Bilim.techО проекте

Эпюры поперечных сил и изгибающих моментов

Где балка сломается, если на нее давит самосвал? Строим эпюры Q и M и находим опасное сечение.

01 Что это такое

Разрежь балку мысленно в любом месте: левая часть давит на правую силой Q и поворачивает ее моментом M. Эпюры показывают, как Q и M меняются вдоль балки.

В теме 2.3 мы нашли реакции опор. Но сломается балка не на опоре, а там, где ее сильнее всего гнет. Чтобы найти это место, балку мысленно разрезают в сечении x и смотрят только на левую часть. Все силы слева складываются в поперечную силу Q, а их моменты относительно разреза дают изгибающий момент M. Справа считать можно тоже, ответ тот же.

Двигай разрез от левого конца к правому и записывай Q и M. Получатся два графика вдоль балки: эпюра Q и эпюра M. Под сосредоточенной силой эпюра Q прыгает на величину силы, а на эпюре M излом. Где Q переходит через ноль, M наибольший. Это опасное сечение: здесь балку проверяют на прочность.

F = 12 кНRA = 4 кНRB = 8 кНразрез в сечении x = 3 мABRA = 4F = 12RB = 8Q = 4M = 12левая часть: Q = RA = 4 кН, M = 4 · 3 = 12 кН · мна правую часть она давит так жеПравило знаковQ > 0: слева вверх, справа внизM > 0: балка выгнута вниз, сжат верх
Сверху: балка с силой и разрез. Посередине: части порознь. Слева от разреза только реакция 4 кН, поэтому Q = 4 кН, а M = 4 кН · 3 м = 12 кН · м. Снизу: что считается плюсом.
Q
Поперечная сила, кН. Сумма всех сил слева от разреза: вверх с плюсом, вниз с минусом. Пытается сдвинуть одну часть балки относительно другой, как ножницы.
M
Изгибающий момент, кН · м. Сумма моментов сил слева относительно разреза. Гнет балку: плюс, если она выгнута вниз и сжат верх.
Mmax
Наибольший момент, кН · м. Где |M| самый большой, там опасное сечение. По нему подбирают профиль балки и диаметр вала.
02 Опыт
Нагружай. Режь. Ищи, где балке тяжелее всего. ЭПЮРЫ СТРОЯТСЯ СРАЗУ
СОПРОМАТ

Где балка сломается, если по ней едет самосвал?

Рис. 5.3
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Q в разрезе
M в разрезе
Опасное сечение, |M| max

ⓘ Балка невесомая, если ее вес не задан нагрузкой q, и прямая; все силы вертикальные. Плюс на эпюрах откладываем вверх: так принято в машиностроении (эпюра M на сжатом волокне). Строители рисуют M на растянутом волокне, то есть зеркально; числа те же. Самосвал показан двумя силами на осях, удар и торможение не учтены. Форма прогиба в условном масштабе, балка одинаковая по всей длине.

03 Формулы по буквам

Сумма сил слева дает Q, сумма моментов слева дает M

Любую статически определимую балку считают одинаково: найди реакции (тема 2.3), разрежь балку в сечении x и сложи все, что слева. Числа под формулами из опыта, для текущего положения разреза.

Какая поперечная сила в разрезе?

Q(x) = Σ Fслева

Сложи все силы левее разреза: вверх с плюсом, вниз с минусом. Реакции опор тоже силы. Распределенная нагрузка дает q, умноженную на длину нагруженного участка слева.

Q
поперечная сила в сечении, кН. Ее воспринимает стенка двутавра и срезают болты стыка
Fслева
силы и реакции левее сечения, кН. Ось машины, тельфер, реакция опоры
q · l
распределенная нагрузка на участке длиной l слева от разреза, кН

Какой изгибающий момент в разрезе?

M(x) = Σ Fi · (x − xi)

Каждую силу слева умножь на ее плечо: расстояние до разреза. Сила вверх дает плюс, вниз минус. Сосредоточенный момент прибавляется как есть, без плеча.

M
изгибающий момент в сечении, кН · м. От него зависят напряжения в полках балки
xi
где приложена сила, м, отсчет от левого конца
x − xi
плечо: расстояние от силы до разреза, м
M0
сосредоточенный момент, кН · м. Под ним эпюра M прыгает на M0

Где балке тяжелее всего?

dM / dx = Q
dQ / dx = −q

Наклон эпюры M равен Q. Где Q переходит через ноль, M перестает расти: это вершина, опасное сечение. Где q нет, Q постоянна, а M прямая. Где есть q, Q наклонная, а M парабола.

F L / 4
M max от силы F посередине пролета L, кН · м
q L² / 8
M max от нагрузки q по всему пролету, кН · м. Снег, вес настила, сама балка
F L
момент в заделке консоли длиной L с силой на конце, кН · м

Откуда берется формула

Отрежь левую часть балки и забудь про правую. Левая часть неподвижна, значит она в равновесии. На нее действуют внешние силы слева и то, что правая часть передает через разрез: силу и момент. Чтобы сумма сил была нулем, правая часть должна дать силу, равную сумме сил слева, с обратным знаком. Это и есть Q. Чтобы сумма моментов относительно разреза была нулем, правая часть дает момент, равный сумме моментов сил слева. Это M.

Теперь вырежи совсем короткий кусочек длиной dx. Слева на него действуют Q и M, справа Q + dQ и M + dM, сверху нагрузка q · dx. Равновесие сил дает dQ = −q · dx. Равновесие моментов относительно правого края дает dM = Q · dx (слагаемое с q · dx² пренебрежимо мало). Отсюда два правила: dQ / dx = −q и dM / dx = Q.

Из них получаются табличные формулы. Сила F посередине: Q = F / 2 на левой половине, M растет по прямой и к середине доходит до F / 2 · L / 2 = F L / 4. Равномерная q: Q = q L / 2 − q x, ноль в середине, площадь треугольника под эпюрой Q до середины равна q L / 2 · L / 2 / 2 = q L² / 8.

qQMQ + dQM + dMdxсилы: Q − q · dx − (Q + dQ) = 0, отсюда dQ / dx = −qмоменты: M + Q · dx − (M + dM) = 0, отсюда dM / dx = Q
Кусочек балки dx: из равновесия сил и моментов получаются dQ / dx = −q и dM / dx = Q.
04 Где и зачем это применяют

Эпюра говорит, где ставить металл, а где можно сэкономить

Допущения модели+

Балка статически определимая: две опоры (шарнир и каток) или одна жесткая заделка, поэтому реакции находятся из уравнений равновесия, как в теме 2.3. Нагрузки вертикальные и приложены к оси балки, балка прямая, прогибы малы и не меняют плечи сил. Сосредоточенная сила условно приложена в точке, на деле она распределена по пятну контакта колеса, и острый пик на эпюре M немного сглаживается. При проезде самосвала не учтены удар, торможение и раскачка: на практике их добавляют динамическим коэффициентом. Форма прогиба посчитана из y'' = M / (E I) при постоянной жесткости E I, поэтому показана только форма, без миллиметров. Числа в готовых случаях примерные.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →