Рассмотрим идею и технику метода перемещений на примере расчета плоских рам. Так же, как в методе сил, будем пренебрегать изменением длин стержней, считая их нерастяжимыми. Рассмотрим простейший пример:
Деформированное состояние рамы определяетcя одним углом поворота Z1. Если угол поворота Z1 определен, то известны прогибы стержней и, следовательно, внутренние силы.
M
Z1
Z1
Z1
единичного угла поворота торца, обозначим k11. В дальнейшем коэффициент k11, значение которого зависит от параметров балки, будем называть жесткостью балки при перемещении по направлению 1.
Используя свойство линейности упругой системы, запишем очевидное уравнение, выражающее равенство общего приложенного момента сумме моментов, действующих на каждую балку:
Здесь верхний индекс коэффициентов k11 указывает номер балки.
Из данного уравнения определяется угол поворота Z1 и далее все силовые факторы, прогибы и напряжения.
Рассмотренный пример особенно прост потому, что нагрузка приложена к узлу рамы.
концевых сечений (в рассматриваемой задаче - углом поворота Z1). Второе состояние - это прогибы от внешней нагрузки, приложенной непосредственно к балке, при отсутствии перемещений концевых сечений. Таким образом, приходим к необходимости решения второй вспомогательной задачи о деформациях балки с жестко защемленными торцами при действии внешней силы.
Для формализации вводится понятие основной системы метода перемещений.
Основная система метода перемещении образуется из заданной путем введения дополнительных связей, устраняющих подвижности узлов.
F2
F1
Z1
Z1
Z1
Теперь рама поделена на три балки одного типа: балки с заделками по торцам, которые не взаимодействуют друг с другом. Балку с жестко защемленными торцами будем называть типовым элементом плоских рам. Различные виды деформации типового элемента могут быть изучены заранее до расчета рассматриваемой рамы.
Предположим, что вспомогательные задачи о деформациях типового элемента решены.
Рассмотрим состояние основной системы под действием внешних сил. Это состояние условно будем называть состоянием F.
Считая, что дополнительные задачи решены и
моменты, возникающие в заделке при нагружении первой и второй балок
k1F(1) и k1F(2) найдены определим общий реактивный момент k1F в заделке
Далее рассмотрим состояние основной системы при повороте плавающей заделки на угол, равный единице. Это состояние назовем 1.
Вычислим реактивный момент в заделке или, что то же самое, момент, приложенный к узлу для
получения единичного угла поворота. Этот момент определяется сложением моментов для отдельных балок:
В линейно-упругих системах внутренние силы и реакции связей пропорциональны перемещениям (закон Гука во внешних факторах и перемещениях), поэтому при угле поворота u1 момент будет равен k11∙Z1.
Полученное уравнение называется каноническим уравнением метода перемещений. Еще раз подчеркнем, что смысл этого уравнения отсутствие реакции дополнительной связи. Иначе говоря, это условие равновесия моментов в узле рамы, выраженное через перемещение.
Из полученного уравнения определяется угол поворота Z1, а далее все внутренние силовые факторы в раме.
F2
F1
Z1
Z1
Z2
Z2
Z2
Для каждого состояния вычислим реакции дополнительных связей.
Реакции сопровождаются двумя индексами. Первый индекс указывает номер дополнительной связи или, что то же самое, номер направления реакции (номер запрещенного узлового перемещения или степени свободы). Второй индекс указывает причину появления реакции.
Канонические уравнения метода перемещений целесообразно записывать в матричной форме:
где [K]=[kij] - квадратная матрица жесткости конструкции, {Z}={Zj} - матрица-столбец (вектор) искомых узловых перемещений, {KF}={kiF} матрица-столбец реакций от внешних сил. Из этой системы определяются перемещения узлов конструкции.
Расчётными узлами являются:
1) места соединения двух и более элементов
или точки перелома оси ломаного стержня:
2) точки изменения жёсткости сечения стержня:
3) опорные узлы с неизвестными компонентами
перемещений:
4) дополнительно – любые точки системы:
EI1
EI2
u
v
q
q
Система, у которой все угловые и линейные перемещения расчётных узлов известны ( заданы либо равны нулю ) или могут быть найдены из условий совместности деформаций ( перемещений ) и кинематических граничных условий, называется кинематически определимой системой.
1
2
u1
u2
v1
v2
q2
1
2
u1
u2 = u1
q2
lj
При
D(1)
D(2)
D(3)
заданы
1
v1 = D(1)
l
q1 = D(1) / l
Все перемещения
узлов известны
( v1 и q1 находятся
из условий совместности перемещений )
Число неизвестных перемещений можно уменьшить, если примем гипотезы:
Поперечные и продольные деформации стержней малы;
Длина хорды, соединяющей концы изогнутого стержня, равна первоначальной длине стержня;
В упругом рамном узле углы между стержнями сохраняются.
степень линейной подвижности
степень угловой подвижности
расчётных
узлов
1
2
3
4
u1
v1
q2
q1
q3
u2
v2
u3
v3
v4
u4
q4
nq = 4
nD = 8
nk = 12
Применение гипотезы дает:
v1 = v2 = v3 = v4 = 0
u1 = u2 ; u3 = u4
nq = 4
nD = 2
nk = 6
– для плоской системы
– для пространственной системы
nж.у. = 4
Для определения nD – шарнирная система
nж.у. = 2
nD = nд.c. ( = Wш.с. , если Ш.С. – без лишних связей )
В nж.у. учитываются неопорные узлы с припайками, а также
узлы ( в т.ч. опорные ) с упругоподатливыми угловым связями.
Шарнирная система получается из заданной системы
путём введения цилиндрических шарниров ( в пространственной системе – шаровых шарниров ) во все жёсткие узлы, включая
опорные защемления, и продольных поступательных шарниров в стержни, для которых требуется учитывать удлинения
( укорочения ) при их растяжении ( сжатии ), а также удалением всех упругих связей ( линейных и угловых ).
( ж.у. – жёсткие узлы )
( д.с. – дополнительные связи )
степень линейной подвижности
степень угловой подвижности
расчётных
узлов
1
2
3
4
u1
v1
q2
q1
q3
u2
v2
u3
v3
v4
u4
q4
nq = 4
nD = 8
nk = 12
Применение гипотезы дает:
v1 = v2 = v3 = v4 = 0
u1 = u2 ; u3 = u4
nq = 4
nD = 2
nk = 6
– для плоской системы
– для пространственной системы
Для определения nD – шарнирная система
При
nD = 2
nд.с. = 2
Шарнирная система получается из заданной системы
путём введения цилиндрических шарниров ( в пространственной системе – шаровых шарниров ) во все жёсткие узлы, включая
опорные защемления, и продольных поступательных шарниров в стержни, для которых требуется учитывать удлинения
( укорочения ) при их растяжении ( сжатии ), а также удалением всех упругих связей ( линейных и угловых ).
В nж.у. учитываются неопорные узлы с припайками, а также
узлы ( в т.ч. опорные ) с упругоподатливыми угловым связями.
nD = nд.c. ( = Wш.с. , если Ш.С. – без лишних связей )
( д.с. – дополнительные связи )
степень линейной подвижности
степень угловой подвижности
расчётных
узлов
1
2
3
4
u1
v1
q2
q1
q3
u2
v2
u3
v3
v4
u4
q4
nq = 4
nD = 8
nk = 12
Применение гипотезы дает:
v1 = v2 = v3 = v4 = 0
u1 = u2 ; u3 = u4
nq = 4
nD = 2
nk = 6
Для определения nD – шарнирная система
nD = 8
nд.с. = 8
=
=
=
=
=
=
С учётом
продольных
деформаций
стержней
Шарнирная система получается из заданной системы
путём введения цилиндрических шарниров ( в пространственной системе – шаровых шарниров ) во все жёсткие узлы, включая
опорные защемления, и продольных поступательных шарниров в стержни, для которых требуется учитывать удлинения
( укорочения ) при их растяжении ( сжатии ), а также удалением всех упругих связей ( линейных и угловых ).
nD = nд.c. ( = Wш.с. , если Ш.С. – без лишних связей )
( д.с. – дополнительные связи )
Угловая
связь
Линейная
связь
EA
nж.у. = 6
EA
Шарнирная система
nD = 5
nс = 5
ОСМП
EA
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
Z7
Z8
Z9
Z10
Z11
nk = 11
ОСМП = РДC + ДСРУ + Z
Это число можно уменьшить, если примем гипотезы:
Поперечные и продольные деформации стержней малы;
Длина хорды, соединяющей концы изогнутого стержня, равна первоначальной длине стержня;
В упругом рамном узле углы между стержнями сохраняются.
Таким образом, принятые гипотезы позволили уменьшить число неизвестных перемещений с 15 до 3.
Например, в рассматриваемой раме nлин=2 6 – 5 – 6 =1.
Тогда число линейных перемещений можно определить по известной формуле кинематического анализа для фермы:
Полученная схема называется основной системой (ОС) метода перемещений.
Z1
Z2
Z3
nугл=4.
nлин=2 8 – 8 – 6 =2.
ОС
ЗС
Рассмотрим четыре вила деформации балки и определим реакции в заделках. Реакции (коэффициенты жесткости) типового элемента будем обозначать rij, оставляя обозначение kij для реакций в конcтрукции (раме).
Заметим, что при интегрировании были выполнены граничные условия на левом торце балки.
Покажем действительные реакции и эпюру изгибающих моментов в балке
Подставим найденные значения реакций в функцию прогибов, получим ее окончательный вид :
Функция является первым из четырех полиномов Эрмита, широко используемых при интерполяционном представлении функций. В дальнейшем полиномы Эрмита обозначаются Ni (i = 1..4).
Действительные реакции показаны на рисунке.
Прогибы балки при третьем виде деформации (третий полином Эрмита)
Прогибы балки при четвертом виде деформации (четвертый полином Эрмита)
Заметим, что матрица жесткости элемента является симметричной по факту построения. Основываясь на принципе взаимности работ, можно доказать свойство симметрии матрицы жесткости любой линейно упругой системы.
В качестве внешних нагрузок, действующих на балку могут выступать сосредоточенные и распределенные силы и сосредоточенные изгибающие моменты.
а искомая реакция равна
Аналогично можно выразить остальные реакции, причем в качестве прогибов второго состояния последовательно рассматривают полиномы Эрмита. В результате имеем:
где Ni(z) - полиномы Эрмита; согласно сформулированному ранее
правилу определения реакций работа берется со знаком минус.
а) от смещений связей ( концевых сечений )
Q
lj
D
lj
q
lj
q
M
Q
M
lj
Q
M
D
Q
M
lj
D
N
С т е р ж е н ь р а с с м а т р и в а е т с я к а к ж ё с т к а я л и н е й н а я с в я з ь
M = 0, Q = 0
xl lj
xr lj
F
M
M
Q
F
M
Q
M
Q
M
q
lj
M
Q
F
F
M
Q
M
M
Q
M
lj
q
F
N
N
Fxr
Тип 3
lj
hj
Dt2j
Dt1j
M
N
Q
0
0
lj
hj
Dt1j
M
N
Q
Dt2j
lj
hj
Dt1j
Dt2j
N
Dt1j > Dt2j
xl lj
xr lj
xl lj
xr lj
xl lj
xr lj
xl + xr = 1
xl lj
xr lj
Fxl
где Zj - вычисленные узловые перемещения, n - общее число введенных узловых перемещений (степень кинематической неопределимости конструкции).
O
F
MF
1
M1
Полный реактивный момент в заделке равен нулю, поэтому:
Найдем угол поворота узла рамы:
Вычислим изгибающие моменты в заданной раме по правилу суперпозиции:
Здесь [k](e) - матрица жесткости конечного элемента, верхний индекс указывает на отношение величины к отдельному конечному элементу.
Данное соотношение аналогично по смыслу соотношению для типового элемента рамы.
К сожалению, решить матричные уравнения МКЭ относительно перемещений {Z}(e) невозможно, т.к. в вектор {F}(e) помимо известных внешних сил входят неизвестные силы взаимодействия рассматриваемого элемента с соседними конечными элементами. Поэтому необходима так называемая процедура сборки конечных элементов.
Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:
Email: Нажмите что бы посмотреть