Метод Маколея

редактировать

Метод Маколея (метод двойного интегрирования) представляет собой метод, используемый в структурном анализе для определения отклонения от Эйлера-Бернулли пучков. Использование техники Маколея очень удобно в случаях прерывистой и / или дискретной нагрузки. Обычно с помощью этого метода удобно обрабатывать частичные равномерно распределенные нагрузки (udl) и равномерно изменяющиеся нагрузки (uvl) по пролету и ряд сосредоточенных нагрузок.

Первое описание метода на английском языке было сделано Маколеем. Фактический подход, по-видимому, был разработан Клебшем в 1862 году. Метод Маколея был обобщен для балок Эйлера-Бернулли с осевым сжатием, балок Тимошенко, упругих оснований и проблем, в которых жесткость на изгиб и сдвиг изменяется в балке скачкообразно..

Содержание

1 Метод
2 Пример: балка без опоры с точечной нагрузкой
- 2.1 Граничные условия
- 2.2 Максимальный прогиб
- 2.3 Прогиб в точке приложения нагрузки
- 2.4 Прогиб в средней точке
- 2.5 Частный случай симметрично приложенной нагрузки
3 ссылки
4 См. Также

Метод

Отправной точкой является соотношение из теории пучков Эйлера-Бернулли.

{\ displaystyle \ pm EI {\ dfrac {d ^ {2} w} {dx ^ {2}}} = M}

\ pm EI {\ dfrac {d ^ {2} w} {dx ^ {2}}} = M

Где прогиб, а это изгибающий момент. Это уравнение проще, чем уравнение пучка четвертого порядка, и его можно проинтегрировать дважды, чтобы определить, известно ли значение как функция от. Для общих нагрузок может быть выражено в виде ${\ displaystyle w}$ $ш$ ${\ displaystyle M}$ $M$ ${\ displaystyle w}$ $ш$ ${\ displaystyle M}$ $M$ ${\ displaystyle x}$ $Икс$ ${\ displaystyle M}$ $M$

{\ Displaystyle M = M_ {1} (x) + P_ {1} \ langle x-a_ {1} \ rangle + P_ {2} \ langle x-a_ {2} \ rangle + P_ {3} \ langle x -a_ {3} \ rangle + \ точки}

M = M_ {1} (x) + P_ {1} \ langle x-a_ {1} \ rangle + P_ {2} \ langle x-a_ {2} \ rangle + P_ {3} \ langle x-a_ { 3} \ rangle + \ точки

где величины представляют изгибающие моменты от точечных нагрузок, а величина - скобка Маколея, определяемая как ${\ displaystyle P_ {i} \ langle x-a_ {i} \ rangle}$ $P_ {i} \ langle x-a_ {i} \ rangle$ ${\ Displaystyle \ langle х-а_ {я} \ rangle}$ $\ langle x-a_ {i} \ rangle$

{\ displaystyle \ langle x-a_ {i} \ rangle = {\ begin {cases} 0 amp; \ mathrm {if} ~ x lt;a_ {i} \\ x-a_ {i} amp; \ mathrm {if} ~ xgt; а_ {i} \ end {case}}}

\ langle x-a_ {i} \ rangle = {\ begin {cases} 0 amp; {\ mathrm {if}} ~ x lt;a_ {i} \\ x-a_ {i} amp; {\ mathrm {if}} ~ x gt; a_ {i} \ end {case}}

Обычно при интеграции мы получаем ${\ displaystyle P (xa)}$ $P (ха)$

{\ displaystyle \ int P (xa) ~ dx = P \ left [{\ cfrac {x ^ {2}} {2}} - ax \ right] + C}

\ int P (xa) ~ dx = P \ left [{\ cfrac {x ^ {2}} {2}} - ax \ right] + C

Однако при интегрировании выражений, содержащих скобки Маколея, мы имеем

{\ displaystyle \ int P \ langle xa \ rangle ~ dx = P {\ cfrac {\ langle xa \ rangle ^ {2}} {2}} + C_ {m}}

\ int P \ langle xa \ rangle ~ dx = P {\ cfrac {\ langle xa \ rangle ^ {2}} {2}} + C_ {m}

с разницей между двумя выражениями, содержащимися в константе. Использование этих правил интегрирования упрощает расчет прогиба балок Эйлера-Бернулли в ситуациях, когда имеется несколько точечных нагрузок и точечных моментов. Метод Маколея предшествует более сложным концепциям, таким как дельта-функции Дирака и ступенчатые функции, но дает те же результаты для задач пучка. ${\ displaystyle C_ {m}}$ $См$

Пример: балка с простой опорой и точечной нагрузкой

Балка с простой опорой и одной эксцентричной сосредоточенной нагрузкой.

На иллюстрации метода Маколея рассматривается балка с простой опорой и одной эксцентричной сосредоточенной нагрузкой, как показано на рисунке рядом. Первый шаг - найти. Реакции на опорах A и C определяются из баланса сил и моментов как ${\ displaystyle M}$ $M$

{\ displaystyle R_ {A} + R_ {C} = P, ~~ LR_ {C} = Pa}

R_ {A} + R_ {C} = P, ~~ LR_ {C} = Па

Следовательно, и изгибающий момент в точке D между A и B () определяется выражением ${\ Displaystyle R_ {A} = Pb / L}$ $R_ {A} = Pb / L$ ${\ Displaystyle 0 lt;х lt;а}$ $0 lt;х lt;а$

{\ Displaystyle M = R_ {A} x = Pbx / L}

M = R_ {A} x = Pbx / L

Используя соотношение момент-кривизна и выражение Эйлера-Бернулли для изгибающего момента, имеем

{\ displaystyle EI {\ dfrac {d ^ {2} w} {dx ^ {2}}} = {\ dfrac {Pbx} {L}}}

EI {\ dfrac {d ^ {2} w} {dx ^ {2}}} = {\ dfrac {Pbx} {L}}

Интегрируя это уравнение, мы получаем, для, ${\ Displaystyle 0 lt;х lt;а}$ $0 lt;х lt;а$

{\ displaystyle {\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} amp; = {\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} + C_ {1} amp;amp; \ quad \ mathrm {(i) } \\ EIw amp; = {\ dfrac {Pbx ^ {3}} {6L}} + C_ {1} x + C_ {2} amp;amp; \ quad \ mathrm {(ii)} \ end {выровнено}}}

{\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} amp; = {\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} + C_ {1} amp;amp; \ quad {\ mathrm {(i)}} \\ EIw amp; = {\ dfrac {Pbx ^ {3}} {6L}} + C_ {1} x + C_ {2} amp;amp; \ quad {\ mathrm {(ii)}} \ end {выровнено}}

В ${\ displaystyle x = a _ {-}}$ $х = а _ {{-}}$

{\ displaystyle {\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} (a _ {-}) amp; = {\ dfrac {Pba ^ {2}} {2L}} + C_ {1} amp;amp; \ quad \ mathrm {(iii)} \\ EIw (a _ {-}) amp; = {\ dfrac {Pba ^ {3}} {6L}} + C_ {1} a + C_ {2} amp;amp; \ quad \ mathrm {( iv)} \ end {выровнен}}}

{\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} (a _ {{-}}) amp; = {\ dfrac {Pba ^ {2}} {2L}} + C_ {1} amp;amp; \ quad { \ mathrm {(iii)}} \\ EIw (a _ {{-}}) amp; = {\ dfrac {Pba ^ {3}} {6L}} + C_ {1} a + C_ {2} amp;amp; \ quad { \ mathrm {(iv)}} \ end {выровненный}}

Для точки D в области BC () изгибающий момент равен ${\ Displaystyle а lt;х lt;L}$ $а lt;х lt;L$

{\ Displaystyle M = R_ {A} xP (xa) = Pbx / LP (xa)}

M = R_ {A} xP (xa) = Pbx / LP (xa)

В подходе Маколея мы используем форму скобки Маколея в приведенном выше выражении, чтобы представить тот факт, что точечная нагрузка была приложена в точке B, т. Е.

{\ displaystyle M = {\ frac {Pbx} {L}} - P \ langle xa \ rangle}

M = {\ frac {Pbx} {L}} - P \ langle xa \ rangle

Следовательно, уравнение пучка Эйлера-Бернулли для этой области имеет вид

{\ displaystyle EI {\ dfrac {d ^ {2} w} {dx ^ {2}}} = {\ dfrac {Pbx} {L}} - P \ langle xa \ rangle}

EI {\ dfrac {d ^ {2} w} {dx ^ {2}}} = {\ dfrac {Pbx} {L}} - P \ langle xa \ rangle

Интегрируя приведенное выше уравнение, получаем: ${\ Displaystyle а lt;х lt;L}$ $а lt;х lt;L$

{\ displaystyle {\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} amp; = {\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} - P {\ cfrac {\ langle xa \ rangle ^ {2 }} {2}} + D_ {1} amp;amp; \ quad \ mathrm {(v)} \\ EIw amp; = {\ dfrac {Pbx ^ {3}} {6L}} - P {\ cfrac {\ langle xa \ rangle ^ {3}} {6}} + D_ {1} x + D_ {2} amp;amp; \ quad \ mathrm {(vi)} \ end {выравнивается}}}

{\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} amp; = {\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} - P {\ cfrac {\ langle xa \ rangle ^ {2}} { 2}} + D_ {1} amp;amp; \ quad {\ mathrm {(v)}} \\ EIw amp; = {\ dfrac {Pbx ^ {3}} {6L}} - P {\ cfrac {\ langle xa \ rangle ^ {3}} {6}} + D_ {1} x + D_ {2} amp;amp; \ quad {\ mathrm {(vi)}} \ end {выровнено}}

В ${\ Displaystyle х = _ {+}}$ $х = а _ {{+}}$

{\ displaystyle {\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} (a _ {+}) amp; = {\ dfrac {Pba ^ {2}} {2L}} + D_ {1} amp;amp; \ quad \ mathrm {(vii)} \\ EIw (a _ {+}) amp; = {\ dfrac {Pba ^ {3}} {6L}} + D_ {1} a + D_ {2} amp;amp; \ quad \ mathrm {( viii)} \ end {выровненный}}}

{\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} (a _ {{+}}) amp; = {\ dfrac {Pba ^ {2}} {2L}} + D_ {1} amp;amp; \ quad { \ mathrm {(vii)}} \\ EIw (a _ {{+}}) amp; = {\ dfrac {Pba ^ {3}} {6L}} + D_ {1} a + D_ {2} amp;amp; \ quad { \ mathrm {(viii)}} \ end {выровненный}}

Сравнивая уравнения (iii) и (vii) и (iv) и (viii), мы замечаем, что из-за непрерывности в точке B, и. Вышеупомянутое наблюдение подразумевает, что для двух рассматриваемых областей, хотя уравнения для изгибающего момента и, следовательно, для кривизны разные, константы интегрирования, полученные при последовательном интегрировании уравнения кривизны для двух областей, одинаковы. ${\ displaystyle C_ {1} = D_ {1}}$ $C_ {1} = D_ {1}$ ${\ displaystyle C_ {2} = D_ {2}}$ $C_ {2} = D_ {2}$

Вышеприведенный аргумент справедлив для любого количества / типа разрывов в уравнениях кривизны, при условии, что в каждом случае уравнение сохраняет член для последующей области в форме и т. Д. Следует помнить, что для любого x, давая величины в пределах квадратными скобками, как и в приведенном выше случае, -ve следует пренебречь, а вычисления следует проводить с учетом только тех величин, которые дают знак + ve для членов в скобках. ${\ displaystyle \ langle xa \ rangle ^ {n}, \ langle xb \ rangle ^ {n}, \ langle xc \ rangle ^ {n}}$ $\ langle xa \ rangle ^ {n}, \ langle xb \ rangle ^ {n}, \ langle xc \ rangle ^ {n}$

Возвращаясь к проблеме, у нас есть

{\ displaystyle EI {\ dfrac {d ^ {2} w} {dx ^ {2}}} = {\ dfrac {Pbx} {L}} - P \ langle xa \ rangle}

EI {\ dfrac {d ^ {2} w} {dx ^ {2}}} = {\ dfrac {Pbx} {L}} - P \ langle xa \ rangle

Очевидно, что следует рассматривать только первый член, и как члены, так и решение ${\ Displaystyle х lt;а}$ $х lt;а$ ${\ displaystyle xgt; a}$ $хgt; а$

{\ displaystyle {\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} amp; = \ left [{\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} + C_ {1} \ right] - {\ cfrac {P \ langle xa \ rangle ^ {2}} {2}} \\ EIw amp; = \ left [{\ dfrac {Pbx ^ {3}} {6L}} + C_ {1} x + C_ {2} \ right] - {\ cfrac {P \ langle xa \ rangle ^ {3}} {6}} \ end {align}}}

{\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} amp; = \ left [{\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} + C_ {1} \ right] - {\ cfrac {P \ langle xa \ rangle ^ {2}} {2}} \\ EIw amp; = \ left [{\ dfrac {Pbx ^ {3}} {6L}} + C_ {1} x + C_ {2} \ right] - {\ cfrac {P \ langle xa \ rangle ^ {3}} {6}} \ end {align}}

Обратите внимание, что константы помещаются сразу после первого члена, чтобы указать, что они соответствуют первому члену when и обоим терминам when. Скобки Маколея служат напоминанием о том, что количество справа равно нулю при рассмотрении точек с. ${\ Displaystyle х lt;а}$ $х lt;а$ ${\ displaystyle xgt; a}$ $хgt; а$ ${\ Displaystyle х lt;а}$ $х lt;а$

Граничные условия

Как в,. Кроме того, как на, ${\ displaystyle w = 0}$ $w = 0$ ${\ displaystyle x = 0}$ $х = 0$ ${\ displaystyle C2 = 0}$ $C2 = 0$ ${\ displaystyle w = 0}$ $w = 0$ ${\ displaystyle x = L}$ $х = L$

{\ displaystyle \ left [{\ dfrac {PbL ^ {2}} {6}} + C_ {1} L \ right] - {\ cfrac {P (La) ^ {3}} {6}} = 0}

\ left [{\ dfrac {PbL ^ {2}} {6}} + C_ {1} L \ right] - {\ cfrac {P (La) ^ {3}} {6}} = 0

или,

{\ displaystyle C_ {1} = - {\ cfrac {Pb} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) ~.}

C_ {1} = - {\ cfrac {Pb} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) ~.

Следовательно,

{\ displaystyle {\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} amp; = \ left [{\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} - {\ cfrac {Pb} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) \ right] - {\ cfrac {P \ langle xa \ rangle ^ {2}} {2}} \\ EIw amp; = \ left [{\ dfrac {Pbx ^ { 3}} {6L}} - {\ cfrac {Pbx} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) \ right] - {\ cfrac {P \ langle xa \ rangle ^ {3}} {6}} \ end {align}}}

{\ begin {align} EI {\ dfrac {dw} {dx}} amp; = \ left [{\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} - {\ cfrac {Pb} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) \ right] - {\ cfrac {P \ langle xa \ rangle ^ {2}} {2}} \\ EIw amp; = \ left [{\ dfrac {Pbx ^ {3}} {6L}} - {\ cfrac {Pbx} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) \ right] - {\ cfrac {P \ langle xa \ rangle ^ {3}} {6} } \ конец {выровнено}}

Максимальный прогиб

Для быть максимально,. Предполагая, что это происходит, поскольку у нас есть ${\ displaystyle w}$ $ш$ ${\ displaystyle dw / dx = 0}$ $dw / dx = 0$ ${\ Displaystyle х lt;а}$ $х lt;а$

{\ displaystyle {\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} - {\ cfrac {Pb} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) = 0}

{\ dfrac {Pbx ^ {2}} {2L}} - {\ cfrac {Pb} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) = 0

или

{\ displaystyle x = \ pm {\ cfrac {(L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {1/2}} {\ sqrt {3}}}}

x = \ pm {\ cfrac {(L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {{1/2}}} {{\ sqrt {3}}}}

Ясно, что не может быть решением. Следовательно, максимальный прогиб определяется выражением ${\ displaystyle x lt;0}$ $х lt;0$

{\ displaystyle EIw _ {\ mathrm {max}} = {\ cfrac {1} {3}} \ left [{\ dfrac {Pb (L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {3/2}} {6 {\ sqrt {3}} L}} \ right] - {\ cfrac {Pb (L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {3/2}} {6 {\ sqrt {3}} L}}}

EIw _ {{{\ mathrm {max}}}} = {\ cfrac {1} {3}} \ left [{\ dfrac {Pb (L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {{3/2 }}} {6 {\ sqrt {3}} L}} \ right] - {\ cfrac {Pb (L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {{3/2}}} {6 {\ sqrt {3}} L}}

или,

{\ displaystyle w _ {\ mathrm {max}} = - {\ dfrac {Pb (L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {3/2}} {9 {\ sqrt {3}} EIL}} ~.}

w _ {{{\ mathrm {max}}}} = - {\ dfrac {Pb (L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {{3/2}}} {9 {\ sqrt {3}} EIL}} ~.

Прогиб в точке приложения нагрузки

В точке B прогиб равен ${\ Displaystyle х = а}$ $х = а$

{\ displaystyle EIw_ {B} = {\ dfrac {Pba ^ {3}} {6L}} - {\ cfrac {Pba} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) = {\ frac {Pba} {6L}} (a ^ {2} + b ^ {2} -L ^ {2})}

EIw_ {B} = {\ dfrac {Pba ^ {3}} {6L}} - {\ cfrac {Pba} {6L}} (L ^ {2} -b ^ {2}) = {\ frac {Pba} {6L}} (a ^ {2} + b ^ {2} -L ^ {2})

или

{\ displaystyle w_ {B} = - {\ cfrac {Pa ^ {2} b ^ {2}} {3LEI}}}

w_ {B} = - {\ cfrac {Pa ^ {2} b ^ {2}} {3LEI}}

Прогиб в средней точке

Поучительно изучить соотношение. В ${\ Displaystyle ш _ {\ mathrm {макс}} / ш (L / 2)}$ $ш _ {{{\ mathrm {max}}}} / ш (L / 2)$ ${\ Displaystyle х = L / 2}$ $х = L / 2$

{\ displaystyle EIw (L / 2) = {\ dfrac {PbL ^ {2}} {48}} - {\ cfrac {Pb} {12}} (L ^ {2} -b ^ {2}) = - {\ frac {Pb} {12}} \ left [{\ frac {3L ^ {2}} {4}} - b ^ {2} \ right]}

EIw (L / 2) = {\ dfrac {PbL ^ {2}} {48}} - {\ cfrac {Pb} {12}} (L ^ {2} -b ^ {2}) = - {\ frac {Pb} {12}} \ left [{\ frac {3L ^ {2}} {4}} - b ^ {2} \ right]

Следовательно,

{\ displaystyle {\ frac {w _ {\ mathrm {max}}} {w (L / 2)}} = {\ frac {4 (L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {3/2} } {3 {\ sqrt {3}} L \ left [{\ frac {3L ^ {2}} {4}} - b ^ {2} \ right]}} = {\ frac {4 (1 - {\ frac {b ^ {2}} {L ^ {2}}}) ^ {3/2}} {3 {\ sqrt {3}} \ left [{\ frac {3} {4}} - {\ frac {b ^ {2}} {L ^ {2}}} \ right]}} = {\ frac {16 (1-k ^ {2}) ^ {3/2}} {3 {\ sqrt {3} } \ left (3-4k ^ {2} \ right)}}}

{\ frac {w _ {{{\ mathrm {max}}}}} {w (L / 2)}} = {\ frac {4 (L ^ {2} -b ^ {2}) ^ {{3 / 2}}} {3 {\ sqrt {3}} L \ left [{\ frac {3L ^ {2}} {4}} - b ^ {2} \ right]}} = {\ frac {4 (1 - {\ frac {b ^ {2}} {L ^ {2}}}) ^ {{3/2}}} {3 {\ sqrt {3}} \ left [{\ frac {3} {4} } - {\ frac {b ^ {2}} {L ^ {2}}} \ right]}} = {\ frac {16 (1-k ^ {2}) ^ {{3/2}}} { 3 {\ sqrt {3}} \ left (3-4k ^ {2} \ right)}}

где и для. Даже когда нагрузка от опоры составляет 0,05L, ошибка в оценке прогиба составляет всего 2,6%. Следовательно, в большинстве случаев оценка максимального отклонения может быть произведена довольно точно с разумной погрешностью путем определения отклонения в центре. ${\ Displaystyle к = B / L}$ $k = B / L$ ${\ displaystyle a lt;b; 0 lt;k lt;0,5}$ $а lt;б; 0 lt;к lt;0,5$

Частный случай симметрично приложенной нагрузки

Когда, чтобы быть максимальным ${\ displaystyle a = b = L / 2}$ $а = Ь = L / 2$ ${\ displaystyle w}$ $ш$

{\ Displaystyle х = {\ cfrac {[L ^ {2} - (L / 2) ^ {2}] ^ {1/2}} {\ sqrt {3}}} = {\ frac {L} {2 }}}

x = {\ cfrac {[L ^ {2} - (L / 2) ^ {2}] ^ {{1/2}}} {{\ sqrt {3}}}} = {\ frac {L} { 2}}

а максимальный прогиб составляет

{\ displaystyle w _ {\ mathrm {max}} = - {\ dfrac {P (L / 2) b [L ^ {2} - (L / 2) ^ {2}] ^ {3/2}} {9 {\ sqrt {3}} EIL}} = - {\ frac {PL ^ {3}} {48EI}} = w (L / 2) ~.}

w _ {{{\ mathrm {max}}}} = - {\ dfrac {P (L / 2) b [L ^ {2} - (L / 2) ^ {2}] ^ {{3/2}} } {9 {\ sqrt {3}} EIL}} = - {\ frac {PL ^ {3}} {48EI}} = w (L / 2) ~.

Ссылки

Смотрите также