II. Расчеты на удар тел. Вопросы про первыйпрыжок с парашютом Динамические прогибы при падении груза

Расчет на прочность при ударе в обычной работе инженера-конструктора встречается не очень часто. Поэтому возникновение такой задачи может поставить в тупик своей неожиданностью. Расчеты при ударных, то есть динамических нагрузках очень сложны и часто производятся...

По эмпирическим – полученным из практических опытов — методикам и формулам. В этой статье мы рассмотрим расчет по приближенной теоретической формуле, которая, однако, позволяет быстро, просто, понятно и с достаточной для многих случаев жизни точностью учесть динамическую составляющую нагрузки!

Выполним расчет на прочность и определим прогиб балки при воздействии ударной нагрузки на примере консоли.

Общий подход к статическим расчетам на прочность при изгибе подробно изложен в статье « », где приведены уравнения общего вида, позволяющие произвести расчет на прочность балки с любыми опорами и при любых нагрузках.

Расчеты выполним в программе MS Excel. Вместо MS Excel можно воспользоваться программой OOo Calc из свободно распространяемого пакета Open Office.

С правилами форматирования ячеек листа Excel, которые применены в статьях этого блога, можно ознакомиться на странице « ».

Расчет консольной балки при ударе.

Расчет на прочность, который мы будем выполнять, является приблизительным.

Во-первых, предполагаем, что вся потенциальная энергия груза, падающего с некоторой высоты, переходит в кинетическую энергию, которая при соприкосновении груза с балкой полностью переходит в потенциальную энергию деформации. В реальности часть энергии превращается в тепло.

Во-вторых, мы не будем учитывать в расчете массу балки. То есть прогиб балки под действием собственного веса примем равным нулю! (Чем меньше вес балки относительно веса груза, тем точнее результаты, полученные по рассматриваемой методике расчета!)

В-третьих, прогиб балки при ударе будем определять как прогиб от статического воздействия груза с весом больше реального веса груза на величину, определяемую коэффициентом динамичности. То есть силу при ударе найдем как сумму веса и силы инерции груза при торможении.

В-четвертых, считаем, что груз не отскакивает при ударе, а перемещается на величину динамического прогиба вместе с балкой. То есть удар абсолютно неупругий!

В-пятых, учтем ограничение, что ошибка расчета не превысит 8…12% только в случае, если рассчитанный коэффициент динамичности будет не более 12!

На рисунке, расположенном ниже, изображена расчетная схема.

Составим в Excel программу и в качестве примера выполним расчет на прочность и определим прогиб балки круглого сечения.

Исходные данные:

1. Вес груза G в Н записываем

в ячейку D3: 50

2. Высоту падения груза h в мм заносим

в ячейку D4: 400

3. Длину консольной балки L в мм вписываем

в ячейку D5: 2500

4. Осевой момент инерции поперечного сечения балки I x в мм 4 вычисляем для диаметра d =36 мм

в ячейке D6: =ПИ()*36^4/64 =82448

I x = π * d 4 /64

5. Осевой момент сопротивления поперечного сечения балки W x в мм 3 вычисляем для диаметра d =36 мм

в ячейке D7: =ПИ()*36^3/32 =4580

W x = π * d 3 /32

6. Допустимые напряжения материала балки (Ст3 сп5) при изгибе [ σ и ] в Н/мм 2 записываем

в ячейку D8: 235

7. Модуль упругости материала балки E в Н/мм 2 вписываем

в ячейку D9: 215000

Результаты расчетов:

8. Максимальный изгибающий момент при статическом воздействии груза Mст x в Н*мм определяем

в ячейке D11: =D3*D5 =125000

Mст x = G * L

9. Максимальное напряжение при статическом воздействии груза σ ст в Н/мм 2 вычисляем

в ячейке D12: =D11/D7 =27

σ ст = Mст x / W x

10. Прогиб края консоли от статического воздействия груза Vст y в Н/мм 2 рассчитываем

в ячейке D13: =D3*D5^3/3/D9/D6 =14,7

Vст y = G * L 3 /(3* E * I x )

11. Коэффициент динамичности K д вычисляем

в ячейке D14: =1+(1+2*D4/D13)^0,5 =8,45

K д = 1+(1+2* h /Vст y ) 0,5

12. Максимальное напряжение при динамическом воздействии груза σ д в Н/мм 2 вычисляем

в ячейке D15: =D12*D14 =231

σ д = σ ст * K д

13. Прогиб балки в точке удара при динамическом воздействии груза Vд y в мм определяем

в ячейке D16: =D13*D14 =124,1

Vд y = Vст y * K д

14. Коэффициент запаса прочности k вычисляем

в ячейке D17: =D8/D15 =1,02

k = [ σ и ] /σ д

Заключение.

Созданный расчет в Excel можно использовать для расчета на прочность при ударе консольных балок любого сечения. Для этого в исходных данных необходимо предварительно рассчитать осевые моменты инерции и сопротивления соответствующего сечения.

Для балок с другими вариантами опор следует найти прогиб и напряжение от статического воздействия груза по соответствующим схеме опор формулам, затем по приведенной в п.11 формуле рассчитать коэффициент динамичности и определить прогиб балки в точке удара и максимальное напряжение в опасном сечении при ударе.

Опасное сечение – это сечение, в котором напряжение максимально и, соответственно, в котором начнется изгиб при достижении напряжением предельного значения. Определяется это сечение индивидуально для конкретных схем из эпюр и расчетов.

Коэффициент динамичности зависит – как следует из формулы – от высоты падения груза и величины прогиба при статическом приложении нагрузки. Чем больше высота падения, тем больше коэффициент динамичности. Это понятно, но почему этот коэффициент возрастает при уменьшении статического прогиба? Дело в том, что, чем меньше статический прогиб, тем жестче балка и тем быстрее остановится падающий груз после касания. Чем меньше время и путь торможения груза, тем больше ускорение (точнее торможение – ускорение с отрицательным знаком), а значит больше и сила инерции, которая по второму закону Ньютона, как известно, равна произведению массы тела на ускорение! Спрыгнуть на батут с высоты четырех метров можно легко, а вот на бетонный пол – чревато последствиями…

Подписывайтесь на анонсы статей в окне, расположенном в конце каждой статьи или в окне вверху страницы.

Не забывайте подтверждать подписку кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (может прийти в папку « Спам» )!!!

Оставляйте ваши комментарии, уважаемые читатели! Ваш опыт и мнение будут интересны и полезны коллегам!!!

Прошу уважающих труд автора скачивать файл после подписки на анонсы статей!

Вопросы для самопроверки 1. Какие нагрузки динамическими? называются статическими и какие 2. Какое явление называется ударом? 3. Какая гипотеза лежит в основе теории удара? 4. Что положено в основу вывода формул для определения перемещений при ударе? 5. Что представляет собой «внезапное действие нагрузки» и чему равен коэффициент динамичности при таком воздействии? 6. Как определяются перемещения и напряжения при ударе? 7. Зависят ли напряжения при ударе от модуля упругости материала системы, подвергающейся удару?

УДАР Как уже известно, статической называется нагрузка, которая весьма медленно возрастает от нуля до своего конечного значения При быстро возрастающей нагрузке учитываются силы инерции, появляющиеся в результате деформации системы Силы инерции необходимо учитывать также при действии нагрузки, вызывающей движение тела с некоторым ускорением Такие нагрузки, а также вызванные ими деформации и напряжения называются динамическими

УДАР Рассмотрим какую-либо неподвижно закрепленную упругую систему, на которую с высоты h падает груз Р (рис.) Полагая, что удар неупругий, ударяющее тело не отскакивает, а перемещается вместе с системой В некоторый момент времени скорость перемещения груза становится равной нулю Деформация и напряжения в достигают наибольших значений конструкции Затем происходят постепенные затухающие колебания системы и груза и устанавливается состояние статического равновесия, при котором деформации конструкции и напряжения в ней равны деформациям и напряжениям от статически действующей силы Р

УДАР В основе приближенной теории удара лежит гипотеза о том, что эпюра перемещений системы от груза Р при ударе подобна эпюре перемещений, возникающих от этого же груза, но действующего статически Например, эпюра наибольших (динамических) прогибов балки от удара по ней падающего груза имеет вид Эпюра прогибов от статически приложенных сил (статических прогибов) показана на рис. На основании указанной гипотезы (1)

УДАР Рассмотрим сначала расчет на удар, когда масса упругого тела мала и ее можно принять равной нулю. Для таких случаев приведенная гипотеза становится точной, а не приближенной Тогда работа груза в результате его падения равна В момент времени, когда деформация системы достигает наибольшей величины, скорости движения груза и системы, а следовательно, и кинетическая энергия их равны нулю Работа груза в этот момент равна потенциальной энергии деформации упругой системы (2) Из сформулированной гипотезы следует, что динамические перемещения можно получить путем умножения перемещений от статического действия силы Р на динамический коэффициент

УДАР Таким образом, перемещение от динамического (ударного) действия нагрузки можно рассматривать как статическое перемещение от силы Тогда потенциальная энергия деформация системы (3) Подставим это выражение в равенство (2): или С учетом формулы (1) получим выражение: Из этого уравнения (4) следует, что (4) (5) В формуле (5) перед радикалом взят знак «плюс» , т. к. прогиб не может быть отрицательным Скорость падающего груза в момент соприкосновения с системой, подвергающейся удару, связана с высотой падения соотношением или

УДАР Теперь формулу (5) можно представить в следующем виде: (6) На основании формул (1), (5) и (6) получим следующее выражение динамического коэффициента: (7) Из принятой гипотезы следует, что динамические напряжения относятся к статическим напряжениям так же, как динамические перемещения к статическим: (8) Таким образом, для определения наибольших напряжений и перемещений при ударе напряжения и перемещения, найденные в результате расчета системы на силу Р, действующую статически, следует умножить на динамический коэффициент или рассчитать систему на действие некоторой статической силы, но равной произведению Рkд

УДАР Рассмотрим случай, когда высота падения груза равна нулю Такой случай носит название нагрузки внезапного (мгновенного) действия Такой случай возможен, если выбить стойку поддерживающую какую – либо конструкцию (например, колонну перекрытия или стойку опалубки и т. д.) Тогда при h=0 из формулы (7) получим: (9) Следовательно, при внезапном действии нагрузки деформации системы и напряжения в ней вдвое больше, чем при статическом действии той же нагрузки Поэтому, например, при производстве разопалубчных работ следует избегать внезапного приложения нагрузки, где это возможно

Продолжительность удара очень мала и сложно вычислить ускорения частиц ударяемой конструкции. Поэтому, воспользоваться принципом ДАламбера затруднительно и обычно здесь используют закон сохранения энергии.

Для удобства расчета на удар вводят условное понятие динамическая сила . Эта такая сила, которая, будучистатически приложенной в точке удара, вызовет такие же перемещения (деформации) ударяемого тела, как и при ударе.

Расчет на удар без учета массы ударяемого бруса

Рассмотрим закрепленный упругий брус, на который с высоты падает груз весом. При этом брус может испытывать: а) продольные деформации (колонны, сваи) рис. 9.1а, б) изгибные деформации (балки) рис. 9.1б.

Рис. 9.1

После удара, когда груз останавливается в нижнем положении, деформации каждого сечения бруса достигают наибольших значений. Их обозначим:
деформации в точке удара,
в любом сечении бруса с координатой(на рис. 9.1б в эти деформации (прогибы) показаны сплошной линией). Затем происходят затухающие колебания бруса, в конце которых устанавливаются деформации
(в точке удара) и
в любом сечении, соответствующие статическому действию груза(на рис. 9.1б эти деформации показаны пунктирной линией).

Расчет проведем при следующих допущениях:

динамический коэффициент (9.3)

Из третьего допущения и рис. 9.1б следует с учетом (9.3)

(9.4)

Согласно принятого выше определения динамической силы , от ее статического приложения возникнут деформации и , а от статического нагружения силойпоявятся
и. По закону Гука деформации пропорциональны нагрузкам, поэтому

(6)

По закону Гука и напряжения пропорциональны нагрузкам

(9.5)

Здесь
динамические напряжения, т.е. возникают в брусе при ударе;
статические напряжения, возникают при статическом нагружении силой.

Из (9.4) и (9.5) следует

Итак, деформации и напряжения в любом сечении бруса при ударе можно определить по (9.6), если вычислить
динамический коэффициент. А деформациии напряжения
при любом виде статической нагрузки (осевой, изгибной, кручении и т.д.) мы умеем определять из вышеприведенных разделов.

Для решения задачи используем закон сохранения энергии. Груз при падении проходит путь
и совершает работу
.

При статическом нагружении силой получим ту же деформацию, что и при ударе, потенциальная энергия деформации бруса при этом, как известно, определяется так
. Силаприкладывается в т.К , куда падает груз . По закону сохранения энергии
, т.е.

(7)

Из (6)
, подставим в (7) получим

(8)

Сокращаем на и учитывая из (9.4), что
найдем

или (9)

Относительно неизвестной получили стандартное квадратное уравнение типа

Здесь . Решение квадратного уравнения известно из справочников:
. В нашем случае получим

(10)

При ударе всегда
, поэтому выбираем знак (+) и формулу (10) преобразуем так

или окончательно (11)

Согласно (9.4)
, тогда из (11) получим

(9.8)

Величина  ст  статическая деформация бруса в точке удара от статического приложения силы в точке «K » падения груза весом . Определяется известными методами:

Рис. 9.1а: По закону Гука при осевой нагрузке

Рис. 9.1б:
прогиб балки в т. K от силы , приложенной в т.K . Определяется известным методом Клебша из раздела «Плоский изгиб балок».

Скорость груза, падающего с высоты , как известно, определяется так
, откуда
. Подставим это в (9.8) получим

(9.9)

Преобразуем
так:

(12)

Здесь:
энергия падающего груза в момент начала удара;

потенциальная энергия деформации бруса от статического нагружения его силой в т.K .

С учетом (12) из (9.8) найдем

(9.10)

Из (9.8) следует, что чем больше
, т.е. чем больше деформируется брус от статической нагрузки, тем меньше
и по (9.6) меньше напряжения при ударе. Так появилась идея ставить в конструкциях, испытывающих ударные нагрузки, различные амортизаторы, рессоры, пружины и поясняется поговорка «знал бы, где упаду, подстелил бы солому».

Пример. Порядок расчета балки на удар.

На балку с высоты в т.K падает груз . Найти максимальное напряжение в балке от удара, максимальные прогибы в пролете и консоли. В т. K балки статически при-

кладываем силу , равную весу груза (рис.б). Определяем от нее опорные реакции и строим эпюру
изгибающих моментов. Из Эп.
находим
и, зная размеры и форму поперечного сечения балки, вычисляем
максимальные напряжения от статического нагружения. Для вычислений по (9.6) надо знать
.

Для балки б) со статической силой для двух участков запишем дифференциальные уравнения изгиба
по методу Клебша, интегрируем их и из условий закрепления балки находим константы интегрирования. Строим график прогибов балки, приблизительный вид которого показан на рис.б. Находим
прогиб балки в сечении «K », это и есть
. По (9.8) вычисляем
и далее

В консоли максимальный прогиб при ударе
.

В пролете находим
максимальный прогиб от статического нагружения и далее максимальный прогиб при ударе
.

Существует термин «падение с высоты
». Из (9.8) в этом случае получим
. Чтобы этого не было, груз надо опускать плавно не только до соприкосновения с конструкцией, но и дальше, при перемещении груза вместе с деформируемой конструкцией до полной их остановки.

Учет массы ударяемого тела (бруса )

Учет массы ударяемого тела достаточно сложен, поэтому приведем окончательные формулы без вывода их.

Динамический коэффициент в этом случае определяется по формулам, аналогичным (9.8)-(9.10)

Здесь:
;

вес ударяемого тела, для бруса

редукционный коэффициент, определяется так

, для бруса
(9.12)

Вычислив , определяем коэффициент
и далее
.

Пример 1. Вычислить для колонны, показанной на рис. 9.1а. По закону Гука для сеченияот статического нагружения силой:
,
, где
площадь поперечного сечения колонны,
модуль упругости материала.

Пример 2. Вычислить для балки, показанной на рис. 9.1б, когда грузпадает на середину балки.

Опорные реакции
, дифференциальные уравнения изгиба балки от статического нагружения силой:

т.е. ввиду симметрии ограничимся одним участком.

Граничные условия: 1)
; 2)
(ввиду симметрии), откуда найдем
. Тогда, т.к.
, то
, а
,

подставим
получим
:

; Найдем

.

Все полученные выше формулы приближенные. Чем большей жесткостью обладает ударяемый брус, тем менее точными будут результаты расчетов. Более точные результаты получаются при рассмотрении волновой теории удара.

Нагрузки, не удовлетворяющие условиям плавности нагружения, называются ударными.

Физические условия разрушения при ударной нагрузке сильно отличаются от статических. В условиях далеких от разрушения статическую и ударную нагрузки можно сравнивать по их деформирующему эффекту, считая, что равные деформации есть признак эквивалентности нагружения.

Из повседневного опыта известно, что при падении груза на балку прогиб будет больше, чем просто от веса груза. Почему это происходит?

Пусть груз падает на балку с высоты
(рис. 195). При соприкосновении с балкой груз имеет скорость

За очень малый промежуток времени соударения скорость уменьшается до нуля. Приближенно вычислим среднюю величину ускорения

С корость направлена вниз, ускорение будет направлено вверх, так как движение замедляется. Время соударения принимают равным=0,010,001 сек; так как эта величина стоит в знаменателе, ускорение будет велико. При наличии ускорения всегда есть сила инерции, которая в данном случае будет тоже велика.

Сила инерции противоположна ускорению, то есть направлена вниз. В момент удара к весу груза добавляется сила инерции, поэтому ударная сила в несколько раз больше статической. Соответственно, деформация от ударной нагрузки в несколько раз больше. Сложность расчета состоит в том, что вычислить ударную силу как сумму
не удается, так как ускорение переменное и закон его изменения не поддается определению. Расчет проводится по балансу энергий.

Расчет на удар сводится к статическому введением динамического коэффициента, который указывает, во сколько раз при ударе деформация и сила больше чем при статическом приложении равного груза.

Определение динамического коэффициента при ударе

(без учета массы ударяемой системы)

Принимаем упрощающие допущения:

Удар абсолютно неупругий, т.е. после соударения падающий груз и ударяемая система движутся вместе с одинаковой скоростью.

Масса ударяемой системы намного меньше веса падающего груза.

При ударе справедлив закон Гука.

Вычислим динамический коэффициент для случая продольного и поперечного (изгибающего) удара (рис. 196).

Обозначим:
- вес груза

-высота падения

-скорость в момент удара

-максимальное перемещение центра удара.

На диаграмме (
, ) закону Гука соответствует прямая линия. Из справедливости закона Гука следует

,

При ударе кинетическая энергия падающего груза переходит в потенциальную энергию упругой деформации системы
.

Вычислим и
. По закону изменения кинетической энергии можно записать

.

Падение происходит из состояния покоя, поэтому

.

Работа силы тяжести равна произведению силы на путь

Таким образом, получаем

При вычислении потенциальной энергии деформации упругой системы предполагается, что при динамической нагрузке она вычисляется, как и при статической, а следовательно равна площади диаграммы (
,);

Приравниваем энергии

Решение уравнения со знаком минус не годится, так как
всегда больше
.

Получили формулу для динамического коэффициента при ударе:

Рассмотрим какую-либо неподвижно закрепленную упругую систему, на которую с высоты h падает груз Я (рис. 6.14). Пройдя путь , груз Р, движущийся с некоторой скоростью, приходит в соприкосновение с неподвижной системой. Это явление называется ударом. При изучении удара предполагаем, что удар является неупругим, т. е. ударяющее тело не отскакивает от конструкции, а перемещается вместе с ней.

После удара в некоторый момент времени скорость перемещения груза станрвится равной нулю. В этот момент деформация конструкции и напряжения, возникающие в ней, достигают своих наибольших значений. Затем происходят постепенно затухающие колебания системы и груза; в результате устанавливается состояние статического равновесия, при котором деформации конструкции и напряжения в ней равны деформациям и напряжениям, возникающим от статически действующей силы Р.

Система, подвергающаяся удару, может испытывать различные виды деформаций: сжатие (рис. 6.14, а), изгиб (рис. 6.14, б,в), кручение с изгибом (рис. 6.14, г) и др.

Целью расчета сооружения на удар является определение наибольших деформаций и напряжений, возникающих в результате удара.

В курсе сопротивления материалов предполагается, что напряжения, возникающие в системе при ударе, не превышают пределов упругости и пропорциональности материала, а потому при изучении удара можно использовать закон Гука.

В основе приближенной теории удара, рассматриваемой в курсе сопротивления материалов, лежит гипотеза о том, что эпюра перемещений системы от груза Р при ударе (в любой момент времени) подобна эпюре перемещений, возникающих от этого же груза, но действующего статически.

Если, например, эпюра наибольших прогибов балки от удара по ней падающим с высоты h грузом Р (динамических прогибов) имеет вид, показанный на рис. 7.14, а, а эпюра прогибов от статически приложенной силы Р (статических прогибов - вид, изображенный на рис. 7.14, б, то на основании указанной гипотезы

где - динамические прогибы (от удара грузом Р) в сечениях балки соответственно с абсциссой и под грузом; - статические прогибы (от силы Р, действующей статически) в тех же сечениях; - динамический коэффициент.

Из приведенной гипотезы следует, что скорости движения различных точек системы, воспринимающей удар, в каждый момент времени относятся друг к другу как перемещения этих точек от статически действующего груза Р. В тот момент времени, когда скорость движения точки системы в месте удара равна нулю, скорости движения всех остальных ее точек также равны нулю.

Рассмотрим сначала расчет на удар в случаях, когда масса упругого тела, подвергающегося удару, мала и ее при расчете можно принять равной нулю. Для этих случаев приведенная выше гипотеза становится точной, а не приближенной, и потому позволяет получить точное решение задачи.

Обозначим А наибольшее перемещение системы по направлению груза Р (см. рис. 6.14).

Тогда работа груза в результате падения его с высоты h равна . В момент времени, когда деформация системы достигает наибольшей величины, скорости движения груза и системы, а следовательно, и кинетическая энергия их равны нулю. Работа груза к этому моменту равна, таким образом, потенциальной энергии U деформации упругой системы, т. е.

Из сформулированной выше гипотезы следует, что перемещения точек упругой системы, возникающие в результате удара (динами-ческие перемещения), можно получить путем умножения перемещений, возникающих от статического действия силы Р, на динамический коэффициент [см. формулу (7.14)].

Таким образом, перемещение от динамического (ударного) действия нагрузки можно рассматривать как статическое перемещение от силы действующей по направлению силы Р. Тогда потенциальная энергия деформации системы [см. формулы (4.11) и (10.11)]

Здесь - наибольшая сила, с которой груз давит на упругую систему (когда она имеет наибольшую деформацию). Эта сила равна сумме веса груза и силы инерции груза, возникающей в результате торможения его упругой системой.

Подставим выражение V [по формуле (9.14)] в равенство (8.14):

Но на основании формулы и, следовательно,

Здесь - перемещение от статически действующей силы Р по ее направлению.

Из условия (10.14)

В формуле (11.14) перед корнем взят знак плюс потому, что прогиб А не может быть отрицательным.

Скорость v падающего груза в момент соприкосновения с системой, подвергающейся удару, связана с высотой падения h соотношением

Поэтому формулу (11.14) можно представить и в таком виде:

На основании формул (7.14), (11.14) и (12.14) получаем следующее выражение динамического коэффициента:

Из принятой гипотезы следует, что динамические напряжения а относятся к величинам статических напряжений как соответствующие перемещения:

Таким образом, для определения наибольших напряжений и перемещений при ударе напряжения и перемещения, найденные в результате расчета системы на силу Р, действующую статически, следует умножить на динамический коэффициент или рассчитать систему на действие некоторой статической силы, но равной произведению

Рассмотрим теперь случай, когда высота падения груза равна нулю. Такой случай носит название внезапного действия (или мгновенного приложения) нагрузки. Он возможен, например, при раскружаливании железобетонного перекрытия, если стойки, поддерживающие опалубку, убрать мгновенно, выбив их одновременно все. При из формулы (13.14)

Следовательно, при внезапном действии нагрузки деформации системы и напряжения в ней вдвое больше, чем при статическом действии той же. нагрузки. Поэтому в случаях, когда это возможно, следует избегать внезапного приложения нагрузки, например раскружаливание перекрытия производить постепенно, при помощи домкратов, песочниц и т. п.

Если высота h падения груза во много раз больше перемещения то в выражении (13.14) можно пренебречь единицами и принять

Из формул (13.14) и (16.14) видно, что чем большие тем меньше Динамический коэффициент. При статической действии нагрузки напряжения в системе не зависят от модуля упругости материала, а при ударном действии зависят, так как величина обратно пропорциональна модулю, упругости.

Рассмотрим несколько примеров ударного, действия силы Р.

1. В случае продольного удара, вызывающего деформацию сжатия бруса постоянного сечения (см. рис. 6.14, а), АСТ и, следовательно, на основании формулы (13.14) динамический коэффициент

Наибольшие напряжения при таком ударе

Если высота падения h или скорость v велики, то

Из формулы (19.14) следует, что напряжения от удара обратно пропорциональны квадратному корню из объема бруса.

Для уменьшения динамических напряжений следует увеличивать податливость (уменьшать жесткость) системы, например, путем применения пружин, смягчающих удар. Предположим, что на брус, подвергающийся продольному удару, поставлена пружина (рис. 8.14). Тогда [см. формулу (30.6)]

где - диаметр проволоки (прутка) пружины; -средний диаметр пружины; - число витков пружины.

В этом случае динамический коэффициент

Сопоставление формулы (20.14) с выражением (17.14) показывает, что применение пружины приводит к уменьшению динамического коэффициента. При мягкой пружине (например, при большом значении или малом d) динамический коэффициент имеет величину меньшую, чем при жесткой.

2. Сравним прочность двух брусьев, подвергающихся продольному удару (рис. 9.14): одного - постоянного сечения с площадью F, а другого с площадью F на участке длиной и площадью в пределах остальной длины бруса

Для первого бруса

а для второго

Если длина очень мала, например при наличии поперечных выточек, то приближенно можно принять

При статическом действии силы оба бруса равнопрочны, так как наибольшие напряжения (при расчете без учета концентрации напряжений) в каждом из них При ударном же действии нагрузки динамический коэффициент по приближенной формуле (16.14) для первого бруса

а для второго (при малой величине )

т. е. в раз больше, чем для первого бруса. Таким образом, второй брус при ударном действии силы менее прочен, чем первый.

3. В случае изгибающего удара грузом Р, падающим с высоты h на середину балки, свободно лежащей на двух опорах (рис. ),

В этом случае динамический коэффициент [см. формулу (13.14)]

Наибольший изгибающий момент возникает в сечении посередине пролета балки:

Поперечная сила в сечениях балки

Переходя к расчету на удар с учетом массы упругой системы, подвергающейся удару, рассмотрим сначала случай, когда система обладает сосредоточенной массой (где - вес системы), расположенной в месте падения груза Р (рис. 10.14).

При этом будем различать три характерных момента.

1. Момент, непосредственно предшествующий соприкосновению груза Р с упругой системой, когда скорость груза Р равна v, а скорость массы равна нулю.

2. Момент соприкосновения груза Р с системой; при этом скорость с груза Р равна скорости движения упругой системы в месте удара.

3. Момент, когда упругая система получает наибольшее перемещение, а скорости груза Р и упругой системы равны нулю.

Скорость с определяется из условия, что при неупругом ударе количество движения до удара равно количеству движения после удара (см. курс теоретической механики), т. е.

(21.14)

Система под действием собственного веса Q еще до удара деформируется. Если - прогиб системы под силой Q, вызванный этой силой, то количество потенциальной энергии, накопленное системой до удара,

Обозначим А - наибольшее перемещение в месте падения груза Р, вызванное его ударным действием и силой

В момент времени, когда система получает такое перемещение, грузы Р и Q оказывают на систему наибольшее давление, равное где -динамический коэффициент, учитывающий вес груза Р, инерцию этого груза и инерцию груза Q. Рассматриваемому моменту времени соответствует наибольшее значение потенциальной энергии системы (кинетическая энергия в этот момент равна нулю, так как равны нулю скорости движения грузов Р и ):

где - потенциальная энергия системы до удара: кинетическая энергия груза и системы в момент их соприкосновения; - работа сил Р и Q на дополнительном перемещении (см. рис. 10.14) системы после удара.

Потенциальную энергию можно выразить также через силу и полное перемещение А [см. формулы (4.11) и (10.11]:

(23.14)

Приравняем друг другу выражения (22.14) и (23.14) и выразим в первом из них значение с через v [см. формулу (21.14)]. Тогда после некоторых преобразований

Обозначим прогиб системы под грузом Р от статического действия этого груза. Зависимость между перемещениями (от силы Q) и (от силы ) определяется формулами

Подставим эти выражения перемещений в уравнение (24.14) и преобразуем его:

Частицы системы, соприкасающиеся с грузом Р, после удара получают ту же скорость, что и груз остальные частицы после удара движутся с различными скоростями зависящими от положения частиц.

Для определения вызванных ударом наибольших динамических напряжений и перемещений с учетом массы упругой системы, так же как и при расчете без учета массы, напряжения и перемещения, найденные путем расчета системы на статическое действие силы Р, следует умножить на динамический коэффициент Прибавив к найденным значениям напряжения и деформации от собственного веса упругой системы (если по условию задачи их следует учитывать), получим полные напряжения и перемещения, возникающие при ударе.