теорема о взаимности работ

Формулировка теоремы о взаимности работ (теоремы Бетти), доказанная в 1872 г Э. Бетти: возможная работа сил первого состояния на соответствующих перемещениях, вызванных силами второго состояния, равна возможной работе сил второго состояния на соответствующих перемещениях, вызванных силами первого состояния.

Доказательство теоремы о взаимности работ:

Наметим на балке две точки 1 и 2 (рис. 15.4, а).

Приложим статически в точке 1 силу . Она вызовет в этой точке прогиб , а в точке 2 – .

Для обозначения перемещений мы используем два индекса. Первый индекс означает место перемещения, а второй – причину, вызывающую это перемещение. То есть, почти как на конверте письма, где мы указываем: куда и от кого.

Так, например, означает прогиб балки в точке 2 от нагрузки .

После того, как закончен рост силы . приложим в точке 2 к деформированному состоянию балки статическую силу (15.4, б). Балка получит дополнительные прогибы: в точке 1 и в точке 2.

Составим выражение для работы, которую совершают эти силы на соответствующих им перемещениях: .

Здесь первое и третье слагаемые представляют собой упругие работы сил и . Согласно теореме Клапейрона, они имеют коэффициент . У второго слагаемого этого коэффициента нет, поскольку сила своего значения не изменяет и совершает возможную работу на перемещении , вызванном другой силой .

Изменим теперь порядок нагружения балки. Сначала прикладываем к балке силу , а затем (рис. 15.4, в, г).

Тогда работа .

Очевидно, что . Из этого равенства следует теорема Бетти: .

Заметим, что теорема Бетти о взаимности работ справедлива как для случая внешних, так и для случая внутренних сил.

17. теорема о взаимности перемещений.

Формулировка теоремы о взаимности перемещений: перемещение точки приложения первой единичной силы, вызванное действием второй силы, равно перемещению точки приложения второй единичной силы, вызванному действием первой единичной силы (рис. 15.5). Пусть и . Теорема о взаимности перемещений с учетом принятого обозначения перемещения от единичной силы имеет вид: .Теорема о взаимности перемещений была доказана Максвеллом.

Теорема о взаимности перемещений широко применяется в расчётах линейно деформируемых систем, в частности, в расчётах статически неопределимых систем методом сил, при построении линий влияния перемещений в стержневых сооружениях.

18. формула перемещений. Интеграл Мора.

Интеграл Мора позволяет определять прогибы и углы поворота заданного сечения балки, используя интегральное исчисление. Хотя данный метод предпочтительнее метода начальных параметров, он неудобен из-за необходимости вычисления интеграла. Из интеграла Мора был получен удобное для практического применения правило Верещагина, при котором не нужно вычислять интегралы, а только нужно находить площадь и центр тяжести эпюр.

Получение формулы интеграла Мора.

Рассмотрим балку, изображенную на рис. 15.6, а. Обозначим и , соответственно, изгибающий момент и поперечную силу, возникающие в заданной балке от действующей на нее группы нагрузок P. Пусть требуется определить прогиб балки () в точке K.

Введем в рассмотрение вспомогательную балку (та же балка, но нагруженная только единичной силой либо единичным изгибающим моментом). Нагрузим ее только одной силой (рис. 15.6, б). Единичную силу приложим в точке K, где нужно определить прогиб.

Внутренние усилия, возникающие во вспомогательной балке, обозначим и .

Воспользуемся теперь теоремой о взаимности работ, согласно которой работа внешних сил, приложенных к вспомогательной балке на соответствующих перемещениях заданной балки равна взятой с обратным знаком работе внутренних сил заданной балки на соответствующих перемещениях вспомогательной балки. Тогда .

При определении перемещений в балке, как правило, можно пренебрегать влиянием поперечной силы, (не учитывать второе слагаемое).

Тогда, учитывая, что , окончательно получим формулу интеграла Мора: .

Определение перемещений по формуле интеграла Мора часто называют определением перемещений методом Мора, а саму формулу – интегралом Мора.

Входящие в интеграл Мора изгибающие моменты берутся в произвольном поперечном сечении и поэтому представляют собой аналитические функции от текущей координаты z.

Заметим, что если мы хотим в этой же точке K определить угол поворота поперечного сечения (), то нам необходимо к вспомогательной балке приложить не единичную силу, а единичный момент (рис. 15.6, в).

19.Правило Верещагина. Техника определения перемещений. Пример

ПРАВИЛО ВЕРЕЩАГИНА При вычислении интегралов вместо аналитических выражений моментов используются их эпюры. Т.е. значение можно найти по способу Верещагина, "перемножив" эпюры М_p и М₁."Перемножить" две эпюры - значит площадь нелинейной эпюры изгибающих моментов умножить на ординату другой обязательно линейной эпюры, находящейся под центром тяжести первой, и результат разделить на жесткость (в случаях, когда на данном участке обе эпюры линейны, совершенно безразлично, на какой из них брать площадь, а на какой ординату). где - площадь произвольной фигуры;М_c - ордината прямолинейной эпюры, соответствующей центру тяжести площади (рис. 6.2).

Рис. 6.2 Рис. 6.3

Произведение в пределах рассматриваемого участка положительно, если площадь и соответствующая ордината М_c расположены по одну сторону от оси данного участка, и отрицательно, если они расположены по разные стороны.В тех случаях, когда эпюра является сложной, для определения ее площади или координаты центра тяжести эпюру разбивают на простейшие фигуры (рис. 6.3), для которых легко определить площадь и положение центра тяжести.Таким образом, при определении перемещений с использованием правила Верещагина, соблюдают следующую последовательность:

1. строят эпюры внутренних силовых факторов от заданной нагрузки (такие эпюры принято называть "грузовыми");

2. сняв заданную нагрузку, прикладывают единичную силу (или единичный момент) в сечении, перемещение которого определяется, и строят от нее эпюры внутренних силовых факторов (такие эпюры принято называть "единичными");

3. перемножают эпюры - вычисляют интеграл Мора.

Ниже приведены величины площадей фигур и координат центров тяжести простейших эпюр (табл.1).Таблица 1.