plik


ÿþV. DOZWIADCZALNE SPRAWDZENIE TWIERDZEC O WZAJEMNOZCI PRAC I PRZEMIESZCZEC 1. CELE WICZENIA Celem wiczenia jest: 1) do[wiadczalne wyznaczenie macierzy podatno[ci, 2) do[wiadczalne sprawdzenie twierdzenia Bettiego o wzajemno[ci prac, 3) do[wiadczalne sprawdzenie twierdzenia Maxwella o wzajemno[ci pomieszczeD. Weryfikacj przeprowadzi dla ramy pBaskiej. 2. WPROWADZENIE DO WICZENIA UkBady liniwo - spr|yste stanowi idealizacj siB rzeczywistych, jednak w wielu prak- tycznych przypadkach takie przybli|enie daje wystarczajco dokBadne rezultaty. Wikszo[ materiaBów konstrukcyjnych (stal i wikszo[ metali, niektóre tworzywa) w zakresie obci|eD eksploatacyjnych zachowuje si jak ciaBo liniowo - spr|yste i mo|e by modelowane ukBa- dem Clapeyrona. Liniowa zale|no[ przemieszczeD od obci|eD {u} = {D}{P} pozwala sformuBowa i udowodni wiele twierdzeD i zasad, które wykorzystuje si do rozwizywania licznych zagadnieD teorii spr|ysto[ci. Zasada wzajemno[ci prac Bettiego i zasada wzajemno- [ci przemieszczeD Maxwella nale| do podstawowych twierdzeD teorii spr|ysto[ci. Z zasady wzajemno[ci prac korzysta si przy wyprowadzeniach wielu skomplikowanych twierdzeD nie tylko w teorii spr|ysto[ci. Do[wiadczalne sprawdzenie tej zasady mo|na zrealizowa w pro- sty sposób przy jednoczesnej obserwacji podstawowych zale|no[ci wystpujcych w ukBadach liniowo - spr|ystych. - 1 - 3. PODSTAWY TEORETYCZNE 3.1. UkBady liniowo - spr|yste UkBad nazywamy ukBadem liniowo - spr|ystym (ukBadem Clapeyrona) je|eli przemieszczenie D dowolnego punktu ukBadu wywoBane zrównowa|onym dziaBaniem siB zewntrznych P1, P2, ...., Pn mo|na wyrazi jako liniow funkcj tych siB D = d1P1 + d2P2 + ... + dnPn, (4.1) gdzie: d1, d2, ..., dn - liczby wpBywowe przemieszczeD spr|ystych. Liczby wpBywowe okre[laj wpByw jaki wywiera odpowiednia siBa na przemieszczenie spr|yste D. Warto[ci ich s zale|ne od ksztaBtu i rozmiarów ukBadu, od miejsca dziaBania siB, od wBasno[ci spr|ystych materiaBu, a nie zale| od warto[ci siB. Rys. 3.1 Rys. 3.2 Mówic o sile, wprowadzimy tutaj termin  siBa uogólniona - siBa rozBo|ona powierzchniowo, lub liniowo w sposób cigBy, lub para siB okre[lana jako moment. Je|eli punkt A (rys. 3.1) przyBo|enia siBy P przesunB si w nowe poBo|enie A , to do obli- czenia pracy tej siBy nale|y jej warto[ pomno|y przez u, rzut caBkowitego przemieszczenia na kierunek dziaBania siBy. Rzut ten nazywa si przemieszczeniem odpowiadajcym sile skupionej P. Je|eli siB uogólnion jest para siB o momencie M, to uogólnionym odpowiadajcym przemieszczeniem jest obrót o kt Õ wzgldem osi o kierunku wektora momentu (rys. 3.2). - 2 - UkBad rzeczywisty mo|na uwa|a za liniowo - spr|ysty, je- |eli speBnione s nastpujce wa- runki: a - materiaB jest liniowo - spr|y- sty, b - ukBad jest w równowadze, c - brak tarcia na powierzchniach styku wzajemnie ruchomych cz- [ci ukBadu, d - przemieszczenia s na tyle maBe, |e nie wpBywaj w sposób istotny na skutki dziaBania siB. Rys. 3.3 Najcz[ciej interesuj nas przemieszczenia odpowiadajce okre[lonym siBom (rys. 3.3). Przemieszczenie ui dowolnego punktu mo|emy wyrazi w nastpujcy sposób u1 = ´11P1 + ´12 P2 +& +´1k Pk +& +´1n Pn u2 = ´21P1 + ´22 P2 +& +´2k Pk +& +´2n Pn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.2) ui = ´i1P1 + ´i2 P2 +& +´ik Pk +& +´in Pn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . un = ´n1P1 + ´n2 P2 +& +´nk Pk +& +´nn Pn ogólnie n u = ´ik Pk 1(4.3) i " k=1 lub stosujc zapis skrócony ui = ´ik Pk . W tym przypadku pierwszy indeks przy liczbie wpBywowej odnosi si do przemieszczenia, drugi za[ do siBy powodujcej to przemieszczenie. Liczby wpBywowe mo|na uwa|a za przemieszczenie wywoBane odpowiednimi siBami o warto[ci jeden, czyli za przemieszczenie jednostkowe: - 3 - uogólnione przemieszczenie ´ = uogólniona siBa Piszc zale|no[ci (4.2) dla wszystkich wybranych przemieszczeD otrzymamy ukBad rów- naD, który mo|e by przedstawiony w postaci macierzowej U = DP, (4.4) gdzie: U = {ui} - macierz jednokolumnowa przemieszczeD, P = {Pk} - macierz jednokolumnowa siB, D = {´ik} - macierz podatno[ci ukBadu. Liniow zale|no[ midzy obci|eniem, a przemieszczeniem mo|na uj inaczej, je|eli za zmienne niezale|ne przyjmiemy przemieszczenia n P = 2(4.5) i " k=1 Zale|no[ midzy siBami i przemieszczeniami zapisana w postaci macierzowej ma form P = AU, (4.6) gdzie: A = {aik} = D-1 - macierz sztywno[ci ukBadu. Przemieszczenia i odksztaBcenia ukBadu liniowo - spr|ystego podlegaj prawu superpozycji. Skutki dziaBania kilku siB równe s sumie ka|dej z siB osobno dziaBajcych. KoDcowy efekt jest niezale|ny od kolejno[ci obci|ania. 3.2. Energia spr|ysta ukBadu Clapeyrona Dla ciaBa spr|ystego, pozostajcego pod dziaBaniem siB zewntrznych energia spr|ysta jest równa pracy tych siB. W celu obliczenia pracy nale|y zaBo|y, |e praca obci|enia odbywa si quasi - statycznie. Praca wszystkich siB obci|ajcych wynosi n 1 L = P u . 3(4.7) i " i 2 i=1 Energia spr|ysta ukBadu liniowo - spr|ystego bdcego w równowadze jest równa poBowie sumy iloczynów siB zewntrznych i odpowiadajcych im przemieszczeD. W celu wyra|enia energii spr|ystej przez siBy korzystamy z zale|no[ci (4.3). Wówczas n n 1 V = L = ´ P P .4 (4.8) ik "" k i 2 i=1 k=1 - 4 - Energia spr|ysta mo|e by wyra|ona jako jednorodna kwadratowa funkcja obci|eD. Dla wyra|enia energii spr|ystej przez przemieszczenia korzystamy z zale|no[ci (4.5). Wówczas n n 1 V = L = a u u .5 (4.9) ik "" k i 2 i=1 k=1 Energia spr|ysta jest jednorodn kwadratow funkcj przemieszczeD. Poniewa| energia spr|ysta jest kwadratow funkcj obci|eD to w zasadzie mo|na stosowa zasady superpozycji przy obliczaniu energii. 3.3. Twierdzenia o wzajemno[ci prac i przemieszczeD Stosujc konwersj sumacyjn Eisteina przy zapisie wskaznikowym pomija si znak sumy. Obowizuje sumowanie poty samych wskaznikach. ZakBadamy, |e na ukBad liniowo - spr|ysty dziaBaj siBy Pj (rys. 3.4). UkBad obci|amy dodatkowo siBami 1 Pi. SiBy te wykonuj prac P u 6 i ii 2 na odpowiadajcych im przemiesz- czeniach uii wywoBanych ukBadem Pi. Równocze[nie siBy Pj wykonuj prac 7 na odpowiadajcych P u j ji im przemieszczeniach uji wywoBa- nych ukBadem Pi. Nastpnie obci|amy ukBad siBami Pk 1 Wykonuj one prac P u 8 na k kk 2 odpowiadajcych im przemieszcze- Rys. 3.4 niach ukk. Równocze[nie siBy Pj i Pi wykonuj prac ( oraz )9 na odpowiadajcych im przemieszczeniach ujk i uik, lecz wywoBa- P u Pu j i jk ik nych siBami Pk .Suma prac siB zewntrznych wyra|ajca przyrost energii spr|ystej wynosi: - 5 - 1 1 " V = + + + + . 10(4.10) Pu P u P u P u Pu i j k j i 1 ii ji kk jk ik 2 2 Nastpnie zmieniamy kolejno[ obci|ania (najpierw Pk, a nastpnie Pi) i obliczamy przyrost energii 1 1 + + + + 11. " V = P u P u Pu P u P u (4.11) k j i j k 2 kk jk ii ji ki 2 2 Poniewa| przyrost energii nie zale|y od kolejno[ci obci|ania to D1V = D2V, (4.12) std = 12. Pu P u (4.13) i k ik ki Zwizek wyra|a twierdzenie o wzajemno[ci prac (tw. Bettiego) Suma prac siB ukBadu pierwszego (Pi) na odpowiadajcych im przemieszczeniach wywoBa- nych siBami ukBadu drugiego (Pk) jest równa sumie prac siB ukBadu drugiego (Pk) na odpo- wiadajcych im przemieszczeniach wywoBanych siBami ukBadu pierwszego (Pi). Gdy dodatkowe obci|enie stanowi tylko pojedyncze siBy Pi i Pk wówczas Pi uik = Pk uki, (4.14) Je|eli ponadto Pi = Pk wówczas uik = uki, (4.15) Równanie wyra|a twierdzenie o wzajemno[ci przemieszczeD (tw. Maxwella): Je|eli na ukBad liniowo - spr|ysty dziaBaj dwie równe co do moduBu uogólnione siBy, to przemieszczenie odpowiadajce pierwszej lecz wywoBane przez drug równe jest prze- mieszczeniu odpowiadajcemu drugiej lecz spowodowanemu pierwsz siB. Je|eli w równaniu (4.14) wyrazimy przemieszczenia przez siBy to otrzymamy Pi Pk dik = Pk Pi dki, (4.16) a std dik = dki, (4.17) Podobnie wyra|ajc siBy przez przemieszczenia otrzymujemy aik = aki, (4.18) Z powy|szych równaD wynika, |e macierze podatno[ci i sztywno[ci s symetryczne. - 6 - 4. PRZEBIEG WICZENIA Na rys. 4.5 i 4.6 przedstawiono badan ram. wiczenie zostanie wykonane na stanowisku umo|liwiajcym obci|anie punktów A, B i C w dowolnym kierunku i pomiar przemieszczeD punktów w kierunku osi x i y. Rys. 4.5 Rys. 4.6 a) Okre[lenie liczb wpBywowych przemieszczeD spr|ystych i macierzy podatno[ci ukBadu a - Obci|y wzeB A siB P1. b - Okre[li przemieszczenia wzBów A, B i C. c - ZakBadajc, |e ukBad jest liniowo - spr|ysty obliczy przemieszczenia odpowiadajce sile PAx = 1 [N]. Otrzymamy w ten sposób liczby wpBywowe dAxAx, dBxAx, ..., które s elementami pierwszej kolumny macierzy podatno[ci ukBadu. Powtórzy pomiary i obliczenia obci|ajc wzeB B i C siBami P2, P3, P4 i P5 (rys. 3.3). d - sprawdzi symetri macierzy podatno[ci ukBadu. b) Do[wiadczalne sprawdzenie twierdzenia o wzajemno[ci prac. a - Przyj dwa ukBady siB obci|ajcych. b - Obci|y ram pierwszym ukBadem siB i wyznaczy przemieszczenia odpowiadajce drugiemu ukBadowi siB. - 7 - c - Obci|y ram drugim ukBadem siB i wyznaczy przemieszczenia odpowiadajce pierwszemu ukBadowi siB. d - Obliczy prac siB pierwszego ukBadu na odpowiadajcych im przemieszczeniach wywoBanych drugim ukBadem siB i porówna z prac drugiego ukBadu siB. c) Do[wiadczalne sprawdzenie twierdzenia o wzajemno[ci przemieszczeD. a - Przyj dwa dowolne sposoby obci|enia ramy siBami równymi co do moduBu. b - Obci|y ram pierwsz siB i wyznaczy przemieszczenie odpowiadajce drugiej sile. c - Powtórzy pomiar obci|ajc ram drug siB. d - Porówna otrzymane warto[ci przemieszczeD. 4.2. Rysunki pomocnicze - 8 - 4.1. Tabele pomiarowe 4.2.1. Wyniki pomiarów przemieszczeD ramy (P [N], u [mm]) P1 = P2 = P3 = P4 = P5 = 1 uAx uBx uBy uCx uCy 4.2.2. Macierz podatno[ci ukBadu. PAx = 1 PBx = 1 PBy = 1 PCx = 1 PCy = 1 uAx uBx uBy uCx uCy - 9 - 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW 5.1. Wytyczne do wykonania sprawozdania a) poda definicj ukBadów liniowo spr|ystych; b) poda wzory na przemieszczenia i energi w ukBadach liniowo - spr|ystych; c) poda tre[ twierdzeD Bettiego i Maxwella; d) narysowa schemat ramy badanej w wiczeniu; e) przedstawi w punktach przebieg wiczenia; f) wyznaczy macierz podatno[ci i sztywno[ci; g) przedstawi do[wiadczalne sprawdzenie twierdzenia o wzajemno[ci prac Bettiego (obli- czenia); h) przedstawi do[wiadczalne sprawdzenie twierdzenia o wzajemno[ci przemieszczeD Maxwella (obliczenia); i) przedstawi uwagi i wnioski. 6. PYTANIA KONTROLNE 1) jakie ukBady nazywamy liniowo - spr|ystymi (ukBadami Clapeyrona)? 2) energia spr|ysta ukBadów liniowo - spr|ystych; 3) omówi twierdzenie Bettiego i Maxwella; 4) jakie znasz inne twierdzenia dotyczce ukBadów liniowo - spr|ystych? 5) omówi przebieg wiczenia. 7. LITERATURA 1. Brzoska Z. - WytrzymaBo[ materiaBów, PWN, Warszawa 1983. 2. Jakubowicz A. - WytrzymaBo[ materiaBów, WNT, Warszawa 1984. 3. Nowacki A. - Mechanika budowli, PWN, Warszawa 1976. - 10 - Politechnika Zlska w Gliwicach WydziaB Mechaniczny Technologiczny Katedra WytrzymaBo[ci MateriaBów i Metod Komputerowych Mechaniki Laboratorium WytrzymaBo[ci MateriaBów ProtokóB z wiczenia Nr 5 Temat: DOZWIADCZALNE SPRAWDZENIE TWIERDZEC 0 WZAJEMNOZCI PRAC I PRZEMIESZCZEC Rok akademicki: . . . . . . . . . . ., Data wyk. wicz.: . . . . . . . . . ., Grupa: . . . . . . . Prowadzcy: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , podpis . . . . . . . . . . . . . . . . Studenci: 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., Ocena: . . . . . . . . . . . . , - 11 - 1. Cel wiczenia i opis przebiegu wiczenia: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Schemat ramy badanej w wiczeniu 3. Opracowanie wyników 3.1 Wyniki pomiarów przemieszczeD ramy (P [N], u [mm]) - 12 - P1 = P2 = P3 = P4 = P5 = 1 uAx uBx uBy uCx uCy 3.2 Wyznaczy macierz podatno[ci ukBadu PAx = 1 PBx = 1 PBy = 1 PCx = 1 PCy = 1 uAx uBx uBy uCx uCy 4. Uwagi i wnioski: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. ZaBczniki 1. Poda definicj ukBadów liniowo spr|ystych. 2. Poda wzory na przemieszczenia i energi w ukBadach liniowo - spr|ystych. 3. Poda tre[ twierdzeD Bettiego i Maxwella. 4. Przedstawi do[wiadczalne sprawdzenie tw. o wzajemno[ci prac Bettiego (obliczenia). 5. Przedstawi do[w. sprawdzenie tw. o wzajemno[ci przemieszczeD Maxwella (obliczenia). - 13 -

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Wykład 03 (część 08) twierdzenie o wzajemności prac i z niego wynikające
01 Wyznaczanie momentu bezwładności ciał metodą wahadła fizycznego i sprawdzenie twierdzenia Steiner
wykl mechanika budowli twierdzenie o wzajemnosci
notatek pl twierdzenie maxwella o wzajemnosci przemieszczen
r6 USA i ZSRR stosunki wzajemne i przemiany wewnętrzne
Pan skałą i twierdzą
Sprawdzian 5 kl 2 matematyka zadania
notatek pl dr in Jaros aw Chmiel, Nauka o materia ?h, Przemiany podczas odpuszczania
sprawdzian klasa 2 semestr 1 zintegrowany b

więcej podobnych podstron