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
![heta_x = varphi (x)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bb99e77e5a657693d590305f508075486aaf137d)
что не равно
![dw / dx](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8e9f838de9b905a69c91d1bd6ace37635f55a6b6)
.
В статический В теории балки Тимошенко без осевых эффектов предполагается, что смещения балки определяются выражением
![u_x (x, y, z) = -z ~ varphi (x) ~; ~~ u_y (x, y, z) = 0 ~; ~~ u_z (x, y) = w (x)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9f312eb9858e7c193b4954c657d418ae0f4acd8d)
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:
![{displaystyle {egin {align} & {frac {mathrm {d} ^ {2}} {mathrm {d} x ^ {2}}} left (EI {frac {mathrm {d} varphi} {mathrm {d} x }} ight) = q (x) & {frac {mathrm {d} w} {mathrm {d} x}} = varphi - {frac {1} {kappa AG}} {frac {mathrm {d}} { mathrm {d} x}} left (EI {frac {mathrm {d} varphi} {mathrm {d} x}} ight) .end {выровнено}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a10b90ce5701b9bd183bda9e10163c93ed13f438)
Теория балок Тимошенко для статического случая эквивалентна теории Теория Эйлера-Бернулли когда последним членом пренебрегают, приближение, которое действительно, когда
![гидроразрыв {EI} {каппа L ^ 2 A G} ll 1](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d96e609b78bf59f0af4cffce35caa07e0a83d540)
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
![EI ~ cfrac {mathrm {d} ^ 4 w} {mathrm {d} x ^ 4} = q (x) - cfrac {EI} {kappa AG} ~ cfrac {mathrm {d} ^ 2 q} {mathrm {d } x ^ 2}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e5bc210a093c7c034a7a4e36f20e0f8ed9b46e00)
Изгибающий момент
и сила сдвига
в балке связаны с перемещением
и вращение
. Эти соотношения для линейной упругой балки Тимошенко следующие:
![M_ {xx} = -EI ~ frac {partial varphi} {partial x} quad ext {and} quad
Q_ {x} = каппа ~ AG ~ left (-varphi + frac {partial w} {partial x} ight),.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/38aeb529c277a542e9f4b5234c6c8f42e7eeba86)
Вывод уравнений квазистатической балки Тимошенко. |
---|
Из кинематических предположений для балки Тимошенко смещения балки определяются выражением![u_x (x, y, z, t) = -z ~ varphi (x, t) ~; ~~ u_y (x, y, z, t) = 0 ~; ~~ u_z (x, y, z) = w (х, т)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d005c7a00a5e73c6973614957eb3ae845eb64afd)
Тогда из соотношений деформация-перемещение для малых деформаций ненулевые деформации, основанные на предположениях Тимошенко, равны ![varepsilon_ {xx} = frac {частичный u_x} {частичный x} = -z ~ frac {частичный varphi} {частичный x} ~; ~~
varepsilon_ {xz} = гидроразрыв {1} {2} слева (гидроразрыв {частичный u_x} {частичный z} + гидроразрыв {частичный u_z} {частичный x} ход)
= frac {1} {2} left (-varphi + frac {partial w} {partial x} ight)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/43359c144f17cd08f518cc77b40af0f1f3b12ae5)
Поскольку фактическая деформация сдвига в балке непостоянна по поперечному сечению, мы вводим поправочный коэффициент такой, что ![varepsilon_ {xz} = frac {1} {2} ~ kappa ~ left (-varphi + frac {partial w} {partial x} ight)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c7464d1684592a2f6e4193e513e7d9a1d79d8dc6)
Изменение внутренней энергии пучка равно ![{displaystyle delta U = int _ {L} int _ {A} (sigma _ {xx} delta varepsilon _ {xx} + 2sigma _ {xz} delta varepsilon _ {xz}) ~ mathrm {d} A ~ mathrm {d } L = int _ {L} int _ {A} left [-z ~ sigma _ {xx} {frac {partial (delta varphi)} {partial x}} + sigma _ {xz} ~ kappa left (-delta varphi + {frac {partial (delta w)} {partial x}} ight) ight] ~ mathrm {d} A ~ mathrm {d} L}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c8538120f720cdf9758cf966457cc594ab501443)
Определять ![M_ {xx}: = int_A z ~ sigma_ {xx} ~ mathrm {d} A ~; ~~ Q_x: = kappa ~ int_A sigma_ {xz} ~ mathrm {d} A](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/55f7a68fc4ab519119835fd23cc18c3266079988)
потом ![{displaystyle delta U = int _ {L} left [-M_ {xx} {frac {partial (delta varphi)} {partial x}} + Q_ {x} left (-delta varphi + {frac {partial (delta w)] } {частичный x}} полет] ~ mathrm {d} L}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c36737b1d63a52a76cf0d34f07d97b340ccd61cb)
Интегрирование по частям с учетом того, что из-за граничных условий отклонения равны нулю на концах балки, приводит к ![{displaystyle delta U = int _ {L} left [left ({frac {partial M_ {xx}} {partial x}} - Q_ {x} ight) ~ delta varphi - {frac {partial Q_ {x}} {partial x}} ~ delta wight] ~ mathrm {d} L}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/34f25d6c444400ea89df8677e062734fb86236ac)
Изменение внешней работы на балке под действием поперечной нагрузки на единицу длины составляет ![дельта W = int_L q ~ дельта w ~ mathrm {d} L](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/01c95e211c23b366b7e968b5975ed4da5965be99)
Тогда для квазистатического пучка принцип виртуальной работы дает ![дельта U = дельта W подразумевает
int_L left [left (frac {partial M_ {xx}} {partial x} - Q_xight) ~ deltavarphi - left (frac {partial Q_ {x}} {partial x} + qight) ~ delta wight] ~ mathrm {d} L = 0](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d70338b0e41cd72e9b72cfa2dba0e4e4329467ee)
Основными уравнениями для балки являются, согласно основной теореме вариационного исчисления, ![frac {partial M_ {xx}} {partial x} - Q_x = 0 ~; ~~ frac {partial Q_ {x}} {partial x} + q = 0](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6c6db9dab4383bd920c5155363608c7b06ed7570)
Для линейной упругой балки ![{displaystyle {egin {align} M_ {xx} & = int _ {A} z ~ sigma _ {xx} ~ mathrm {d} A = int _ {A} z ~ E ~ varepsilon _ {xx} ~ mathrm {d } A = -int _ {A} z ^ {2} ~ E ~ {frac {partial varphi} {partial x}} ~ mathrm {d} A = -EI ~ {frac {partial varphi} {partial x}} Q_ {x} & = int _ {A} sigma _ {xz} ~ mathrm {d} A = int _ {A} 2G ~ varepsilon _ {xz} ~ mathrm {d} A = int _ {A} kappa ~ G ~ left (-varphi + {frac {partial w} {partial x}} ight) ~ mathrm {d} A = kappa ~ AG ~ left (-varphi + {frac {partial w} {partial x}} ight) end { выровнено}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c9e0a174f5c02b5ce9f714e3ff4c39dc53c5c208)
Следовательно, основные уравнения для балки могут быть выражены как ![egin {align}
frac {partial} {partial x} left (EIfrac {partial varphi} {partial x} ight) + kappa AG ~ left (frac {partial w} {partial x} -varphiight) & = 0
frac {partial} {partial x} left [kappa AGleft (frac {partial w} {partial x} - varphiight) ight] + q & = 0
конец {выровнять}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6a1694f92bbda646acb7cbfca5f0497ff4165cac)
Объединение двух уравнений вместе дает ![{displaystyle {egin {align} & {frac {partial ^ {2}} {partial x ^ {2}}} left (EI {frac {partial varphi} {partial x}} ight) = q & {frac {partial w} {partial x}} = varphi - {cfrac {1} {kappa AG}} ~ {frac {partial} {partial x}} left (EI {frac {partial varphi} {partial x}} ight) конец {выровнено }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2df1b7595d17abbc095e851c0a3735c186a46373)
|
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
![{displaystyle -Px-M_ {xx} = 0 подразумевает M_ {xx} = - Px}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1b334dbdcbb8774acd0574f4d63726a2a60504c3)
и
![P + Q_x = 0 означает Q_x = -P ,.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a8e16fe03e5d866c097eefc76d2a824f9dac3327)
Следовательно, из выражений для изгибающего момента и поперечной силы имеем
![Px = EI, frac {dvarphi} {dx} qquad ext {и} qquad -P = kappa AGleft (-varphi + frac {dw} {dx} ight),.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2cd9fcea91c48fc4f3ba45e42def095df8a03576)
Интегрирование первого уравнения и применение граничного условия
в
, приводит к
![varphi (x) = -frac {P} {2EI}, (L ^ 2-x ^ 2),.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/66adbb72f3b5221f59f05a07e9bbf299597891b1)
Тогда второе уравнение можно записать как
![frac {dw} {dx} = -frac {P} {kappa AG} - гидроразрыв {P} {2EI}, (L ^ 2-x ^ 2) ,.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0fdb80ecf2d1853cabb406e355d5198d9aa42fba)
Интегрирование и применение граничного условия
в
дает
![w (x) = frac {P (Lx)} {kappa AG} - frac {Px} {2EI}, left (L ^ 2-frac {x ^ 2} {3} ight) + frac {PL ^ 3} { 3EI},.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e5c6a196ec4c648c5d6e29d82708a1588b7dbdd3)
Осевое напряжение определяется выражением
![sigma_ {xx} (x, z) = E, varepsilon_ {xx} = -E, z, frac {dvarphi} {dx} = -frac {Pxz} {I} = frac {M_ {xx} z} {I} ,.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/40517a1c490f40d3447850e066793679309e8e19)
Динамическая балка Тимошенко
В теории балок Тимошенко без осевых эффектов предполагается, что смещения балки определяются выражением
![u_x (x, y, z, t) = -z ~ varphi (x, t) ~; ~~ u_y (x, y, z, t) = 0 ~; ~~ u_z (x, y, z, t) = w (х, t)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/676c84a164e1eaeeff58530f96e14a27bb83cdd9)
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]
![ho Afrac {partial ^ {2} w} {partial t ^ {2}} - q (x, t) = frac {partial} {partial x} left [kappa AG left (frac {partial w} {partial x} - varphiight) ight]](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e5ae3e2d14c1b5e59f0e4cd53c7a506b7d1111f8)
![ho Ifrac {partial ^ {2} varphi} {partial t ^ {2}} = frac {partial} {partial x} left (EIfrac {partial varphi} {partial x} ight) + kappa AGleft (frac {partial w} { частичный x} -varphiight)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a20ee5b90bfc5d7bf6460c4696e713efc441a778)
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).![m: = ho A](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7f8383f6bd8207ae50acbc67ee32587b0dbc8204)
![J: = хо я](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cb3aa5c46b00e6fbe63176e091d9bca1d9ce1ab9)
Эти параметры не обязательно являются постоянными.
Для линейно-упругой, изотропной, однородной балки постоянного поперечного сечения эти два уравнения можно объединить, чтобы получить[9][10]
![{displaystyle EI ~ {cfrac {partial ^ {4} w} {partial x ^ {4}}} + m ~ {cfrac {partial ^ {2} w} {partial t ^ {2}}} - left (J + { cfrac {EIm} {kappa AG}} ight) {cfrac {partial ^ {4} w} {partial x ^ {2} ~ partial t ^ {2}}} + {cfrac {mJ} {kappa AG}} ~ { cfrac {partial ^ {4} w} {partial t ^ {4}}} = q (x, t) + {cfrac {J} {kappa AG}} ~ {cfrac {partial ^ {2} q} {partial t ^ {2}}} - {cfrac {EI} {kappa AG}} ~ {cfrac {partial ^ {2} q} {partial x ^ {2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ad0bc9975c80e34f5c43265f296b2d7f933c6430)
Вывод комбинированного уравнения балки Тимошенко. |
---|
Уравнения изгиба однородной балки Тимошенко постоянного сечения:![egin {align}
(1) & & quad m ~ frac {partial ^ 2 w} {partial t ^ 2} & = kappa AG ~ left (frac {partial ^ 2 w} {partial x ^ 2} - frac {partial varphi} {partial x } ight) + q (x, t) ~; ~~ m: = ho A
(2) & & quad J ~ frac {partial ^ 2 varphi} {partial t ^ 2} & = EI ~ frac {partial ^ 2 varphi} {partial x ^ 2} + kappa AG ~ left (frac {partial w} { частичный x} - varphiight) ~; ~~ J: = ho I
конец {выровнять}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/39bac1f177fb4fa6d2ade3db6671a894b5b1edee)
Из уравнения (1) в предположении подходящей гладкости имеем ![{displaystyle {egin {выравнивание} (3) && quad {frac {partial varphi} {partial x}} & = {cfrac {q} {kappa AG}} - {cfrac {m} {kappa AG}} ~ {frac {partial ^ {2} w} {partial t ^ {2}}} + {frac {partial ^ {2} w} {partial x ^ {2}}} (4) && quad {cfrac {partial ^ {3} varphi} {partial x ^ {3}}} & = {frac {1} {kappa AG}} {frac {partial ^ {2} q} {partial x ^ {2}}} - {frac {m} {kappa AG} } ~ {cfrac {partial ^ {4} w} {partial x ^ {2} partial t ^ {2}}} + {cfrac {partial ^ {4} w} {partial x ^ {4}}} (5 ) && quad {cfrac {partial ^ {3} varphi} {partial xpartial t ^ {2}}} & = {frac {1} {kappa AG}} {frac {partial ^ {2} q} {partial t ^ {2 }}} - {frac {m} {kappa AG}} ~ {cfrac {partial ^ {4} w} {partial t ^ {4}}} + {cfrac {partial ^ {4} w} {partial x ^ { 2} частичный t ^ {2}}} конец {выровнен}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5b691df83dd481e37b11915ed05de4e5b1703889)
Дифференцирующее уравнение (2) дает ![{displaystyle {egin {align} (6) && quad J ~ {frac {partial ^ {3} varphi} {partial xpartial t ^ {2}}} & = EI ~ {frac {partial ^ {3} varphi} {partial x ^ {3}}} + каппа AG ~ left ({frac {partial w ^ {2}} {partial x ^ {2}}} - {frac {partial varphi} {partial x}} ight) конец {выровнено}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f603c54c2d8eaac9432a1cced86f09e942dfe41b)
Подставляя уравнение (3), (4), (5) в уравнение (6) и переставляя, получаем ![{displaystyle {egin {выравниваться} EI ~ {cfrac {partial ^ {4} w} {partial x ^ {4}}} + m ~ {frac {partial ^ {2} w} {partial t ^ {2}}} -левый (J + {cfrac {mEI} {kappa AG}} ight) ~ {cfrac {partial ^ {4} w} {partial x ^ {2} partial t ^ {2}}} + {cfrac {mJ} {kappa AG}} ~ {cfrac {partial ^ {4} w} {partial t ^ {4}}} = q + {cfrac {J} {kappa AG}} ~ {frac {partial ^ {2} q} {partial t ^ {2}}} - {cfrac {EI} {kappa AG}} ~ {frac {partial ^ {2} q} {partial x ^ {2}}} конец {выровнено}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bf0069bfbad1d1b76a508bb5f3fdf20e7e379aa8)
|
Уравнение Тимошенко предсказывает критическую частоту
Для 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
![{displaystyle u_ {x} (x, y, z, t) = u_ {0} (x, t) -z ~ varphi (x, t) ~; ~~ u_ {y} (x, y, z, t). ) = 0 ~; ~~ u_ {z} (x, y, z, t) = w (x, t)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b72b0e1a9de9a2fcb22eae1dbd41770f592e21f0)
куда
это дополнительное смещение в
-направлении, то определяющие уравнения балки Тимошенко принимают вид
![egin {align}
m frac {partial ^ {2} w} {partial t ^ {2}} & = frac {partial} {partial x} left [kappa AG left (frac {partial w} {partial x} -varphiight) ight] + q (х, t)
J frac {partial ^ {2} varphi} {partial t ^ {2}} & = N (x, t) ~ frac {partial w} {partial x} + frac {partial} {partial x} left (EIfrac {partial varphi} {partial x} ight) + kappa AGleft (frac {partial w} {partial x} -varphiight)
конец {выровнять}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9c35d8e346f27ef78d0a9c29ac3449ed4fb94b21)
куда
и
- приложенная извне осевая сила. Любая внешняя осевая сила уравновешивается возникающим напряжением.
![N_ {xx} (x, t) = int _ {- h} ^ {h} сигма_ {xx} ~ dz](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6a93294a6bdfdaf304f940c4bd243671a943a054)
куда
- осевое напряжение, а толщина балки принята равной
.
Комбинированное уравнение балки с учетом эффектов осевой силы:
![EI ~ cfrac {частичный ^ 4 w} {частичный x ^ 4} + N ~ cfrac {частичный ^ 2 w} {частичный x ^ 2} + m ~ frac {частичный ^ 2 w} {частичный t ^ 2} - левый ( J + cfrac {mEI} {kappa AG} ight) ~ cfrac {partial ^ 4 w} {partial x ^ 2 partial t ^ 2} + cfrac {mJ} {kappa AG} ~ cfrac {partial ^ 4 w} {partial t ^ 4} = q + cfrac {J} {kappa AG} ~ frac {partial ^ 2 q} {partial t ^ 2} - cfrac {EI} {kappa AG} ~ frac {partial ^ 2 q} {partial x ^ 2 }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b74aab2b6fe86755a07dbce1a27e38a90fa51228)
Демпфирование
Если в дополнение к осевым силам принять демпфирующую силу, пропорциональную скорости, имеющую вид
![eta (x) ~ cfrac {частичный w} {частичный t}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/09593b5f93ee144caedd937d52824101fd5cf722)
связанные управляющие уравнения для балки Тимошенко принимают вид
![m frac {partial ^ {2} w} {partial t ^ {2}} + eta (x) ~ cfrac {partial w} {partial t} = frac {partial} {partial x} left [kappa AG left (frac { частичный w} {частичный x} -varphiight) ight] + q (x, t)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f72225eea89af02d344a6877126ab80e276b33c9)
![J frac {partial ^ {2} varphi} {partial t ^ {2}} = Nfrac {partial w} {partial x} + frac {partial} {partial x} left (EIfrac {partial varphi} {partial x} ight) + kappa AGleft (frac {partial w} {partial x} -varphiight)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/927ef8b210afb331bf5c439ce368587816021ecc)
и объединенное уравнение становится
![egin {align}
EI ~ cfrac {частичный ^ 4 w} {частичный x ^ 4} & + N ~ cfrac {частичный ^ 2 w} {частичный x ^ 2} + m ~ frac {частичный ^ 2 w} {частичный t ^ 2} - слева (J + cfrac {mEI} {kappa AG} ight) ~ cfrac {частичный ^ 4 w} {частичный x ^ 2 частичный t ^ 2} + cfrac {mJ} {kappa AG} ~ cfrac {частичный ^ 4 w} {частичный t ^ 4} + cfrac {J eta (x)} {kappa AG} ~ cfrac {partial ^ 3 w} {partial t ^ 3}
& -cfrac {EI} {kappa AG} ~ cfrac {partial ^ 2} {partial x ^ 2} left (eta (x) cfrac {partial w} {partial t} ight) + eta (x) cfrac {partial w} {partial t} = q + cfrac {J} {kappa AG} ~ frac {partial ^ 2 q} {partial t ^ 2} - cfrac {EI} {kappa AG} ~ frac {partial ^ 2 q} {partial x ^ 2}
конец {выровнять}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e7bbc7326d6222ff81f4e8bb19d7f405000c01f3)
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,
![каппа = cfrac {10 (1 + u)} {12 + 11u}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dfc12d664d0ea55b2aa91d3ba464a4327638948a)
а для сплошных круглых сечений
![каппа = cfrac {6 (1 + u)} {7 + 6u}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/eabec80fb8157edad9bb17ea896f2f63fec13797)
куда
- коэффициент Пуассона.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ 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
- ^ Елишаков И., 2020, Справочник по теориям пучка Тимошенко-Эренфеста и плиты Уфлянд-Миндлина, World Scientific, Сингапур, ISBN 978-981-3236-51-6
- ^ Григолюк Е.И., 2002, С.П. Тимошенко: Жизнь и судьба, М .: Издательство Авиационного института, 2002.
- ^ Тимошенко, С. П., 1921, О поправочном коэффициенте на сдвиг дифференциального уравнения поперечных колебаний стержней однородного поперечного сечения, Философский журнал, стр. 744.
- ^ Тимошенко, С. П., 1922, О поперечных колебаниях стержней однородного сечения., Философский журнал, стр. 125.
- ^ Bresse J.A.C., 1859, Cours de mécanique appliquée - Résistance des matériaux et stabilité des construction, Париж, Готье-Виллар (на французском языке)
- ^ Рэлей Лорд (Дж. В. С. Стратт), 1877–1878, Теория звука, Лондон: Macmillan (см. Также Довер, Нью-Йорк, 1945)
- ^ Балочные уравнения Тимошенко.
- ^ Томсон, В. Т., 1981, Теория вибрации с приложениями, второе издание. Прентис-Холл, Нью-Джерси.
- ^ 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.
- ^ «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.
- ^ Тимошенко, Стивен П., 1932 г., Schwingungsprobleme der Technik, Юлиус Спрингер.
- ^ 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.
- ^ Каупер, Г. Р., 1966, "Коэффициент сдвига в теории балки Тимошенко", J. Appl. Mech., Vol. 33, №2, стр. 335–340.
- ^ Стивен, Н. Г., 1980. "Коэффициент сдвига Тимошенко от балки, подвергшейся гравитационной нагрузке", Журнал прикладной механики, Vol. 47, № 1. С. 121–127.
- ^ Хатчинсон, Дж. Р., 1981, "Поперечные колебания балок, точные и приближенные решения", Журнал прикладной механики, Vol. 48, No. 12, pp. 923–928.
- ^ Ле, Кхань С., 1999 г., Колебания снарядов и стержней, Springer.
- ^ Стивен Тимошенко, Джеймс М. Гир. Механика материалов. Van Nostrand Reinhold Co., 1972. стр. 207.
- ^ Канеко, Т., 1975, "О поправке Тимошенко на сдвиг в вибрирующих балках", J. Phys. D: Прил. Phys., Vol. 8. С. 1927–1936.
- ^ «Экспериментальная проверка точности теории пучка Тимошенко», Р. А. Мендес-Сачес, А. Моралес, Дж. Флорес, Journal of Sound and Vibration 279 (2005) 508–512.
- ^ «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.