Материал: Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

лучения символьных решений содержатся в [1, 7]. Аналитические оценки прогиба могут быть полезны в нелинейном анализе [12] и задачах оптимизации ферм [18].

Библиографический список

1.Кийко, Л. К. Аналитическая оценка прогиба арочной фермы под действием ветровой нагрузки / Л. К. Кийко // Научный вестник. — 2016. — № 1 (7). — С. 247—254.

2.Кирсанов, М. Н. Анализ прогиба решетчатой балочной фермы распорного типа / М. Н. Кирсанов // Инженерно-строительный журнал. — 2015. — № 5 (57). — С. 58— 65.

3.Кирсанов, М. Н. Аналитический расчет решетчатой фермы / М. Н. Кирсанов // Моделирование и механика конструкций. — 2015. — № 2 (2). — С. 5.

4.Кирсанов, М. Н. Расчет пространственной стержневой системы, допускающей мгновенную изменяемость / М. Н. Кирсанов // Строительная механика и расчет сооружений. — 2012. —№ 3. — С. 48—51.

5.Кирсанов, М. Н. Maple и Maplet. Решение задач механики / М. Н. Кирсанов. — СПб: Лань, 2012. —

512 с.

6.Кирсанов, М. Н. Графы в Maple / М. Н. Кирсанов. — М.: Физматлит, 2007. — 168 с.

7.Тиньков, Д. В. Сравнительный анализ аналитических решений задачи о прогибе ферменных конструкций / Д. В. Тиньков // Инженерно-строительный журнал. — 2015. — № 5 (57). — С. 66—73.

8.Тиньков, Д. В. Оптимальная геометрия плоской балочной раскосной фермы с учетом линейной ползучести материала / Д. В. Тиньков // Инженерно-строительный журнал. — 2016. — № 1 (61). — С. 25—32.

9. Al-Shahrabi, A. M. Line of influence of the deflection for cantilever truss / A. M. Al-Shahrabi,

M.N. Kirsanov // Вестник научных конференций. — 2016. — № 2—1 (6). — P. 6—7

10.Bolotina, T. D. The deflection of the flat arch truss with a triangular lattice depending on the number of panels / T. D. Bolotina // Вестник научных конференций. — 2016. —№ 4—3 (8).— P. 7—8.

11.Dong, X. The dependence of the deflection of the truss from the position of the load for an arbitrary number of panels / X. Dong, M. N. Kirsanov // Вестник научных конференций. — 2016. — № 1—4 (5). — P. 6—7.

12.Galishnikova, V. V. Geometrically Nonlinear Analysis of Plane Trusses and Frames / V. V. Galishnikova, P. Dunaiski, P. J. Pahl. — Stellenbosch: SUN MeDIA, 2009. — 382 p.

13.Hutchinson, R. G. Microarchitectured cellular solids — the hunt for statically determinate periodic trusses / R. G. Hutchinson, N. A. Fleck // Math. Mech. — 2005. — Vol. 85, № 9. — P. 607 — 617.

14.Hutchinson, R. G. The structural performance of the periodic truss / R. G. Hutchinson, N. A. Fleck // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. — 2006. — Vol. 54, № 4. — P. 756—782.

15.Jiang, H. An analytical expression for the influence line of the truss / H. Jiang, M. N. Kirsanov // Вестник научных конференций. — 2016. — № 1—5 (5). — P.10—11.

16.Kirsanov, M. N. Effect of the choice of the instability criterion in creep on the solution of the rod structure optimization problem / M. N. Kirsanov// Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. — 1992. — Vol. 33, № 4. — P. 573—576.

17. Ponamareva, M. A. The displacement of the support trusses with parallel belts under uniform load /

M.A. Ponamareva // Научный альманах. — 2016. — № 4—3 (18). — P. 257—259.

18.Richardson, J. N. Robust topology optimization of truss structures with random loading and material properties: A multiobjective perspective/ J. N. Richardson, R. F. Coelho, S. Adriaenssens // Computers & Structures. — 2015. — Vol. 154, № 1. — P. 41—47.

19. Voropai, R. A. Analytical study of the horizontal stiffness of the flat statically determinate arch truss /

R.A. Voropai, I. Yu. Kazmiruk // Вестник научных конференций. — 2016. — № 2—1 (6).— P. 10—12

20.Voropai, R. A. Analysis of the deflection of the regular truss with cross type lattice / R. A. Voropai //

Научный альманах. — 2016. — № 4—3 (18). — P. 238—240.

References

1. Kiiko, L. K. Analiticheskaya otsenka progiba arochnoi fermy pod deistviem vetrovoi nagruzki /

L.K. Kiiko // Nauchnyi vestnik. — 2016. — № 1 (7). — S. 247—254.

2.Kirsanov, M. N. Analiz progiba reshetchatoi balochnoi fermy raspornogo tipa / M. N. Kirsanov // Inzhe- nerno-stroitel'nyi zhurnal. — 2015. — № 5 (57). — S. 58— 65.

3.Kirsanov, M. N. Analiticheskii raschet reshetchatoi fermy / M. N. Kirsanov // Modelirovanie i mekhanika konstruktsii. — 2015. — № 2 (2). — S. 5.

4.Kirsanov, M. N. Raschet prostranstvennoi sterzhnevoi sistemy, dopuskayushchei mgnovennuyu izmenyaemost' / M. N. Kirsanov // Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzhenii. — 2012. —№ 3. — S. 48—51.

5.Kirsanov, M. N. Maple i Maplet. Reshenie zadach mekhaniki / M. N. Kirsanov. — SPb: Lan', 2012. —

512 s.

6.Kirsanov, M. N. Grafy v Maple / M. N. Kirsanov. — M.: Fizmatlit, 2007. — 168 s.

156

7. Tin'kov, D. V. Sravnitel'nyi analiz analiticheskikh reshenii zadachi o progibe fermennykh konstruktsii /

D.V. Tin'kov // Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. — 2015. — № 5 (57). — S. 66—73.

8.Tin'kov, D. V. Optimal'naya geometriya ploskoi balochnoi raskosnoi fermy s uchetom lineinoi polzuchesti materiala / D. V. Tin'kov // Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. — 2016. — № 1 (61). — S. 25—32.

9. Al-Shahrabi, A. M. Line of influence of the deflection for cantilever truss / A. M. Al-Shahrabi,

M.N. Kirsanov // Vestnik nauchnykh konferentsii. — 2016. — № 2—1 (6). — P. 6—7

10.Bolotina, T. D. The deflection of the flat arch truss with a triangular lattice depending on the number of panels / T. D. Bolotina // Vestnik nauchnykh konferentsii. — 2016. —№ 4—3 (8).— P. 7—8.

11.Dong, X. The dependence of the deflection of the truss from the position of the load for an arbitrary

number of panels / X. Dong, M. N. Kirsanov // Vestnik nauchnykh konferentsii. — 2016. — № 1—4 (5). —

P.6—7.

12.Galishnikova, V. V. Geometrically Nonlinear Analysis of Plane Trusses and Frames / V. V. Galishnikova, P. Dunaiski, P. J. Pahl. — Stellenbosch: SUN MeDIA, 2009. — 382 p.

13.Hutchinson, R. G. Microarchitectured cellular solids — the hunt for statically determinate periodic trusses / R. G. Hutchinson, N. A. Fleck // Math. Mech. — 2005. — Vol. 85, № 9. — P. 607 — 617.

14.Hutchinson, R. G. The structural performance of the periodic truss / R. G. Hutchinson, N. A. Fleck // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. — 2006. — Vol. 54, № 4. — P. 756—782.

15.Jiang, H. An analytical expression for the influence line of the truss / H. Jiang, M. N. Kirsanov // Vestnik nauchnykh konferentsii. — 2016. — № 1—5 (5). — P. 10—11.

16.Kirsanov, M. N. Effect of the choice of the instability criterion in creep on the solution of the rod structure optimization problem / M. N. Kirsanov// Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. — 1992. — Vol. 33, № 4. — P. 573—576.

17. Ponamareva, M. A. The displacement of the support trusses with parallel belts under uniform load /

M.A. Ponamareva // Nauchnyi al'manakh. — 2016. — № 4—3 (18). — P. 257—259.

18.Richardson, J. N. Robust topology optimization of truss structures with random loading and material properties: A multiobjective perspective/ J. N. Richardson, R. F. Coelho, S. Adriaenssens // Computers & Structures. — 2015. — Vol. 154, № 1. — P. 41—47.

19. Voropai, R. A. Analytical study of the horizontal stiffness of the flat statically determinate arch truss /

R.A. Voropai, I. Yu. Kazmiruk // Vestnik nauchnykh konferentsii. — 2016. — № 2—1 (6). — P. 10—12

20.Voropai, R. A. Analysis of the deflection of the regular truss with cross type lattice / R. A. Voropai // Nauchnyi al'manakh. — 2016. — № 4—3 (18). — P. 238—240.

DEPENDENCE OF THE DEFLECTION

OF THE TRUSSES OF THE NUMBER OF PANELS

M. N. Kirsanov

National Research University «Moscow Energy Institute»

Russia, Moscow, tel.: +7(495)362-73-14, e-mail: c216@Ya.ru

M. N. Kirsanov, D. Sc. in Physics and Mathematics, Prof.

Statement of the problem. A scheme of a flat elastic statically determinate farm of a regular type with an arbitrary number of panes of a spacer type is investigated. The farm has four external connections. An analytical solution for the stresses in the bars and the deflection of the farm under the impact of loads of different types is sought.

Results. In the system of computer mathematics Maple using the formula of Maxwell-Mohr an analytical dependence of the deflection of the middle node in the farm size of farm and number of panels is obtained. In order to obtain a general formula the inductive method is used. It was found that for an odd number of panels the farm is kinematically altered. A matching field of possible speeds is found.

Conclusions. A lattice farm of the investigated type has a hidden and rather dangerous feature that emerged from the analytical solution. An inappropriate choice of the number of panels at the design stage the farm is instantly changeable. The asymptotics of a deflection according to the number of panels is identified.

Keywords: spatial farm, surfacing, deflection, ultimate properties, analytical solution.

157

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

УДК 534.1 : 69.04

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ ТОНКОСТЕННЫХ МНОГОПРОЛЕТНЫХ БАЛОК С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ВТОРИЧНЫХ СДВИГОВ

Г. И. Гребенюк, А. А. Гаврилов

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин),

Россия, г. Новосибирск, тел.: (383) 266-33-80, e-mail: greb@sibstrin.ru

Г. И. Гребенюк, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой строительной механики Оренбургский государственный университет

Россия, г. Оренбург, тел.: (3532) 37-25-13, e-mail: pialex@bk.ru

А. А. Гаврилов, канд. техн. наук, ст. преп. кафедры машиноведения

Постановка задачи. Исследуются многопролетные неразрезные балки тонкостенного бисимметричного сечения, имеющие участки как отрытого, так и замкнутого профиля. Решаются задачи статики, динамики и оптимизации балки.

Результаты. Предложены методики статического расчета и определения частот собственных колебаний многопролетных тонкостенных балок. Получены уравнения состояния балок с учетом сдвигов от изгиба и стесненного кручения, разработаны алгоритмы их решения. Выполнена постановка и разработан алгоритм решения задачи оптимизации рассматриваемых балок при ограничениях по прочности и частотам собственных колебаний.

Выводы. Полученные результаты иллюстрируют высокую степень влияния вторичных сдвигов на величины параметров состояния балок, имеющих участки замкнутого профиля, и позволяют более корректно ставить и решать задачи оптимизации параметров балок.

Ключевые слова: тонкостенный стержень, многопролетная балка, вторичные сдвиги, собственные частоты, оптимизация, варьируемые параметры, ограничения.

Введение. При расчетах тонкостенных стержневых конструкций на статические и динамические нагрузки актуален вопрос учета вторичных сдвигов, связанных со стесненностью депланации сечений. Учет подобных деформаций зачастую позволяет существенно уточнить не только усилия и перемещения, но и частоты собственных колебаний, что особо важно при наличии возбудителей колебаний, а также при постановке и решении задач оптимизации конструкций с ограничениями на частоты собственных колебаний. Влияние деформаций сдвига на величины напряжений оценивалось, например, в работах [11—13], аналогичные исследования по отношению к параметрам свободных колебаний тонкостенных стержней проведены в работах [2, 10].

Задачи колебаний тонкостенных стержней решались и зарубежными авторами. В работе [16] приведены решения дифференциальных уравнений поперечных колебаний балки Тимошенко, которые применяются для анализа вибрации тонкостенных балок. В работе [19] с использованием метода конечных элементов (МКЭ) проанализированы колебания балки Тимошенко с учетом поперечного сдвига и инерции вращения при различных граничных условиях. В [22] проведены исследования собственных частот колебаний однородных несимметричных тонкостенных балок. Результаты численного и экспериментального исследования собственных частот тонкостенной балки несимметричного открытого сечения с учетом деформации сдвига и инерции вращения сечений представлены в [14, 15]. В [18] проводился анализ колебаний тонкостенных изотропных балок в режимах высоких частот.

© Гребенюк Г. И., Гаврилов А. А., 2016

158

Вопросам оптимального проектирования конструкций, в том числе из тонкостенных стержней, посвящена работа [1], в которой проектируется шарнирно-опертая балка с сечением в виде симметричного и несимметричного двутавра. Задача оптимального проектирования стержневых систем из тонкостенных элементов рассматривается в работе [8]. В работах [17, 20] рассматриваются неразрезные тонкостенные балки. Учитываются ограничения по прочности и жесткости. В работе [21] учитываются ограничения по собственным частотам изгибных и изгибно-крутильных колебаний стальных тонкостенных балок прокатных профилей.

Анализ содержания приведенных работ показал, что вопросы учета влияния вторичных сдвигов на результаты расчетов исследованы пока недостаточно. В первую очередь это относится к разработке эффективных численных алгоритмов расчета (например, многопролетных балок) и к задачам оптимизации тонкостенных балок. Между тем оптимальные геометрические характеристики конструкции позволят не только обеспечить прочность, жесткость и устойчивость конструкции при наилучшем значении критерия качества, но и избежать появления резонансных частот в указанном диапазоне.

Целью данной работы являлось развитие теории статического и динамического расчета многопролетных неразрезных балок тонкостенного профиля комбинированного сечения с учетом вторичных сдвигов и разработка алгоритма оптимизации этих балок по выбранному критерию качества при ограничениях по прочности и частотам собственных колебаний.

1. Расчет на прочность. За основу приняты положения теории тонкостенных стержней, учитывающей сдвиги как от изгиба, так и от стесненного кручения [9].

На первом этапе определялись значения внутренних силовых факторов в опорных сечениях с помощью уравнений трех моментов и трех бимоментов, полученные в [9]:

где М1(i 1) , M1i , M1 i 1 , Bi 1, Bi , Bi 1 — значения моментов и бимоментов в опорных сечениях;

J1, Jk , J3 — осевой момент инерции, момент инерции при чистом кручении, момент инерции при стесненном кручении; k — изгибно-крутильная характеристика:

k11, k33 — коэффициенты формы сечения.

В дальнейшем получены в [6, 7] и использовались для определения перемещений сечений в отдельных пролетах аналитические выражения:

159

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

где εi(z), β1i(z), ζi(z), ψi(z) — перемещение центра изгиба вдоль оси y, угол поворота сечения, угол закручивания и функция депланации в пролете; M1i(z), Q2i(z), B1i(z), M3i(z) — изгибающий момент, поперечная сила, бимомент и полный крутящий момент в сечении; ρ — плотность материала стержня; λ = (Jkk33 + 1).

Экстремальные значения исследуемых перемещений, благодаря аналитической форме выражений, исследовались известными методами, в данном случае методом последовательного приближения. Рассматривались балки с сечениями, показанными на рис. 1.

Рис. 1. Сечения балки с указанием опасных точек по нормальным напряжениям

160