Należy zwrócić uwagę, względem której zmiennej wykonujemy różniczkowanie. Zgodnie z przyjętymi oznaczeniami: pochodne po czasie t,

Podobne dokumenty
Przykłady (twierdzenie A. Castigliano)

Laboratorium Dynamiki Maszyn

m Jeżeli do końca naciągniętej (ściśniętej) sprężyny przymocujemy ciało o masie m., to będzie na nie działała siła (III zasada dynamiki):

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

2. Pręt skręcany o przekroju kołowym

Część ZADANIA - POWTÓRKA ZADANIA - POWTÓRKA. Zadanie 1

3.1 Zagadnienie brzegowo-początkowe dla struny ograniczonej. = f(x, t) dla x [0; l], l > 0, t > 0 (3.1)

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

NOŚNOŚĆ GRANICZNA

Przykład 7.3. Belka jednoprzęsłowa z dwoma wspornikami

6. KOMPUTEROWA WERSJA METODY PRZEMIESZCZEŃ

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Sił Si y y w ewnętrzne (1)(1 Mamy my bry r łę y łę mate t r e iralną obc ob iążon ż ą u kła k de d m e si m ł si ł

Praca siły wewnętrznej - normalnej

Część 2 8. METODA CROSSA 1 8. METODA CROSSA Wprowadzenie

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

5. METODA PRZEMIESZCZEŃ - PRZYKŁAD LICZBOWY

Liczba godzin Liczba tygodni w tygodniu w semestrze

STATYKA Z UWZGLĘDNIENIEM DUŻYCH SIŁ OSIOWYCH

Wstęp. Numeryczne Modelowanie Układów Ciągłych Podstawy Metody Elementów Skończonych. Warunki brzegowe. Elementy

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

UTRATA STATECZNOŚCI. O charakterze układu decyduje wielkośćobciążenia. powrót do pierwotnego położenia. stabilnego do stanu niestabilnego.

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ GAUSSA

1. METODA PRZEMIESZCZEŃ

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

W przestrzeni liniowej funkcji ciągłych na przedziale [a, b] można określić iloczyn skalarny jako następującą całkę:

Drgania układu o wielu stopniach swobody

Metoda Różnic Skończonych (MRS)

MECHANIKA PRĘTÓW CIENKOŚCIENNYCH

Rozciąganie i ściskanie prętów naprężenia normalne, przemieszczenia 2

Przykład Łuk ze ściągiem, obciążenie styczne. D A

2. Charakterystyki geometryczne przekroju

WIADOMOŚCI WSTĘPNE, PRACA SIŁ NA PRZEMIESZCZENIACH

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2015/16

Linie wpływu w belce statycznie niewyznaczalnej

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

Podpory sprężyste (podatne), mogą ulegać skróceniu lub wydłużeniu pod wpływem działających sił. Przemieszczenia występujące w tych podporach są

DRGANIA HARMONICZNE UKŁADÓW DYSKRETNYCH O WIELU STOPNIACH SWOBODY

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

2P 2P 5P. 2 l 2 l 2 2l 2l

Spis treści Rozdział I. Membrany izotropowe Rozdział II. Swobodne skręcanie izotropowych prętów pryzmatycznych oraz analogia membranowa

Zaawansowane metody numeryczne

Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych momentem skręcającym w przekrojach: kołowym, pierścieniowym, prostokątnym 7

SKRĘCANIE WAŁÓW OKRĄGŁYCH

WSTĘP DO TEORII PLASTYCZNOŚCI

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

DRGANIA WŁASNE RAM OBLICZANIE CZĘSTOŚCI KOŁOWYCH DRGAŃ WŁASNYCH

( ) Płaskie ramy i łuki paraboliczne. η =. Rozważania ograniczymy do łuków o osi parabolicznej, opisanej funkcją

Zadanie 3. Belki statycznie wyznaczalne. Dla belek statycznie wyznaczalnych przedstawionych. na rysunkach rys.a, rys.b, wyznaczyć:

LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW. Ćwiczenie 8 WYBOCZENIE PRĘTÓW ŚCISKANYCH Cel ćwiczenia

Politechnika Białostocka

6. WYZNACZANIE LINII UGIĘCIA W UKŁADACH PRĘTOWYCH

Mechanika Analityczna i Drgania

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH. Doświadczalne sprawdzenie zasady superpozycji

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

3. METODA PRZEMIESZCZEŃ - ZASADY OGÓLNE

Ścinanie i skręcanie. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2014/15

Mechanika ogólna Wydział Budownictwa Politechniki Wrocławskiej Strona 1. MECHANIKA OGÓLNA - lista zadań 2016/17

Politechnika Białostocka

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ

6. ZWIĄZKI FIZYCZNE Wstęp

PROJEKT NR 2 STATECZNOŚĆ RAM WERSJA KOMPUTEROWA

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Wytrzymałość Materiałów

ĆWICZENIE 6 Kratownice

Wytrzymałość Materiałów

Dr inż. Janusz Dębiński

CIENKOŚCIENNE KONSTRUKCJE METALOWE

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Wyznaczanie modułu sztywności metodą Gaussa

Rozdział 3: Badanie i interpretacja drgań na płaszczyźnie fazowej. Część 1 Odwzorowanie drgań oscylatora liniowego na płaszczyźnie fazowej

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

5.1. Kratownice płaskie

Twierdzenia o wzajemności

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Marek Pietrzakowski Wytrzymałość materiałów Warszawa 2010

Wykład FIZYKA I. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak. Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

Geometria i łuku (1) Wezg z ło ł w o ia ia punkty po dpa rcia ł a uku; Klucz ( cz zwornik) najw na y jw żs ż zy z punk łuku łu ; klu kl c u z ku;

2ql [cm] Przykład Obliczenie wartości obciażenia granicznego układu belkowo-słupowego

Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Metoda rozdzielania zmiennych

CHARAKTERYSTYKI KINEMATYCZNE MECHANIZMÓW PŁASKICH PODSTAWY SYNTEZY GEOMETRYCZNEJ MECHANIZMÓW PŁASKICH.

WYDZIAŁ LABORATORIUM FIZYCZNE

Rozwiązywanie belek prostych i przegubowych wyznaczanie reakcji i wykresów sił przekrojowych 6

OBLICZANIE RAM METODĄ PRZEMIESZCZEŃ WERSJA KOMPUTEROWA

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

METODA SIŁ KRATOWNICA

Wyboczenie ściskanego pręta

Rozwiązanie stateczności ramy MES

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Z1/1. ANALIZA BELEK ZADANIE 1

PODSTAWY STATYKI BUDOWLI POJĘCIA PODSTAWOWE

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z PRZEDMIOTU: KONSTRUKCJE BUDOWLANE klasa III Podstawa opracowania: PROGRAM NAUCZANIA DLA ZAWODU TECHNIK BUDOWNICTWA

Transkrypt:

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 1 14. 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 14.1. Drgania poprzeczne pręta pryzmatycznego pręta. Drgania poprzeczne są to takie drgania, które wywołują przemieszczenia w x, t prostopadłe do osi Rozpatrzmy nieskończenie mały wycinek pręta o długości dx, charakteryzujący się gęstością iniową [kg /m] (rys. 14.1). dm=μ dx x y,w dx Rys. 14.1. Eement dx beki Wszystkie wiekości fizyczne i geometryczne q, M, T, r, ω są funkcjami położenia i czasu f x,t, zaeżą od współrzędnej anaizowanego punktu i od chwii czasu. Ponieważ wycinek pręta dx posiada masę dm, to podczas ruchu działa na niego siła bezwładności: r x, t = dm 2 w x, t t 2 Po wycięciu eementu dx z konstrukcji działają na niego siły: q(x,t) T(x,t) T x, t T x, t dx r(x,t) Rys. 14.2. Siły działające na eement dx Zapisując równanie równowagi Y =0 otrzymujemy: T x, t T x, t T x, t dx q x, t dx r x, t =0 Da pręta nieobciążonego (q(x,t)=0) przy anaizie drgań swobodnych mamy: T x, t dx r x, t =0 Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 2 a po podstawieniach wyrażeń na siłę bezwładności i masę: T x, t dx dm 2 w t =0 2 T x, t dx dx 2 w t =0 2 Da pręta zginanego wzgędem zmiennej x obowiązuje zaeżność łącząca krzywiznę beki z momentem zginającym: EJ 2 w 2 = M Po dwukrotnym zróżniczkowaniu po zmiennej x otrzymujemy: EJ 4 w x, t = 4 M = T Wykorzystując zaeżność na pochodną siły tnącej w równaniu równowagi mamy: Upraszczając zapis: EJ 4 w x, t 2 w x, t =0 4 t 2 EJ IV =0 (14.1) Naeży zwrócić uwagę, wzgędem której zmiennej wykonujemy różniczkowanie. Zgodnie z przyjętymi oznaczeniami: pochodne po czasie t, I pochodne po współrzędnej przestrzennej x. Wprowadzamy do zapisu rozdział zmiennych. Przemieszczenie jest ioczynem funkcji W zaeżnej tyko od przestrzeni i funkcji T zaeżnej tyko od czasu: Pochodne iczymy po odpowiednich zmiennych: w x, t =W x T t (14.2) EJ d 4 W x T t d 2 T t W x =0 d x 4 d t 2 Po podzieeniu przez wyrażenie W x T t otrzymujemy sumę: d 4 W x d 2 T t EJ d x 4 d t 2 =0 W x T t (14.3) Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 3 Aby równanie było spełnione, wyrażenia muszą być sobie równe, ecz z przeciwnym znakiem. Da rozwiązań różnych od zera każdy z członów przedstawia pewną skaarną wartość 2. EJ d 4 W x d x 4 = W x d 2 T t d t 2 = 2 T t Następnie możemy rozwiązać oba równania niezaeżnie, najpierw da zmiennej t, a potem x. d 2 T t d t 2 = 2 d 2 T t 2 T t =0 T t d t 2 Postępując anaogicznie jak przy anaizie ruchu punktu materianego, po wstawieniu w równaniu (12.8) za funkcję q t przemieszczenie T t otrzymujemy rozwiązanie: T t =C 1 sin t C 2 cos t= C sin t Stałe równania C i możemy wyznaczyć z warunków początkowych (czas). Wprowadzając podstawienie d 4 W x EJ d x 4 = 2 d 4 W x 2 W x =0 W x d x 4 EJ 4 = 2 EJ (14.4) otrzymujemy d 4 W x d x 4 4 W x =0 (14.5) Rozwiązaniem, całką ogóną równania różniczkowego (14.5) jest wieomian: W x =A sin x B cos x C sinh x D cosh x (14.6) A, B, C i D to wiekości stałe niezaeżne od czasu, które możemy wyznaczyć z warunków brzegowych (przestrzeń). Daej będziemy poszukiwać rozwiązań da konkretnych beek różniących się sposobem podparcia. 14.1.1. Beka swobodnie podparta Zastanówmy się jak będą wygądały drgania własne pręta, rozpatrując przypadek beki swobodnie podpartej (rys. 14.3). Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 4 EJ [Nm²] μ [kg/m] Rys. 14.3. Beka swobodnie podparta W układzie przedstawionym na rys. 14.3 przemieszczenia i momenty zginające nad podporami powinny być równe zero: 1) W x=0 =0 2) M x=0 =W II 0 =0 3) W x= =0 4) M x= =W II =0 Rozwiązaniem ogónym jest wieomian: którego druga pochodna wynosi: W x =A sin x B cos x C sinh x D cosh x W II x = 2 A sin x 2 B cos x 2 C sinh x 2 D cosh x 1) 2) 3) 4) Z warunków brzegowych otrzymujemy równania: B D=0 B D=0 A sin B cos C sinh D cosh =0 2 A sin 2 B cos 2 C sinh 2 D cosh =0 A sin B cos C sinh D cosh =0 Z warunku 1) i 2) otrzymujemy wprost: co wykorzystujemy w równaniach 3) i 4): Sumowanie równań prowadzi do stałej: D=0 B=0 { A sin C sinh =0 A sin C sinh =0 C=0 Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 5 a ich odjęcie, do zaeżności: 2 A sin =0 Równanie jest spełnione, gdy A=0 ub sin =0. Funkcja sin x ma miejsca zerowe da x=k, czyi: a współczynnik: Ponieważ przyjęiśmy podstawienie: =k = k 4 = 2 EJ to: Wobec tego: 2 = 4 EJ 2 = k 4 4 EJ 4 = k 2 2 EJ 2 Możemy wnioskować, że beka będzie miała nieograniczoną iość częstości drgań własnych (k jest iczbą naturaną). Linia ugięcie będzie miała postać sinusoidy (rys. 14.4). W k x =A k sin k x k = 1 k = 2 k = 3 Rys. 14.4. Postacie drgań własnych beki wonopodpartej da różnych wartości k Natomiast przemieszczenia będą się zmieniały w czasie według funkcji: w x, t = k=1 sin k x C 1 k sin k t C 2 k cos k t Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 6 14.1.2. Beka obustronnie utwierdzona Spróbujmy przeanaizować drgania własne beki o innym schemacie statycznym. EJ [Nm²] μ [kg/m] Rys. 14.5. Beka obustronnie utwierdzona Da układu przedstawionego na rys. 14.5 możemy zapisać następujące warunki brzegowe: 1) W 0 =0 2) 0 = 3) W =0 4) = dw 0 =0 dx dw =0 dx Funkcję rozwiązującą przyjmujemy jak w 14.1.1. Jej pierwsza pochodna wynosi: Po podstawieniu otrzymujemy: 1) 2) 3) 4) czyi: W I x = A cos x B sin x C cosh x D sinh x B D=0 A C=0 A C=0 A sin B cos C sinh D cosh =0 A cos B sin C cosh D sinh =0 A cos B sin C cosh D sinh =0 Układ równań jednorodnych rozwiązujemy przez przyrównanie wyznacznika det W do zera. Aby uprościć rozwinięcie wyznacznika sprowadźmy układ do dwóch równań z dwoma niewiadomymi. Z dwóch pierwszych równań wiemy, że: B= D A= C Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 7 podstawmy powyższe do równań 3) i 4) { C sin D cos C sinh D cosh =0 C cos D sin C cosh D sinh =0 Po przekształceniach mamy: Zatem wyznacznik tego układu to: { C sinh sin D cosh cos =0 C cosh cos D sinh sin =0 sinh sin det W = cosh cos cosh cos sinh sin det W = sin 2 sinh 2 cosh cos 2 = sin 2 sinh 2 cosh 2 2 cos cosh cos 2 Korzystając ze związków: po uproszczeniach otrzymujemy sin 2 cos 2 =1 cosh 2 sinh 2 =1 Rozwiązaniem są wartości (miejsca zerowe). det W =cosh cos 1=0 = 2 k 1 2 gdzie k jest iczbą naturaną. Podstawiając w miejsce k koejne wartości k=1,2,3,... otrzymujemy: 1 = 4,712 2 = 7,853 3 = 10,996 Częstości drgań własnych wyznaczymy ze wzoru: Linię ugięcia opisuje wzór: = i 2 EJ Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 8 W k x =A k sin k sinh k [ sin k x sinh k x sin k sinh k cos k x cosh k x cos k cosh k ] k = 1 k = 2 k = 3 Rys. 14.6. Postacie drgań własnych beki obustronnie utwierdzonej w zaeżności od k Postępując anaogicznie możemy wyznaczyć na podstawie warunków brzegowych postacie drgań własnych prętów o różnych schematach statycznych. Wyniki obiczeń oraz schematyczne rysunki beek zestawiono w tabei 14.1. Tabea 14.1. Postacie drgań własnych prętów Schemat statyczny EJ μ Postać drgań własnych W k x =A k sin k x EJ EJ EJ μ μ μ W k x =A k sin k sinh k [ sin k x sinh k x sin k sinh k cos k x cosh k x cos k cosh k ] W k x =A k sin k sinh k [ sin k x sinh k x sin k sinh k cos k x cosh k x cos k cosh k ] W k x =A k sin k [ sin k x sin k sinh k x sinh k ] 14.2. Wzory transformacyjne da pręta zginanego (drgania poprzeczne) Zakładamy, że beka charakteryzuje się ciągłym rozkładem masy. Gdy zaczyna drgać pojawiają się siły bezwładności jako dodatkowe obciążenie układu. Rozwiązując równanie różniczkowe równowagi drgającego pręta otrzymaiśmy całkę ogóną: W x =A sin x B cos x C sinh x D cosh x x = A cos B sin C cosh D sinh Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 9 Znając warunki brzegowe da dowonego pręta o dowonym schemacie statycznym możemy wyznaczyć funkcję przywęzłowego momentu zginającego ub siły poprzecznej, (wzory transformacyjne metody przemieszczeń) w zaeżności od węzłowych przemieszczeń. Rozwiązań szczegónych poszukamy da konkretnych modei pręta. 14.2.1. Pręt obustronnie utwierdzony Da pręta obustronnie utwierdzonego możemy zapisać następujące warunki brzegowe: i φ i =1 φ k =1 EJ μ k x v i v k w Rys. 14.7. Pręt obustronnie utwierdzony 1) W 0 =v i 2) 0 = i 3) W =v k 4) = k Warto zauważyć, że przy wyznaczaniu częstości drgań własnych (probem własny) przyjmowaiśmy jednorodne (zerowe) warunki brzegowe. Teraz musimy narzucić wartości przemieszczeń węzłowych aby uzaeżnić od nich siły wewnętrzne. Wyznaczmy M ik i, k, v i, v k. Uwzgędniając powyższe warunki w rozwiązaniu ogónym otrzymujemy układ równań niejednorodnych: 1) skąd: A sin 0 B cos 0 C sinh 0 D cosh 0=v i 2) skąd: 3) 4) B D=v i A cos 0 B sin 0 C cosh 0 D sinh 0= i A C= i A sin B cos C sinh D cosh =v k A cos B sin C cosh D sinh = k Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 10 {B D=vi A C= i A sin B cos C sinh D cosh =v k A cos B sin C cosh D sinh = k W rozważanym przykładzie na podstawie warunków brzegowych wyznaczono wartości stałych: A= [ sin cosh sinh cos v i sin sinh v k cos cosh sin sinh 1 i cosh cos k 2 1 cos cosh ] B= sinh sin cosh cos 1 v i cos cosh v k sin cosh sinh cos i sinh sin k 2 1 cos cosh C= sin cosh sinh cos v i sin sinh v k sin sinh cos cosh 1 i cosh cos k 2 1 cos cosh D= 1 sinh sin cosh cos v i cosh cos v k sinh cos sin cosh i sin sinh k 2 1 cos cosh = Po wyznaczeniu stałych A, B, C i D możemy zapisać wzory na siły wewnętrzne wykorzystując zaeżności różniczkowe: i daej: M = EJ 2 w 2 T = M M = EJ 2 A sin x 2 B cos x 2 C sinh x 2 D cosh x T = EJ 3 A cos x 3 B sin x 3 C cosh x 3 D sinh x Po podstawieniu stałych i przekształceniach można uzyskać ostateczne wzory wiążące siły wewnętrzne z wiekościami ampitud przemieszczeń przywęzłowych: M x=0 =M ik = EJ [ c s r v k i k t v i ] M x= =M ki = EJ [ s c t v k i k r v i ] T x=0 =T ik = EJ [ t r m v k 2 i k n v i ] T x= =T ki = EJ [ r t m v i 2 i k n v k ] Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 11 We wzorach transformacyjnych zastosowano pewne współczynniki w ceu uproszczenia zapisu, które oznaczają: cosh sin sinh cos c = M s = sinh sin M r = 2 cosh cos M t = 2 sinh sin M m = 3 sinh cos cosh sin M n = 3 sinh sin M = M =M =1 cosh cos Postępując anaogicznie możemy zapisać podobne wzory da beek o innych schematach statycznych. 14.2.2. Pręt jednostronnie utwierdzony i podparty przegubowo i EJ μ φ k =1 k x v i v k w Rys. 14.8. Pręt jednostronnie utwierdzony i podparty przegubowo Warunki brzegowe: 1) W 0 =v i 2) M 0 =0 W II 0 =0 3) W =v k 4) = k pozwaają sformułować układ równań, z którego wyznaczymy stałe. Następnie zapisujemy wzory transformacyjne: Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 12 M ik =0 M ki = EJ [ c k t v k r v i T ik = EJ 2 [ T ki = EJ 2 [ w których poszczegóne symboe oznaczają: ] ] ] r k n v k m v i t k p v i n v k c =2 sinh sin M t = 2 cosh sin cos sinh M r = 2 sinh sin M n = 3 cosh cos M m = 3 1 cosh cos M p =2 3 sinh cos M = M = M =cosh sin cos sinh 14.2.3. Wspornik Jest to układ statycznie wyznaczany. Tradycyjne wzory transformacyjne nie istnieją, gdyż przemieszczenia v i i φ i nie wywołują sił przywęzłowych. Inaczej jest w probemach dynamicznych. x i φ k =1 k v k y, w Rys. 14.9 Wspornik Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 13 Da wspornika zapiszemy: 1) W 0 =v k 2) 0 = k 3) M =0 W II =0 4) T =0 W III =0 W tym przypadku możemy okreśić wzory przy podporze k: gdzie: M ki = EJ [ c k t v k ] T ki = EJ [ t 2 k m v k ] c = sinh cos cosh sin M t = 2 sinh sin M cosh sin sinh cos m = M M = M =1 cosh cos = 14.2.4. Beka wonopodparta Podobnie jak w 14.2.3 mamy do czynienia z układem wyznaczanym. i u k EJ v i v k Rys. 14.10. Beka wonopodparta Na podporach momenty są zerowe, a przemieszczenia narzucone. 1) W 0 =v i 2) M 0 =0 W II 0 =0 3) W =v k Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 14 4) M =0 W II =0 Wzory możemy wyprowadzić tyko na siły poprzeczne ( M ik =M ki =0 ). gdzie: T ik = EJ 2 [ n v k m v i ] T ki = EJ 2 [ m v k n v i ] m = 3 [ctgh tg ] 2 n = 3 [cosec cosech ] 2 Wyjaśnijmy jeszcze symboe cosec (cosecans) i cosech (cosecans hiperboiczny): cosec = 1 sin cosech = 1 sinh 14.3. Ortogonaność układu drgającego Zagadnienie ortogonaności udowodnimy rozpatrując dwie dowone postacie drgań własnych i oraz j. Da każdej z nich wyznacza się oddzienie częstości drgań i ampitudy przemieszczeń z równań różniczkowych: Tabea 14.2. Dwie przykładowe postacie drgań Postać drgań i W i, i Postać drgań j W j, j EJ i IV i 2 W i =0 EJ j IV j 2 W j =0 EJ i IV = i 2 W i EJ j IV = j 2 W j Da beki zginanej obciążonej równomiernie q x zapiszemy równanie różniczkowe równowagi: EJ IV x =q x Da rozpatrywanych postaci drgań własnych i oraz j układu możemy zapisać: q i x = 2 i W i x Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 15 q j x = i 2 W j x Warunek ortogonaności udowodnimy posiłkując się treścią twierdzenia Bettiego (o wzajemności prac): Jeżei na ustrój sprężysty działają dwa niezaeżne od siebie układy obciążeń, spełniające warunki równowagi, to praca obciążeń jednego układu wykonana na przemieszczeniach wywołanych działaniem drugiego układu równa się pracy obciążeń drugiego układu wykonanej na przemieszczeniach wywołanych działaniem pierwszego układu obciążeń. Na jego mocy zapiszemy: 0 q i x W j x dx= q j x W i x dx (14.7) 0 Podstawiając równania różniczkowe równowagi do wyrażeń podcałkowych otrzymujemy: 0 2 i W i x W j x dx 2 j W j x W i x dx=0 0 Po przekształceniu: i 2 0 Możiwe są dwa przypadki rozwiązania: 1) Da i= j i 2 j 2 =0, 2) Da i j W i x W j x dx=0. 0 W i x W j x dx 2 j W j x W i x dx=0 0 2 i 2 j W i x W j x dx=0 (14.8) 0 Drugie rozwiązanie jest warunkiem ortogonaności dowonych funkcji. Zostało udowodnione, że dwie różne postacie drgań własnych układu są ortogonane. 14.4. Drgania podłużne pręta pryzmatycznego Z drganiami podłużnymi mamy do czynienia, gdy przemieszczenia odbywają się wzdłuż osi pręta. Rozpatrzmy nieskończenie mały wycinek pręta o długości dx, charakteryzujący się gęstością iniową = A (A powierzchnia przekroju, ρ gęstość objętościowa [kg /m 3 ] ) (rys. 14.11). Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 16 p(x,t) p(x,t) A,ρ x N(x,t) r(x,t) dx u(x,t) dx N x, t N x, t Rys. 14.11. Eement dx beki Wszystkie wartości sił p, N, r, są funkcjami położenia i czasu f x,t. Opór ruchu, czyi siła bezwładności wynosi: r x, t = dm 2 u x, t t 2 Masę wycinka wyznaczamy mnożąc jego objętość przez gęstość: dm=a dx Zapisując równanie równowagi X =0 otrzymujemy: N x, t N x, t N x, t dx p x, t dx A dx 2 u x,t =0 t 2 Da przypadku drgań swobodnych ( p x,t =0 ) mamy: N x, t dx A dx 2 u x, t =0 (14.9) t 2 Wiedząc, że stan naprężeń wywołany działaniem siły podłużnej okreśa związek fizyczny: zapisujemy równanie faowe: gdzie: N = x A= x E A= u x EA (14.10) c 2 2 u x, t 2 u x, t =0 (14.11) 2 t 2 c 2 = E = EA (14.12) Podobnie jak w przypadku drgań poprzecznych wprowadzamy do zapisu rozdział zmiennych. Przemieszczenie jest ioczynem funkcji U zaeżnej tyko od przestrzeni i funkcji T zaeżnej tyko od czasu: u x, t =U x T t Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 17 Pochodne iczymy po odpowiednich zmiennych: c 2 d 2 U x T t d 2 T t U x =0 d x 2 d t 2 Po podzieeniu przez wyrażenie U x T t otrzymujemy różnicę: EA d 2 U x d x 2 U x d 2 T t d t 2 =0 T t Aby równanie było spełnione, wyrażenia muszą być sobie równe. Da rozwiązań różnych od zera każdy z członów przedstawia pewną skaarną wartość 2. EA d 2 U x d x 2 = U x d 2 T t d t 2 = 2 T t Następnie możemy rozwiązać oba równania niezaeżnie, najpierw da zmiennej x, a potem t. c 2 d 2 U x d x 2 d 2 T t d t 2 U x =0 T t d 2 T t d t 2 = 2 c 2 d 2 U x 2 U x =0 T t d x 2 Dzieąc obustronnie równanie przez c 2 otrzymujemy: d 2 U x d x 2 2 U x =0 (14.13) 2 c Wprowadzając podstawienie 2 c 2 =k 2 (14.14) otrzymujemy Rozwiązaniem, całką ogóną równania różniczkowego jest wieomian: d 2 U x d x 2 k 2 U x =0 (14.15) U x =A sin k x B cos k x (14.16) A i B to wiekości stałe niezaeżne od czasu, które możemy wyznaczyć z warunków brzegowych (przestrzeń). Wracając do równania faowego Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 18 wykonujemy podstawienie EA d 2 U x d x 2 U x T t d 2 T t d t 2 =0 d 2 U x EA d x 2 = 2 d 2 T t 2 T t =0 U x d t 2 Dzieąc obustronnie równanie przez 1 otrzymujemy: Rozwiązaniem, całką ogóną równania różniczkowego jest wieomian: d 2 T t d t 2 2 T t =0 (14.17) T t =C sin t D cos t (14.18) Stałe równania C i D możemy wyznaczyć z warunków początkowych (czas). Pręt doznaje przemieszczeń, które nazywamy drganiami własnymi (bez udziału siły wymuszającej) według funkcji: x ct u x, t = 1 1 [ f x ct f x ct ] 2 2 c x ct g d Funkcja ta opisuje rozchodzenie się fai, przemieszczenia w nieskończonym pręcie. W dowonej chwii t impus fai rozejdzie się w obie strony pręta z prędkością c. 14.4.1. Drgania własne pręta ściskanego Wyznaczmy częstotiwość drgań własnych w pręcie ściskanym. N N Rys. 14.12. Pręt ściskany Zapiszmy warunki brzegowe, przemieszczenia poziome są równe zeru: Przyjmujemy rozwiązania ogóne u 0 =0 u =0 Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 19 z czego otrzymujemy układ równań: I odpowiadający mu wyznacznik u x =A sin k x B cos k x { B=0 A sin k B cos k=0 W = 0 1 sin k cos k Wyznacznik tego układu równań musi być równy zeru det W =0, a zatem otrzymujemy: sin k =0 Funkcja sin x ma miejsca zerowe da x=n, czyi: k =n Wtedy współczynnik: k= n Ponieważ przyjęiśmy podstawienie: oraz 2 c 2 =k 2 c= E to =k c = n E Możemy wnioskować, że beka będzie miała nieograniczoną iość częstości drgań własnych (n jest iczbą naturaną). Postacie drgań opisuje funkcja: U x =A sin n x Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 20 14.4.2. Wzory transformacyjne da pręta ściskanego W oparciu o warunki brzegowe możemy zapisać wartości sił podłużnych da pręta ściskanego. N u i u k N i k u 0 =u i u =u k Przyjmujemy rozwiązania ogóne Ponadto ze związków fizycznych mamy: u x =A sin k x B cos k x N x = x A= x E A= d u x d x EA Po rozwiązaniu układu równań powstałego z warunków brzegowych wyznaczamy stałe A i B. Po ich podstawieniu do rozwiązania ogónego obiczamy pochodną przemieszczenia. Wykorzystując ją w równaniu fizycznym znajdujemy funkcje siły normanej. gdzie: N ik = f u i, u k =N 0 = EA [a u k b u i ] N ik = f u i, u k =N = EA [b u k a u i ] a = cosec b = ctg = EA 2 14.5. Drgania skrętne pręta pryzmatycznego W ceu wyprowadzenia równania ruchu pręta przyjmijmy następujące założenia: drgania są harmoniczne (okresowe, periodyczne, czyi powtarzające się w reguarnych odstępach czasowych), układ jest ideany (tzn. brak jakiegokowiek tłumienia ruchu), przemieszczenia pręta są małe w porónaniu z wymiarami układu, Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 21 rozpatrujemy ciągły, iniowy rozkład masy w pręcie, pomijamy skrócenia bądź wydłużenia pręta, zakładamy ponadto, że przekrój pręta nie uega odkształceniom postaciowym, tzn. w procesie deformacji zachowuje swój pierwotny kształt. Obciążenia jak i siły wewnętrzne będą w postaci momentów działających w płaszczyznach prostopadłych do osi pręta. p(x,t) Μ(x,t) r(x,t) Μ(x,t) + Μ(x,t) dx x 0 dx y Rys. 14.13. Wycięty myśowo eement dx rozpatrywanego pręta wraz z działającymi na niego siłami Zajmijmy się teraz wyprowadzeniem równania ruchu pręta wywołanego działaniem dowonych sił skrętnych. Dokonajmy na wstępie myśowego wycięcia eementu z nieskończenie długiego pręta (rys. 14.13). Z sumy momentów wzgędem środka ciężkości O możemy zapisać: gdzie: M 0 =0 (14.19) M x, t M x, t M x, t dx p x, t dx r x, t =0 (14.20) M x, t dx p x, t dx r x, t =0 (14.21) r(x,t) - jest siłą oporu ruchu, wynikającą z drgań pręta (siłą bezwładności) i wynosi: r x, t = J 0 x, t = J 0 2 x, t t 2 (14.22) J0 biegunowy moment bezwładności wzgędem środka ciężkości przekroju wynosi: J 0 =J x J y (14.23 Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 22 φ(x,t) - kąt skręcania w płaszczyźnie przekroju, μ - gęstość masy rozpatrywanego eementu na powierzchni jego przekroju poprzecznego: = dm A = dv A = A dx =dx (14.24) A Znak - we wzorze (14.22), wynika z faktu przeciwnego zwrotu siły bezwładności do kierunku ruchu ją wywołującego. Po uwzgędnieniu we wzorze (14.21) zaeżności (14.22) i (14.24), otrzymamy: M x, t dx p x, t dx J 0 dx 2 x, t =0 /: dx t 2 M x, t p x, t J 0 2 x, t =0 (14.25) t 2 Na podstawie definicji momentu skręcającego oraz po uwzgędnieniu faktu, że rozpatrywany pręt jest jednorodny i pryzmatyczny, możemy zapisać: gdzie: γ jednostkowy kąt skręcania równy: M x, t =G J s x, t (14.26) x, t x,t = (14.27) Js moment bezwładności na skręcanie równy: da pręta o przekroju kołowym ub pierścieniowym: J s =J 0 (14.28) da pręta o przekroju w kształcie trójkąta równobocznego o boku 2π: J s = a4 3 5 (14.29) da pręta o przekroju w kształcie prostokąta o bokach b i h (h>b): J s 1 4 h 3 b4 0,63 0,052 b (14.30) h/b G moduł Kirchhoffa (ścinania, odkształcenia postaciowego) równy: Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 23 G= E 2 1 (14.31) Po uwzgędnieniu zaeżności (14.27) we wzorze (14.26), oraz po zróżniczkowaniu uzyskanego w ten sposób wyrażenia wzgędem zmiennej x otrzymamy: x,t M x, t =G J s M x, t =G J s 2 x, t (14.32) 2 Następnie po podstawieniu wyrażenia (14.32) do wzoru (14.25) otrzymamy następujące równanie: gdzie: J m - biegunowy moment masy, równy: G J s 2 x, t J 2 m 2 x, t = p x, t (14.33) t 2 J m =J 0 (14.34) Równanie (14.33) to równanie różniczkowe ruchu (tzw. równanie faowe) nieograniczonego pręta o iniowym rozkładzie masy, gdy ruch ten spowodowany jest działaniem dowonych, wymuszonych drgań skrętnych. Gdy mamy do czynienia z drganiami swobodnymi (bez żadnych wymuszeń) wzór (14.33) przyjmuje następującą postać: p x, t =0 G J s 2 x, t J 2 m 2 x, t =0 (14.35) t 2 Zauważmy, że jeżei mamy do czynienia z prętem o przekroju kołowym ub pierścieniowym (J s = J 0), to równanie faowe drgań własnych (14.35) przyjmie postać anaogiczną jak da drgań podłużnych: c 2 2 x, t 2 x, t =0 (14.36) 2 t 2 Przy czym zmienia się interpretacja stałej c: c 2 = G (14.37) Znajdźmy rozwiązanie ogóne (całkę ogóną) równania różniczkowego (14.35). Rozwiążmy to równanie anaogicznie jak da drgań podłużnych metodą rozdzieenia zmiennych. Załóżmy, że istnieje taka funkcja φ (x,t), która składa się z ioczynu dwóch funkcji, zaeżnych tyko i wyłącznie od jednej zmiennej, innej każda tzn. od czasu t (funkcja czasu T(t)), oraz od przestrzeni x (funkcja przestrzeni Φ (x)): Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater

Część 2 14. DRGANIA PRĘTÓW PROSTYCH O CIĄGŁYM ROZKŁADZIE MASY 24 Po uporządkowaniu otrzymujemy x,t =T t x G J s 2 x T t J 2 m 2 T t x =0 /: T t x J t 2 m G J s 2 x J m 2 x = 2 T t t 2 T t (14.38) Aby ewa strona tego równania (funkcja przestrzenna) była równa prawej (funkcji czasu), w danym punkcie czasoprzestrzeni, obie funkcje muszą osiągać w tym punkcie jakąś wartość stałą (skaar). Wartość tą oznaczmy przez ω 2. G J s 2 x J m 2 x = 2 T t t 2 (14.39) = 2 T t W ten sposób uzyskaiśmy następujący układ równań: { 2 T t 2 T t =0 t 2 2 x 2 x =0 2 (14.40) gdzie: 2 = 2 J m G J s (14.41) Po rozwiązaniu układu równań (14.40) dostaniemy: T t =C 1 sin t C 2 cos t x =A sin x B cos x (14.42) Stąd rozwiązanie ogóne (całka ogóna) przyjmie postać: x, t =T t x =[C 1 sin t C 2 cos t ] [ A sin x B cos x ] (14.43) Na podstawie powyższego ogónego rozwiązania równania różniczkowego (całki ogónej), postępując anaogicznie jak przy drganiach podłużnych, otrzymamy rozwiązanie szczegóne. Dobra D., Dziakiewicz Ł., Jambrożek S., Komosa M., Mikołajczak E., Przybyska P., Sysak A., Wdowska A. AmaMater