Теорема Кастильяно
Метод определения перемещений, основанный на вычислении потенциальной энергии деформации. Задача нахождения перемещений точек упругой системы по направлению действия приложенных к этой системе внешних сил. Обобщенная расчетная модель к теореме Кастильяно.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.10.2014 |
| Размер файла | 104,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Лекция № 33. Теорема Кастильяно
Установим теперь метод определения перемещений, основанный на вычислении потенциальной энергии деформации. Поставим задачу нахождения перемещений точек упругой системы по направлению действия приложенных к этой системе внешних сил.
Будем решать эту задачу в несколько приемов; сначала рассмотрим более простой случай (Рис.1), когда на балку в сечениях 1, 2, 3,... действуют только сосредоточенные силы , )... и т. д. Под действием этих сил балка прогнется по кривой и останется в равновесии.
Прогибы сечений 1, 2, 3,..., в которых приложены силы , , ,..., обозначим ,, ,... и т. д. Найдем один из этих прогибов, например -- прогиб сечения, в котором приложена сила .
Переведем балку, не нарушая равновесия, из положения в смежное положение , показанное на фиг. 328 пунктиром. Это можно сделать различными приемами: добавить новую нагрузку, увеличить уже приложенные и т. д.
Мы представим себе, что для перехода к смежному деформированному состоянию к силе сделана бесконечно малая добавка (Рис.1); чтобы при этом переходе не нарушать равновесия, будем считать, что эта добавка прикладывается статически, т. е. возрастает от нуля до окончательного значения медленно и постепенно.
Расчетная модель к теореме Кастильяно
При переходе от состояния балки к состоянию все нагрузки Р опустятся, значит, их потенциальная энергия уменьшится. Так как равновесие не нарушалось, то уменьшение, энергии нагрузок целиком преобразовалось в увеличение потенциальной энергии деформаций балки dU. Величина измеряется работой внешних сил при переходе балки из положения в положение II:
Изменение dU потенциальной энергии деформации, являющейся функцией сил , , ,..., произошло за счет очень малого приращения одной из этих независимых переменных , поэтому дифференциал такой сложной функции равен:
Что касается величины , то эта работа в свою очередь является разностью работы нагрузок Р для положений и :
Работа при одновременном и постепенном возрастании сил Р равна:
При вычислении работы учтем, что ее величина всецело определяется окончательной формой деформированной балки и не зависит от порядка, в котором производилась нагрузка.
Предположим, что мы сначала нагрузили нашу балку грузом ; балка очень немного прогнется (Рис.2, положение III), и прогибы ее в точках 1, 2, 3 будут . Работа статически приложенной нагрузки будет равна . После этого начнем постепенно нагружать балку одновременно возрастающими грузами , , .
Рис.2. Расчетная модель к теореме Кастильяно.
К первоначальным прогибам добавятся прогибы (Рис.2). При этой стадии нагружения силы , , произведут работу , кроме этого, произведет работу уже находившийся на балке груз ; он пройдет путь , и так как при втором этапе нагружения он оставался постоянным, то его работа равна Балка займет положение , показанное на Рис.2 пунктиром.
Таким образом, полная работа, проделанная внешними нагрузками при переходе балки из недеформированного состояния в положение, будет равна.
Теперь вычислим
Пренебрегая слагаемым второго порядка малости, получаем:
Подставляя полученные значения dU и в исходное уравнение, находим
Или
Таким образом, в рассмотренном случае прогиб точки приложения сосредоточенной силы , равен частной производной потенциальной энергии деформации по этой силе.
Полученный результат можно обобщить. Пусть на балку помимо сосредоточенных сил Р действуют в разных сечениях еще пары сил М (Рис.3). Мы можем повторить предыдущие рассуждения, считая, что балка переводится из положения в положение путем добавки к паре . Весь ход рассуждений остается без изменений, надо будет лишь при вычислении работы моментов , ... умножать их не на прогибы, а на углы поворота , ,... тех сечений, где эти пары приложены. Тогда dU будет равно станет , и в итоге получим:
теорема кастильяно энергия деформация
Рис.3. Обобщенная расчетная модель к теореме Кастильяно.
Так как -- это перемещение, соответствующее силе , a -- перемещение, соответствующее силе то полученные нами результаты можно формулировать так: производная потенциальной энергии деформации по одной из независимых внешних сил равна перемещению, соответствующему этой силе. Это и есть так называемая теорема Кастильяно, опубликованная в 1875 г.
Заметим, что присутствие на балке сплошной нагрузки не меняет предыдущих выводов, так как всякую сплошную нагрузку можно рассматривать как состоящую из большого числа сосредоточенных сил.
Предыдущий вывод был сделан для балки, но совершенно ясно, что его можно повторить для любой конструкции, деформации которой следуют закону Гука.
Для случая изгиба нами была получена формула, связывающая величину потенциальной энергии U с изгибающими моментами:
Изгибающий момент является линейной функцией нагрузок , …, , ,..., q, приложенных к балке:
в этом легко убедиться, просмотрев формулы для вычисления изгибающих моментов при построении эпюр. Следовательно, потенциальная энергия является функцией второй степени от независимых внешних нагрузок.
Вычислим частную производную от U по одной из внешних сил, например . Получаем:
Здесь мы имеем дело с так называемым дифференцированием определенного интеграла по параметру, так как М(х)-- функция и и х, интегрирование производится по х, а дифференцирование по параметру . Как известно, если пределы интеграла постоянны, то следует просто дифференцировать подинтегральную функцию.
Таким образом, прогиб в точке приложения сосредоточенной силы равен:
а угол поворота сечения с парой
Напомним, что знак предела l условно показывает, что интеграл должен охватить всю балку.
Примеры приложения теоремы Кастильяно
Определим (Рис.4) прогиб свободного конца В балки, защемленной другим концом А. Балка нагружена сосредоточенной силой, приложенной в точке В. В данном случае возможно непосредственное применение теоремы Кастильяно, так как отыскивается прогиб сечения, где приложена сосредоточенная сила Р
Рис.4. Пример расчетной схемы для расчета перемещений.
Начало отсчета абсциссы х сечения можно выбирать произвольно, лишь бы формула для М (х) была возможно проще. Отсчитывая х от точки В, получаем для момента в любом сечении балки
и
Подставляя эти значения в формулу для и интегрируя, чтобы охватить всю длину балки от 0 до l, получаем:
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Теория напряженно-деформированного состояния в точке тела. Связь между напряженным и деформированным состоянием для упругих тел. Основные уравнения и типы задач теории упругости. Принцип возможных перемещений Лагранжа и возможных состояний Кастильяно.
реферат [956,3 K], добавлен 13.11.2011Понятие о возможных перемещениях. Действительные работы внешних и внутренних сил. Потенциальная энергия стержневой системы. Теоремы Клапейрона и Бетти. Применение интеграла и формулы Мора, закона Гука. Определение перемещений методами теории упругости.
презентация [219,6 K], добавлен 24.05.2014Реостатные и индуктивные преобразователи. Анализ методов и средств контроля линейных перемещений. Расчет параметров оптической системы. Описание оптико-механической схемы. Расчет интегральной чувствительности. Расчет потерь излучения в оптической системе.
курсовая работа [662,2 K], добавлен 19.05.2013Классификация связей, возможные перемещения системы. Принцип возможных перемещений и возможная работа. Общие уравнения динамики. Появление сил реакции. Возможное перемещение механической системы. Число степеней свободы и число независимых координат.
презентация [1,9 M], добавлен 26.09.2013Исследование взаимодействия тела постоянной и изменяемой формы (без ограничений перемещений) с потоком воздуха. Структура энергодинамической системы физических величин. Анализ элементов синтеза энергии. Механические воздействия потока на объект.
научная работа [637,3 K], добавлен 11.03.2013Сущность дифференциальных зависимостей при поперечном изгибе, расчет касательного напряжения. Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки. Теорема о взаимности работ и перемещений. Графоаналитический способ определения перемещения при изгибе.
контрольная работа [1,9 M], добавлен 11.10.2013Определяющие соотношения модели нелинейно упругой среды, вычисление компонент тензора напряжений. Определение автомодельного движения. Сведение модельных соотношений к системе дифференциальных уравнений. Краевая задача разгрузки нелинейно упругой среды.
курсовая работа [384,1 K], добавлен 30.01.2013Внешние и внутренние силы механической системы. Дифференциальные уравнения движения системы материальных точек: теорема об изменении количества движения системы; теорема о движении центра масс. Момент инерции, его зависимость от положения оси вращения.
презентация [1,7 M], добавлен 26.09.2013Задачи кинематического исследования. Изображение кинематической схемы механизма в выбранном масштабе. Пример построения плана положений. Скорости и ускорения механизма. Диаграмма перемещений. Графическое дифференцирование. Метод преобразования координат.
презентация [275,9 K], добавлен 24.02.2014Описание удара как физического явления, при котором скорости точек тела изменяются на конкретную величину в малый промежуток времени. Расчет изменения кинетической энергии механической системы во время удара. Коэффициент восстановления и теорема Карно.
презентация [298,3 K], добавлен 09.11.2013Фазовые переходы для автоколебательной системы "Хищник-Жертва" и для волн пластической деформации. Получение уравнений в обезразмеренном виде. Определение координат особых точек, показателей Ляпунова для них. Исследование характера их устойчивости.
курсовая работа [805,6 K], добавлен 17.04.2011Принцип действия и конструктивные особенности пружинной конструкции. Составление и сборка уравнений равновесия элементов и узлов. Проведение замены локальных перемещений глобальными. Исключение и решение уравнений связей. Подстановка данных и проверка.
контрольная работа [759,9 K], добавлен 25.05.2015Плоское напряженное состояние главных площадок стального кубика. Определение величины нормальных и касательных напряжений по граням; расчет сил, создающих относительные линейные деформации, изменение объема; анализ удельной потенциальной энергии.
контрольная работа [475,5 K], добавлен 28.07.2011История рождения энергетики и ее роль для человечества. Характеристика кинетической и потенциальной энергии как части механической системы. Изменения энергии при взаимодействиях тел, образующих замкнутую систему, на которую не действуют внешние силы.
презентация [496,3 K], добавлен 17.08.2011Анализ механической работы силы над точкой, телом или системой. Характеристика кинетической и потенциальной энергии. Изучение явлений превращения одного вида энергии в другой. Исследование закона сохранения и превращения энергии в механических процессах.
презентация [136,8 K], добавлен 25.11.2015Сущность понятий энергосбережения и энергоэффективности. Общие для всех стран рекомендации по энергоэффективности. Иерархическая структурная схема энергии сложной системы. Методы определения форм энергии. Анализ методов определения состояния форм энергии.
реферат [139,1 K], добавлен 17.09.2012Порядок сборки заданной электрической цепи, методика измерения потенциалов всех точек данной цепи. Определение силы тока по закону Ома, его направления в схемах. Построение для каждой схемы потенциальной диаграммы по соответствующим данным расчета.
лабораторная работа [51,9 K], добавлен 12.01.2010Теорема об изменении момента количества движения системы. Плоско-параллельное движение или движение свободного твердого тела. Работа сил тяжести, действующих на систему, приложенных к вращающемуся телу. Вращательное и плоско-параллельное движение.
презентация [1,6 M], добавлен 26.09.2013Решение задачи на нахождение скорости тела в заданный момент времени, на заданном пройденном пути. Теорема об изменении кинетической энергии системы. Определение скорости и ускорения точки по уравнениям ее движения. Определение реакций опор твердого тела.
контрольная работа [162,2 K], добавлен 23.11.2009Ускорение как непосредственный результат действия силы на тело. Теорема о кинетической энергии. Законы сохранения импульса и механической энергии. Особенности замкнутой и консервативной механических систем. Потенциальная энергия взаимодействующих тел.
реферат [132,0 K], добавлен 22.04.2013
