Скачать

Кручение стержней

Глава 1. Кручение стержней имеющих в сечении правильный многоугольник

§1.1 Кручение призматических стержней

§1.2 Кручение стержней прямоугольного сечения

§1.3 Мембранная аналогия

§1.4 Кручение тонкостенных стержней открытого профиля

Глава 2. Кручение стержней имеющих в сечении круг и эллипс

§2.1 Кручение стержней круглого и эллиптического сечений

§2.2 Кручение тонкостенных труб

§2.3 Кручение круглых валов переменного диаметра

Глава 3. Кручение призматических и цилиндрических стержней

§3.1 Чистое кручение стержней постоянного сечения

§3.2 Чистое кручение круглых стержней (валов) переменного сечения

Глава 4. Задачи

Заключение

Литература


ВВЕДЕНИЕ


Данная выпускная квалификационная работа состоит из четырех глав. В первой главе излагается прямой, обратный и полуобратный методы, применяемые при решении задач о кручении стержня прямоугольного сечения. Исследованы приближенные методы решения задач о кручении более сложных сечений.

Вторая глава посвящена изучению кручения стержней в сечении имеющих форму круга или эллипса. Применяют метод перехода к полярным координатам.

В третьей главе исследуется кручение призматических и цилиндрических стержней, исследуются общие построения данной теории и их различия.

В четвертой главе изучают теоретическое применение к решению задач.


Глава 1. КРУЧЕНИЕ СТЕРЖНЕЙ, ИМЕЮЩИХ В СЕЧЕНИИ ПРАВИЛЬНЫЙ МНОГОУГОЛЬНИК


§1.1 Кручение призматических стержней


Прямой метод решения задач теории упругости, заключающийся в интегрировании основных уравнений теории упругости совместно с заданными граничными условиями, не всегда возможен. Для многих задач удобно применять так называемые обратный и полуобратный методы. При пользовании обратным методом выясняют, каким граничным условиям соответствуют некоторые функции, удовлетворяющие дифференциальным уравнениям. Таким путем можно получить ряд полезных результатов. Полуобратный метод, впервые предложенный Сен-Венаном, состоит в том, что делают некоторые допущения в отношении напряжений или перемещений. При этом дифференциальные уравнения настолько упрощаются, что решение их не представляет особых математических трудностей. Принимая те или иные допущения, мы, как правило, ограничиваем общность полученного решения; но обычно их можно формулировать таким образом, чтобы все же получить решение частных задач. Например, в рассматриваемой ниже задаче о кручении призматического стержня мы будем задаваться определенными функциями для перемещений и, v, w, сводя, таким образом, основные уравнения к одному дифференциальному уравнению. Но при таких допущениях мы можем найти решение задачи о кручении стержней только постоянного сечения; решения же для стержней, не являющихся призматическими, получить этим путем нельзя. Полуобратный метод является одним из самых эффективных методов решения задач теории упругости.


Кручение стержней

рис. 1


Предположим, что один конец стержня призматического сечения, длины L, закреплен в плоскости ху, а на другой конец действует пара, вектор-момент который направлен вдоль оси z (рис. 1). Мы полагаем, что закрепленный конец не может вращаться, но что оба конца могут свободно перемещаться друг относительно друга в направлении z. Под действием пары стержень будет закручиваться, причем образующие цилиндра будут превращаться в винтовые линии. Угол поворота любого поперечного сечения зависит от расстояния, на котором находится это сечение от закрепленного конца. При малой деформации можно считать, что угол закручивания Кручение стержней пропорционален расстоянию между сечением и закрепленным концом. Таким образом,


Кручение стержнейz, (1)


Кручение стержней

рис. 2

где Кручение стержней угол закручивания на единицу длины. Будем считать угол закручивания Кручение стержней малым. Рассмотрим сечение стержня, которое находится на расстоянии z от закрепленного конца. Точка Р с координатами x, y, z в результате деформации перемещается в точку Р’(x+u, y+v, z+w). На рисунке 2 показана точка Р’1, являющаяся проекцией Р’ на плоскость xy.

Предположим, что в плоскости xy точка Р перемещается в Р’1 при повороте на угол закручивания Кручение стержней, причем ОРКручение стержнейОР’1= r. Если угол Кручение стержней мал, то cosКручение стержнейКручение стержней1 и sinКручение стержней . Следовательно,Кручение стержней


Кручение стержней


Подставляя значение Кручение стержней (1), получаем


Кручение стержней (2)


таким оказывается закон изменения u и v. В отношении w не будем пока делать никаких допущений, кроме того, что w зависит только от x и y и не зависит от z . Следовательно, можно записать


Кручение стержней (3)


где Кручение стержней- некоторая функция от x и y .Так как w определяет искажение (депланацию) торцевых сечений, то функцию Кручение стержней можно назвать функцией депланацией. Необходимо выяснить, будут ли отвечать принятые выражения для перемещений, вместе с неизвестной еще функцией Кручение стержней, напряженному состоянию, удовлетворяющему заданным граничным условиям. Эти условия в данном случае состоят в том, что на обоих торцах должны действовать, только крутящие моменты и что боковая поверхность стержня свободна от сил.

Пользуясь приведенными выше выражениями для перемещений, находим:


Кручение стержней (4)


Из закона Гука следует:


Кручение стержней (5)


Подставим эти значения в уравнения равновесия, которые будут выполняться, в случае, если функция Кручение стержней удовлетворяет уравнению


Кручение стержней


для всех точек поперечного сечения R стержня, здесь


Кручение стержней


- оператор Лапласа.

Обратимся к граничным условиям. Так как


Кручение стержней


на боковой поверхности стержня, то уравнений примет следующий вид:


Кручение стержней на контуре S,


где S - контурная линия поперечного сечения стержня.

Покажем, далее, что на двух других граничных поверхностях, а именно, на торцах стержня, определяемых плоскостями z=0 и z=L, напряжение (5) сводятся к скручивающей паре, и результирующие силы отсутствуют. Результирующая сила в направлении x равна


Кручение стержнейКручение стержней; (8)


это выражение можно привести к виду


Кручение стержней. (9)


При получении уравнения (9) были использованы соотношения


Кручение стержней


Кручение стержней

рис. 3


здесь принято


Кручение стержней


в соответствии с уравнением (6).

Пусть f является некоторой функцией x и y; тогда можно выписать равенства (рис. 3):


Кручение стержней


где f1 и f2 - значение функции f на правой и левой частях контура. Выполним интегрирование по y для контурной кривой в границах от y=yA до y=yB. Если мы будем вести интегрирование функции f по контуру в направлении против часовой стрелки, то для правой части контура приращение dy - положительно, а для левой - отрицательно. В результате каждая из величин f1dy и (- f2dy) окажется положительной, и, следовательно,


Кручение стержней. (10)


Аналогично,


Кручение стержней (11)


Пользуясь формулами (10) и (11), придадим выражению (9) вид:


Кручение стержней. (12)


Будем считать положительными направления вдоль нормали N во внешнюю сторону и вдоль контура – против часовой стрелки; тогда согласно рис.3,б получим


Кручение стержней (13)


Равенство (12) принимает вид


Кручение стержней


при этом выражение


Кручение стержней


обращается в нуль на контуре S в соответствии с уравнением (7). Мы пришли, таким образом, к равенству


Кручение стержней


Таким же путем можно показать, что составляющая результирующей силы вдоль оси также равна нулю:


Кручение стержней


Следовательно, результирующие силы по торцам цилиндра обращаются в нуль.

Результирующий крутящий момент T по торцам стержня, отвечающий принятому распределению напряжений, равен:


Кручение стержней (14)


Интеграл, фигурирующий в выражении (14), зависит от функции кручения Кручение стержней и, следовательно, от вида поперечного сечения R стержня. Вводя обозначение


Кручение стержней (15)


Получим


Кручение стержней (16)


где J – постоянная кручения. Уравнение (16) показывает, что крутящий момент пропорционален углу закручивания на единицу длины, так что произведение является мерой жесткости стержня, подвергаемого кручению; величина эта называется крутильной жесткостью стержня.


§1.2 Кручение стержней прямоугольного сечения


Пусть поперечное сечение стержня представляет собой прямоугольник с центром в начале координат и со сторонами 2a и 2b, направленными параллельно координатным осям, как показано на рис.7. Пользуемся полученными ранее уравнениями: для всей прямоугольной области


Кручение стержней

рис.7


Кручение стержней (6)


и по контору


Кручение стержней (7)


На контурных линиях AB и CD, где x=Кручение стержнейa, будет l=Кручение стержней1 и m=0 , а на линиях BC и AD имеем l=0 и m=Кручение стержней1 . Условие на контуре (7) можно переписать в следующем виде:


Кручение стержней (31)


Этим условиям можно придать более удобную форму, вводя новую функцию Кручение стержней так, что


Кручение стержней. (32)


Легко показать, что для новой функции Кручение стержней основное уравнение по всей прямоугольной области будет иметь вид:


Кручение стержней; (33)


условия на контуре будут следующими:


Кручение стержней при Кручение стержней (34)

Кручение стержней при Кручение стержней (35)


Примем решение уравнения (33) в виде бесконечного ряда


Кручение стержней (36)


каждый член, которого удовлетворяет дифференциальному уравнению; здесь Xn(x) и Yn(y) – функции соответственно только x и y. Очевидно, если решение для Кручение стержней нельзя выразить в форме ряда (36), то мы не сможем найти решение для функции Xn и Yn , удовлетворяющее граничным условиям.

Подставляя Xn(x), Yn(y) в уравнение (33) и обозначая производные штрихами, находим


Кручение стержней


Или


Кручение стержней


Так как левая часть полученного уравнения является функцией только от x, а правая зависит только от y, то уравнение может быть удовлетворено лишь в том случае, если обе его части равны постоянной величине; обозначим ее через (Кручение стержней) (постоянную берем со знаком минус, так как иначе граничные условия не будут удовлетворяться). Таким образом, мы получаем два обыкновенных дифференциальных уравнения:


Кручение стержней


Эти дифференциальные уравнения легко решить с помощью известных методов интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Решение их будут следующими:


Кручение стержней (37)

Кручение стержней (38)


Рассмотрим теперь условие на контуре (35). Во-первых, можно установить, что выражение


Кручение стержней


должно иметь одно и то же значение при y=b и y=-b. Это условие может быть выполнено, если производные Кручение стержней являются симметричными функциям от y. Во-вторых, при Кручение стержней будем иметь


Кручение стержней


Это условие удовлетворяется, если Xn(x) являются антисимметричными функциями относительно x. Исходя из этих соображений, находим, что c2=c4=0.Условие (34) будет выполнено, если Кручение стержней, или

Кручение стержней


Отсюда находим


Кручение стержней.


Поскольку c1 и c2 – произвольные постоянные, функцию можно записать в следующем виде:


Кручение стержней (39)


Где


Кручение стержней;


постоянные An следует определить таким образом, чтобы удовлетворялось граничное условие (35).

Дифференцируя функцию Кручение стержней по y и подставляя Кручение стержней из уравнения (35) получаем


Кручение стержней; (40)


здесь для упрощения записи введено обозначение:


Кручение стержней.


Коэффициенты An можно определить, пользуясь схемой, применяемой при разложении функции в ряд Фурье. Умножим обе части уравнения (40) на Кручение стержней и проинтегрируем все члены по x. Учитывая соотношения


Кручение стержней


получим


Кручение стержней при Кручение стержней

= a при m=n

и Кручение стержней


Вычислив значения интегралов в этом выражении, найдем


Кручение стержней


или


Кручение стержней


следовательно, решение будет иметь вид:

Кручение стержней (41)


Постоянную кручения J можно определить по формуле (15):


Кручение стержней


Принимая во внимание равенство


Кручение стержней


приходим к формуле для J:


Кручение стержней (42)


В таблице 1.1 даны значения K, соответствующие разным величинам отношения b/a .


Таблица 1.1

b/aKK1K2

1,0

1,2

1,5

2,0

2,5

3,0

4,0

5,0

10,0

Кручение стержней

2,250

2,656

3,136

3,664

3,984

4,208

4,496

4,656

4,992

5,328

1,350

1,518

1,696

1,860

1,936

1,970

1,994

1,998

2,000

2,000

0,600

0,571

0,541

0,508

0,484

0,468

0,443

0,430

0,401

0,375


Ряд (42) можно записать в виде


Кручение стержней


Мы замечаем, что сумма Кручение стержней меньше суммы Кручение стержней так как Кручение стержней при Кручение стержней. Следовательно, первый член ряда дает значение суммы с точностью до 0,5%, и для практических расчетов можно пользоваться приближенной формулой


Кручение стержней (43)


После некоторых выкладок находим следующие формулы для касательных напряжений:


Кручение стержней (44)


Можно показать, что если b>a, то максимальные касательные напряжения имеют место посередине длинных сторон прямоугольника, при Кручение стержней. Подставляя в уравнение (44) значения x=a и y=0, находим


Кручение стержней


и


Кручение стержней (45)


Кручение стержней

рис.8


Бесконечный ряд в правой части уравнения, которой мы обозначим через K1/2, сходится очень быстро при b>a , и вычисление величины Кручение стержней с достаточной точностью для любого отношения b/a не представляет трудностей. Значение K1, соответствующие различным величинам b/a , включены в табл. 1.1. Подставляя выражения

постоянной кручения J из уравнения (42) в уравнение (45), получаем


Кручение стержней (46)


где K2 - второй числовой множитель, значения которого также даны в табл. 1.1.

Горизонтали поверхности, для которых Кручение стержней, могут быть легко определены из уравнения для функции Кручение стержней. Для стержня квадратного сечения, т.е. при a=b , горизонтали на рис.8; здесь сплошные линии соответствуют положительным значениям w, а пунктирные – отрицательным, по правилу знаков.


§1.3 Мембранная аналогия


Из примера, разобранного в предыдущем параграфе, становится очевидным, что задачи о кручении стержня более сложной формы поперечного сечения может оказаться весьма трудным. Для приближенного решения задач о кручения стержней различных сечений, часто встречающихся в технике, весьма эффективной оказались так называемая мембранная аналогия. Она основана на математической аналогии между задачами о кручении и о деформации упругой натянутой мембраны, подверженной равномерному поперечному давлению.


Кручение стержней

рис.9


Пусть тонкая однородная мембрана (рис.9) имеет постоянное натяжение и закреплена по контуру, который ограничивается кривой, лежащей в

плоскости xy. Если мембрана подвергается равномерному поперечному давлению p, то точки её срединной поверхности получат перемещения z, зависящие от x и y. Рассмотрим условие равновесия бесконечного малого элемента ABCD мембраны после деформации. Обозначим через F постоянное натяжение, приходящееся на единицу длины мембраны. Усилие F, действующее по стороне AD, наклонено к оси под углом Кручение стержней. Так как деформации малы, то можно принять Кручение стержней. Прогиб z меняется от точки к точке, поэтому усилие F для стороны BC наклонено под углом


Кручение стержней.


Таким же путем находим, что углы наклона растягивающих усилий, приложенных по сторонам AB и CD, равны соответственно Кручение стержней и Кручение стержней.

Складывая составляющие вдоль оси сил, действующих по четырем сторонам, получаем


Кручение стержней


отсюда


Кручение стержней … для области R. (47)


На контуре прогиб мембраны равен нулю. Поэтому граничное условие имеет вид:


z=0 на контуре S. (48)


Вернемся теперь к задаче о кручении. Основное дифференциальное уравнение будет:


Кручение стержней для области R, (6)


а граничное условие имеет вид:


Кручение стержней на контуре S. (7)


На первый взгляд эти соотношения и уравнения (47) и (48) не являются аналогичными. Однако им можно придать идентичную форму, если ввести новую функцию Кручение стержней с помощью соотношений:


Кручение стержней (49)


Из уравнений (49) имеем


Кручение стержней


Дифференциальное уравнение (6) обращается в тождество, так как


Кручение стержней+ Кручение стержней= Кручение стержнейКручение стержней


Таким образом, если функция Кручение стержней определяется по формулам (49), то уравнения равновесия будут удовлетворяться тождественно.

Выражая касательные напряжения Кручение стержней и Кручение стержней через функцию Кручение стержней, получаем


Кручение стержней (50)


Если функция Кручение стержней найдена, то касательные напряжения можно вычислить путем простого дифференцирования. Следовательно, функция Кручение стержней представляет собой функцию напряжений; определение функции Кручение стержней равнозначно вычислению напряжений. Далее следует использовать уравнение совместимости. Системе напряжений


Кручение стержней


соответствуют компоненты деформации:


Кручение стержней


Подстановка этих величин в уравнения совместимости показывают, что первые три уравнения и последнее из них тождественно удовлетворяются. Четвертое и пятое уравнение приводятся к виду:


Кручение стержней


Интегрируя их, находим


Кручение стержней


Эту постоянную можно определить, если подставить сюда выражения


Кручение стержней


Тогда получим


Кручение стержней


Или


Кручение стержней


Подставляя значение с в уравнение совместимости, получим дифференциальное уравнение


Кручение стержней для области R, (51)


которому должна удовлетворять функция Кручение стержней. Отметим, что уравнение (51) можно получить непосредственно, продифференцировав уравнение (49) и затем, исключив из них функцию Кручение стержней. Но тогда остается нераскрытым то обстоятельство, что уравнение (51) является уравнением совместимости.

Граничное условие (8), выраженное через Кручение стержней, имеет вид:


Кручение стержней на контуре S.


В параграфе §1.1 были уже записаны соотношения


Кручение стержней (13)


Поэтому условие на контуре можно записать в виде


Кручение стержней или Кручение стержней на контуре S. (52)

Заметим, что при вычислении напряжений нам необходимы лишь производные от Кручение стержней и что значение постоянной с2 в уравнении (52) не влияет на решение задачи. Поэтому можно принять с2=0. Окончательно решение задачи о кручении сводится к определению функции Кручение стержней, удовлетворяющей уравнению


Кручение стержней для области R (51)


и условию Кручение стержней на контуре S. (52)

Сравнивая эти уравнения с уравнениями для мембраны, мы видим, что между ними имеется полная аналогия, если отношениеКручение стержнейположить равным 2, и если форма контура мембраны совпадает с формой поперечного сечения стержня. Мембранная аналогия эффективно используется для экспериментального определения функций напряжений. Техника проведения такого эксперимента, а также опытов, связанных с другими аналогиями, подробно описана в специальных пособиях.


Кручение стержней

рис.10


Мембранная аналогия может быть использована не только для численного определения натяжений; она дает также наглядную картину напряженного состояния. На рис.10 изображена такая мембрана и нанесены горизонтали изогнутой поверхности. Рассмотрим некоторую точку В срединной поверхности мембраны. Прогиб вдоль горизонтали остается постоянным, так что


Кручение стержней.


Пользуясь аналогией, можем написать


Кручение стержней.


Из соотношений


Кручение стержней


вытекает, что составляющая касательного напряжения, направленная по нормали к горизонтали, равна нулю. Другими словами, касательное напряжение в точке В закручиваемого стержня направлено по касательной по горизонтали, проходящей через эту точку. Величину результирующего касательного напряжения можно найти из следующей формулы:


Кручение стержней.


Следовательно, величина касательного напряжения в точке В определяется уклоном мембраны по нормали к горизонтали, и потому касательные напряжения достигают максимума в тех местах, где горизонтали особенно сгущаются. Рассмотрение поверхности мембраны показывает, что наибольший уклон имеет место на контуре. Отсюда можно заключить, что максимальные значения касательных напряжений будут также в определенных точках контура сечения стержня.

Обратимся к выводу выражения для постоянной кручения J через функцию Кручение стержней. Из формулы (15) имеем:


Кручение стержней (53)


Здесь использовано то обстоятельство, что по формуле (52) на контуре S будет Кручение стержней. Из мембранной аналогии вытекает, что постоянная кручения J равна удвоенному объему, заключенному между изогнутой мембраной и плоскостью xy. Полагая c2=0, в (52) мы считали, что величина c2 не влияет на решение задачи. Однако значение J, на первый взгляд, зависит от величины c2. Чтобы выяснить это, допустим, что c2Кручение стержней и подставим Кручение стержней вместо Кручение стержней в последнее из выражений (53). Так как в точках контура Кручение стержней, то для них Кручение стержней; следовательно, члены, содержащие контурные значения Кручение стержней, будут равны нулю так же, как это для функции Кручение стержней. Таким образом,


Кручение стержней.


Кручение стержней

рис.11


Пользуясь, рис .11, приходим к соотношениям


Кручение стержней площади BCDD’- площадь BEDD’= -A , (54)


где А - площадь поперечного сечения. Подобным же образом можно показать, чтоКручение стержней. Но в то же время Кручение стержней. Следовательно,


Кручение стержней ,


что совпадает с формулой (53).


§1.4 Кручение тонкостенных стержней открытого профиля


Рассмотрим вначале кручение стержня с поперечным сечением в форме узкого прямоугольника. Из мембранной аналогии заключаем, что влияние коротких сторон прямоугольника распространяется на небольшие участки. Если отношение b/a велико, то в формуле (43) величину Кручение стержней можно приближенно считать равной 1; второй член в скобках становится пренебрежимо мал. Поэтому имеем


Кручение стержней.


Обратимся к формуле (45). При значительном отношении b/a величина


Кручение стержнейКручение стержней


будет большой, сумма же бесконечного ряда получает пренебрежимо малое значение. В результате получаем


Кручение стержней. (55)


Если величина J известна, то угол закручивания можно вычислить по формуле


Кручение стержней. (16)


Обозначим через b1 длину, а через t – толщину прямоугольника (рис.12,а); тогда эти формулы примут вид:


Кручение стержнейt. (56)


В предыдущем параграфе было показано, что напряжение Кручение стержнейравно произведению отношения T/J на максимальный уклон изогнутой мембраны. Из формул (55) и (56) следует, что в случае узкого прямоугольного сечения наибольший уклон изогнутой мембраны равен 2a или t.

Кручение стержней

рис.12


Сопоставим теперь изогнутые мембраны с контурами, изображенными на рис.12,а и б. Очевидно, что если площади поперечного сечения их равны между собой, то равными будут и объемы выпучен в изогнутых мембранах. Если толщина t мала, то кривизна сечения в случае (б) незначительно влияет на максимальный уклон мембраны. Поэтому мы делаем вывод, что формула (56) может быть использована при получении приближенных решений и для тонкостенных профилей иной формы. Для поперечных сечений такого типа, который показан на рис.12,б, надо только вместо b1 в формуле (56) подставить развернутую длину дуги. В случае дуги окружности развернутая длина равна Кручение стержней, где Кручение стержней радиус, а Кручение стержнейугол, стягиваемый дугой, в радианах.

Для таких тонкостенных профилей, как уголки, швеллера и двутавры,

вид изогнутых мембран будет таким, как если бы они были натянуты на несколько отдельных узких прямоугольников. Постоянная кручения J будет равна удвоенному объему, ограниченному изогнутой мембраной и плоскостью xy; максимальный уклон мембраны окажется равным Кручение стержней, причем Кручение стержнейбольшая из величин ti или t2. Следовательно, для уголкового сечения имеем (рис.12, в):


Кручение стержней (57)


а для швеллерного и двутаврового сечения (рис.12, г):


Кручение стержней (58)


Следует заметить, что во входящих углах имеет место значительная концентрация напряжений, зависящая от радиуса закруглений углов профиля. Для малых радиусов закруглений (r=0.1t) Трефц получил следующее уравнение для максимальных напряжений в углах профиля:


Кручение стержней (59)


где r - радиус закругления угла. Уравнение (59) выведено для случая полок равной толщины. Если же полки имеют различную толщину t1 и t2, то в формулу следует подставить большую из них. Концентрация напряжений во входящих углах изучалось экспериментально, причем была использована аналогия с мыльной пленкой. Отношения Кручение стержней, соответствующие различным значениям отношения r/t, приведены в табл.1.2. Экспериментально полученные величины отношения Кручение стержней для малых радиусов закругления ребер профиля значительно меньше вычисленных по формуле (59). Это, вероятно, можно объяснить тем, что при малых радиусах закруглений трудно определить истинные значения Кручение стержней.


Таблица 1.2

Кручение стержней

Кручение стержней

Кручение стержней

Кручение стержней

1

Кручение стержней

2,52,252,001,75

Кручение стержней

ГЛАВА 2.КРУЧЕНИЕ СТЕРЖНЕЙ, ИМЕЮЩИХ В СЕЧЕНИИ ОКРУЖНОСТЬ ИЛИ ЭЛЛИПС


§2.1 Кручение стержней круглого и эллиптического сечений


Было показано, что для решения задачи о кручении надо найти функцию депла