Цилиндрический и сферический изгиб пластины

Цилиндрическим изгибом называется изгиб пластины по ци­линдрической поверхности (рис. 53). Чтобы получить такой изгиб, закрепление двух параллельных кромок пластины должно обеспечивать неподвижность пластины, а две другие кромки должны быть свобод­ны. Нагрузка должна иметь постоянную интенсивность в направлении, параллель­ном закрепленным кромкам (на рис. 53 парал­лельно оси у), а в перпенди­кулярном направлении может быть произвольной.

Рис. 53

На рис. 53 представлен цилиндрический поперечный изгиб под действием распре­деленной нагрузки. Интенсив­ность нагрузки и реакция вдоль линии, параллельной закреплен­ной кромке (оси у), постоянны, а кромки, параллельные оси х, сво­бодны. На рис. 54 показан цилиндрический чистый изгиб, который происходит под действием моментов М₁ и постоянной интен­сивности, распределенных по кромкам, параллельным оси у.

Рис. 54

Для определения усилий, возникающих при чистом цилинд­рическом изгибе, рассматривается пластина, нагруженная по кромкам моментами М₁ и (рис. 54). Размерность изгибающего момента М₁ приходящегося на единицу длины кром­ки, т. е. погонного изгибающего момента,

Пластину нужно представить себе рассеченной на ряд полос шириной, равной единице, сечениями, параллельными оси х (рис. 55). Каждую из полос можно рассматривать как балку, опертую своими концами и нагруженную по концам моментами М. Отличие таких балок от полос пластины заключается в том, что у первых поперечные деформации их сечений ничем не стеснены, тогда как поперечной деформации полосы пластины (рис. 56) пре­пятствуют соседние полосы, которые тоже стремятся деформиро­ваться в поперечном направлении. Для полос, вырезанных на некотором расстоянии от кромок а,

Рис. 55

можно считать, что относитель­ная линейная деформация e_у равна нулю, т. е. состояние пла­стины - плоское деформированное. При пользовании формулами подразд. 1.10 следует в соответствии с системой координат, принятой для пластин, заменить в них коорди­нату z на у, а координату у - на z.

Рис. 56

Дифференциальное уравнение изогнутой срединной поверхности и выражения для изгибающих мо­ментов могут быть получены из со­ответствующих выражений подрасзд. 4.2, если учесть, что при цилиндриче­ском изгибе прогиб w не зависит от координат у и z. Тогда уравне­ние (4.11) примет вид

. (4.18)

Проинтегрировав выражение (4.18) дважды, получим

. (4.19)

Уравнение (4.13) для погонного изгибающего момента при­мет вид

. (4.20)

Нормальное напряжение, параллельное оси х,

, (4.21)

где – момент инерции полосы прямоугольного сечения шириной, равной единице.

Так как на некотором расстоянии от свободных кромок пла­стина испытывает плоскую деформацию,

.

Напряжение

. (4.22)

Выражение (4.21) для s_x ничем не отличается от выраже­ния для нормальных напряжений, возникающих в поперечном сечении балки при ее чистом изгибе. Отличие цилиндрического изгиба пластины от изгиба балки заключается в том, что в пла­стине, кроме напряжения s_x, возникает еще напряжение s_y. Прогибы w пластины при цилиндрическом изгибе вычисляются путем двукратного по­следовательного интегрирования диф­ференциального уравнения (4.19). Они оказываются меньше, чем для балки-полосы, так как цилиндриче­ская жесткость D, стоящая в зна­менателе правой части уравнения (4.19), больше, чем жесткость балки EJ.

Если пластина подвергается действию равномерно распреде­ленных моментов по окружности (рис. 57), она изгибается по сферической поверхности.

Рис. 57

Главные радиусы кривизны в любом сечении одинаковы:

,

поэтому на основании (4.15)

. (4.23)

Заменив вторые производные в уравнениях (4.13) и (4.14) кривизной, на основании формулы (4.23) получим изгибающий мо­мент при сферическом изгибе

и выражение для кривизны

.

Дифференциальное уравнение (4.11) и выражения для кру­тящего и изгибающих моментов и для поперечных сил получены в предположении, что в срединной поверхности отсутствуют цепные погонные усилия: продольные N_х и N_у и сдвигающие Т_ху и Т_ух. Дифференциальные уравнения изгиба пластины конечной жесткости при наличии цепных усилий и выражения для усилий М, N, Q, Н и Т получены Карманом:

. (4.24)

Эта система может быть сведена к системе двух совокупных дифференци-альных уравнений с помощью введения некоторой непрерывной функции j(х.у}, называемой функцией напряжений. Если выразить продольные и сдвигающие силы N и Т через функ­цию напряжений j

, (4.25)

то можно убедиться, что первые два уравнения системы (4.24) будут тождественно удовлетворены при любом виде функции j.

Подставив выражения (4.25) для цепных усилий N и Т во второе и третье уравнения системы (4.24) и заменив изгибающие и кру­тящие моменты М и Н их выражениями (4.13), (4.14), (4.16) полу­чим следующую систему диффе-ренциальных уравнений Кармана в частных производных:

. (4.26)

Уравнения (4.26) применяют для расчета гибких пластин большого прогиба w > . Если цепные усилия оказывают малое влияние на изгиб, то в системе (4.26) следует пренебречь членами, зависящими от j. Первое уравнение системы (4.26) отпадает, а второе принимает вид

.

Этим уравнением мы и пользуемся для расчета плит и пластин средней толщины.

При расчете мембран, обладающих малой жесткостью на изгиб, в системе уравнений (4.26) следует пренебречь членами, пропорциональными цилиндрической жест­кости. Тогда первое уравнение этой системы остается в силе, а второе уравнение примет вид

.

В частном случае, когда сдвигающая сила Т равна нулю, про­дольные силы N_х = N_у = N и для определения w можно со­ставить следующее дифференци­альное уравнение:

.

Решение дифференциального уравнения (4.11) в конечной форме получено для эллиптиче­ской и круглой пластин, защем­ленных на контуре и нагружен­ных равномерно распределенной нагрузкой. В остальных случаях пользуются приближенными реше­ниями.

Интеграл дифференциального уравнения (4.11), представ­ляющего собой уравнение четвертой степени в частных производ­ных от двух независимых переменных, должен удовлетворять восьми граничным условиям на контуре. На каждой кромке можно составить по два условия, исходя из равенства нулю соответству­ющих двух величин из числа следующих: прогиба w, угла j, из­гибающих моментов М_х или M_у, обобщенных поперечных сил или .

Обобщенные поперечные силы представляют собой попереч­ные силы на свободных кромках пластины, заменяющие одновре­менное действие погонных крутящих моментов и попереч­ных сил

.

Таким образом, общее число условий составляет 2 х 4 = 8. Например, для пластины (рис. 58) следует составить следующие восемь условий:

Рис. 58

- кромка АВ

1) при 0 < х < а у = 0, w = 0;

2) при 0 < х < а у = 0, j = 0;

- кромка AD

3) при 0 < y < b x = 0, w = 0;

4) при 0 < y < b x = 0, М_х = 0;

- кромка DC

5) при 0 < х < а у = b, = 0;

6) при 0 < х < а у = b, М_у= 0;

- кромка ВС

7) при 0 < у < b у = a, = 0;

8) при 0 < х < b у = а, М_х= 0;

Обычно геометрические граничные условия, относящиеся к про­гибам w и углам поворота сечений j, выполняются точно, а стати­ческие граничные условия, относящиеся к изгибающим момен­там М и обобщенным поперечным силам Q⁰, - лишь в интеграль­ной форме. После того как будут найдены погонные изгибающие моменты, поперечные силы и крутящий момент, напряжения можно определить по формулам сопротивления материалов

. (4.27)

Наибольшие нормальные напряжения от изгиба s_х и s_у и ка­сательные напряжения t_ху от кручения возникают в точках верх­ней и нижней граней пластины. Наибольшие касательные напряже­ния t_хz и t_уz от перерезывания возникают в срединной плоскости.