научная статья по теме О ДЕФОРМАЦИИ ПОЛЗУЧЕСТИ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ИЗГИБЕ БАЛОК Механика

Текст научной статьи на тему «О ДЕФОРМАЦИИ ПОЛЗУЧЕСТИ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ИЗГИБЕ БАЛОК»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 4 • 2014

УДК 539.3

© 2014 г. М. Я. БРОВМАН О ДЕФОРМАЦИИ ПОЛЗУЧЕСТИ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ИЗГИБЕ БАЛОК

Методы расчета деформации ползучести при продольном изгибе балок рассмотрены во многих работах (см. например [1]). В результате расчетов определяют изменение прогиба как функцию времени и критическое время, за которое балка подвергаемая сжатию силами, направленными вдоль ее оси, теряет устойчивость.

В данной работе рассмотрена деформация ползучести балок различных сечений и показано, что критическое время можно увеличить за счет некоторых изменений конструкции балок.

Ключевые слова: деформация ползучести, продольный изгиб, критическое время, увеличение долговечности.

1. Основные уравнения. Балки, подвергаемые сжатию силами, направленными вдоль их осей, могут терять устойчивость, причем при ползучести малый прогиб, имевшийся в балке до деформации, монотонно возрастает. В результате расчетов определяют не предельную силу, соответствующую потере устойчивости, а критическое время, за которое прогиб достигает таких значений, при которых дальнейшая эксплуатация балки недопустима. В ряде случаев это время, за которое прогиб стремится к бесконечности. Ниже рассмотрены вопросы, связанные с возможностью увеличить критическое время для балки заданных величин массы, длины и усилия.

Примем как обычно [1—3], что скорость деформации при продольном изгибе имеет вид

é = Ky = V ХХт y (1.1)

где К — кривизна оси балки, K = Кт = дК/дт; т — время, y — расстояние от нейтральной оси, V(x, т) — прогиб балки; x — координата вдоль длины ее оси.

Примем, что при высоких температурах можно не учитывать упругих деформаций и применять формулу [1]:

а = C(é)1/n (1.2)

где C — величина постоянная при заданной температуре [4]; а — напряжение; n — постоянная величина, равная обычно n = 3—9. С приближением к температуре плавления n приближается к единице (для сталей при температуре свыше 1420°C) см. [4].

Изгибающий момент, например, для балки квадратного сечения размерами b ■ b равен

0.5b _ , .

Cnb3 +1/n iA/n

M(x) = 2 Г а bydy = —-C-nb—------ K

J (2 n + 1) 21 +1/n

Таблица 1

п 1 3 5 7 9

РМ) 12 5.9 5.1 4.7 4.6

Р2(п) 20.4 9.2 7.8 7.2 6.9

При К = V,ххт получим [1—3]:

+акУ = о, (1.3)

Л = (1.4)

съг +1 щ ( )

п) = 2п+- 21 +1 /п (1.5)

п

причем ^ 12 при п ^ 1, далее Fl(n) монотонно убывает и ^ 4 при п ^ да.

Краевые условия для балки на двух шарнирных опорах, как обычно, имеют вид: V = 0 при х = 0 и х = I, а Vх = 0 при х = 1/2.

Удобно записывать уравнения (1.3) и для других сечений, но вместо Р1(п) согласно (1.5) надо использовать другие функции. Например, для балки круглого сечения диаметром ё:

А = —(п)

СсТ /п

р2 (п) = 2

1-0.5 п -|-1 (1.6)

1 + 1 / п

| (БШф)1 + 1 /пС082ф^ф

где ф — вспомогательная переменная.

Этот интеграл можно выразить через гамма-функцию (см. [5, с. 765]):

0.5

1

0

(ф)1 •1 /п<*■Ф^Ф = 2^г (1 1+.;./< 2п )). г( 1.5) = =

2 Г( 2.5 + 1 /(2 п))

Таблицы и графики гамма-функции Г приведены в литературе, например в [5]. С учетом изложенного

) = ^ г( 2.5 + 1/ ( 2 п ) ) (1.7)

ТП Г( 1 + 1 / (2п)) ( )

Некоторые значения функций Fl(n), Р2(п) приведены в таблице 1. Случай п = 1 рассмотрен ниже отдельно.

На практике чисто применяют для несущих конструкций, эксплуатируемых при высоких температурах, полые тонкостенные балки, что позволяет уменьшить расход материала. Полезный эффект несколько снижается из-за более высокой стоимости полых профилей.

о

Таблица 2

п 1 3 5 7 9

Fз(n) 2.55 1.39 1.21 1.16 1.13

F4(n) 1.5 0.88 0.79 0.76 0.73

Рассмотрим круглые и квадратные тонкостенные сечения. Такие сечения можно изготовить формовкой из тонких листов на профилегибочных станах со сваркой одним продольным швом (или формуют две П-образные части сечения и сваривают их двумя продольными швами).

Для сечения балки в виде круглого кольца диаметром d и толщиной h d получаем уравнение (1.3) при

А = - Р' - - (п) (1.8)

Сй2 +1 /пн

г0.5л

^з (п) = 21/п

( бш ф)1 +1 /пйф

1

= 21 +1 /п Г ( 1. 5 + 1 /( 2 п ) )

ТЛГ( 1 + 1 / ( 2 п)) '

где Г— как и ранее, гамма-функция.

Для сечения тонкостенной квадратной балки Ь ■ Ь, толщиной h Ь в формуле (1.8) надо вместо d подставить Ь, а функцию F3(n) заменить на F4(n):

(п ) = 2 ^ } 2 п + 1 ) (1.10)

3 п + 1

Некоторые значения функций F3(n), F4(n) приведены в таблице 2. Все функции: F1(n), F2(n), F3(n), F4(n) убывают с увеличением п и при п ^ да, F1 ^ 4; F2 ^ 6; F3 ^ 1,0, F4 ^ 2/3.

Подставив в уравнение (1.3) функцию V(x, т) = у(т)/(х), и разделив оба члена уравнения на АххУ"(т), получим у >т/у" + А"///^ = 0.

Поскольку первый член зависит только от т, а второй только от х, то можно приравнять их некоторой, (пока неизвестной), постоянной С0 и записать

/ V = C0, А"/п//хх = —С0

Из первого уравнения можно определить

у(т) = [ 1 - Со(п - 1 )т]1 /(п-1} (1.11)

При т0С0(" — 1) ^ 1 величины у и У(х, т) бесконечны и т0 — называют критическим временем. Поэтому можно записать

Со(п - 1) = 1/То, у(т) = (1 - Т/То)-1 /(п -

Фукнция/х) определена уравнением

/,XX + То(п - 1 )АпГ = 0 (1.12)

0

Таблица 3

п 0 1 3 5 7 9 да

/(п, 1) 2.0 1.57 1.12 1.05 1.033 1.02 1.0

После первого интегрирования получаем функцию /, х:

/х = л/С - 2 (п - 1) /(п + 1КАУ +1

где С постоянная.

Обозначим максимальный прогиб в начале процесса деформации/0 и примем, что он имеет место при х = 0.5/, где /х = 0. Это определяет постоянную

= 2(п - 1 )ТоАп/"0 +1

(п + 1)

поэтому начальное значение функции у(т) при т = 0 принято равным у(0) = 1. Поскольку

Л = ^ 1 - (0п+1

то учтя, что /(0) = 0, получим решение в виде функции

х I2(п - 1 ) х оА?о+1 = , и=т

п + 1 ¡ , п + 1

0 л/1 - и

Условие/=/0, и = 1 при х = //2 дает уравнение для определения неизвестной величины т0. Обозначив функцию

и

г ёи т/ \

= J(п, и)

! л/ 1 - и"

п + 1

0 ' ' ' '

получим

I 2 (п - 1 )т А/ 0

п гп + 1

= J(n, 1) (1.13)

2Ц п + 1

2х/1 = J(п, и)/J(n, 1) (1.14)

Некоторые значения /(п,1) приведены в таблице 3.

С точностью, достаточной для практических расчетов, можно определять /(п,1) по формуле

J(n, 1) = 1 + 0.57/пл/п (1.15)

(при п = 1 /(п,и) = агс8Ши , /(1.1) = я/2, но для п = 1 данное решение неприемлемо, о чем указано в литературе, например, в [6]).

и

0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.8 1.0

х//

Фиг. 1

На фиг. 1 приведены графики прогибов балки согласно уравнению (1.14). По оси ординат отложены величины безразмерного прогиба и = ///0 для нескольких величин п, указанных индексами у соответствующих кривых (при п = 1 — это синусоида, но этот случай рассмотрен ниже).

С увеличением п кривая и (х/1) все более приближается к линии, состоящей из двух прямых, соединяющих точки: х = 0, и = 0, и х = 0.5/, и = 1 и точки х = 0.5/; и = 1 и х = /, и = 0 (с увеличением п изменение кривизны оси балки все более сосредоточено в ее центре).

В начальный момент времени, т.е. при т = 0 величина прогиба определена формулой (1.14). Возможны и другие функции для описания начального прогиба балки. Кроме того, решение можно использовать только в том случае, если кривизну прирав-

2

нять второй производной Кхх, т.е. при V х 1.

2. Анализ результатов расчета. Формула (1.13) позволяет определить критическое время

= 2(п±1)/(«Л) (2.1)

0 (п - 1) уп0 +112Ап )

Например, для квадратного сечения

Т = 2 ( п + 1) / ( п , 1 )( С п Ь3 п + ' 0 " ( п - 1 ) ^ IУо+1

Для круглого сечения в эту формулу надо подставить вместо Ь — диаметр d, а вместо F1(n) функцию F2(n).

Можно сравнить два сечения балки, оценив какое из них, при равных условиях, предпочтительнее, (чтобы увеличить время т0). Отношение величин критического времени для квадрата и круга обозначим В и эта величина, исходя из (2.2), равна

' = ^ (!)3' +1 <2.3)

¥ 1 (п) а

Сравнивать два сечения следует при равных величинах С, Р, /, /0, п. Массы двух балок (квадратного и круглого сечений) должны быть равными, а поэтому Ь = л/Л /2d и формула (2.3) имеет вид:

в = —

2

л Г ( 2.5 + 1 / ( 2 п )) ■ .4 (1 + 1 / ( 2 п ) ) Г ( 1 + 1 / ( 2 п) ).

(2.4)

Имеем В = 1.18 при п = 3, В = 1.46 при п = 7, т.е. по данным приведенного расчета квадратное сечение несколько лучше круглого (см. фиг. 2). Однако различие относительно невелико: при В = 1.18—1.46 оно может быть незаметным из-за разброса данных (можно показать, что В(п) ^ 0.89 • 1.043п с увеличением п ^ ад).

Критическое время для квадратной тонкостенной трубы толщины Н1 равно

= 2 ( П + 1) /(П , 1 )^ Пь2п + 1 п

(п - 1) % ^ *

(2.5)

Для круглой тонкостенной трубы толщиной Н2 надо заменить в (2.5) Н1 — на Н2, Ь на d и на

Если принять площади сечений равными и Ь = d, то Н1/Н2 = п/4 и отношение величин т0 для квадратной и круглой труб равно

вг = И) "е =

г 4

УЛ( 3 п + 1) Г ( 1 .5 + 1 / ( 2 п ) ) 1_ 2 2 п + 1 Г( 1 + 1 / ( 2 п ) ) J

(2.6)

Имеем В' = 1.84 при п = 3; при п = 5; В' = 2.6 при п = 7; В' = 3.6 (при п ^ ад В' ^ ^ 1.18п). На фиг. 2 приведены графики функций В(п) (сплошная линия) и В(п) (штриховая линия).

Видно, что для тонкостенных труб изменение конструкции с переходом от круглой трубы к квадратной той же массы может увеличить критическое время в 2—5 раз, что позволит увеличить и долговечность конструкции.

Если взять круглую и квадратную трубы равной толщины Н = Н1, но Ь ф d, то из равенства площадей сечения следует Ь/d = п/4 и коэффициент

"п УЛ( 3 п + 1) Г (1 .5 + 1 / ( 2 п ) ) ■ _ 8 ( 2 п + 1) Г( 1 + 1 / ( 2 п) ) _

В =

Эта формула описывает изменение В(п) при равенстве толщин сравниваемых сечений балок.

Видно, что В = 0.76 при п = 3, а с увеличением п В(п) убывает, (В ^ 0.785(0.924)п при п ^ ад). Поэтому такое изменение конструкции приведет к уменьшению критиче-

т

0

ского времени, т.е. долговечности конструкции. Целесообразно заменять, где это возможно, балки в виде круглых тонкостенных труб на квадратные трубы при Ь = d и меньшей толщине.

3. Особый случай линейной зависимости о( б ). Если в формуле (1.3) п = 1, то имеем уравнение:

Гххг + AV = 0 (3.1)

где для квадратного сечения А = 12Р/СЬ4, а для круглого численный множитель равен 20.4 и Ь надо заменить на d. Для квадратной трубы толщиной к и стороной квадрата Ь, А = 1.5Р/(СЬ3к), а для круглой трубы

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком