Геометрические характеристики плоских сечений. Определение моментов инерции сечения при параллельном переносе осей Формулы переноса осей

Пусть известны и Ix, Iy, Ixy. Параллельно осям хy проведем новую ось x 1 , y 1 .

И определим момент инерции того же сечения относительно новых осей.

X 1 = x-a ; y 1 =y-b

I x 1 = ∫ y 1 dA = ∫ (y-b) 2 dA = ∫ (y 2 - 2by + b 3)dA = ∫ y 2 dA – 2b ∫ ydA + b 2 ∫dA=

Ix – 2b Sx + b 2 A.

Если ось x проходит через центр тяжести сечения, то статический момент Sx =0.

I x 1 = Ix + b 2 A

Аналогично новой оси y 1 будем иметь формулу I y 1 = Iy + a 2 A

Центробежный момент инерции относительно новых осей

Ix 1 y 1 = Ixy – b Sx –a Sy + abA.

Если оси xy проходят через центр тяжести сечения, то Ix 1 y 1 = Ixy + abA

Если сечение симметрично, хотя бы одна из центральных осей совпадает с осью симметрии, то Ixy =0 , а значит Ix 1 y 1 = abA

Изменение моментов инерции при повороте осей.

Пусть известны осевые моменты инерции относительно осей xy.

Новую систему координат xy получим путем поворота старой системы на угол (a >0), если поворот против часовой стрелки.

Установим зависимость между старыми и новыми координатами площадки

y 1 =ab = ac – bc = ab- de

из треугольника acd:

ac/ad =cos α ac= ad*cos α

из треугольника oed:

de/od =sin α dc = od*sin α

Подставим эти значения в выражение для y

y 1 = ad cos α - od sin α = y cos α - x sin α .

Аналогично

x 1 = x cos α + y sin α .

Вычислим осевой момент инерции относительно новой оси x 1

Ix 1 = ∫y 1 2 dA = ∫ (y cos α - x sin α) 2 dA= ∫ (y 2 cos 2 α - 2xy sin α cos α + x 2 sin 2 α)dA= =cos 2 α ∫ y 2 dA – sin2 α ∫xy dA + sin 2 α ∫x 2 dA = Ix cos 2 α - Ixy sin2 α + Iy sin 2 α .

Аналогично Iy 1 = Ix sin 2 α - Ixy sin2 α + Iy cos 2 α .

Сложим левые и правые части полученных выражений:

Ix 1 + Iy 1 = Ix (sin 2 α + cos 2 α) + Iy (sin 2 α + cos 2 α) + Ixy (sin2 α - cos2 α).

Ix 1 + Iy 1 = Ix + Iy

Сумма осевых моментов инерции при повороте не меняется.

Определим центробежный момент инерции относительно новых осей. Представим значения x 1 ,y 1 .

Ix 1 y 1 = ∫x 1 y 1 dA = (Ix – Iy)/2*sin 2 α + Ixy cos 2 α .

Главные моменты и главные оси инерции.

Главными моментами инерции называют их экстремальные значения.

Оси, относительно которых получены экстремальные значения называются главными осями инерции. Они всегда взаимно перпендикулярны.

Центробежный момент инерции относительно главных осей всегда равен 0. Так как известно, что в сечении есть ось симметрии, то центробежный момент равен 0, значит ось симметрии является главной осью. Если взять первую производную от выражения I x 1 , затем приравнять её к “0”, то получим значение угла = соответствующего положению главных осей инерции.

tg2 α 0 = -

Если α 0 >0 ,то для определенного положения главных осей старую ось нужно повернуть против хода часовой стрелки. Одна из главных осей является max, а другая – min. При этом ось max всегда соответствует меньший угол с той случайной, осью относительно которой имеет больший осевой момент инерции. Экстремальные значения осевого момента инерции определяется по формуле:

Глава 2. Основные понятия сопротивления материалов. Задачи и методы.

При проектировании различных сооружений нужно решать различные вопросы прочности, жесткости, устойчивости.

Прочность – способность данного тела выдерживать различные нагрузки без разрушения.

Жесткость – способность конструкции воспринимать нагрузки без больших деформаций (перемещений). Предварительно допустимые значения деформации регламентируют строительные нормы и правила (СНИП).

Устойчивость

Рассмотрим сжатие гибкого стержня

Если нагрузку постепенно увеличивать, то сначала будет происходить укорочение стержня. При достижении силой F некоторой критической величины произойдет выпучивание стержня. - абсолютное укорочение.

При этом стержень не разрушается, но резко изменяет свою форму. Такое явление называется потерей устойчивости и приводит к разрушению.

Сопромат – это основы наук о прочности, жесткости, устойчивости инженерных конструкций. В сопромате используются методы теоретической механики, физики, математики. В отличии от теоретической механики сопромат учитывает изменение размеров и формы тел под действием нагрузки и температуры.

Оси, проходящие через центр тяжести плоской фигуры, называют центральными осями.
Момент инерции относительно центральной оси называется центральным моментом инерции.

Теорема

Момент инерции относительно какой-либо оси равен сумме момента инерции относительно центральной оси, параллельной данной, и произведения площади фигуры на квадрат расстояния между осями.

Для доказательства этой теоремы рассмотрим произвольную плоскую фигуру, площадь которой равна А , центр тяжести расположен в точке С , а центральный момент инерции относительно оси x будет I x .
Вычислим момент инерции фигуры относительно некоторой оси x 1 , параллельной центральной оси и отстоящей от нее на расстоянии а (рис) .

I x1 = Σ y 1 2 dA + Σ (y + a) 2 dA =
= Σ y 2 dA + 2a Σ y dA + a 2 Σ dA .

Анализируя полученную формулу, отмечаем, что первое слагаемое - осевой момент инерции относительно центральной оси, второе слагаемое - статический момент площади этой фигуры относительно центральной оси (следовательно, он равен нулю), а третье слагаемое после интегрирования может быть представлено в виде произведения a 2 A , т. е. в результате получим формулу:

I x1 = I x + а 2 А - теорема доказана.

На основании теоремы можно сделать вывод, что из ряда параллельных осей осевой момент инерции плоской фигуры будет наименьшим относительно центральной оси .

Главные оси и главные моменты инерции

Представим себе плоскую фигуру, моменты инерции которой относительно осей координат I x иI y , а полярный момент инерции относительно начала координат равен I ρ . Как было установлено ранее,

I x + I y = I ρ .

Если оси координат поворачивать в своей плоскости вокруг начала координат, то полярный момент инерции останется неизменным, а осевые моменты будут изменяться, при этом их сумма останется величиной постоянной. Поскольку сумма переменных величин постоянна, то одна из них уменьшается, а другая увеличивается, и наоборот.
Следовательно, при определенном положении осей один из осевых моментов достигнет максимального значения, а другой - минимального.

Оси, относительно которых моменты инерции имеют минимальное и максимальное значения, называют главными осями инерции.
Момент инерции относительно главной оси называется главным моментом инерции.

Если главная ось проходит через центр тяжести фигуры, она называется главной центральной осью, а момент инерции относительно такой оси - главным центральным моментом инерции.
Можно сделать вывод, что если фигура симметрична относительно какой-нибудь оси, то эта ось всегда будет одной из главных центральных осей инерции этой фигуры.

Центробежный момент инерции

Центробежным моментом инерции плоской фигуры называют взятую по всей площади сумму произведений элементарных площадок на расстояние до двух взаимно перпендикулярных осей:

I xy = Σ xy dA ,

где x , y - расстояния от площадки dA до осей x и y .
Центробежный момент инерции может быть положительным, отрицательным и равным нулю.

Центробежный момент инерции входит в формулы для определения положения главных осей несимметричных сечений.
В таблицах стандартных профилей содержится характеристика, которая называется радиусом инерции сечения , вычисляемая по формулам:

i x = √ (I x / A) , i y = √ (I y / A) , (здесь и далее знак "√" - знак корня)

где I x , I y - осевые моменты инерции сечения относительно центральных осей; А - площадь сечения.
Эта геометрическая характеристика используется при изучении внецентрального растяжения или сжатия, а также продольного изгиба.

Деформация кручения

Основные понятия о кручении. Кручение круглого бруса.

Кручением называют такой вид деформации, при котором в любом поперечном сечении бруса возникает только крутящий момент , т. е. силовой фактор, вызывающий круговое перемещение сечения относительно оси, перпендикулярной этому сечению, либо препятствующий такому перемещению. Другими словами - деформации кручения возникают, если к прямому брусу в плоскостях, перпендикулярных его оси приложить пару или пары сил.
Моменты этих пар сил называют скручивающими или вращающими. Вращающий момент обозначают Т .
Такое определение условно разделяет силовые факторы деформации кручения на внешние (скручивающие, вращающие моменты Т ) и внутренние (крутящие моменты М кр ).

В машинах и механизмах кручению наиболее часто подвергаются круглые или трубчатые валы, поэтому расчеты на прочность и жесткость чаще всего производят для таких узлов и деталей.

Рассмотрим кручение круглого цилиндрического вала.
Представьте резиновый цилиндрический вал у которого жестко закреплен один из концов, а на поверхности нанесена сетка из продольных линий и поперечных окружностей. К свободному концу вала приложим пару сил, перпендикулярно оси этого вала, т. е. закрутим его вдоль оси. Если внимательно рассмотреть линии сетки на поверхности вала, то можно заметить, что:
- ось вала, которую называют осью кручения, останется прямолинейной;
- диаметры окружностей останутся такими же, а расстояние между соседними окружностями не изменится;
- продольные линии на валу обратятся в винтовые линии.

Из этого можно заключить, что при кручении круглого цилиндрического бруса (вала) справедлива гипотеза плоских сечений, а также предположить, что радиусы окружностей остаются при деформации прямыми (поскольку их диаметры не изменились). А поскольку в сечениях вала отсутствуют продольные силы, то расстояние между ними сохраняется.

Следовательно, деформация кручения круглого вала заключается в повороте поперечных сечений относительно друг друга вокруг оси кручения, причем углы поворота их прямо пропорциональны расстояниям от закрепленного сечения - чем дальше от закрепленного конца вала находится какое-либо сечение, тем на больший угол относительно оси вала оно закручивается.
Для каждого сечения вала угол поворота равен углу закручивания части вала, заключенного между этим сечением и заделкой (закрепленным концом).


Угол (рис. 1 ) поворота свободного конца вала (концевого сечения) называется полным углом закручивания цилиндрического бруса (вала).
Относительным углом закручивания φ 0 называется отношение угла закручивания φ 1 к расстояниюl 1 от данного сечения до заделки (закрепленного сечения).
Если цилиндрический брус (вал) длиной l имеет постоянное сечение и нагружен скручивающим моментом на свободном конце (т. е. состоит из однородного геометрического участка), то справедливо утверждение:
φ 0 = φ 1 / l 1 = φ / l = const - величина постоянная.

Если мы рассмотрим тонкий слой на поверхности вышеупомянутого резинового цилиндрического бруса (рис. 1 ), ограниченный ячейкой сетки cdef , то заметим, что эта ячейка при деформации перекашивается, и ее сторона, удаленная от закрепленного сечения, смещается в сторону закручивания бруса, занимая положение cde 1 f 1 .

Следует отметить, что аналогичная картина наблюдается при деформации сдвига, только в этом случае поверхность деформируется из-за поступательного перемещения сечений друг относительно друга, а не из-за вращательного перемещения, как при деформации кручения. На основании этого можно сделать вывод, что при кручении в поперечных сечениях возникают только касательные внутренние силы (напряжения), образующие крутящий момент.

Итак, крутящий момент есть результирующий момент относительно оси бруса внутренних касательных сил, действующих в поперечном сечении.

Определим зависимость между различными моментами инер­ции се­чения от­но­сительно двух параллельных осей (рис. 6.7), связанных зави­си­мос­тями

1. Для статических моментов инерции

Окончательно,

2. Для осевых моментов инерции

следовательно,

Если ось z проходит через центр тяжести сечения, то

Из всех моментов инерции относительно параллельных осей осе­­­вой момент инерции имеет наименьшее значение относительно оси, проходя­щей через центр тяжести сечения.

Аналогично для оси

Когда осьy проходит через центр тяжести сечения

3. Для центробежных моментов инерции получим

Окончательно можно записать

В случае, когда начало системы координат yz находится в цент­ре тя­же­сти сечения, получим

В случае, когда одна или обе оси являются осями симметрии,

6.7. Изменение моментов инерции при повороте осей

Пусть заданы моменты инерции сечения относительно координат­ных осей zy .

Требуется определить моменты инерции того же сечения от­но­си­те­ль­но осей, повернутых на некоторый уголпо отношению к систе­ме ко­­­ординатzy (рис. 6.8).

Уголсчитается положительным, если старую систему ко­ор­ди­нат для перехода к новой нужно повернуть против часовой стрелки (для пра­вой декартовой прямоугольной системы координат). Новаяи стараяzy системы координат связаны зависимостями, которые сле­дуют из рис. 6.8:

1. Определим выражения для осевых моментов инерции относи­те­ль­­но осей новой системы координат:

Аналогично относительно оси

Если сложить величины моментов инерции относительно осей и, то получим

т. е. при повороте осей сумма осевых моментов инерции является ве­ли­чи­­ной постоянной.

2. Выведем формулы для центробежных моментов инерции.

.

6.8. Главные моменты инерции. Главные оси инерции

Экстремальные значения осевых моментов инерции сечения на­зы­ваются главными моментами инерции.

Две взаимно перпендикулярные оси, относительно которых осе­вые мо­менты инерции имеют экстремальные значения, называются глав­­ны­­­ми осями инерции.

Для нахождения главных моментов инерции и положения глав­ных осей инерции определим первую производную по углу от мо­мен­та инер­­­ции, определенного по формуле (6.27)

Приравняем этот результат нулю:

где - угол, на который нужно повернуть координатные осиy иz , что­­­бы они совпали с главными осями.

Сравнивая выражения (6.30) и (6.31), можно установить, что

,

Следовательно, относительно главных осей инерции центро­бе­ж­­­ный мо­­мент инерции равен нулю.

Взаимно перпендикулярные оси, из которых одна или обе сов­па­да­ют с осями симметрии сечения, всегда являются главными осями инер­ции.

Решим уравнение (6.31) относительно угла :

.

Если >0, то для определения положения одной из главных осей инер­ции для правой (левой) декартовой прямоугольной сис­темы ко­ор­ди­­нат необходимо осьz повернуть на уголпротив хода вра­ще­ния (по хо­­ду вращения) часовой стрелки. Если<0, то для оп­ре­деления по­ло­же­ния одной из главных осей инерции для пра­вой (левой) де­кар­то­вой пря­мо­у­го­ль­ной системы координат необ­хо­димо осьz повернуть на уголпо ходу вращения (против хода вра­ще­ния) часовой стрелки.

Ось максимум всегда составляет меньший угол с той из осей (y илиz ), относительно которой осевой момент инерции имеет большее зна­че­ние (рис. 6.9).

Ось максимум направлена под углом к оси(), если() и расположена в четных (нечетных) четвертях осей, если().

Определим главные моменты инерции и. Используя фор­му­­­лы из тригонометрии, связывающие функции,,,с функциями,,из формулы (6.27) по­лу­чим

,

Введем декартову прямоугольную систему координат O xy . Рассмотрим в плоскости координат произвольное сечение (замкнутую область) с площадью A (рис. 1).

Статическими моментами

Точка C с координатами (x C , y C)

называется центром тяжести сечения .

Если оси координат проходят через центр тяжести сечения, то статические моменты сечения равны нулю:

Осевыми моментами инерции сечения относительно осей x и y называются интегралы вида:

Полярным моментом инерции сечения относительно начала координат называется интеграл вида:

Центробежным моментом инерции сечения называется интеграл вида:

Главными осями инерции сечения называются две взаимно перпендикулярные оси, относительно которых I xy =0. Если одна из взаимно перпендикулярных осей является осью симметрии сечения, то I xy =0 и, следовательно, эти оси - главные. Главные оси, проходящие через центр тяжести сечения, называются главными центральными осями инерции сечения

2.Теорема Штейнера-Гюйгенса о параллельном переносе осей

Теорема Штейнера-Гюйгенса (теорема Штейнера).
Осевой момент инерции сечения I относительно произвольной неподвижной оси x равен сумме осевого момента инерции этого сечения I с относительной параллельной ей оси x * , проходящей через центр масс сечения, и произведения площади сечения A на квадрат расстояния d между двумя осями.

Если известны моменты инерции I x и I y относительно осей x и y, то относительно осей ν и u, повернутых на угол α, моменты инерции осевые и центробежный вычисляют по формулам:

Из приведенных формул видно, что

Т.е. сумма осевых моментов инерции при повороте взаимно перпендикулярных осей не меняется, т.е.оси u и v, относительно которых центробежный момент инерции сечения равен нулю, а осевые моменты инерции І u и I v имеют экстремальные значения max или min, называют главными осями сечения. Главные оси, проходящие через центр тяжести сечения, называются главными центральными осями сечения . Для симметричных сечений оси их симметрии всегда являются главными центральными осями. Положение главных осей сечения относительно других осей определяют, используя соотношение:

где α 0 – угол, на который надо развернуть оси x и y, чтобы они стали главными (положительный угол принято откладывать против хода часовой стрелки, отрицательный – по ходу часовой стрелки). Осевые моменты инерции относительно главных осей называются главными моментами инерции :

знак плюс перед вторым слагаемым относится к максимальному моменту инерции, знак минус – к минимальному.

Дано: моменты инерции фигуры относительно осей z, y; расстояния между этими и параллельными осями z 1 , y 1 – a, b.

Определить: моменты инерции относительно осей z 1 , y 1 (рис.4.7).

Координаты любой точки в новой системе z 1 Oy 1 можно выразить через координаты в старой системе так:

z 1 = z + b, y 1 = y + a.

Подставляем эти значения в формулы (4.6) и (4.8) и интегрируем почленно:

В соответствии с формулами (4.1) и (4.6) получим

,

, (4.13)

Если исходные данные оси zCy – центральные, то статические моменты S z и

S y равны нулю и формулы (4.13) упрощаются:

,

, (4.14)

.

Пример: определить осевой момент инерции прямоугольника относительно оси z 1 , проходящей через основание (рис.4.6,а). По формуле (4.14)

4.4. Зависимость между моментами инерции при повороте осей

Дано: моменты инерции произвольной фигуры относительно координатных осей z, y; угол поворота этих осей α (рис.4.8). Считаем угол поворота против часовой стрелки положительным.

Определить: моменты инерции фигуры относительно z 1 , y 1 .

Координаты произвольной элементарной площадки dF в новых осях выражаются через координаты прежней системы осей следующим образом:

z 1 = OB = OE + EB = OE + DC = zcos α + ysin α,

y 1 = AB = AC – BC = AC – ED = ycos α – zsin α.

Подставим эти значения в (4.6) и (4.8) и проинтегрируем почленно:

,

,

Учитывая формулы (4.6) и (4.8), окончательно находим:

. (4.16)

Складывая формулы (4.15), получим: (4.17)

Таким образом, при повороте осей сумма осевых моментов инерции остаётся постоянной . При этом каждый из них меняется в соответствии с формулами (4.15). Ясно, что при каком-то положении осей моменты инерции будут иметь экстремальные значения: один из них будет наибольшим, другой – наименьшим.

4.5. Главные оси и главные моменты инерции

Наибольшее практическое значение имеют главные центральные оси, центробежный момент инерции относительно которых равен нулю. Будем обозначать такие оси буквами u, υ. Следовательно, J uυ = 0. Начальную произвольную систему координат z, y надо повернуть на такой угол α 0 , чтобы центробежный момент инерции стал равным нулю. Приравняв нулю (4.16), получим

. (4.18)

Оказывается, что теория моментов инерции и теория плоского напряжённого состояния описываются одним и тем же математическим аппаратом, так как формулы (4.15) – (4.18) идентичны формулам (3.10), (3.11) и (3.18). Только вместо нормальных напряжений σ записываются осевые моменты инерции J z и J y , а вместо касательных напряжений τ zy – центробежный момент инерции J zy . Поэтому формулы для главных осевых моментов инерции приводим без вывода, по аналогии с формулами (3.18):

.(4.19)

Полученные из (4.18) два значения угла α 0 отличаются друг от друга на 90 0 , меньший из этих углов по абсолютной величине не превышает 45 0 .

Радиус инерции и момент сопротивления

Момент инерции фигуры относительно какой-либо оси можно представить в виде произведения площади фигуры на квадрат некоторой величины, называемой радиусом инерции :

, (4.20)

где i z – радиус инерции относительно оси z.

Из выражения (4.20) следует, что

,
. (4.21)

Главным центральным осям инерции соответствуют главные радиусы инерции

,
. (4.22)

Зная главные радиусы инерции, можно графическим способом найти радиус инерции (а, следовательно, и момент инерции) относительно произвольной оси.

Рассмотрим еще одну геометрическую характеристику, характеризующую прочность стержня при кручении и изгибе – момент сопротивления . Момент сопротивления равен моменту инерции, делённому на расстояние от оси (или от полюса) до наиболее удалённой точки сечения. Размерность момента сопротивления – единица длины в кубе (см 3).

Для прямоугольника (рис.4.6,а)
,
, поэтому осевые моменты сопротивления

,
. (4.23)

Для круга
(рис.4.6,б),
, поэтому полярный момент сопротивления

. (4.24)

Для круга
,
, поэтому осевой момент сопротивления

. (4.25)