Построение эпюр в ломаных стержнях.
Систему, состоящую из жестко соединенных между собой стержней, оси которых не лежат в одной плоскости, будем называть ломаным стержнем. При этом ограничимся рассмотрением только таких ломаных стержней, отдельные элементы которых стыкуются друг с другом под прямыми углами, а внешние нагрузки приложены перпендикулярно к осям стержней (рис.17,а,б).
Рис.17
В общем случае нагружения в поперечных сечениях ломаных стержней могут возникать все 6 известных внутренних силовых факторов: продольная сила Nz, поперечные силы Qx, Qy, изгибающие моменты Mx, My, крутящий момент Mкр(Mz). Очень часто, особенно в машиностроительных конструкциях, отдельные элементы ломаного стержня имеют незначительную длину, иногда соизмеримую с размерами поперечного сечения, то есть являются "короткими" стержнями. В этом случае не только внутренние моменты Mx, My, Mкр(Mz), но и внутренние силы (Nz, Qx, Qy) существенно влияют на напряженно-деформированное состояние конструкции, поэтому для ломаных стержней будем строить эпюры всех шести внутренних силовых факторов.
Для правильного построения эпюр здесь обязательным является использование скользящей системы координат, о которой уже говорилось при рассмотрении плоско-пространственных систем (см.1.17).
Пример 12. Рассмотрим простейший случай нагружения ломанного стержня - двумя взаимноперпендикулярными сосредоточенными силами, приложенными на свободном конце (рис.18,а).
Выбираем скользящую систему координат (рис.18,б). Ось z всегда направлена вдоль продольной оси того или иного участка ломаного стержня, а при переходе с одного участка на другой координатные оси поворачиваются на 90 градусов, но никогда не вращаются вокруг оси z. Удобнее всего начинать выбор скользящей системы координат с горизонтального участка ломаного стержня, который параллелен плоскости чертежа или лежит в этой плоскости (участок ВС на рис.18,б).
На этом участке (а он аналогичен обычной балке) ось y направляется вертикально (вверх или вниз), ось z - вдоль продольной оси участка, а ось x - перпендикулярно плоскости yoz, после чего система координат передвигается на остальные участки ломаного стержня.
Построение эпюры Nz.
Построение этой и всех последующих эпюр ведем от свободного конца. Правило знаков для Nz остается таким же, как и для других систем, а именно: растяжению соответствует знак "+", сжатию - "-".
Участок АВ имеет нулевую продольную силу, так как F1, F2 перпендикулярны продольной оси этого участка:
Nz,1 = Nz,2 = 0.
Участок ВС растягивается силой F2:
Nz,3 = Nz,4 = F2.
Участок СД сжимается силой F1:
Nz,5 = Nz,6 = - F1.
Построение эпюр Qx и Qy.
Поперечную силу Qxформируют только те силы, которые параллельны оси x на данном участке, а поперечную силу Qy- силы, параллельные оси y. Здесь также сохраняется обычное для Q правило знаков: Qx > 0 (Qy > 0), если внешняя сила, приложенная к отсеченной части, стремится повернуть рассматриваемое сечение по часовой стрелке и Qx < 0 (Qy < 0) - в противоположном случае. С учетом сказанного в характерных сечениях имеем:
Рис.18
Построение эпюр Mx, My.
Ординаты эпюр изгибающих моментов будем, как обычно, откладывать со стороны сжатых волокон, не указывая знаков, причем ориентировать эпюры нужно так, чтобы плоскость эпюры совпадала с плоскостью действия пары того изгибающего момента, для которого она построена. Иначе говоря, эпюра Mx на всех участках ломаного стержня располагается в плоскости yoz, а эпюра My - в плоскости xoz.
Начнем с построения эпюры Mx. Здесь нас будет интересовать изгиб каждого участка в плоскости yoz (см. скользящую систему координат на
рис.18,б) и, соответственно, плечо каждой действующей на отсеченную часть нагрузки нужно измерять в этой плоскости.
На участке АВ плоскость yoz - вертикальная плоскость, параллельная плоскости чертежа. В этой плоскости стержень АВ изгибается только силой F2, так как F1 перпендикулярна плоскости yoz :
Mx,1 = 0;
Mx,2 = F2·a (сжаты правые волокна).
На участке ВС плоскость yoz ориентирована так же, как и на участке АВ, причем, все точки ВС равноудалены от линии действия силы F2, поэтому:
Mx,3 = Mx,4 = F2·a (сжаты верхние волокна).
На участке СД плоскость yoz - вертикальная плоскость, перпендикулярная плоскости чертежа. В этой плоскости стержень СД изгибается только силой F1, так как F2 перпендикулярна yoz; все точки участка СД равноудалены (в рассматриваемой плоскости) от линии действия силы F1, следовательно:
Mx,5 = Mx,6 = F1·a (сжаты нижние волокна).
Рассуждая аналогичным образом, будем строить эпюру My, но теперь нужно рассматривать изгиб каждого участка ломаного стержня в плоскости xoz.
На участке АВ плоскость xoz - вертикальная плоскость, перпендикулярная плоскости чертежа. В этой плоскости стержень АВ изгибается только силой F1, так как F2 перпендикулярна плоскости xoz:
My,1 = 0;
My,2 = F1·a (сжаты дальние от наблюдателя волокна).
На участке ВС плоскость xoz - горизонтальная плоскость. В этой плоскости сила F2 приложена вдоль продольной оси стержня ВС и к изгибу привести не может, поэтому:
My,3 = 0;
My,4 = F1·b (сжаты дальние от наблюдателя волокна).
На участке СД плоскость xoz - это так же горизонтальная плоскость. Здесь к изгибу стержня СД приводят обе силы: плечо силы F1 постоянно и равно b, а плечо силы F2 равно нулю в сечении 5 и равно с в сечении 6:
My,5 = F1·b,
My,6 = F1·b + F2·c (сжаты правые волокна).
Иногда при построении эпюр изгибающих моментов в ломанных стержнях возникают затруднения в определении участия той или иной нагрузки в изгибе стержня или в определении плеча той или иной нагрузки. В этих случаях всегда можно использовать простой, но эффективный прием: спроектировать конструкцию и действующие нагрузки на ту плоскость в которой изгибается стержень, переходя тем самым от пространственной конструкции к ее проекции, что позволяет легко определить плечи каждой из нагрузок и их "вклад" в изгиб рассматриваемого участка. Проследим использование этого приема например, при построении эпюры My на участке СД (рис.18,а,б). На этом участке плоскость xoz, в которой нужно рассматривать изгиб стержня при построении My - горизонтальная плоскость, следовательно, для реализации описываемого приема необходимо спроектировать конструкцию на горизонтальную плоскость, то есть изобразить вид сверху (рис.19).
Рис.19
При этом сила F2 будет видна направленной вдоль стержня ВС, сила F1 - перпендикулярно ВС, а стержень ВА проектируется в точку. Теперь совершенно очевидно, что все точки стержня СД равноудалены от линии действия силы F1, что приводит к постоянному моменту F1·b, а сила F2 имеет нулевое плечо в сечении 5 и плечо, равное с, - в сечении 6:
My,5 = F1·b,
My,6 = F1·b + F2·c.
В обоих сечениях сжаты правые волокна, то есть, получен тот же результат, что и ранее, но в более наглядном виде.