Опорные устройства и их реакции

Классификация внешних сил

Формы тел, рассматриваемые в сопротивлении материалов

Рассмотрение компоновочной схемы самолета, Су-25 (рис. 1.1), или вертолета Ми‑24 (рис. 1.2) показывает, что авиационные конструкции состоят из большого числа элементов, а именно:

- элементы внешней поверхности: обшивки;

- элементы каркаса;

- элементы продольного набора: лонжероны, стрингеры, бимсы, стенки;

- элементы поперечного набора: нервюры, шпангоуты;

- элементы соединения: узлы подвески, косынки, накладки, кронштейны, фитинги;

- элементы механического управления: качалки, траверсы, детали шасси и силовых цилиндров, тяги;

- элементы крепления: болты, винты, гайки, шайбы, заклепки, штифты.

Рисунок 1.1 Рисунок 1.2

Геометрическая форма элементов конструкции часто бывает весьма сложной. Реальный элемент конструкции в зависимости от соотношения его трех основных измерений относят к одному из четырех типов: брусу, пластине, оболочке или массиву.

Брусом называют элемент, два измерения которого малы по сравнению с третьим. Линию, проходящую через центры тяжести поперечных сечений бруса, называют осью бруса. Тонкий, длинный, прямой брус называют стержнем. Брусом в большинстве случаев заменяют пояса, бимсы, шпангоуты (рис. 1.3а).

Рисунок 1.3

Оболочкой называют элемент, одно измерение которого мало по сравнению с двумя другими. Поверхность, делящую толщину оболочки пополам, называют срединной поверхностью. Если срединная поверхность до нагружения представляет собой плоскость, то подобное тело называют пластиной. Примером оболочек являются панели обшивки (рис. 1.3б)

Элемент, все три измерения которого одного порядка, называют массивом. К этому типу элементов можно отнести силовую нервюру, фитинг (рис. 1.3в)

Внешние силы, воспринимаемые конструкцией, называют нагрузками. Нагрузки классифицируются по нескольким признакам. Различают поверхностные нагрузки, приложенные к точкам поверхности и объемные нагрузки, действующие на все точки объема, занимаемого конструкцией. К объемным нагрузкам относятся сила тяжести, сила инерции, сила магнитного притяжения. К поверхностным относятся аэродинамические нагрузки.

Поверхностные нагрузки характеризуются интенсивностью, т.е. силой приходящейся на единицу площади поверхности конструкции. Когда площадка действия нагрузки имеет вид вытянутого прямоугольника, высота которого значительно больше основания, интенсивность нагрузки рассчитывают на единицу длины и называют погонной нагрузкой, и обозначают q. Если размеры площадки действия нагрузки значительно меньше размеров поверхности конструкции, то такие поверхностные нагрузки заменяют их равнодействующей и называют сосредоточенной нагрузкой P. Поверхностные нагрузки могут также прикладываться в виде пар сил. При этом различают погонные моменты, характеризуемые интенсивностью m и сосредоточенные моменты M.

По характеру приложения нагрузки разделяют на статические и динамические. Нагрузки, медленно возрастающие от нуля до своего конечного значения, при достижении которого их величина не изменяется, называют статическими. Нагрузки, которые быстро достигают своего конечного значения и вызывают заметные ускорения частиц конструкции, называют динамическими. Динамические нагрузки подразделяют на ударные и вибрационные. Нагрузки, периодически изменяющиеся во времени без заметного ускорения частиц конструкции, называют циклическими.

В сопротивлении материалов изучают действие только уравновешенных систем внешних и внутренних сил. Поэтому при рассмотрении вопросов равновесия деформируемого тела применимы все законы статики и динамики твердого тела. Можно перемещать силы вдоль линии их действия, заменять системы сил статически эквивалентными системами и т.д. При определении деформаций, энергий деформаций и других величин, связанных с перемещениями, указанные действия производить нельзя.

Рассмотрим схематизацию системы внешних сил, действующих на элемент конструкции на примере бруса с прямолинейной осью (рис. 1.4).

Рисунок 1.4

Вместо бруса изображается его ось, представляющая собой геометрическое место центров тяжестей поперечных сечений. Все действующие на брус нагрузки сводятся к оси. При этом нагрузки, приложенные к участкам небольших размеров по сравнению с размерами бруса, заменяются сосредоточенными силами. В противном случае нагрузка остается распределенной по линии.

Опорные устройства классифицируются по числу связей, накладываемых на перемещения опорных точек (узлов) конструкции. Связь обычно представляют в виде стержня, соединяющего конструкцию с опорной поверхностью. Если нет специального указания, опорные связи и поверхности считаются абсолютно жесткими. При нагружении конструкции со стороны опорных связей начинают действовать силы, называемые опорными реакциями. Опорные реакции находят из уравнений равновесия конструкции, у которого опорные связи мысленно удалены и заменены силами, направленными вдоль снятых связей. Для плоского бруса основными видами опор являются шарнирно-подвижная, шарнирно-неподвижная и защемленная неподвижная (рис. 1.5).

Шарнирно-подвижная, или, иначе катковая опора исключает перемещение опорного узла в направлении перпендикулярном опорной поверхности, но не препятствует вращению конструкции вокруг опорной точки и поступательному перемещению параллельно опорной поверхности. Такой опоре соответствует одна опорная реакция, направленная перпендикулярно опорной поверхности (рис. 1.5а).

Рисунок 1.5

Шарнирно-неподвижная, или, короче, шарнирная опора исключает всякое поступательное движение опорного узла, но не препятствует вращению конструкции вокруг опорной точки. Реакцию такой опоры, направление которой заранее неизвестно, принято раскладывать на две составляющие R_x и R_y, направленные по касательной и нормами к опорной поверхности (рис. 1.5б).

Защемленная неподвижная опора, или, иначе, “заделка” исключает поступательные и вращательные движения конструкции. В соответствии с тремя связями, накладываемыми на конструкции, реакциями заделки являются силы R_x и R_y и опорный момент M_z (рис. 1.5в).