 1 перпендикулярно оси балки (по направлению искомого перемещения ) (рис. г).

Вычислим опорные реакции, составив три уравнения равновесия

Проверка

Реакции найдены верно.

Для построения эпюры рассмотрим три участка (рис. г).

1 участок

2 участок

3 участок

По этим данным строим эпюру (рис. д) со стороны растянутых волокон.

Определим по формуле Мора с помощью правила Верещагина. При этом криволинейную эпюру , на участке между опорами, можно представить в виде сложения трех эпюр. Стрелка

Знак «минус» означает, что точка 1 перемещается вверх (в направлении противоположном ).

Определим вертикальное перемещение точки 2, где приложена сосредоточенная сила. Для этого рассмотрим балку в состоянии под действием только сосредоточенной силы приложенной в точке 2 перпендикулярно оси балки (по направлению искомого перемещения ) (рис. е).

Эпюра строится аналогично предыдущей.

Точка 2 перемещается вверх.

Определим угол поворота сечения, где приложен сосредоточенный момент.

Определение перемещений в балках аналитическим способом

Пример 1

Условие задачи

Для балки, показанной на рис. 4.20, а , требуется найти прогиб в сечении С , угол поворота в сечении В аналитическим способом и проверить условие жесткости, если допускаемый прогиб равен l /100. Балка выполнена из дерева и имеет поперечное сечение из трех бревен радиусом 12 см. (Подбор сечения этой балки см. в разд. 4.1.2, пример 1.)

Решение

Для определения перемещений балки аналитическим способом составим дифференциальное уравнение изогнутой оси (4.16), используя правила Клебша записи выражения для изгибающего момента. Начало координат в рассматриваемой задаче рациональнее выбрать справа (в заделке). Распределенную нагрузку , которая не доходит до левого конца балки, продлим до сечения С (рис. 4.20, в ). Выражение для изгибающего момента будет иметь такой вид:

Подставим это выражение в дифференциальное уравнение (4.16) и проинтегрируем его два раза:

;

Для определения постоянных С и D запишем граничные условия: в заделке (в сечении А , где находится начало координат) угол поворота и прогиб балки равны нулю, то есть

И .

Подставляя эти условия в выражения для угла поворота и прогиба на первом участке, найдем, что

Теперь можно определить заданные перемещения. Для определения угла поворота в сечении В подставим в выражение для угла поворота на первом участке (только до черты с номером I) значение :

В соответствии с правилом знаков отрицательный знак угла поворота для выбранного начала координат х справа означает, что поворот сечения происходит по часовой стрелке.

В сечении С , где требуется найти прогиб, координата х равна , и это сечение находится на третьем участке балки, поэтому подставляем х = 4 м в выражение для прогибов, используя слагаемые на всех трех участках:

кН·м 3 .

Знак минус у найденного прогиба показывает, что сечение С перемещается вверх. Покажем найденные перемещения на изогнутой оси балки. Чтобы нарисовать ось балки после деформации, построим эпюру изгибающих моментов (рис. 4.20, б ). Положительный знак эпюры М на участке показывает, что балка на этом участке изгибается выпуклостью вниз, при отрицательном знаке М изогнутая ось имеет выпуклость вверх. Кроме того, деформированная ось балки должна удовлетворять условиям закрепления: в нашем случае на правом конце балка имеет жесткое защемление, и, как уже отмечалось при записи граничных условий, прогиб и угол поворота в защемлении должны равняться нулю. На рис. 4.20, г изображена ось рассматриваемой балки после деформации, удовлетворяющая этим условиям. На изогнутой оси показаны найденные прогиб в сечении С и угол поворота сечения В с учетом их знаков.

В заключение сосчитаем прогиб балки в сантиметрах, угол поворота в радианах и проверим условие жесткости. Найдем жесткость ЕI рассматриваемой деревянной балки из трех бревен радиусом 12 см. Момент инерции поперечного сечения

см 4 .

Модуль упругости дерева Е = 10 4 МПа = 10 3 кН / см 2 . Тогда

Прогиб балки в сечении С

см,

а угол поворота сечения В

рад.

Очевидно (см. рис. 4.20, г ), что найденный прогиб балки в сечении С является максимальным, поэтому для проверки условия жесткости сравним его с допускаемым прогибом. Для балки длиной м допускаемый прогиб согласно условию см. Таким образом, максимальный прогиб см меньше допускаемого, и условие жесткости выполняется.

Пример 2

Условие задачи

В балке с двумя консолями, показанной на рис. 4.21, а надо найти угол поворота сечения А и прогиб сечения D , используя аналитический способ. Сечение балки – двутавр № 24.

Решение

Выберем начало отсчета координаты х на левом конце балки в точке А и запишем выражение для изгибающего момента на всех участках с учетом правил Клебша:

Подставим это выражение в дифференциальное уравнение изогнутой оси (4.16) и проинтегрируем его дважды:

Найдем произвольные постоянные С и D из граничных условий. В точках В и С , где находятся опоры, прогибы не возможны. Поэтому

Получили систему из двух уравнений с двумя неизвестными С и D . Решая эту систему, найдем С = 40 кН·м 2 , D = – 40 кН·м 3 . Проанализируем результат, используя геометрический смысл произвольных постоянных С и D . На рис. 4.21, в показана изогнутая ось балки, соответствующая эпюре изгибающих моментов и условиям закрепления. Точка А , находящаяся в начале координат, перемещается вверх, и поэтому следует ожидать, что будет иметь в соответствии с правилом знаков отрицательный знак. Сечение в точке А поворачивается по часовой стрелке, поэтому постоянная должна быть положительна. Полученные знаки С и D не противоречат проведенному анализу.

ТЕМА 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПРИ ИЗГИБЕ. РАСЧЕТ БАЛОК НА ЖЕСТКОСТЬ

6.1. Понятие об упругой линии. Прогиб и угол поворота. Дифференциальное уравнение упругой линии. Условие жесткости при изгибе

Чтобы судить о работе изгибаемых балок, недостаточно знать только напряжения, которые возникают в сечениях балки от заданной нагрузки. Вычисленные напряжения позволяют проверить прочность системы. Однако весьма прочные балки могут оказаться непригодными к эксплуатации из-за недостаточной жесткости. Если балка при нагружении сильно прогибается, то при эксплуатации сооружения, имеющего гибкие балки, появятся затруднения и, кроме того, могут возникнуть колебания балки с большими амплитудами, а вместе с тем и значительные дополнительные напряжения.

Под жесткостью следует понимать способность элеменов конструкций и деталей машин сопротивляться внешним нагрузкам без видимых деформаций. Расчет на жесткость заключается в оценке упругой податливости балки под действием приложенных нагрузок и подбор таких размеров поперечного сечения, при которых перемещения не будут превышать установленных нормами пределов. Для выполнения такого расчета необходимо научиться вычислять перемещения сечений балки под действием любой внешней нагрузки.

Рассмотрим деформацию балки при простом изгибе. Ось балки (Рис.6.1,а) под действием нагрузки, расположенной в одной из главных плоскостей инерции (в плоскости DIV_ADBLOCK65">

Точка https://pandia.ru/text/79/355/images/image003_20.gif" width="13" height="15">.gif" width="24" height="19 src=">.gif" width="13" height="15">. Если в точке провести касательную к оси изогнутой балки, то по отношению к первоначальному положению оси она будет повернута на угол . Одновременно на тот же угол повернется сечение в точке . Таким образом, три величины - , и являются компонентами перемещения произвольного поперечного сечения балки. Перемещение центра тяжести сечения по направлению, перпендикулярному к оси балки, называется прогибом . Наибольший прогиб называется стрелой прогиба и обозначается буквой .

Угол https://pandia.ru/text/79/355/images/image010_4.gif" width="24" height="19 src=">.

Font-weight:normal"> Рис.6.1

Проверка жесткости балок сводится к требованию, в соответствии с которым наибольший прогиб font-weight:normal"> .

Число https://pandia.ru/text/79/355/images/image014_4.gif" width="17" height="15 src="> принимается равной 1000.

Отсюда видно, что прогибы при изгибе, как правило, малы по сравнению с пролетом балки. Это позволяет внести некоторые упрощения. Во-первых, при малых прогибах font-weight:normal">font-weight:normal">Во-вторых, горизонтальными перемещениями можно пренебречь, так как они существенно меньше https://pandia.ru/text/79/355/images/image016_5.gif" width="45" height="15 src=">). В связи с этим при расчетах будем пользоваться условной схемой перемещений, изображенной на рис 6.1,б. Согласно этой схеме каждая точка перемещается перпендикулярно продольной оси бруса.

Для определения полной картины деформаций необходимо получить уравнение упругой линии

Исходя из физической природы изогнутой оси бруса, можем утверждать, что упругая линия должна быть непрерывной и гладкой кривой, следовательно, на протяжении всей оси бруса должны быть непрерывны функция и ее первая производная. Прогибы и углы поворота и являются перемещениями сечений балок при изгибе. Деформация того или иного участка балки определяется его кривизной.

При выводе формулы для нормальных напряжений при изгибе нами была получена связь между кривизной и изгибающим моментом:

font-weight:normal">Из курса высшей математики известно следующее уравнение кривизны плоской кривой:

Font-weight:normal">Подставляя значение кривизны в равенство (6.2) и заменяя координату прогибом , получим точное дифференциальное уравнение упругой линии балки:

Font-weight:normal">Интегрирование этого нелинейного дифференциального уравнения связано с большими трудностями. Учитывая, что на практике приходится иметь дело с малыми прогибами и что тангенсы углов наклона касательной к оси будут малы, квадратом первой производной https://pandia.ru/text/79/355/images/image024_4.gif" width="101 height=48" height="48"> (6.5)

Два знака в уравнении (6.5) поставлены потому, что знак кривизны может не совпадать со знаком изгибающего момента. Знак кривизны зависит от направления осей координат. Знак изгибающего момента был выбран в зависимости от того, где расположены растянутые волокна. Так, например, для случая, когда ось направлена вверх, положительному моменту (Рис.6.2,а) соответствует положительная кривизна, а отрицательному – отрицательная кривизна.

Font-size:14.0pt"> Рис 6.2

Таким образом, в случае, когда ось направлена вверх, знаки кривизны и изгибающего момента совпадают. Поэтому в дифференциальном уравнении берется знак “ + ” . Если ось EN-US" style="font-size: 14.0pt">“ - ” .

6.2. Метод непосредственного интегрирования приближенного (основного) дифференциального уравнения упругой линии

Решая задачу аналитическим методом, углы поворота и прогибы вычисляют последовательным интегрированием приближенного дифференциального уравнения (6.5). Проинтегрировав уравнение (6.5) первый раз, получим выражение для угла поворота :

https://pandia.ru/text/79/355/images/image030_3.gif" width="12" height="23">

где font-family:Symbol">- постоянная интегрирования.

Интегрируя второй раз, получим выражение для прогиба :

font-size:14.0pt">.gif" width="17" height="17 src="> - постоянные интегрирования.

Для вычисления интегралов, входящих в (6.6) и (6.7), необходимо сначала написать аналитические выражения для изгибающего момента и жесткости. Постоянные интегрирования находятся из граничных условий , которые зависят от условий перемещения границ участков балки .

Рассмотрим несколько примеров применения метода непосредственного интегрирования приближенного уравнения упругой линии балки.

Пример 6.1. Определить стрелу прогиба и угол поворота сечения В балки, изображенной на рис.6.3.

Font-size:14.0pt"> Рис.6.3

Решение:

; .

- вправо.

Знак “ + ”

5. Интегрируем уравнение первый раз. Получаем:

EN-US" style="font-size: 14.0pt">. (а)

EN-US" style="font-size: 14.0pt">. (б)

Так как в заделке прогиб и угол поворота равны нулю, то для определения постоянных интегрирования граничные условия имеют вид:

При https://pandia.ru/text/79/355/images/image042_3.gif" width="37" height="19 src=">font-size:14.0pt">Из уравнения (а) видно, что постоянная представляет собой угол поворота в начале координат (сечении А). Задавая в уравнении (а) , находим . Из уравнения (б) следует, что постоянная font-size:14.0pt; font-family:Symbol">- прогиб в начале координат..gif" width="43" height="19 src=">.

Таким образом, получаем следующие выражения для прогиба и угла поворота:

Подставляя в первое уравнение , найдем стрелу прогиба:

Подставляя во второе уравнение , найдем максимальный угол поворота

Знак “ - ” у прогиба свидетельствует о том, что его направление не совпадает с положительным направлением оси . Знак “ - ” в выражении угла поворота показывает, что сечение В повернулось не против, а по часовой стрелке.

Пример 6.2. Определить стрелу прогиба двухопорной балки и углы поворота опорных сечений А и В (рис.6.4).

Font-size:14.0pt"> Рис.6.4

Решение:

1. Из условий равновесия определяем опорные реакции:

2. Выбираем начало координат на левом конце балки, совмещая его с точкой А. Ось направляем вверх, ось - вправо.

3. Составляем уравнение изгибающего момента в сечении :

4. Предполагая, что жесткость балки постоянна, записываем приближенное дифференциальное уравнение упругой линии балки:

Знак “ + ” в уравнении упругой лиинии был принят потому, что ось направлена вверх.

5. Интегрируем уравнение первый раз. Получим:

EN-US" style="font-size: 14.0pt">. (в)

Интегрируя еще раз, получаем уравнение для прогиба в сечении :

EN-US" style="font-size: 14.0pt">. (г)

Постоянные интегрирования найдем из граничных условий:

При https://pandia.ru/text/79/355/images/image049_2.gif" width="35" height="19 src=">font-size:14.0pt">Подставляя в уравнение (г) и приравнивая прогиб нулю, получим ; подставляя в это же уравнение https://pandia.ru/text/79/355/images/image031_4.gif" width="16" height="19">:

Найденные значения постоянных интегрирования подставим в уравнения (в) и (г) и получим уравнения углов поворота и прогибов:

;

Подставляя https://pandia.ru/text/79/355/images/image049_2.gif" width="35" height="19 src="> в первое уравнение, получим углы поворота соответственно сечений А и В:

; .

В силу симметрии нагрузки максимальный прогиб будет посредине балки. Подставляя во второе уравнение font-size:14.0pt"> .

Как и в предыдущем примере, знак “ - ” у прогиба свидетельствует о том, что его направление не совпадает с положительным направлением оси EN-US style="font-size:14.0pt"">“ - ” в выражении угла поворота показывает, что сечение А повернулось не против, а по часовой стрелке, знак “ + ” в выражении угла поворота font-size:14.0pt">Пример 6.3. В сколько раз прогиб в сечении В на конце изображенной на рис.6.5 балки, больше, чем прогиб в сечении С посредине балки ?

EN-US" style="font-size:14.0pt"> Рис.6.5

Решение:

Воспользуемся результатами, полученными в примере 6.1. Запишем окончательное выражение для прогиба:

и подставим в это уравнение координаты точек С и В. Получим:

При https://pandia.ru/text/79/355/images/image070_2.gif" width="264" height="101 src=">;

2013_2014 учебный год II семестр Лекция № 2.6 стр. 12

Деформация балок при изгибе. Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки. Метод начальных параметров. Универсальное уравнение упругой линии.

6. Деформация балок при плоском изгибе

6.1. Основные понятия и определения

Рассмотрим деформацию балки при плоском изгибе. Ось балки под действием нагрузки искривляется в плоскости действия сил (плоскость x 0y ), при этом поперечные сечения поворачиваются и смещаются на некоторую величину. Искривленная ось балки при изгибе называется изогнутой осью или упругой линией .

Деформацию балок при изгибе будем описывать двумя параметрами:

прогиб (y ) – смещение центра тяжести сечения балки по направлению, перпендикулярному

рис. 6.1 к ее оси.

Не путать прогиб y с координатой y точек сечения балки!

Наибольший прогиб балки называется стрелой прогиба (f = y max );

2) угол поворота сечения () – угол, на который сечение поворачивается относительно своего первоначального положения (или угол между касательной к упругой линии и первоначальной осью балки).

В общем случае величина прогиба балки в данной точке является функцией координаты z и может быть записана в виде следующего уравнения:

Тогда угол между касательной к изогнутой оси балки и осью x будет определяться из следующего выражения:

Ввиду малости углов и перемещений, можем считать, что

угол поворота сечения есть первая производная от прогиба балки по абсциссе сечения.

6.2. Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки

Исходя из физической природы явления изгиба, можем утверждать, что изогнутая ось непрерывной балки должна быть непрерывной и гладкой (неимеющей изломов) кривой. При этом деформация того или иного участка балки определяется искривлением его упругой линии, то есть кривизной оси балки.

Ранее нами была получена формула для определения кривизны бруса (1/ρ) при изгибе

С другой стороны, из курса высшей математики известно, что уравнение кривизны плоской кривой выглядит следующим образом:

Приравняв правые части данных выражений, получим дифференциальное уравнение изогнутой оси балки, которое называется точным уравнением изогнутой оси бруса

В координатной системе прогибов z 0 y , когда ось y направлена вверх, знак момента определяет знак второй производной от y по z .

Интегрирование данного уравнения, очевидно, представляет некоторые трудности. Поэтому его, как правило, записывают в упрощенной форме, пренебрегая величиной в скобках по сравнению с единицей.

Тогда дифференциальное уравнение упругой линии балки будем рассматривать в виде:

(6.1)

Решение дифференциального уравнения (6.1) найдем, интегрируя обе его части по переменной z :

(6.2)

(6.3)

Постоянные интегрирования C 1 , D 1 находят из граничных условий – условий закрепления балки, при этом для каждого участка балки будут определяться свои постоянные.

Рассмотрим процедуру решения данных уравнений на конкретном примере.

Дано: