Метод возможных перемещений. Применение принципа возможных перемещений. Общая формула перемещений

Планирование перемещений Удовлетворение многих потребностей и исполнение ожиданий связано непосредственно с содержанием труда, поскольку человеку отнюдь не все равно, чему он посвящает большую часть жизни. Удовлетворение потребностей зачастую сопряжено с занятием

Принцип 4. Медикаменты можно принимать только в том случае, если риск отказа от них превышает риск от возможных побочных эффектов

Принцип 4. Медикаменты можно принимать только в том случае, если риск отказа от них превышает риск от возможных побочных эффектов Другими словами, вам необходимо взвесить соотношение между риском и выгодой. Каждое лекарство может оказаться для вас не только полезным и

Устанавливающий общее условие равновесия механической системы . Согласно этому принципу, для равновесия механической системы с идеальными связями необходимо и достаточно, чтобы сумма виртуальных работ $A\_i$ только активных сил на любом возможном перемещении системы была равна нулю (если система приведена в это положение с нулевыми скоростями).

Количество линейно независимых уравнений равновесия, которые можно составить для механической системы, исходя из принципа возможных перемещений, равно количеству степеней свободы этой механической системы.

Возможными перемещениями несвободной механической системы называются воображаемые бесконечно малые перемещения, допускаемые в данный момент наложенными на систему связями (при этом время, входящее явно в уравнения нестационарных связей, считается зафиксированным). Проекции возможных перемещений на декартовы координатные оси называются вариациями декартовых координат.

Виртуальными перемещениями называются бесконечно малые перемещения, допускаемые связями, при "замороженном времени". Т.е. они отличаются от возможных перемещений, только когда связи реономны (явно зависят от времени).

Если, например, на систему наложено $l$ голономных реономных связей:

$f\_\{\backslash alpha\}(\backslash vec\; r,\; t)\; =\; 0,\; \backslash quad\; \backslash alpha\; =\; \backslash overline\{1,l\}$

То возможные перемещения $\backslash Delta\; \backslash vec\; r$ - это те, которые удовлетворяют

$\backslash sum\_\{i=1\}^\{N\}\; \backslash frac\{\backslash partial\; f\_\{\backslash alpha\}\}\{\backslash partial\; \backslash vec\{r\}\}\; \backslash cdot\; \backslash Delta\; \backslash vec\{r\}\; +\; \backslash frac\{\backslash partial\; f\_\{\backslash alpha\}\}\{\backslash partial\; t\}\; \backslash Delta\; t\; =\; 0,\; \backslash quad\; \backslash alpha\; =\; \backslash overline\{1,l\}$

А виртуальные $\backslash delta\; \backslash vec\; r$:

$\backslash sum\_\{i=1\}^\{N\}\; \backslash frac\{\backslash partial\; f\_\{\backslash alpha\}\}\{\backslash partial\; \backslash vec\{r\}\}\backslash delta\; \backslash vec\{r\}\; =\; 0,\; \backslash quad\; \backslash alpha\; =\; \backslash overline\{1,l\}$

Виртуальные перемещения, вообще говоря, не имеют отношения к процессу движения системы - они вводятся лишь для того, чтобы выявить существующие в системе соотношения сил и получить условия равновесия. Малость же перемещений нужна для того, чтобы можно было считать реакции идеальных связей неизменными.

Напишите отзыв о статье "Принцип возможных перемещений"

Литература

• Бухгольц Н. Н. Основной курс теоретической механики. Ч. 1. 10-е изд. - Спб.: Лань, 2009. - 480 с. - ISBN 978-5-8114-0926-6 .
• Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики: Учебник для вузов. 18-е изд. - М .: Высшая школа, 2010. - 416 с. - ISBN 978-5-06-006193-2 .
• Маркеев А. П. Теоретическая механика: учебник для университетов. - Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотичная динамика", 2001. - 592 с. - ISBN 5-93972-088-9 .

Отрывок, характеризующий Принцип возможных перемещений

В то время как такие разговоры происходили в приемной и в княжниной комнатах, карета с Пьером (за которым было послано) и с Анной Михайловной (которая нашла нужным ехать с ним) въезжала во двор графа Безухого. Когда колеса кареты мягко зазвучали по соломе, настланной под окнами, Анна Михайловна, обратившись к своему спутнику с утешительными словами, убедилась в том, что он спит в углу кареты, и разбудила его. Очнувшись, Пьер за Анною Михайловной вышел из кареты и тут только подумал о том свидании с умирающим отцом, которое его ожидало. Он заметил, что они подъехали не к парадному, а к заднему подъезду. В то время как он сходил с подножки, два человека в мещанской одежде торопливо отбежали от подъезда в тень стены. Приостановившись, Пьер разглядел в тени дома с обеих сторон еще несколько таких же людей. Но ни Анна Михайловна, ни лакей, ни кучер, которые не могли не видеть этих людей, не обратили на них внимания. Стало быть, это так нужно, решил сам с собой Пьер и прошел за Анною Михайловной. Анна Михайловна поспешными шагами шла вверх по слабо освещенной узкой каменной лестнице, подзывая отстававшего за ней Пьера, который, хотя и не понимал, для чего ему надо было вообще итти к графу, и еще меньше, зачем ему надо было итти по задней лестнице, но, судя по уверенности и поспешности Анны Михайловны, решил про себя, что это было необходимо нужно. На половине лестницы чуть не сбили их с ног какие то люди с ведрами, которые, стуча сапогами, сбегали им навстречу. Люди эти прижались к стене, чтобы пропустить Пьера с Анной Михайловной, и не показали ни малейшего удивления при виде их.
– Здесь на половину княжен? – спросила Анна Михайловна одного из них…
– Здесь, – отвечал лакей смелым, громким голосом, как будто теперь всё уже было можно, – дверь налево, матушка.
– Может быть, граф не звал меня, – сказал Пьер в то время, как он вышел на площадку, – я пошел бы к себе.
Анна Михайловна остановилась, чтобы поровняться с Пьером.
– Ah, mon ami! – сказала она с тем же жестом, как утром с сыном, дотрогиваясь до его руки: – croyez, que je souffre autant, que vous, mais soyez homme. [Поверьте, я страдаю не меньше вас, но будьте мужчиной.]
– Право, я пойду? – спросил Пьер, ласково чрез очки глядя на Анну Михайловну.

Как известно из курса теоретической механики, усло­вие равновесия объекта может иметь силовую или энерге­тическую формулировку. Первый вариант представляет со­бой условие равенства нулю главного вектора и главного момента всех сил и реакций, действующих на тело. Вто­рой подход (вариационный), называемый принципом воз­можных перемещений, оказался весьма полезен для реше­ния ряда задач строительной механики.

Для системы абсолютно жесткихтел принцип возможных перемещений формулируется так: если система абсолютно жестких тел находится в равнове­сии, то сумма работ всех внешних сил на любом возможном бесконечно малом перемещении равна нулю. Возмож­ным (или виртуальным) называют перемещение, которое не нарушает кинематические связи и сплошность тел. Для системы на рис. 3.1 возможным является только поворот стержня относительно опоры. При повороте на произволь­ный малый угол силы и совершают работу Согласно принципу возможных переме­щений, если система находит­ся в равновесии, то должно быть . Подставляя сюда геометрические соотношения получим условие равнове­сия в силовой формулировке

Принцип возможных перемещений для упругихтел формулируется следующим образом: если система упру­гих тел находится в равновесии, то сумма работ всех внешних и внутренних сил на любом возможном бесконечно малом перемещении равна нулю. В основе этого прин­ципа лежит понятие о полной энергии упругой деформи­рованной системы П. Если нагружение конструкции про­исходит статически, то эта энергия равна работе, совер­шаемой внешними Uи внутренними Wсилами при переводе системы из деформированного состояния в исходное:

При указанном переводе внешние силы не меняют свое­го значения и совершают отрицательную работу U= -F . Внутренние силы при этом уменьшаются до нуля и совершают положительную работу, так как это силы сцепления частиц материала и направлены в сторону, противополож­ную внешней нагрузки:

где - удельная потенциальная энергия упругой деформации; V - объем тела. Для линейной системы , где . Согласно теореме Лагранжа-Дирихле состоянию устойчивого равновесия соответствует мини­мум полной потенциальной энергии упругой системы, т. е.

Последнее равенство полностью соответствует формули­ровке принципа возможных перемещений. Приращения энергий dUи dWмогут быть вычислены на любых возможных перемещениях (отклонениях) упругой системы от со­стояния равновесия. Для расчета конструкций, удовлетво­ряющих требованиям линейности, бесконечно малое возможное перемещение d можно заменить весьма малым конеч­ным перемещением , в качестве которого может быть выбрано любое деформированное состояние конструкции, созданное произвольно выбранной системой сил. С учетом этого полученное условие равновесия следует записать как

Работа внешних сил

Рассмотрим методику вычисления работы внешних сил на действительном и возможном перемещении. Стержне­вая система загружена силами и (рис. 3.2, а), которые действуют одновременно, и в любой момент времени отношение остается постоянным. Если считать обобщенной силой, то по значению в любой момент времени можно вычислить все остальные нагрузки (в данном случае ). Штриховой линией показано действительное упругое перемещение, возникающее от этих сил. Обозначим это состояние индексом 1. Перемещение точек приложения сил и в направлении этих сил в состоянии 1 обозначим и .

В процессе нагружения линейной системы силами и растут силы и пропорционально им растут перемещения и (рис. 3.2, в). Действительная работа сил и на создаваемых ими перемещениях равна сумме площадей графиков , т. е. . Записав это выражение как , получим произведение обобщенной силы на обобщенное пе­ремещение . В этой форме можно представит

Далее рассмотрим работу внешних сил на возможном перемещении. В качестве возможного перемещения при­мем, например, деформированное состояние системы, воз­никающее в результате приложения в некоторой точке силы (рис. 3.2, б). Это состояние, соответству­ющее дополнительному перемещению точек приложения сил и на расстояние и , обозначим 2. Силы и , не меняя своего значения, совершают виртуальную работу на перемещениях и (Рис. 3.2, в):

Как видно, в обозначении перемещения первый индекс показывает состояние, в котором заданы точки и направле­ния этих перемещений. Второй индекс показывает состоя­ние, в котором действуют силы, вызывающие это переме­щение.

Работа единичной силы F 2 на действительном перемещении

Если же рассматривать состояние 1 в качестве возмож­ного перемещения для силы F 2 ,то ее виртуальная работа на перемещении

Работа внутренних сил

Найдем работу внутренних сил состояния 1, т. е. от сил и , на виртуальных перемещениях состояния 2, т. е. возникших в результате приложения нагрузки F 2 . Для этого выделим элемент стержня длиной dx(рис. 3.2 и 3.3, а). Поскольку рассматриваемая система плоская, то в сечениях элемента действуют только две силы Sи Q z и изгибающий момент Му Эти усилия для вырезанного элемента являются внешними. Внутренние усилия - это усилия сцепления, обеспечивающие прочность материала. Они равны внешним по значению, но направлены в сторону, противоположную деформации, поэтому их работа при нагружении отрицательна (рис. 3.3, б-г, показаны серым цветом). Последовательно вычислим работу, совершаемую каждым силовым фактором.

Работа продольных сил на перемещении , которое создают силы S 2 , возникшие в результате приложения нагрузки F 2 (рис. 3.2, б, 3.3, б),

Удлинение стержня длиной dxнайдем по известной формуле

где A - площадь сечения стержня. Подставив это выра­жение в предыдущую формулу, находим

Аналогичным образом определим работу, которую со­вершает изгибающий момент на угловом перемещении ,создаваемом моментом (рис. 3.3, в):

Угол поворота найдем как

где J- момент инерции сечения стержня относительно оси у. После подстановки получим

Найдем работу поперечной силы на перемещении (рис. 3.3, г). Касательные напряжения и сдвиги от перерезывающей силы Q z распределены по сечению стержня не линейно (в отличие от нормальных напряжений и удлинений в предыдущих случаях нагружения). Поэтому для определения работы сдвига приходится рассматривать работу, совершаемую касательными напряжениями в сло­ях стержня.

Касательные напряжения от силы Q z , которые действу­ют в слое, лежащем на расстоянии zот нейтральной оси (рис. 3.3, д), вычисляются по формуле Журавского

где Су - статический момент части площади сечения, лежащей выше этого слоя, взятый относительно оси у; b- ширина сечения на уровне рассматриваемого слоя. Эти напряже­ния создают сдвиг слоя на угол, который согласно закону Гука определяется как - модуль сдвига. В результате этого торец слоя смещается на

Суммарная работа касательных напряжений первого со­стояния , действующих на торце этого слоя, на пере­мещениях второго состояния вычисляется путем интегрирования произведения поплощади сечения

После подстановки сюда выражений для и получим

Вынесем из под интеграла величины, не зависящие от z, умножим и разделим это выражение наА, получим

Здесь введен безразмерный коэффициент ,

зависящий только от конфигурации и соотношения разме­ров сечений. Для прямоугольника = 1,2, для двутавро­вых и коробчатых сечений (А с - площадь сече­ния стенки или в коробчатом сечении - двух стенок).

Поскольку работа каждого из рассмотренных компонен­тов нагружения (S, Q, М) на перемещениях, вызываемых другими компонентами, равна нулю, то суммарная работа всех внутренних сил для рассмотренного элемента стержня длиной dx

В сечении элемента пространственной стержневой сис­темы действуют шесть внутренних усилий (S, Q, Q z , М х, Му, М 2), поэтому для нее выражение суммарной работы внутренних сил будет иметь вид,

Здесь M x - крутящий момент в стержне; J T - момент инерции стержня при свободном кручении (геометрическая жесткость на кручение). В подынтегральном выражении опущены индексы «и».

В формулах (3.3) и (3.4) S v Q yV Q zl , М х1 , М у1 , М г1 обозначают аналитические выражения эпюр внутренних усилий от действия сил F{и F{,aS 2 , Q y 2 , Q z 2 , М х2 , М у2 , М г2 - описания эпюр внутренних усилий от силы F 2 .

Теоремы об упругих системах

Структура формул (3.3) и (3.4) показывает, что они «сим­метричны» относительно состояний 1 и 2, т. е. работа внут­ренних сил состояния 1 на перемещениях состояния 2 равна работе внутренних сил состояния 2 на перемещениях со­стояния 1 Но согласно (3.2)

Следовательно, если равны работы внутрен­них сил, то равны и работы внешних сил -Это утверждение носит название теоремы о взаимности ра­бот (теорема Бетти, 1872 г.).

Для стержневой системы, загруженной силой F 1 (рис. 3.4, а), возьмем в качестве возможного перемещения деформированное состояние, возникшее при загружении ее силой F 2 (рис. 3.4, б). Для этой системы согласно теоре­ме Бетти 1- Если же положить , то получим

Эта формула выражает теорему Максвелла (1864 г.) о взаимности перемещений: перемещение точки приложе­ния первой единичной силы по ее направлению, вызван­ное действием второй единичной силы, равно перемеще­нию точки приложения второй единичной силы по своему направлению, вызванному действием первой единичной силы. Эту теорему можно применить и к системе на рис. 3.2. Если задать = 1 Н (п. 3.1.2), то получим ра­венство обобщенных перемещений .

Рассмотрим статически неопределимую систему с опо­рами, которым можно задавать требуемое перемещение, принимаемое как возможное (рис. 3.4, в, г). В первом со­стоянии сместим опору 1 на а во втором - зададим поворот заделки на угол - При этом возникнут реакции в первом состоянии и , а во втором - i . Согласно теореме о взаимности работ, запишем Если задать (здесь размерность = м, а величина - безразмерная), то получим

Это равенство численное, так как размерность реакции = Н, a = Н-м. Таким образом, реакция R 12 в неподвижной связи 1, возникающая при перемещении связи 2 на единицу, численно равна реакции , возника­ющей в связи 2 при единичном смещении связи 1. Это утверждение называется теоремой о взаимности реакций.

Теоремы, изложенные в данном разделе, используются для аналитического расчета статически неопределимых си­стем.

Определение перемещений

Общая формула перемещений

Для вычисления перемещений, возникающих в стерж­невой системе под действием заданной нагрузки (состоя­ние 1), следует сформировать вспомогательное состояние системы, в котором действует одно единичное усилие, совершающее работу на искомом перемещении (состояние 2). Это значит, что при определении линейного перемещения необходимо задать единичную силу F 2 = 1 Н, приложен­ную в той же точке и в том же направлении, в котором надо определить перемещение. Если требуется определить угол поворота какого-либо сечения, то в этом сечении прикладывается единичный момент F 2 = 1 Н м. После этого составляется уравнение энергий (3.2), в котором состояние 2 принимается за основное, а деформированное

состояние 1 рассматривается как виртуальное перемещение. Из этого уравнения и вычисляется искомое перемещение.

Найдем горизонтальное перемещение точкиВ для си­стемы на рис. 3.5, а. Для того чтобы в уравнение работ (3.2) попало искомое перемещение Д 21 , возьмем в качестве основного состояния перемещение системы под действием единичной силы F 2 - 1 Н (состояние 2, рис. 3.5, б). Возможным перемещением будем считать действительное де­формированное состояние конструкции (рис. 3.5, а).

Работу внешних сил состояния 2 на перемещениях со­стояния 1 найдем как Согласно (3.2),

следовательно, искомое перемещение

Поскольку (п. 3.1.4), работа внутренних сил состояния 2 на перемещениях состояния 1 вычисляется по формуле (3.3) или (3.4). Подставив в (3.7) выражение (3.3) дляработы внутренних сил плоской стержневой системы, найдем

Для дальнейшего использования этого выражения целесо­образно ввести понятие единичных эпюр внутренних сило­вых факторов, т.е. из которых первые две безразмерные, а размерность . В результате получится

В эти интегралы следует подставить выражения для эпюр распределениясоответствующих внутренних усилий от действующей нагрузки и и от силы F 2 = 1. Полу­ченное выражение называют формулой Мора (1881 г.).

При расчете пространственных стержневых систем для вычисления суммарной работы внутренних сил следует использовать формулу (3.4), тогда получится

Вполне очевидно, что в интегралы подставляются выра­жения для эпюр внутренних усилий S, Q y , Q z , М х, М у, М г и значения геометрических характеристик сечений A, J т, Jу,J, для соответствующего n-го участка. Для сокращения записи в обозначениях этих величин индекс «и» опущен.

3.2.2. Частные случаи определения перемещений

Формула (3.8) используется в общем случае плоской стержневой системы, однако в ряде случаев ее можно существенно упростить. Рассмотрим частные случаи ее реализации.

1. Если деформациями от продольных сил можно пренебречь, что характерно для балочных систем, то формула(3.8) будет записана как

2. Если плоская система состоит только из изгибаемых тонкостенных балок с отношением l/h> 5 для консолей или l/h> 10 для пролетов (I и h- длина балки и высота сече­ния), то, как правило, энергия деформаций изгиба суще­ственно превышает энергию деформаций от продольных и поперечных сил, поэтому их можно не учитывать в расче­те перемещений. Тогда формула (3.8) примет вид

3. Для ферм, стержни которых при узловом нагруже­нии испытывают в основном продольные усилия, можно считать М = 0 и Q= 0. Тогда перемещение узла вычисля­ется по формуле

Интегрирование производится по длине каждого стерж­ня, а суммирование - по всем стержням. Имея в виду, что усилие S u в и-м стержне и площадь сечения не изменяются по его длине, можем упростить данное выражение:

При всей видимой простоте этой формулы аналитиче­ский расчет перемещений в фермах весьма трудоемок, так как требует определения усилий во всех стержнях фермы от действующей нагрузки () и от единичной силы (), приложенной в точке, перемещение которой необходимо найти.

3.2.3. Методика и примеры определения перемещений

Рассмотрим вычисление интеграла Мора методом А. Н. Верещагина (1925 г.). Интеграл Мора имеет вид (3.8), где в качестве D 1 , D 2 могут фигурировать эпюры изгибающих моментов, продольных или поперечных сил. Как минимум одна из эпюр () в подынтегральном выражении линей­ная или кусочно-линейная, так как построена от единичной нагрузки. Поэтому для

Первый изинтегралов численно равен площади подграфиком (на рис. 3.6 заштрихована), а второй - статическому моменту этой площади относительно оси . Статический момент может быть записан как , где - координата положения центра тяжести площади (точка А). С учетом сказанного получим

(3.13)

Правило Верещагина формулируется следующим образом: если на участке хотя бы одна из эпюр линейна, то интеграл Мора вычисляется как произведение площади произволь

При расчете конструкций в среде Mathcadнет необхо­димости пользоваться правилом Верещагина, так как мож­но вычислять интеграл путем численного интегрирования.

Пример 3.1 (рис. 3.7, а). Балка загружена двумя сим­метрично расположенными силами . Найти перемеще­ния точек приложения сил .

1. Построим эпюру изгиба­ющих моментов М 1 от сил F 1 . Опорные реакции Максимальный изгибающий момент под силой

2. Поскольку система симметрична, то прогибы под силами будут одинаковы. В качестве вспомогательного состо­яния возьмем загружение бал­ки двумя единичными силами F 2 = 1 Н, приложенными в тех же точках, что и силы F 1

(рис. 3.7, б). Эпюра изгибающих моментов для данного нагружения аналогична предыдущей, и максимальный изгибающий момент М 2тах =0,5(L-b).

3. Нагружение системы двумя силами второго состоя­ния характеризуется обобщенной силой F 2 и обобщенным перемещением , которые создают работу внешних сил на перемещении состояния 1, равную . Вычислим перемещение по формуле (3.11). Перемножая эпю­ры по участкам по правилу Верещагина, найдем

После подстановки значений получим

Пример 3.2. Найти горизонтальное перемещение подвижной опоры П-образной рамы, загруженной силой F x (рис. 3.8, а).

1. Построим эпюру изгибающих моментов от силы F 1 Опорные реакции . Максималь­ный изгибающий момент под силой F 1

2. В качестве вспомогательного состояния возьмем загружение балки единичной горизонтальной силой F 2 , при­ложенной в точкеВ (рис. 3.8, б). Строим эпюру изгиба­ющих моментов для этого случая нагружения. Опорные реакции А 2у = В 2у = 0, А 2х = 1. Максимальный изгибающий момент .

3. Вычисляем перемещение по формуле (3.11). На вер­тикальных участках произведение равно нулю. На гори­зонтальном участке эпюра М 1 не линейна, а эпюра линейна. Перемножая эпюры методом Верещагина, полу­чим

Произведение отрицательно, так как эпюры лежат по разные стороны. Полученное отрицательное значение перемещения свидетельствует о том, что фактическое его на­правление противоположно направлению единичной силы.

Пример 3.3 (рис. 3.9). Найти угол поворота сечения двухопорной балки под силой и найти положение силы, при котором этот угол будет максимальным.

1. Построим эпюру изгибающих моментов М 1 от силы F 1 .Для этого найдем опорную реакцию А 1 . Из уравнения равновесия для системы в целом найдем .Максимальный изгибающий момент под силой Fj

2. В качестве вспомогательного состояния возьмем загружение балки единичным моментом F 2 = 1 Н-м в том сечении, поворот которого надо определить (рис. 3.9, б). Строим эпюру изгибающих моментов для этого случая нагружения. Опорные реакции А 2 = -В 2 = 1/L,изгибающие моменты

Оба момента отрицательные, так как направлены по часовой стрелке. Эпюры строятся на растянутом волокне.

3. Вычисляем угол поворота по формуле (3.11), выполняя перемножение по двум участкам,

Обозначив , можно получить это выражение в более удобной форме:

График зависимости угла поворота от положения силы F 1 показан на рис. 3.9, в. Продифференцировав это выражение, из условия найдем положение силы, при котором угол наклона балки под ней будет наи­большим по абсолютному значению. Это произойдет при значениях равных 0,21 и 0,79.