Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості

Розглянуто роботу поперечного перетину ниток скінченної жорсткості за поперечного згину. Матеріал приймається жорстко- і пружно-пластичним. Виведено рівняння граничних кривих. Наведено результати разрахунків. Рассмотрена работа поперечного сечения нитей конечной жесткости при поперечном изгибе. М...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Проблемы прочности
Date:2007
Main Authors: Шимановський, О.В., Чабан, Н.О.
Format: Article
Language:Ukrainian
Published: Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2007
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48095
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості / О.В. Шимановський, Н.О. Чабан // Проблемы прочности. — 2007. — № 5. — С. 132-140. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859951002844659712
author Шимановський, О.В.
Чабан, Н.О.
author_facet Шимановський, О.В.
Чабан, Н.О.
citation_txt Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості / О.В. Шимановський, Н.О. Чабан // Проблемы прочности. — 2007. — № 5. — С. 132-140. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
collection DSpace DC
container_title Проблемы прочности
description Розглянуто роботу поперечного перетину ниток скінченної жорсткості за поперечного згину. Матеріал приймається жорстко- і пружно-пластичним. Виведено рівняння граничних кривих. Наведено результати разрахунків. Рассмотрена работа поперечного сечения нитей конечной жесткости при поперечном изгибе. Материал принимается жесткопластическим и упругопластическим. Выведены уравнения граничных кривых. Приведены результаты расчетов. We analyze work o f the transverse crossover of finite-rigidity strings under transverse bending conditions. The material is assumed to be rigid and elastoplastic. The equations o f boundary curves are derived. The respective calculation results are presented.
first_indexed 2025-12-07T16:17:04Z
format Article
fulltext УДК 539.3 Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості О. В. Шимановський, Н. О. Чабан ВАТ Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій ім. В. М. Шимановського, Київ, Україна Розглянуто роботу поперечного перетину ниток скінченної жорсткості за поперечного згину. Матеріал приймається жорстко- і пружно-пластичним. Виведено рівняння граничних кривих. Наведено результати разрахунків. К лю чові слова : нитка скінченної жорсткості, пластична робота, жорстко- пластичний матеріал. У сучасному будівництві велику увагу приділяють збільшенню прольо­ тів будівель і споруд [1, 2]. Тому особливий інтерес представляють висячі системи [3]. У порівнянні з традиційними конструкціями ці системи мають ряд переваг: раціональне використання міцнісних властивостей матеріалу; відносна простота виготовлення і мала трудоємність; індустріальність мон­ тажу; можливість створення легких і виразних з естетичної точки зору архітектурних форм; мала чутливість до різноманітних специфічних впливів (сейсмічні навантаження, нерівномірний зсув опор, тощо). Але поряд із перевагами висячі системи мають і недоліки, основні з яких: велика дефор- мативність при дії зосередженого та асиметричного навантаження; наявність великих зусиль розпору, для погашення яких необхідно використовувати відповідні опорні конструкції і анкерні пристрої. Існуючі методи розрахунку ниток скінченної жорсткості в основному розроблено для пружної стадії роботи матеріалу. У багатьох випадках використання методів розрахунку при роботі матеріалу в межах пружності не дозволяє визначити дійсний запас міцності конструкцій. Із розвитком технологій отримання високоякісних конструктивних ста­ лей і створення матеріалів із нелінійною залежністю напруження - дефор­ мація урахування можливості їхньої пластичної роботи набуває актуаль­ ності. Особливе значення має розрахунок за межею пружності при перевірці аварійної міцності, коли до конструкції ставиться єдина вимога - забез­ печення можливості експлуатації всієї споруди після припинення дії аварій­ ного навантаження. Метою роботи є вивчення та аналіз роботи перерізів ниток скінченної жорсткості в пружній і пластичній стадіях роботи матеріалу. Розглянемо роботу довільного поперечного перерізу жорстко-пластич­ ної нитки скінченної жорсткості (рис. 1) [4, 5]. Для такої нитки відповідно до прийнятої моделі матеріалу [6] кривина осі та вигин залишаються незмін­ ними в будь-якому перерізі, доки згинальний момент не досягне граничного значення М У граничному стані кривина може приймати будь-яку ве­ личину, а нейтральна вісь п — п зміщується від осі т — т на відстань с (рис. 1). © О. В. ШИМАНОВСЬКИЙ, Н. О. ЧАБАН, 2007 132 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5 Вплив пластичних властивостей матеріалу ... а б в Рис. 1. Довільний поперечний переріз нитки (а), епюра напружень у граничному стані (б) та деформований елемент нитки скінченної жорсткості (в): п — п - нейтральна вісь; г — г - вісь, що проходить через центр ваги перерізу; т — т - вісь, що ділить площу перерізу навпіл. Робота поперечного перерізу нитки скінченної жорсткості характери­ зується залежністю між розпором, згинальним моментом і кривиною. Для отримання цієї залежності спроектуємо елементарні сили, які діють у пере­ різі, на вісь 2 — і і складемо суму моментів цих сил відносно осі п — п (рис. 1) [5, 7]: (1)/ оС¥ = Н ; / оуС¥ = М + Ид, де о - нормальне напруження; М , Н - відповідно згинальний момент та розпір у нитці; б - відстань між осями п — п та і — і (рис. 1); йГ - площа елемента перерізу, яку представимо у вигляді добутку = Ь(у )йу (Ь (у ) - ширина перерізу на відстані у від нейтральної осі). Залежність між кривиною, згинальним моментом і розпором має вигляд Ог / Ь( у )Су + / Ь( у )Су -(Н—в) 0 = Н ; О / УЬ( у )СУ + / УЬ( у )СУ -(Н—в) 0 = М + Н д , де О т - границя текучості. Якщо перенести початок системи координат із осі п — п на вісь т — т і зберегти вид функції Ь(у), то останні вирази у новій системі координат можна записати так: О / Ь( у )Су + / Ь( у )Су -(Н—в+с) —с = Н ; ШБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5 133 О. В. Шимановсъкий, Н. О. Чабан Оп - / (У + с )Ь( у Му + / (у + с)Ь{ у )фу —(Н—е+с) —с = М + Нд. Після деяких перетворень остаточно представимо їх у вигляді - / Ь( У ̂ У + / Ь( у )іїу —(Н—е+с) 0 0 + 2 ̂ Ь(у )йу —с о - / уЬ(у Му + / уЬ(у Му —(Н—е+с) 0 + с - / Ь(у Му + / Ь(у Му —(Н—е+с) 0 + + 2 ̂ (у + с)Ь(у )0у 1 = М + Нд. Із урахуванням, що 0 е— с / Ь( у Му = / Ь(у )0у та у Ь( у )іїу + / уЬ( у Му = ^гр > —(Н—е+с) 0 —(Н—е+с) отримаємо Н 2 0 Н Гр = Г -1 Ь( у )ау;АР — с М 2 0 = (у + с — д)Ь(уМ у, (2)М гр У,гр —с де М гр, Н гр, Угр - відповідно граничні згинальний момент, розпір та момент опору перерізу нитки, М гр = о тУгр; Н гр = о тГ . За допомогою рівнянь (2) можна встановити у параметричній формі залежність між згинальним моментом та розпором, сумісна дія яких дозво­ ляє реалізувати граничний стан у перерізі. Після інтегрування (2) і виключення параметра с остаточно отримаємо співвідношення М = ІМ гр Н \ Н гр ) —с 0 0 яке визначає криву граничного стану перерізу нитки. Після диференціювання (2) по д та деяких перетворень отримаємо а м а н ' Із подібності заштрихованих трикутників (рис. 1,в) випливає, що є /к = д, є аМ звідки маємо — = — —— . к аН 134 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, N 5 Вплив пластичних властивостей матеріалу Для ілюстрації отриманого рішення розглянемо граничний стан попереч­ них перерізів ідеального і прямокутного профілів. При цьому враховуємо, що с = д, оскільки центр ваги будь-якого симетричного перерізу збігається з віссю т — т (рис. 1). Із урахуванням того, що для ідеального профілю [8] b( у ) = 0 F 1 b(у ) = У Т у при —(h — e) < у < e , при у = —(h — e ), у = e , (3) після інтегрування (2) отримаємо рівняння граничної кривої: M H ------ + ------ — 1 = 0. M гр H гр Для прямокутного перерізу, в свою чергу, b(y ) = b = const, а рівняння (2) після інтегрування набудуть наступного вигляду: H = д ; H гр = 2 h ; — = 1— 4(д Mrp I h або після деяких перетворень їх можно представити так: M M ■ + / \2 н гр \ Н гр У 1 = 0. 2 Відзначимо, що залежність згинальний момент - розпір у граничному стані перерізу нитки скінченної жорсткості збігається з результатами, отри­ маними при роботі балок [5, 6]. Таким чином, задача розрахунку жорстко- пластичних балок - це окремий випадок задачі розрахунку жорстко-пластич­ них ниток скінченної жорсткості. Для розглянутих і деяких інших попереч­ них перерізів, які широко застосовуються в будівництві, граничні криві наведено у таблиці, а відповідні їм графіки - на рис. 2. Криві граничного стану для деяких поперечних перерізів ниток скінченної жорсткості Вид профілю Залежність М — Н Вид у граничному стані перерізу профілю Залежність М — Н у граничному стані перерізу М М гр М / \2 н ZJ \ п гр — 1 = 0 н - + ---------1 = 0 М гр Н гр н \Н гр — 1 / ,--------- \ 3 — 2 ' —1Н гр = 0 М я Н ---------cos----------= 0 М гр 2 Н ггр гр ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 5 135 О. В. Шимановський, Н. О. Чабан Рис. 2. Граничні криві для симетричних (а) та несиметричних (б) поперечних перерізів: 1 - ідеальний двотавровий; 2 - двотавровий; 3 - прямокутний; 4 - кільцевий; 5 - тавровий (в дужках наведено відношення площі поясу до площі тавра); 6 - несиметричний двотавровий (в дужках наведено відношення площі верхнього поясу до площі нижнього поясу). Зауважимо, що граничні криві можна продовжити в область від’ємних значень згинального моменту та розпору, в результаті чого отримаємо повні замкнуті криві. Усі граничні криві мають властивість центральної симетрії. Криві симетричних профілів окрім того симетричні відносно координатних осей. Область, яка обмежена граничними кривими, визначає можливі сполу­ чення згинального моменту і розпору, за яких поперечний переріз нитки не може бути приведений до граничного стану. Гранична ж крива визначає значення моменту і розпору, за спільної дії яких пластичні деформації розповсюджуються по всьому перерізу. У більшості випадків збільшення розпору призводить до зменшення величини згинального моменту, який зумовлює в перерізі граничний стан (рис. 2,а). Коли розглядається несимет­ ричний переріз, збільшення розпору може призвести не тільки до змен­ шення, але й до збільшення згинального моменту, який дозволяє реалізувати граничний стан у перерізі (рис. 2,б). Отримані рівняння використовуються для визначення напружено-дефор- мованого стану нитки скінченної жорсткості при жорстко-пластичній роботі матеріалу і, як наслідок, дозволяють знайти тільки граничне навантаження нитки. Окрім того, відомо, що дана схематизація діаграми наближено відобра­ жає властивості реальних матеріалів [6, 7]. Тому при розрахунку нитки в області малих деформацій необхідно використовувати пружно-пластичну діаграму роботи матеріалу, що дозволяє простежити поведінку нитки у діапазоні зміни навантаження. З огляду на вищезазначене розглянемо роботу поперечного перерізу нитки з врахуванням обох (пружної та пластичної) складових деформації. Отримати залежність згинальний момент-розпір-кривина в загальному ви­ гляді, подібно тому, як це було зроблено у випадку жорстко-пластичної роботи матеріалу, можливо, але кінцеві вирази не вдається звести до компакт­ ного, зручного для практичного використання виду. Тому дану залежність краще отримувати спеціально у кожному окремому випадку. 136 ШЗИ 0556-171Х. Проблеми прочности, 2007, № 5 Вплив пластичних властивостей матеріалу Рис. 3. Ідеальний поперечний переріз нитки (а) та епюри напружень для пружної (б) і пружно-пластичної (в) стадій роботи. Розглянемо роботу ідеального перерізу пружно-пластичної нитки скін­ ченної жорсткості (рис. 3) [7], для якого виконуються умови (3). Підставимо умови (3) в (1) і отримаємо {о [ -к (h — e) ] +o[ ke]}F = H ; F (4) {—(h — e )o [-k (h — e)] + eo[ke ]} — = M + Hd. Залежність для нормального напруження о у випадку ідеального пружно- пластичного матеріалу можна записати у вигляді о т о = Eky при I у |< — ; (5) о т о = о т sign У при 1У ^ — , (6) де к - кривина осі нитки; sign у = 1 при у > 0; sign у = — 1 при у < 0. Нитка працює в пружній стадії (рис. 3,б), коли діючі зусилля не викли­ кають у жодному волокні поперечного перерізу напружень текучості. Під­ ставимо (5) і (6) в (1) і отримаємо F F [—Ek( h — e) + Eke]— = H ; [Ek( h — e)2 + Eke 2 ]— = M + Hd. Враховуючи, що параметр е можна записати у вигляді e = h/2 + d, де d = є /k , після деяких перетворень отримаємо наступні рівняння, що визна­ чають кривину і відносне подовження осі нитки: EIk M M = M ’ (7)гр гр ISSN 0556-171X. Проблеми прочности, 2007, № 5 137 О. В. Шимановський, Н. О. Чабан Ee 0 Н ^ 7 = Н р ’ (8) де I = F h2/4; M гр = о тFh/2; Н гр = о тF - відповідно момент інерції, гра­ ничні згинальний момент і розпір нитки з ідеальним поперечним перерізом. Коли напруження в нижньому (найбільш віддаленому від нейтральної осі) волокні досягнуть границі текучості, робота профілю в пружній стадії закінчиться. Після цього відповідно до прийнятої моделі матеріалу їхня величина зростати не буде. Тому при подальшому збільшенні зусиль у нитці має місце друга пружно-пластична стадія деформування, коли на нижній поверхні профілю з’являється так зване пластичне волокно, з ростом зги­ нальних моментів і розпору це волокно перетворюється у пластичний шар. Умову появи перших пластичних деформацій можна визначити за допо­ могою (5), якщо прийняти y = е; о = о т ; Eke = о т. Виключимо е та k і за допомогою (8) отримаємо M Н ------ + ------ -- 1 = 0. (9) M Н (9)±у± гр 1 1 гр Отже, при досягненні зовнішнім навантаженням величини, за якої почи­ нає виконуватися останнє рівняння, настає друга пружно-пластична стадія деформування, коли в перерізі розвивається ділянка, охоплена пластичними деформаціями (рис. 3,в). Підставимо формулу (6) у рівняння рівноваги (4) і отримаємо Р Р [—Ек( Н — є) + о т ]— = Н ; [Ек( Н — є ) 2 + о т е]— = М + Ид. Виконаємо з останніми співвідношеннями перетворення, аналогічні вищенаведеним, і отримаємо наступні залежності, що характеризують кри­ вину та відносне подовження осі нитки: M H M + Н ̂= °; (10)±у± гр 1 1 гр Ee 0 EIk Н — 0 = ------ + 2------ -- 1. (111о M Н ( )KJ т гр -t-t гр Зауважимо, що умова (9), при виконанні якої з’являються перші плас­ тичні деформації у поперечних перерізах, та залежність (10), яка характе­ ризує кривину нитки на пружно-пластичній стадії деформування (вирод­ жується в цьому випадку в залежність між згинальним моментом і розпо- ром), тотожні. Це свідчить про те, що поява в перерізі нитки скінченної жорсткості ідеального профілю перших пластичних деформацій дозволяє реалізувати в ньому граничний стан. Отже, деформування нитки з ідеальним поперечним перерізом супроводжується утворенням у її прольоті тільки 138 ISSN 0556-171X. Проблеми прочности, 2007, № 5 Вплив пластичних властивостей матеріалу двох типів ділянок: пружних і пластичних. Цей факт полегшує подальший розв’язок задачі, тому що дозволяє уникнути розгляду пружно-пластичних ділянок без принципових змін у розрахункових залежностях. Із використанням залежностей (10) і (11) побудовано графіки граничних кривих для ідеального поперечного перерізу нитки скінченної жорсткості (рис. 4). Зазначимо, що співвідношення (10) і (11) збігаються з резуль­ татами, отриманими в [1-3, 8, 9]. Таким чином, задача розрахунку пружно- пластичних, як і розглянутих вище жорстко-пластичних, балок - це окремий випадок задачі розрахунку пружно-пластичних ниток скінченної жорсткості. Рис. 4. Граничні криві для ідеального поперечного перерізу при різному відношенні Е Ї^ М гр. На основі вищевикладеного зазначимо, що основна особливість враху­ вання пластичних властивостей матеріалу при практичних розрахунках поля­ гає у можливості достовірного обгрунтування дійсного запасу міцності ниток скінченної жорсткості. Загальну картину їх поведінки в процесі навантаження при малих деформаціях дає розрахунок за допомогою пруж­ но-пластичної схематизації діаграми. Але при появі текучості і її зростанні деформації та переміщення теоретично можуть бути нескінченно великими. У цьому випадку можна знехтувати пружними складовими деформацій та переміщень порівняно з пластичними, тобто використовувати схему роботи жорстко-пластичної нитки скінченної жорсткості. Оскільки робота пружно- пластичної нитки скінченної жорсткості в стані граничної рівноваги асимп­ тотично наближається до роботи жорстко-пластичної нитки, в загальному випадку в залежності від величини зовнішнього навантаження нитку скін­ ченної жорсткості слід розраховувати з використанням двох моделей мате­ ріалу: пружно-пластичної моделі - при 0 < q < 0,875^гр і жорстко-пластич­ ної моделі - при 0,875qгр < q < qгр. В и с н о в к и 1. На основі класичної теорії пластичності та аналізу відомих розв’язків для ниток скінченної жорсткості, які працюють у межах та поза межами пружності, побудовано граничні криві для різноманітних поперечних пере­ Ї88М 0556-171Х. Проблеми прочности, 2007, № 5 139 О. В. Шимановсъкий, Н. О. Чабан різів із застосуванням гіпотез пружно-пластичного і жорстко-пластичного матеріалу. 2. Показано, що граничні криві дозволяють визначати значення згиналь­ ного моменту та розпору, дія яких призводить до розповсюдження пластич­ них деформацій по всьому перерізу 3. Виявлено взаємовплив силових чинників при симетричних і несимет­ ричних типах поперечних перерізів. Р е з ю м е Рассмотрена работа поперечного сечения нитей конечной жесткости при поперечном изгибе. Материал принимается жесткопластическим и упруго­ пластическим. Выведены уравнения граничных кривых. Приведены резуль­ таты расчетов. 1. International Symposium on Theory, Design and Realization Shell and Spatial Structures. - Nagoya, 2001. - 444 p. 2. International Symposium on Shell and Spatial Structures “Theory, Technique, Valuation, and Maintenance”. - Bucharest, 2005. - 1. - 428 p. 3. IASS Symposium “New Olympics. New Shell and Spatial Structures”. - Beijing; China, 2006. - 1. - 500 p. 4. Шимановский В. H., Соколов А. А. Расчет висячих конструкций за пределом упругости. - Киев: Будівельник, 1975. - 104 с. 5. Шимановский В. Н., Смирнов Ю. В., Харченко Р. Б. Расчет висячих конструкций (нитей конечной жесткости). - Киев: Будівельник, 1973. - 198 с. 6. Качанов Л. М. Основы теории пластичности. - М.: Гостехиздат, 1956. - 324 с. 7. Шимановский А. В., Оглобля А. И. Теория и расчет несущих элементов большепролетных пространственных конструкций. - Киев: Сталь, 2002. - 372 с. 8. Дикович И. Л. Статика упругопластических балок судовых конструк­ ций. - Л.: Судостроение, 1967. - 264 с. 9. Беленъкий Л. М. Расчет судовых конструкций в пластической стадии. - Л.: Судостроение, 1983. - 448 с. Поступила 12. 07. 2005 140 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 5
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48095
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0556-171X
language Ukrainian
last_indexed 2025-12-07T16:17:04Z
publishDate 2007
publisher Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
record_format dspace
spelling Шимановський, О.В.
Чабан, Н.О.
2013-08-15T08:11:40Z
2013-08-15T08:11:40Z
2007
Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості / О.В. Шимановський, Н.О. Чабан // Проблемы прочности. — 2007. — № 5. — С. 132-140. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
0556-171X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48095
539.3
Розглянуто роботу поперечного перетину ниток скінченної жорсткості за поперечного згину. Матеріал приймається жорстко- і пружно-пластичним. Виведено рівняння граничних кривих. Наведено результати разрахунків.
Рассмотрена работа поперечного сечения нитей конечной жесткости при поперечном изгибе. Материал принимается жесткопластическим и упругопластическим. Выведены уравнения граничных кривых. Приведены результаты расчетов.
We analyze work o f the transverse crossover of finite-rigidity strings under transverse bending conditions. The material is assumed to be rigid and elastoplastic. The equations o f boundary curves are derived. The respective calculation results are presented.
uk
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
Проблемы прочности
Научно-технический раздел
Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості
Effect of the material plastic properties on the limiting state of a string of finite rigidit
Article
published earlier
spellingShingle Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості
Шимановський, О.В.
Чабан, Н.О.
Научно-технический раздел
title Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості
title_alt Effect of the material plastic properties on the limiting state of a string of finite rigidit
title_full Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості
title_fullStr Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості
title_full_unstemmed Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості
title_short Вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості
title_sort вплив пластичних властивостей матеріалу на граничний стан нитки скінченної жорсткості
topic Научно-технический раздел
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48095
work_keys_str_mv AT šimanovsʹkiiov vplivplastičnihvlastivosteimateríalunagraničniistannitkiskínčennoížorstkostí
AT čabanno vplivplastičnihvlastivosteimateríalunagraničniistannitkiskínčennoížorstkostí
AT šimanovsʹkiiov effectofthematerialplasticpropertiesonthelimitingstateofastringoffiniterigidit
AT čabanno effectofthematerialplasticpropertiesonthelimitingstateofastringoffiniterigidit