Центральное сжатие и центральное растяжение бруса

Центральным растяжением (или центральным сжатием) называется такой вид деформации, при котором в поперечном сечении бруса возникает только продольная сила (растягивающая или сжимающая), а все остальные внутренние усилия равны нулю. Иногда центральное растяжение (или центральное сжатие) кратко называют растяжением (или сжатием) .

Правило знаков
Растягивающие продольные усилия принято считать положительными, а сжимающие — отрицательными.

Рассмотрим прямолинейный брус (стержень), нагруженный силой F

Определим внутренние усилия в поперечных сечениях стержня методом сечения.

Напряжение — это внутренне усилие N, приходящее на единицу площади A. Формула для нормальных напряжений σ при растяжении
$$sigma = frac{N}{A} $$

Так как поперечная сила при центральном растяжении-сжатии равна нулю, то и касательное напряжение [math]tau=0[/math].

Условие прочности при растяжении-сжатии
$$ max; sigma = {Biggvertfrac{N}{A}Biggvert} leq [sigma] $$

Дифференциальная зависимость внутренних усилий от распределенной нагрузки:

dN =q·dx

Определение внутренних усилий и напряжений

Рассмотрим вариант определения внутренних сил под действием произвольных сосредоточенных и распределенных сил, направленных вдоль стержня.

Продольное усилие N равняется сумме сил (сосредоточенных Fi и распределенных qi), расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения.

Общая формула для определения продольного усилия в произвольном сечении
$$N(x)=sum F _i + sum int q _i(x)cdot dx $$

Примем, что распределенная нагрузка постоянная. Тогда можно записать
$$N(x)=sum F _i + sum t q _i(x)cdot(x-L _{q _{i}н}) – sum t q _i(x)cdot(x-L _{q _{i}k}),$$
где Lqiн и Lqiк – расстояние от начала координат до начала и конца распределенной силы qi

Для эпюр продольных сил характерны определенные закономерности, знание которых позволяет оценить правильность выполненных построений.

• Эпюры N всегда прямолинейные.
• На участке, где нет распределенной нагрузки, эпюра N — прямая, параллельная оси; а на участке под распределенной нагрузкой — наклонная прямая.
• Под точкой приложения внешней сосредоточенной силы на эпюре обязательно должен быть скачок (разрыв первого рода) на величину этой силы.

Правильность построения эпюры обеспечивается также надлежащим выбором так называемых характерных сечений, то есть тех сечений, в которых величина внутренней силы обязательно должна быть определена. К характерным сечениям относятся:

• сечения, расположенные бесконечно близко по обе стороны от точек приложения сосредоточенных сил и моментов;
• сечения, расположенные в начале и в конце каждого участка с распределенной нагрузкой;
• сечения, расположенные бесконечно близко к опорам, а также на свободных концах.

Пример определения продольных усилий

Пусть стержень длиной L=15 нагружен двумя сосредоточенными растягивающими силами F1=7 в точке FL1=14 и F2=2 в точке FL2=6. Стержень загружен сжимающей распределенной силой q=-1.2, приложенной от начала стержня до Lq1=12. Нужно построить эпюру продольных усилий.

Для определения усилий воспользуемся пакетом SciLab ( см. также здесь).

Создадим две маленькие функции и запишем их в файл n_calc.sce

function [N]=Nx_calc(x,q,F)
// определение суммы всех сил справа от сечения x
Fsum=0;
r=size(F,’r’);
for i=1:r
Fsum=Fsum+F(i,2)*(x<F(i,1));
end;
q_sum=0;
r=size(q,’r’);
for i=1:r
q_sum=q_sum+q(i,3)*(x-q(i,1))*(x<q(i,1))-q(i,3)*(x-q(i,2))*(x<q(i,2));
end;
N=Fsum+q_sum;
endfunction
//—-
function [x,y]=N_calc(q,F,L,step)
// формирования таблицы усилий в стержне с шагом step
x=[0:step:L,F(:,1)’] // знак ‘ — транспонирование матрицы
x=gsort(x,’g’,’i’);
y=[];
for i=1:length(x)
y(i)=Nx_calc(x(i),q,F);
end
endfunction

Задаем начальные условия и строим эпюру продольных сил

// подключение нашей функции
exec(‘n_calc.sce’)
// распределенная нагрузка [начало,конец, интенсивность нагрузки]
q=[0, 12, -1.2];
// сосредоточенная нагрузка [точка приложения, значение силы]
F=[14, 4; 6, 2];
// Длина
L=15;
// шаг задаем очень маленьким
step=0.1;
// вычисление
[x,y]=N_calc(q,F,L,step);
// построение эпюры
plot2d(x,y)
plot2d3(x,y)
xgrid(3);

С помощью функции Nx_calc можно определить усилие N в любом сечении x.

Так как Scilab, GNU Octave и MATLAB имеют очень близкие языки, то для решения этой задачи в этих пакетах можно воспользоваться выше приведенным алгоритмом.

2й вариант

Приведем еще один вариант определения продольных усилий при центральном растяжении-сжатии с помощью языка программирования R.

# Центральное растяжение-сжатие
#
# определение суммы всех сил справа от сечения Xi
Nx_calc <- function (Xi,q,aF) {
Nsum <- function(Fx, x) {N<-Fx[2]*(x<=Fx[1]);}
Fsum<-sum(apply(aF,1, Nsum, x=Xi));
q_sum <- function(qx,x) {N<-qx[3]*(x-qx[1])*(x<=qx[1])-qx[3]*(x-qx[2])*(x<=qx[2]); }
qsum<-sum(apply(q,1, q_sum, x=Xi));
N<-Fsum+qsum;
}
 
 
# формирования таблицы усилий в стержне с шагом step
# и отображение эпюры
N_calc <- function (q,F,L,step) {
#превращаем вектор в матрицу
Fi<-matrix(F,ncol=2,byrow=TRUE);
dimnames(Fi)[[2]] <- c(‘x’,’F’);
#проверяем результат
print(Fi);
qi<-matrix(q,ncol=3,byrow=TRUE);
dimnames(qi)[[2]] <- c(‘Ln’,’Lk’,’q’);
print(qi);
 
x<- c(seq(from=0, to=L, by=step),Fi[,1]);
 
x<-sort(x);
y<- sapply(x,Nx_calc, q=qi, aF=Fi);
# рисуем
plot(x,y,type=»h»,ylab=»Усилие», col=»blue»,main=»Эпюра усилий N»);
lines(x,y);
abline(h=0);
# добавим точки, где приложены силы
xf<-Fi[,1];
yf<- sapply(xf,Nx_calc, q=qi, aF=Fi);
points(xf,yf);
text(xf,yf,yf,adj=1,pos=4);
}
 
# формирования таблицы усилий в стержне с шагом step
# и отображение эпюры (Усовершенствованный вариант №2)
N_calc2 <- function (q,F,L) {
#превращаем вектор в матрицу
Fi<-matrix(F,ncol=2,byrow=TRUE);
dimnames(Fi)[[2]] <- c(‘x’,’F’);
#проверяем результат
print(‘Сосредоточенные силы Fi’);print(Fi);
qi<-matrix(q,ncol=3,byrow=TRUE);
dimnames(qi)[[2]] <- c(‘Ln’,’Lk’,’q’);
print(‘Распределенные нагрузки’);print(qi);
 
z<-Fi[,1];
x1<-numeric();
eps=L/1000; # малая величина
for ( i in 1:length(z) ) {
x1<-c(x1,z[i]-eps,z[i],z[i]+eps)
}
x<- c(0,L,qi[,1],qi[,2],x1);
x<-sort(x);
y<- sapply(x,Nx_calc, q=qi, aF=Fi);
# рисуем
plot(x,y,type=»l»,ylab=»Усилие», main=»Эпюра усилий N», sub=’вариант №2′ );
abline(h=0);
polygon(c(x,L,0),c(y,0,0),col=’gray’)
# добавим точки, где приложены силы
xf<-Fi[,1];
yf<- sapply(xf,Nx_calc, q=qi, aF=Fi);
points(xf,yf);
text(xf,yf,yf,adj=1,pos=4);
# Определяем максимальное сжимающее и растягивающее усилие
y_max<-max(y);
y_min<-min(y);
if ( y_max > 0 ) {
x_max= x[which.max(y)];
print(sprintf(«Максимальное растягивающее значение N=%f при x=%f»,y_max,x_max ) );
points(x_max,y_max, col=»red»);
text(x_max,y_max,y_max,col=’blue’,pos=4);
}
if ( y_min < 0 ) {
x_min= x[which.min(y)];
print(sprintf(«Максимальное сжимающее значение N=%f при x=%f»,y_min,x[which.min(y)] ) );
points(x_min,y_min, col=»red»);
text(x_min,y_min,y_min,col=’blue’,adj=1,pos=4);
}
}

Исходный код функций

Ниже приведен сеанс построения эпюры N в R

> source(«N_calc.r», echo=TRUE);
 
> # Центральное растяжение-сжатие
> #
> # определение суммы всех сил справа от сечения Xi
> Nx_calc <- function (Xi,q,aF) {
+ Nsum <- function(Fx, …. [TRUNCATED]
 
> # формирования таблицы усилий в стержне с шагом step
> # и отображение эпюры
> #
> N_calc <- function (q,F,L,step) {
+ #превращаем вектор в матри …. [TRUNCATED]
 
> # формирования таблицы усилий в стержне с шагом step
> # и отображение эпюры (Усовершенствованный вариант №2)
> N_calc2 <- function (q,F,L) {
+ # …. [TRUNCATED]
>
> L=15; # Длина
> step=0.1; # шаг задаем очень маленьким
> # распределенная нагрузка [начало,конец, интенсивность нагрузки]
> q<-c(0, 12, -1.2);
> # сосредоточенная нагрузка. Порядок заполнения [точка приложения, значение силы] …
> F=c(14, 4, 6, 2);
> N_calc2(q,F,L)
[1] «Сосредоточенные силы Fi»
x F
[1,] 14 4
[2,] 6 2
[1] «Распределенные нагрузки»
Ln Lk q
[1,] 0 12 -1.2
[1] «Максимальное растягивающее значение N=4.000000 при x=12.000000»
[1] «Максимальное сжимающее значение N=-8.400000 при x=0.000000»
>

В результате на экране отобразится следующая эпюра:
Здесь сразу определены опасные сечения.
Так же, как и в предыдущем варианте, с помощью функции Nx_calc можно определить усилие N в любом сечении x.

Дополнительно

Пример из пособия МИИТ Эпюра продольных сил при центральном растяжении-сжатии (формат pdf).

—

Связанные статьи

• Найти внутренние усилия и построить их эпюры для стержня
• Закон Гука

метки: scilab,
внутренние усилия,
определение усилий: примеры,
растяжение-сжатие,
язык r