Теория пучка Тимошенко-Эренфеста - Timoshenko-Ehrenfest beam theory

Ориентация линии перпендикулярно средней плоскости толстой книги при изгибе.

В Теория пучка Тимошенко-Эренфеста был разработан Стивен Тимошенко и Поль Эренфест[1][2][3] в начале 20 века.[4][5] Модель учитывает деформация сдвига и ротационные изгиб эффекты, что делает его подходящим для описания поведения толстых балок, многослойные композитные балки, или балки, подверженные высокомучастота возбуждение, когда длина волны приближается к толщине балки. Полученное уравнение имеет 4-й порядок, но, в отличие от Теория пучка Эйлера – Бернулли, также присутствует частная производная второго порядка. Физически учет дополнительных механизмов деформации эффективно снижает жесткость балки, в результате чего увеличивается прогиб под статической нагрузкой и более низкий прогнозируемый. собственные частоты для заданного набора граничных условий. Последний эффект более заметен для более высоких частот, когда длина волны становится короче (в принципе, сравнимой с высотой балки или короче), и, таким образом, расстояние между противоположными поперечными силами уменьшается.

Эффект инерции вращения был введен Брессом.[6] и Рэлей[7].

Если модуль сдвига Материал балки приближается к бесконечности - и, таким образом, балка становится жесткой при сдвиге - и если пренебречь эффектами инерции вращения, теория балки Тимошенко сходится к теории обычной балки.

Квазистатический пучок Тимошенко

Деформация балки Тимошенко (синий) по сравнению с деформацией балки Эйлера-Бернулли (красный).
Деформация балки Тимошенко. Нормаль вращается на величину что не равно .

В статический В теории балки Тимошенко без осевых эффектов предполагается, что смещения балки определяются выражением

куда координаты точки в балке, - компоненты вектора смещения в трех координатных направлениях, - угол поворота нормали к средней поверхности луча, а это смещение средней поверхности в -направление.

Управляющие уравнения представляют собой следующую связанную систему обыкновенные дифференциальные уравнения:

Теория балок Тимошенко для статического случая эквивалентна теории Теория Эйлера-Бернулли когда последним членом пренебрегают, приближение, которое действительно, когда

куда

  • - длина балки.
  • - площадь поперечного сечения.
  • это модуль упругости.
  • это модуль сдвига.
  • это второй момент площади.
  • , называемый коэффициентом сдвига Тимошенко, зависит от геометрии. Обычно, для прямоугольного сечения.
  • - распределенная нагрузка (сила на длину).

Объединение двух уравнений дает для однородной балки постоянного поперечного сечения

Изгибающий момент и сила сдвига в балке связаны с перемещением и вращение . Эти соотношения для линейной упругой балки Тимошенко следующие:

Граничные условия

Два уравнения, описывающие деформацию балки Тимошенко, необходимо дополнить граничные условия если они должны быть решены. Для решения задачи требуются четыре граничных условия. хорошо поставленный. Типичные граничные условия:

  • Балки с простой опорой: Смещение равен нулю в местах расположения двух опор. В изгибающий момент наносится на балку, также необходимо указать. Вращение и поперечная поперечная сила не указаны.
  • Зажимные балки: Смещение и вращение заданы равными нулю на зажатом конце. Если один конец свободен, сила сдвига и изгибающий момент должны быть указаны в этом конце.

Пример: консольная балка

Консольная балка Тимошенко под точечной нагрузкой на свободном конце

Для консольная балка, одна граница зажата, а другая свободна. Давайте использовать правая система координат где направление положительное вправо, а направление положительное вверх. Следуя обычному соглашению, мы предполагаем, что положительные силы действуют в положительных направлениях и оси и положительные моменты действуют по часовой стрелке. Мы также предполагаем, что знаковое соглашение результирующие напряжения ( и ) такова, что положительные изгибающие моменты сжимают материал в нижней части балки (нижняя координаты) и положительные поперечные силы вращают балку против часовой стрелки.

Предположим, что зажатый конец находится на и свободный конец в . Если точечная нагрузка наносится на свободный конец в положительном направление, а диаграмма свободного тела луча дает нам

и

Следовательно, из выражений для изгибающего момента и поперечной силы имеем

Интегрирование первого уравнения и применение граничного условия в , приводит к

Тогда второе уравнение можно записать как

Интегрирование и применение граничного условия в дает

Осевое напряжение определяется выражением

Динамическая балка Тимошенко

В теории балок Тимошенко без осевых эффектов предполагается, что смещения балки определяются выражением

куда координаты точки в балке, - компоненты вектора смещения в трех координатных направлениях, - угол поворота нормали к средней поверхности балки, а это смещение средней поверхности в -направление.

Исходя из сделанного выше предположения, теория балок Тимошенко с учетом колебаний может быть описана связанными линейными уравнения в частных производных:[8]

где зависимые переменные , поступательное смещение балки и , угловое перемещение. Обратите внимание, что в отличие от Эйлер-Бернулли Согласно теории угловое отклонение - это еще одна переменная, которая не аппроксимируется крутизной отклонения. Также,

  • это плотность материала балки (но не линейная плотность ).
  • - площадь поперечного сечения.
  • это модуль упругости.
  • это модуль сдвига.
  • это второй момент площади.
  • , называемый коэффициентом сдвига Тимошенко, зависит от геометрии. Обычно, для прямоугольного сечения.
  • - распределенная нагрузка (сила на длину).

Эти параметры не обязательно являются постоянными.

Для линейно-упругой, изотропной, однородной балки постоянного поперечного сечения эти два уравнения можно объединить, чтобы получить[9][10]

Уравнение Тимошенко предсказывает критическую частотуДля нормальных режимов можно решить уравнение Тимошенко. Уравнение четвертого порядка имеет четыре независимых решения, два колебательных и два непродолжительных для частот ниже . Для частот больше все решения являются колебательными и, как следствие, появляется второй спектр.[11]

Осевые эффекты

Если смещения балки определяются выражением

куда это дополнительное смещение в -направлении, то определяющие уравнения балки Тимошенко принимают вид

куда и - приложенная извне осевая сила. Любая внешняя осевая сила уравновешивается возникающим напряжением.

куда - осевое напряжение, а толщина балки принята равной .

Комбинированное уравнение балки с учетом эффектов осевой силы:

Демпфирование

Если в дополнение к осевым силам принять демпфирующую силу, пропорциональную скорости, имеющую вид

связанные управляющие уравнения для балки Тимошенко принимают вид

и объединенное уравнение становится

Предостережение к этой демпфирующей силы анзаца (напоминающей вязкость) заключается в том, что, в то время как вязкость приводит к частотно-зависимой и независимой от амплитуды скорости затухания колебаний балки, эмпирически измеренные скорости затухания нечувствительны к частоте, но зависят от амплитуды отклонения балки. .

Коэффициент сдвига

Определение коэффициента сдвига непросто (равно как и определенные значения не являются общепринятыми, т. Е. Существует более одного ответа); обычно он должен удовлетворять:

.

Коэффициент сдвига зависит от Коэффициент Пуассона. Попытки дать точные выражения предпринимались многими учеными, в том числе Стивен Тимошенко,[12] Раймонд Д. Миндлин,[13] Г. Р. Каупер,[14] Н. Г. Стивен,[15] Дж. Р. Хатчинсон[16] и т. д. (см. также вывод теории пучка Тимошенко как уточненной теории пучка, основанной на вариационно-асимптотическом методе в книге Хана К. Ле[17] приводящие к разным коэффициентам сдвига в статическом и динамическом случаях). В инженерной практике выражения Стивен Тимошенко[18] в большинстве случаев достаточно. В 1975 году Канеко[19] опубликовал отличный обзор исследований коэффициента сдвига. Совсем недавно новые экспериментальные данные показывают, что коэффициент сдвига занижен. [20][21].

Согласно Кауперу (1966) для твердых прямоугольных сечений,

а для сплошных круглых сечений

куда - коэффициент Пуассона.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Исаак Елисаков, 2020. Кто разработал так называемую теорию пучка Тимошенко? Математика и механика твердого тела, 25 (1), 97–116. https://doi.org/10.1177/1081286519856931
  2. ^ Елишаков И., 2020, Справочник по теориям пучка Тимошенко-Эренфеста и плиты Уфлянд-Миндлина, World Scientific, Сингапур, ISBN  978-981-3236-51-6
  3. ^ Григолюк Е.И., 2002, С.П. Тимошенко: Жизнь и судьба, М .: Издательство Авиационного института, 2002.
  4. ^ Тимошенко, С. П., 1921, О поправочном коэффициенте на сдвиг дифференциального уравнения поперечных колебаний стержней однородного поперечного сечения, Философский журнал, стр. 744.
  5. ^ Тимошенко, С. П., 1922, О поперечных колебаниях стержней однородного сечения., Философский журнал, стр. 125.
  6. ^ Bresse J.A.C., 1859, Cours de mécanique appliquée - Résistance des matériaux et stabilité des construction, Париж, Готье-Виллар (на французском языке)
  7. ^ Рэлей Лорд (Дж. В. С. Стратт), 1877–1878, Теория звука, Лондон: Macmillan (см. Также Довер, Нью-Йорк, 1945)
  8. ^ Балочные уравнения Тимошенко.
  9. ^ Томсон, В. Т., 1981, Теория вибрации с приложениями, второе издание. Прентис-Холл, Нью-Джерси.
  10. ^ Розингер, Х. Э. и Ричи, И. Г., 1977, О поправке Тимошенко на сдвиг в колеблющихся изотропных балках, J. Phys. D: Прил. Phys., Т. 10. С. 1461-1466.
  11. ^ «Экспериментальное исследование предсказаний теории пучка Тимошенко», А. Диас-де-Анда, Дж. Флорес, Л. Гутьеррес, Р.А. Мендес-Санчес, Г. Монсиваис и А. Моралес, Journal of Sound and Vibration, Volume 331, Issue 26, 17 декабря 2012 г., стр. 5732–5744.
  12. ^ Тимошенко, Стивен П., 1932 г., Schwingungsprobleme der Technik, Юлиус Спрингер.
  13. ^ Миндлин, Р. Д., Дересевич, Х., 1953, Коэффициент сдвига Тимошенко для изгибных колебаний балок, Технический отчет № 10, проект ONR NR064-388, Департамент гражданского строительства, Колумбийский университет, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
  14. ^ Каупер, Г. Р., 1966, "Коэффициент сдвига в теории балки Тимошенко", J. Appl. Mech., Vol. 33, №2, стр. 335–340.
  15. ^ Стивен, Н. Г., 1980. "Коэффициент сдвига Тимошенко от балки, подвергшейся гравитационной нагрузке", Журнал прикладной механики, Vol. 47, № 1. С. 121–127.
  16. ^ Хатчинсон, Дж. Р., 1981, "Поперечные колебания балок, точные и приближенные решения", Журнал прикладной механики, Vol. 48, No. 12, pp. 923–928.
  17. ^ Ле, Кхань С., 1999 г., Колебания снарядов и стержней, Springer.
  18. ^ Стивен Тимошенко, Джеймс М. Гир. Механика материалов. Van Nostrand Reinhold Co., 1972. стр. 207.
  19. ^ Канеко, Т., 1975, "О поправке Тимошенко на сдвиг в вибрирующих балках", J. Phys. D: Прил. Phys., Vol. 8. С. 1927–1936.
  20. ^ «Экспериментальная проверка точности теории пучка Тимошенко», Р. А. Мендес-Сачес, А. Моралес, Дж. Флорес, Journal of Sound and Vibration 279 (2005) 508–512.
  21. ^ «О точности теории пучка Тимошенко выше критической частоты: лучший коэффициент сдвига», Дж. А. Франко-Виллафанье и Р. А. Мендес-Санчес, Журнал механики, январь 2016 г., стр. 1–4. DOI: 10.1017 / jmech.2015.104.