Формулы для определения главных моментов инерции сечения. Моменты инерции сечения. Моменты инерции сечений простой формы
Обратите внимание, на этом сайте есть онлайн-сервис для вычисления центра тяжести и моментов инерции составных сечений, которые состоят из прокатных профилей (двутавр, уголок и т.д.) и из простых фигур.
Часто при расчете элементов строительных конструкций приходится определять геометрические характеристики профилей, составленных из элементарных геометрических фигур (прямоугольник, круг и т.п.) и прокатных профилей. Рассмотрим подробно пример расчета.
Необходимо определить геометрические характеристики составного сечения (рис.), который состоит из уголка 20/12,5/1,2, уголка 14/1 и прямоугольника 20х2см.
Определение собственных характеристик отдельных профилей - составляющих сечения
Собственные характеристики прокатных профилей определяются из сортамента.
Для неравнополочного уголка 20/12,5/1,2:
- высота и ширина уголка h = 20 см, b = 12,5 см;
- площадь $A$= 37,9 см 2 ;
- собственные осевые моменты инерции ${I_x}$=1570 см 4 , ${I_y}$= 482 см 4 ;
- собственный центробежный момент инерции ${I_{xy}}$=505 см 4 ;
- координаты центра тяжести ${x_c}$= 2,83 см, ${y_c}$= 6,51 см.
Для равнополочного уголка 14/1:
- высота и ширина уголка h = b = 14 см;
- площадь $A$= 27,3 см 2 ;
- собственные осевые моменты инерции ${I_x}$= ${I_y}$= 512 см 4 ;
- собственный центробежный момент инерции ${I_{xy}}$=301 см 4 ;
- координаты центра тяжести ${x_c}$= ${y_c}$= 3,82 см.
Для прямоугольника 20х2см:
- высота и ширина прямоугольника h = 20 см, b = 2 см;
Площадь $A$= 20 ∙ 2 = 40 см 2 ;
- собственные осевые моменты инерции ${I_x} = \frac{{2 \cdot {{20}^3}}}{{12}} = 1330$ см 4 , ${I_y} = \frac{{20 \cdot {2^3}}}{{12}} = 13,3$см 4 ;
- собственный центробежный момент инерции ${I_{xy}}$= 0, так как профиль имеет ось симметрии.
Определение центра тяжести сечения
Общая площадь всего сечения A = 37,9+27,3+40 = 105см 2 .
Проводим вспомогательные оси $X$ и $Y$ и определяем относительно них центр тяжести сечения:
${X_c} = \frac{{\sum {{X_i} \cdot {A_i}} }}{A} = \frac{{{\text{37}}{\text{,9}} \cdot {\text{(- 13}}{\text{,5) + 27}}{\text{,3}} \cdot {\text{(- 3}}{\text{,82) + 40}} \cdot {\text{1}}}}{{{\text{105}}}}{\text{ = - 5}}{\text{,49}}$см;
${Y_c} = \frac{{\sum {{Y_i} \cdot {A_i}} }}{A} = \frac{{{\text{37}}{\text{,9}} \cdot {\text{(- 2}}{\text{,83) + 27}}{\text{,3}} \cdot {\text{10}}{\text{,2 + 40}} \cdot {\text{10}}}}{{105}} = 5,44$.
При этом в координатах центров тяжести составных обязанности ’ обязательно учитываем знак. Откладываем оси, которые проходят через центр тяжести - центральные оси $Xc$ и ${Y_c}$.
Определение центральных моментов инерции
Осевые и центробежный моменты инерции сечения определяем по формулам перехода между параллельными осями. Для этого находим и показываем на чертеже расстояния между центральными осями всего сечения и собственными осями каждой из фигур.
$Ix = \sum {\left({I{x_i} + A \cdot {b^2}} \right) = {\text{482 + 8}}{\text{,2}}{{\text{7}}^{\text{2}}} \cdot {\text{37}}{\text{,9 + 512 + 4}}{\text{,7}}{{\text{6}}^{\text{2}}} \cdot {\text{27}}{\text{,3 + 1330 + 4}}{\text{,5}}{{\text{6}}^{\text{2}}} \cdot {\text{40 = 6360}}} $см 4 ;
$Iy = \sum {\left({I{y_i} + A \cdot {a^2}} \right)} = {\text{1570 + 8}}{\text{,0}}{{\text{1}}^{\text{2}}} \cdot {\text{37}}{\text{,9 + 512 + 1}}{\text{,6}}{{\text{7}}^{\text{2}}} \cdot {\text{27}}{\text{,3 + 13}}{\text{,3 + 6}}{\text{,4}}{{\text{9}}^{\text{2}}} \cdot {\text{40 = 6280}}$см 4 ;
${I_{xy}} = \sum {\left({{I_{xy}}_i + A \cdot a \cdot b} \right)} = $
$ = 505 + (- 8,01) \cdot (- 8,27) \cdot 37,9 - 301 + 1,67 \cdot 4,76 \cdot 27,3 + 0 + 6,49 \cdot 4,56 \cdot 40 = 4120$см 4 .
При этом обязанности ’ обязательно учитываем размещения фигур относительно рассматриваемых осей. Так, при определении момента инерции ${I_x}$ в формулу подставляем собственный момент инерции неравнополочного уголка относительно оси, которая параллельна оси ${X_c}$, в сортаменте это ось $Y$, и наоборот.
Определение положения главных осей и главных моментов инерции
Угол поворота главных осей относительно осей, для которых известны моменты инерции, определяется по формуле
\ $\alpha = \frac{{arctg(- 97)}}{2} = - 44,7^\circ $.
Если $\alpha > 0$, главные оси откладываются против часовой стрелки, и наоборот.
Главные моменты инерции определяются так
${I_{x0}} = {I_x} \cdot {\cos ^2}\alpha + {I_y} \cdot {\sin ^2}\alpha - {I_{xy}} \cdot \sin 2\alpha = $
$ = 6360 \cdot {\cos ^2}(- 44,7^\circ) + 6280 \cdot {\sin ^2}(- 44,7^\circ) - 4120 \cdot \sin (- 2 \cdot 44,7^\circ) = 10430$см 4 .
${I_{y0}} = {I_y} \cdot {\cos ^2}\alpha + {I_x} \cdot {\sin ^2}\alpha + {I_{xy}} \cdot \sin 2\alpha = $
$ = 6280 \cdot {\cos ^2}(- 44,7^\circ) + 6360 \cdot {\sin ^2}(- 44,7^\circ) + 4120 \cdot \sin (- 2 \cdot 44,7^\circ) = 2210$см 4 .
Центробежный момент инерции относительно главных осей равен нулю.
Радиусы инерции. Моменты сопротивления
Радиусы инерции сечения
${i_x} = \sqrt[{}]{{\frac{{{I_x}}}{A}}} = \sqrt[{}]{{\frac{{10430}}{{105}}}} = 9,96$см, ${i_y} = \sqrt[{}]{{\frac{{{I_y}}}{A}}} = \sqrt[{}]{{\frac{{2210}}{{105}}}} = 4,58$см.
Моменты сопротивления сечения определяем относительно центральных осей. Для этого необходимо определить расстояния ${x_{\max }}$ и ${y_{\max }}$ до максимально удаленных точек от главных осей. Сначала необходимо по чертежам определить, какие точки являются наиболее удаленными. В нашем случае это точки $A$ и $B$ (рис.). Искомые расстояния можно определить, имея координаты этих точек в центральных (не возвращенных осям).
${x_{\max }} = {x_A} \cdot \cos \left(\alpha \right) + {y_A} \cdot \sin \left(\alpha \right)$
${y_{\max }} = {y_B} \cdot \cos \left(\alpha \right) - {x_B} \cdot \sin \left(\alpha \right)$
X А = - 8,53см Y A =8,57см
X B = - 14,5см Y B = - 18см
x max = - 12,1см y max = - 23см
Моменты сопротивления
${W_x} = \frac{{{I_x}}}{{{y_{\max }}}} = \frac{{10430}}{{23}} = 454$см 3 ; ${W_y} = \frac{{{I_y}}}{{{x_{\max }}}} = \frac{{2210}}{{12.1}} = 183$см 3 .
При проверке прочности частей конструкций нам приходится встречаться с сечениями довольно сложной формы, для которых нельзя вычислить момент инерции таким простым путем, каким мы пользовались для прямоугольника и круга.
Таким сечением может быть, например, тавр (Рис.5 а ) кольцевое сечение трубы, работающей на изгиб (авиационные конструкции) (Рис.5, б ), кольцевое сечение шейки вала или еще более сложные сечения. Все эти сечения можно разбить на простейшие, как-то: прямоугольники, треугольники, круги и т.д. Можно показать, что момент инерции такой сложной фигуры является суммой моментов инерции частей, на которые мы ее разбиваем.
Рис.5. Сечения типа тавр — а) и кольцо б)
Известно, что момент инерции любой фигуры относительно оси у — у равен:
где z — расстояние элементарных площадок до оси у —у .
Разобьем взятую площадь на четыре части: , , и . Теперь при вычислении момента инерции можно сгруппировать слагаемые в подинтегральной функции так, чтобы отдельно произвести суммирование для каждой из выделенных четырех площадей, а затем эти суммы сложить. Величина интеграла от этого не изменится.
Наш интеграл разобьется на четыре интеграла, каждый из которых будет охватывать одну из площадей, , и :
Каждый из этих интегралов представляет собой момент инерции соответствующей части площади относительно оси у — у ; поэтому
где — момент инерции относительно оси у — у площади , — то же для площади и т. д.
Полученный результат можно формулировать так: момент инерции сложной фигуры равен сумме моментов инерции составных ее частей. Таким образом, нам необходимо уметь вычислять момент инерции любой фигуры относительно любой оси, лежащей в ее плоскости.
Решение этой задачи и составляет содержание настоящей и последующих двух собеседований.
Моменты инерции относительно параллельных осей.
Задачу — получить наиболее простые формулы для вычисления момента инерции любой фигуры относительно любой оси — будем решать в несколько приемов. Если взять серию осей, параллельных друг другу, то оказывается, что можно легко вычислить моменты инерции фигуры относительно любой из этих осей, зная ее момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести фигуры параллельно выбранным осям.
Рис.1. Расчетная модель определения моментов инерции для параллельных осей.
Оси, проходящие через центр тяжести, мы будем называть центральными осями . Возьмем (Рис.1) произвольную фигуру. Проведем центральную ось Оу , момент инерции относительно этой оси назовем . Проведем в плоскости фигуры осьпараллельно оси у на расстоянии от нее. Найдем зависимость между и — моментом инерции относительно оси . Для этого напишем выражения для и . Разобьем площадь фигуры на площадки ; расстояния каждой такой площадки до осей у и назовем и . Тогда
Из рис.1 имеем:
Первый из этих трех интегралов — момент инерции относительно центральной оси Оу . Второй — статический момент относительно той же оси; он равен нулю, так как ось у проходит через центр тяжести фигуры. Наконец, третий интеграл равен площади фигуры F . Таким образом,
| (1) |
т. е. момент инерции относительно любой оси равен моменту инерции относительно центральной оси, проведенной параллельно у данной, плюс произведение площади фигуры на квадрат расстояния между осями.
Значит, наша задача теперь свелась к вычислению только центральных моментов инерции; если мы их будем знать, то сможем вычислить момент инерции относительно любой другой оси. Из формулы (1) следует, что центральный момент инерции является наименьшим среди моментов инерции относительно параллельных осей и для него мы получаем:
Найдем также центробежный момент инерции относительно осей , параллельных центральным, если известен (Рис.1). Так как по определению
где: , то отсюда следует
Так как два последних интеграла представляют собой статические моменты площади относительно центральных осей Оу и Oz то они обращаются в нуль и, следовательно:
| (2) |
Центробежный момент инерции относительно системы взаимно перпендикулярных осей, параллельных центральным, равен центробежному моменту инерции относительно этих центральных осей плюс произведение из площади фигуры, на координаты ее центра тяжести относительно новых осей.
Зависимость между моментами инерции при повороте осей.
Центральных осей можно провести сколько угодно. Является вопрос, нельзя ли выразить момент инерции относительно любой центральной оси в зависимости от момента инерции относительно одной или двух определенных осей. Для этого посмотрим, как будут меняться моменты инерции относительно двух взаимно перпендикулярных осей при повороте их на угол .
Возьмем какую-либо фигуру и проведем через ее центр тяжести О две взаимно перпендикулярные оси Оу и Oz (Рис.2).
Рис.2. Расчетная модель для определения моментов инерции для повернутых осей.
Пусть нам известны осевые моменты инерции относительно этих осей , , а также центробежный момент инерции . Начертим вторую систему координатных осей и наклоненных к первым под углом ; положительное направление этого угла будем считать при повороте осей вокруг точки О против часовой стрелки. Начало координат О сохраняем. Выразим моменты относительно второй системы координатных осей и , через известные моменты инерции и .
Напишем выражения для моментов инерции относительно этих осей:
Аналогично:
Для решения задач могут понадобиться формулы перехода от одних осей к другим для центробежного момента инерции. При повороте осей (Рис.2) имеем:
где и вычисляются по формулам (14.10); тогда
После преобразований получим:
| (7) |
Таким образом, для того чтобы вычислить момент инерции относительно любой центральной оси , надо знать моменты инерции и относительно системы каких-нибудь двух взаимно перпендикулярных центральных осей Оу и Oz , центробежный момент инерции относительно тех же осей и угол наклона оси к оси у .
Для вычисления же величин > , приходится так выбирать оси у и z и разбивать площадь фигуры на такие составные части, чтобы иметь возможность произвести это вычисление, пользуясь только формулами перехода от центральных осей каждой из составных частей к осям, им параллельным. Как это сделать на практике, будет показано ниже на примере. Заметим, что при этом вычислении сложные фигуры надо разбивать на такие элементарные части, для которых по возможности известны величины центральных моментов инерции относительно системы взаимно перпендикулярных осей.
Заметим, что ход вывода и полученные результаты не изменились бы, если бы начало координат было взято не в центре тяжести сечения, а в любой другой точке О . Таким образом, формулы (6) и (7) являются формулами перехода от одной системы взаимно-перпендикулярных осей к другой, повернутой на некоторый угол , независимо от того, центральные это оси или нет.
Из формул (6) можно получить еще одну зависимость между моментами инерции при повороте осей. Сложив выражения для и получим
т. е. сумма моментов инерции относительно любых взаимно перпендикулярных осей у и z не меняется при их повороте. Подставляя последнее выражение вместо и их значения, получим:
где — расстояние площадок dF от точки О . Величина является, как уже известно, полярным моментом инерции сечения относительно точки О .
Таким образом, полярный момент инерции сечения относительно какой-либо точки равен сумме осевых моментов инерции относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через эту точку. Поэтому эта сумма и остается постоянной при повороте осей. Этой зависимостью (14.16) можно пользоваться для упрощения вычисления моментов инерции.
Так, для круга:
Так как по симметрии для круга то
что было получено выше путем интегрирования.
Точно также для тонкостенного кольцевого сечения можно получить:
Главные оси инерции и главные моменты инерции.
Как уже известно, зная для данной фигуры центральные моменты инерции , и , можно вычислить момент инерции и относительно любой другой оси.
При этом можно за основную систему осей принять такую систему, при которой формулы существенно упрощаются. Именно, можно найти систему координатных осей, для которых центробежный момент инерции равен.нулю. В самом деле, моменты инерции и всегда положительны, как суммы положительных слагаемых, центробежный же момент
может быть и положительным и отрицательным, так как слагаемые zydF могут быть разного знака в зависимости от знаков z и у для той или иной площадки. Значит, он может быть равен нулю.
Оси, относительно которых центробежный момент инерции обращается в нуль, называются главными осями инерции. Если начало такой системы помещено в центре тяжести фигуры, то это будут главные центральные оси . Эти оси мы будем обозначать и ; для них
Найдем, под каким углом наклонены к центральным осям у и z (фиг. 198) главные оси.
Рис.1. Расчетная модель для определения положения главных осей инерции.
В известном выражении для перехода от осей yz к осям , для центробежного момента инерции дадим углу значение ; тогда оси и , совпадут c главными, и центробежный момент инерции будет равен нулю:
| (1) |
Этому уравнению удовлетворяют два значения , отличающиеся на 180°, или два значения , отличающиеся на 90°. Таким образом, это уравнение дает нам положение двух осей , составляющих между собой прямой угол. Это и будут главные центральные оси и , для которых .
Пользуясь этой формулой, можно по известным , и получить формулы для главных моментов инерции и . Для этого опять воспользуемся выражениями для осевых моментов инерции общего положения. Они определяют значения и если вместо подставить
| (2) |
Полученными соотношениями можно пользоваться при решении задач. Одним из главных моментов инерции является , другим .
Формулы (2) можно преобразовать к виду, свободному от значения . Выражая и через и подставляя их значения в первую формулу (2), получим, делая одновременно замену из формулы (1):
Заменяя здесь из формулы (1) дробь на
получаем
| (3) |
К этому же выражению можно прийти, делая подобное же преобразование второй формулы (3).
За основную систему центральных осей, от которых можно переходить к любой другой, можно взять не Оу и Oz , а главные оси и ; тогда в формулах не будет фигурировать центробежный момент инерции (). Обозначим угол, составленный осью , (Рис.2) с главной осью , через . Для вычисления , и , переходя от осей и нужно в ранее найденных выражениях для , и , заменить угол через , а , и — через , и . В результате получаем:
По своему виду эти формулы совершенно аналогичны формулам для нормальных и касательных напряжений по двум взаимно-перпендикулярным площадкам в элементе, подвергающемся растяжению в двух направлениях. Укажем лишь формулу, позволяющую из двух значений угла выделить то, которое соответствует отклонению первой главной оси (дающей max J ) от начального положения оси у :
Теперь можно окончательно формулировать, что надо сделать, чтобы получить возможность простейшим образом вычислять момент инерции фигуры относительно любой оси. Необходимо через центр тяжести фигуры провести оси Оу и Oz так, чтобы, разбивая фигуру на простейшие части, мы могли легко вычислить моменты , проходящей на расстоянии (рис.2) от центра тяжести:
Во многих случаях удается сразу провести главные оси фигуры; если фигура имеет ось симметрии, то это и будет одна из главных осей. В самом деле, при выводе формулы мы уже имели дело с интегралом , представляющим собой центробежный момент инерции сечения относительно осей у и z ; было доказано, что если ось Oz является осью симметрии, этот интеграл обращается в нуль.
Стало быть, в данном случае оси Оу и Oz являются главными центральными осями инерции сечения. Таким образом, ось симметрии — всегда главная центральная ось; вторая главная центральная ось проходит через центр тяжести перпендикулярно к оси симметрии.
Пример. Найти моменты инерции прямоугольника (Рис.3) относительно осей и равны:
Моменты инерции относительно осей и равны:
Центробежный момент инерции равен.
Осевым (или экваториальным) моментом инерции сечения относительно некоторой оси называется взятая по всей его площади F сумма произведений элементарных площадок на квадраты их расстояний от этой оси, т. е.
Полярным моментом инерции сечения относительно некоторой точки (полюса) называется взятая по всей его площади F сумма произведений элементарных площадок на квадраты их расстояний от этой точки, т. е.
Центробежным моментом инерции сечения относительно некоторых двух взаимно перпендикулярных осей называется взятая по всей его площади F сумма произведений элементарных площадок на их расстояния от этих осей, т.е.
Моменты инерции выражаются в и т.д.
Осевые и полярные моменты инерции всегда положительны, так как в их выражения под знаки интегралов входят величины площадок (всегда положительные) и квадраты расстояний этих площадок от данной оси или полюса.
На рис. 9.5, а изображено сечение площадью F и показаны оси у и z. Осевые моменты инерции этого сечения относительно осей у :
Сумма этих моментов инерции
и, следовательно,
Таким образом, сумма осевых моментов инерции сечения относительно двух взаимно перпендикулярных осей равна полярному моменту инерции этого сечения относительно точки пересечения указанных осей.
Центробежные моменты инерции могут быть положительными, отрицательными или равными нулю. Так, например, центробежный момент инерции сечения, показанного на рис. 9.5, а, относительно осей у и положителен, так как для основной части этого сечения, расположенной в первом квадранте, значения , а следовательно, и положительны.
Если изменить положительное направление оси у или на обратное (рис. 9.5,б) или повернуть обе эти оси на 90° (рис. 9.5, в), то центробежный момент инерции станет отрицательным (абсолютная величина его не изменится), так как основная часть сечения будет тогда располагаться в квадранте, для точек которого координаты у положительны, а координаты z отрицательны. Если изменить положительные направления обеих осей на обратные, то это не изменит ни знак, ни величину центробежного момента инерции.
Рассмотрим фигуру, симметричную относительно одной или нескольких осей (рис. 10.5). Проведем оси так, чтобы хотя бы одна из них (в данном случае ось у) совпадала с осью симметрии фигуры. Каждой площадке расположенной справа от оси соответствует в этом случае такая же площадка расположенная симметрично первой, но слева от оси у. Центробежный момент инерции каждой пары таких симметрично расположенных площадок равен:
Следовательно,
Таким образом, центробежный момент инерции сечения относительно осей, из которых одна или обе совпадают с его осями симметрии, равен нулю.
Осевой момент инерции сложного сечения относительно некоторой оси равен сумме осевых моментов инерции составляющих его частей относительно этой же оси.
Аналогично центробежный момент инерции сложного сечения относительно любых двух взаимно перпендикулярных осей равен сумме центробежных моментов инерции составляющих его частей относительно этих же осей. Также и полярный момент инерции сложного сечения относительно некоторой точки равен сумме полярных моментов инерции составляющих его частей относительно той же точки.
Следует иметь в виду, что нельзя суммировать моменты инерции, вычисленные относительно различных осей и точек.
Текущая страница: 3 (всего у книги 9 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]
Шрифт:
100% +
22. Статический момент сечения
Расчеты на прочность показывают, что напряжение и деформации, возникающие в твердом теле, зависят от внутренних силовых факторов и геометрических характеристик поперечного сечения. При растяжении, например, напряжение зависит от площади поперечного сечения, и, так как напряжение в этом случае распределяется по сечению равномерно, не зависит от формы сечения. При кручении напряжения зависят от размеров и формы сечения из-за неравномерного распределения напряжений. В расчетные формулы бруса при кручении входят полярный момент инерции I p и полярный момент сопротивления W p – геометрические характеристики сечения. Проводя расчеты на прочность бруса при изгибе, необходимо знать моменты инерции и моменты сопротивления сечения относительно осей, проходящих через центр тяжести бруса. Возьмем для рассмотрения некоторое сечение бруса площадью A и ось, проходящую через центр тяжести этого тела. Статическим моментом плоского сечения относительно некоторой оси x называется сумма произведений площадей элементарных площадок, из которых состоит сечение, на расстояния этих площадок до оси, проходящей через центр тяжести. Аналогично для оси y .
Статический момент измеряется в кубических метрах. Он может быть положительным, отрицательным или равным нулю в зависимости от выбранной оси. Если известны статические моменты и площадь сечения, то координаты центра тяжести могут быть определены как отношение статического момента к площади поперечного сечения. И наоборот, если координаты центра тяжести сечения известны – x c , y c , статический момент равен произведению площади сечения на расстояния от центра тяжести до оси.
S x = Ay c
S y = Ax c
Из полученных соотношений видно, что в случае, когда ось проходит через центр тяжести, статический момент равен нулю.
В случае, когда сечение можно рассматривать как n -ное количество составляющих частей с известными площадями A i и координатами центров тяжести x i , y i , положение всего центра тяжести можно определить как сумму произведений:
Каждое слагаемое в числителе определяет статический момент данного участка относительно выбранной оси.
23. Момент инерции сечения
Осевым (или экваториальным) моментом инерции плоского сечения относительно некоторой оси x называется сумма произведений площадей элементарных площадок, из которых состоит сечение на квадрат расстояния этих площадок до оси, проходящей через центр тяжести. Таким образом, осевые моменты представляют собой интегралы по всей площади сечения.
Полярным моментом инерции относительно некоторой точки (полюса) называется сумма произведений площадей элементарных площадок, из которых состоит сечение, на квадрат расстояния этих площадок до выбранной точки.
Центробежным моментом инерции относительно некоторых двух взаимно перпендикулярных осей называется сумма произведений элементарных площадок, из которых состоит сечение, на расстояния этих площадок до этих осей.
Моменты инерции измеряются в м 4 . Осевые и полярный моменты инерции могут быть только положительными, так как при любом знаке координаты в формуле берется квадрат этой координаты. Центробежный момент инерции может быть положительным, отрицательным и равным нулю.
Сумма осевых моментов инерции относительно двух взаимно перпендикулярных осей равна полярному моменту инерции относительно точки, где эти оси пересекаются.
I ρ = I x +I y
Действительно, ρ – это расстояние от элементарной площадки сечения до некоторой точки, он определяется как гипотенуза треугольника со сторонами x и y .
ρ 2 = x 2 + y 2
Подставим это соотношение в выражение для полярного момента инерции и получим:
24. Моменты инерции простых сечений
Рассмотрим моменты инерции некоторых простых фигур.
Круг. I ρ = I x +I y . Так как круг – симметричная фигура, то I x = I y . Следовательно, I ρ = 2I x . Исходя из определения полярного момента инерции и соотношения для полярного момента инерции и осевых моментов инерции в случае круга имеем:
Для кольца диаметром d и внутренним диаметром d 0
Полукруг . Главные центральные оси представляют собой ось симметрии этого полукруга и перпендикулярную ей ось. Для полукруга момент инерции в два раза меньше, чем момент инерции круга для той же самой оси. Если обозначить x 1 ось основания, то
Из соотношения, связывающего моменты инерции параллельных осей, одна из которых является центральной, и, зная значение ординаты центра тяжести полукруга y c ≈ 0.424r можно определить моменты инерции полукруга:
Прямоугольник . Определим момент инерции I x1 , совпадающий с основанием прямоугольника, и рассмотрим сечение A как сумму элементарных прямоугольников шириной b и высотой dy 1 , A = bdy 1
Для моментов инерции параллельных осей, одна из которых является центральной, I x = I x1 – a 2 A . В данном случае расстояние a = h / 2, A = bh , момент инерции относительно осей x и y
I x = bh 3 / 12
I y = hb 3 / 12
В частном случае квадрата
I x = I y = b 4 / 12
Для треугольника вычислим момент инерции I x1 , относительно оси x 1 , совпадающей с основанием, и для этого рассмотрим сечение как сумму элементарных прямоугольников шириной b . После выполнения математических преобразований найдем значение I x = bh 3 / 12. Момент инерции относительно центральной оси равен I x = I x1 - a 2 b , в данном случае a = h / 3, A = (1 / 2)bh . В итоге получим:
I x = bh 3 / 12 – (h / 3 ) 3 (1 / 2)bh = bh 3 / 36
В общем случае ось x не является главной и
I y = bh 3 / 48
25. Зависимость между моментами инерции относительно параллельных осей
Установим зависимость между моментами инерции относительно параллельных осей, одна из которых является центральной. Для этого рассмотрим сечение площадью А . (Рис. 10) Предположим, что известны координаты центра тяжести сечения C и моменты инерции I xc , I yc относительно центральных осей x c , y c . В таком случае можно определить моменты инерций относительно осей x и y , параллельных центральным и удаленным от центральных на расстояние a и b соответственно. Запишем соотношение для координат параллельных осей:
x = x c + b
y = y c + a
Тогда момент инерции сечения относительно оси x запишется в виде:
В этом выражении первое слагаемое представляет собой момент инерции относительно оси x c , во втором слагаемом интеграл представляет статический момент (а относительно центральной оси статический момент всегда равен нулю), третье слагаемое – это площадь сечения, умноженная на квадрат расстояния между осями а . Таким образом:
I x = I xc + a 2 A
I y = I yc + b 2 A
Момент инерции относительно какой-либо оси равен сумме момента инерции относительно центральной оси, параллельной данной, и произведения площади сечения фигуры на квадрат расстояния между осями.
Мы получили соотношение для моментов инерции относительно центральных осей при переходе к параллельным им нецентральным. Эти соотношения носят также название формул параллельного переноса.
Из полученных формул понятно, что момент инерции относительно центральной оси всегда меньше, чем момент инерции любой параллельной ей нецентральной.
26. Главные оси инерции и главные моменты инерции
Через любую точку плоскости сечения можно провести бесчисленное множество пар взаимно перпендикулярных осей. Так как сумма двух осевых моментов инерции сечения представляет собой полярный момент и является постоянной величиной, то, перемещая систему координат, можно подобрать такое положение осей, в котором один из выбранных моментов инерции будет максимальным, а второй – минимальным. Рассмотрим зависимость между моментами инерции относительно осей x 0 , y 0 и моментами инерции относительно осей x и y , повернутыми на угол α относительно x 0 , y 0 . Найдем такие значения угла α, при которых моменты инерции перпендикулярных осей примут свои максимальное и минимальное значения. Для этого найдем первую производную по углу поворота от I x , I y и приравняем ее нулю (математическое правило нахождения экстремумов функции).
После преобразований соотношение примет вид:
Полученная формула определяет положение двух взаимно перпендикулярных осей, момент инерции относительно одной из которых максимален, момент инерции относительно другой минимален. Такие оси носят название главных осей инерции . Моменты инерции относительно таких осей называются главными моментами инерции . При этом центробежный момент равняется нулю.
Оси, проходящие через центр тяжести сечения, носят название центральных осей. В практических расчетах интерес представляют главные моменты инерции относительно центральных осей, их называют главными центральными моментами инерции , а такие оси – главными центральными осями . Так как интерес представляют только центральные оси, то для краткости их называют просто главными осями, и осевые моменты инерции, вычисленные относительно таких осей называют просто главными моментами инерции.
Одной из главных осей инерции является ось, проходящая через центр симметрии плоскости сечения, вторая – перпендикулярная ей. Ось симметрии и любая перпендикулярная ей образуют систему главных осей. Если сечение имеет несколько осей симметрии (например, круг, квадрат, равносторонний треугольник), то все центральные оси являются главными и все центральные моменты равны.
27. Вычисление моментов инерции сложных сечений
Для нахождения момента инерции сложного сечения площадью A сечение разбивают на простые A 1 , A 2 , … A n , для которых моменты инерции находятся по готовым формулам или таблицам.
Момент инерции сложной фигуры находится как сумма моментов инерции, составляющих простых фигур.
I x = I x 1 + I x 2 +… + I xn
Момент инерции представляет собой интеграл по площади поверхности сечения,
для интеграла справедливо:
Следовательно, можно записать, что:
Другими словами, момент инерции составного сечения относительно некоторой оси складывается из моментов инерции составляющих этого сечения относительно той же самой оси.
При решении задач такого рода придерживаются следующего алгоритма. Находят центр тяжести плоского сечения и определяют главные центральные оси. Из таблиц или с помощью готовых формул вычисляют значения моментов инерции составляющих частей относительно собственных центральных осей, параллельных главным центральным осям сечения. При помощи формул параллельного переноса вычисляют значения моментов инерции составляющих частей сечения относительно главных осей сечения. Путем суммирования определяют значения главных центральных моментов инерции.
Это правило справедливо также для центробежного момента инерции.
28. Понятие о крутящем моменте
Кручение – это один из видов деформации бруса, при котором в поперечном сечении бруса возникает один внутренний силовой фактор, называемый крутящим моментом Мк. Такой вид деформации возникает, когда на брус действует пара сил, называемых скручивающими моментами М , приложенных перпендикулярно его продольной оси.
Нагруженный вращающими моментами брус называется валом. Сумма вращающих моментов, действующих на вал, равна нулю, если вал вращается равномерно. Вращающий момент можно определить по формуле, с условием, что известны передаваемая мощность P и угловая скорость w .
При известной частоте вращения вала угловая скорость может быть записана в виде
Следовательно, выражение для вращающего момента можно записать в виде:
В практических расчетах реальный объект заменяется расчетной схемой. Для упрощения задачи предполагается, что вращательные моменты сосредоточены в среднем сечении деталей, а не распределены по их поверхности. В сечении произвольного вала крутящий момент можно определить, используя метод сечений, когда вал мысленно рассекается плоскостью. Одну из частей отбрасывают и заменяют ее влияние крутящим моментом Мк, затем определяют его из уравнений равновесия. Числовое значение крутящего момента складывается из сумм вращающих моментов, находящихся по одну сторону сечения.
В поперечных сечениях бруса при кручении возникают только касательные напряжения, нормальные силы параллельны продольной оси бруса и их моменты равны нулю. Следовательно, можно сформулировать определение для крутящего момента таким образом: крутящий момент – это результирующий момент внутренних касательных сил, возникающих в поперечном сечении бруса относительно его продольной оси.
При расчетах на прочность в случае кручения бруса необходимо найти опасное сечение бруса. Если размеры поперечного сечения вдоль оси бруса неизменны, то опасными считаются сечения с максимальным крутящим моментом. Для нахождения опасных сечений строятся эпюры крутящих моментов (графики изменения крутящих моментов по длине бруса). При построении эпюров принято считать, что крутящий момент положителен, если его направление совпадает с направлением часовой стрелки, если смотреть на проведенное сечение. Это предположение условно, так как знак крутящего момента не имеет физического смысла.
29. Определение напряжений при кручении круглого вала
При изучении кручения валов имеют место следующие предположения:
– гипотеза плоских сечений: плоские поперечные сечения бруса после деформации также остаются плоскими и направленными по нормали к его оси, поворачиваясь на некоторый угол относительно этой оси;
– радиусы поперечных сечений не искривляются, и их длина остается постоянной;
– вдоль оси бруса расстояния между поперечными сечениями остаются постоянными.
Исходя из перечисленных предположений кручение круглого вала можно рассматривать как чистый сдвиг. Полученные на основе этих предположений формулы подтверждаются экспериментально.
Рассмотрим кручение участка бруса круглого сечения с радиусом r длиной dz . Один из концов будем считать неподвижно закрепленным.
При повороте на угол a в поперечном сечении угол сдвига, лежащий на поверхности такого вала, определяется по формуле:
Отношение полного угла закручивания на участке вала к его длине называется относительным углом закручивания.
Мысленно выделим в рассматриваемом участке вала цилиндр с радиусом ρ, угол сдвига для поверхности этого цилиндра определяется аналогично:
Согласно закону Гука в случае сдвига касательные напряжения равны:
Таким образом, при кручении касательные напряжения прямо пропорциональны расстоянию от центра тяжести сечения, причем у центра тяжести касательные напряжения равны нулю. Приближаясь к поверхности вала, они принимают свои максимальные значения.
30. Вычисление моментов, передаваемых на вал
Рассмотрим кручение участка круглого вала диметром r и длиной dz . Выделим в нем цилиндр диаметра ρ. Так как кручение представляет собой чистый сдвиг, нормальные напряжения равны нулю, а касательные напряжения при повороте на угол α распределяются следующим образом:
Крутящий момент определяется как:
А
– площадь сечения. Подставив в это выражение касательное напряжение и учитывая, что интеграл от радиуса по площади сечения представляет собой полярный момент инерции сечения 
, получим:
Подставив это выражение в формулу для касательных напряжений, получим:
Таким образом, касательные напряжения определяются как произведение крутящего момента и радиуса, отнесенное к полярному моменту сечения. Ясно, что для точек, удаленных от оси на одинаковые расстояния, касательные напряжения равны, максимальные значения напряжения имеют точки, расположенных на поверхности вала.
Здесь 
– полярный момент сопротивления при кручении.
Для круглого сечения
Условие прочности при кручении выглядит следующим образом:
[τ] – максимально допускаемое касательное напряжение.
Эта формула позволяет также определять допускаемый крутящий момент или подбирать допустимый диаметр вала.
31, Деформация при кручении. Потенциальная энергия
В процессе кручения вращающие моменты поворачиваются вместе с сечением на какой-то угол и при этом совершают работу, которая так же, как и при других видах деформации, расходуется на создание в теле, подвергающемся деформации, определенного запаса потенциальной энергии и определяется по формуле:
Это соотношение следует из линейной зависимости крутящего момента М к от угла поворота φ.
При воздействии нагрузки крутящий момент постепенно нарастает, при этом в соответствии с законом Гука пропорционально увеличивается угол поворота. Работа, совершаемая крутящим моментом, равна потенциальной энергии деформации согласно закону сохранения энергии, следовательно,
Если в полученное соотношение подставить известную формулу для угла закручивания, то выражение примет вид:
При ступенчатом изменении крутящего момента или поперечного сечения бруса потенциальная энергия представляет собой сумму:
Если же крутящий или полярный моменты (или оба одновременно) непрерывно изменяются по длине участков бруса, то потенциальная энергия представляет интеграл по длине
32. Расчет винтовых цилиндрических пружин
В машиностроении и приборостроении широко используются винтовые пружины, которые могут иметь цилиндрическую, конусовидную или фасонную. Чаще всего применяются пружины цилиндрической формы, изготовленные из проволоки круглого поперечного сечения: пружины растяжения (изготавливаются без просветов между витками) и пружины сжатия (с просветом). Для упрощения расчета пружин на жесткость и прочность будем считать, что угол наклона витков настолько мал, что им можно пренебречь и считать сечение вдоль оси пружины поперечным для витка. Из условий равновесия для отсеченной части пружины ясно, что в сечении возникают два внутренних силовых фактора: поперечная сила Q y = F и крутящий момент М к = FD / 2 , т. е. в сечении витка возникают только касательные напряжения. Будем считать, что касательные напряжения, связанные с поперечной силой, распределены по сечению равномерно, а касательные силы, связанные с наличием крутящего момента, распределены по линейному закону и достигают своих максимальных значений в крайних точках сечения. Наиболее напряженной окажется точка, расположенная ближе всего к оси пружины, напряжение для нее равно:
Отношение диаметра пружины к диаметру проволоки называют индексом пружины,
c n = D / d
Полученная формула приближенна из-за пренебрежения влиянием поперечной силы и из-за того, что не учтена кривизна витков. Введем поправочный коэффициент К , зависящий от индекса пружины и угла наклона витков. Тогда условие прочности примет вид:
При воздействии нагрузки пружина изменяет свою длину. Это изменение называется осадкой пружины λ. Определим, чему равна осадка, если витки испытывают только кручение. Согласно формуле Клапейрона работа внешних статических сил равна:
Потенциальная энергия деформации
В данном случае
где l – длина рассматриваемого участка пружины;
n – число витков.
Выполнив подстановку и математические преобразования, получим, что:
33. Перемещения и напряжения в винтовых пружинах
Винтовые пружины широко используются в машиностроении как амортизирующие устройства или устройства обратной подачи. Расчет винтовых пружин хорошо демонстрирует метод определения перемещений. Винтовые пружины подразделяются на пружины растяжения, сжатия и кручения. Пружины растяжения и сжатия нагружаются силами, действующими вдоль оси пружины, пружины кручения нагружаются моментами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси пружины.
Витую пружину можно рассматривать как пространственно изогнутый стержень с осью, имеющей винтовую форму. Форма пружины характеризуется следующими параметрами: диаметром пружины D , числом витков n , углом подъема θ и шагом пружины s , определяемым формулой:
s = πDtg θ
Обычно шаг пружины значительно меньше, чем πD , угол θ достаточно мал (меньше 5°).
Рассмотрим пружину растяжения-сжатия. Под воздействием внешней нагрузки Р в каждом поперечном сечении возникает результирующая внутренняя сила Р и момент М = РD / 2, лежащий в плоскости действия сил Р . На Рис. 13 изображены силы, действующие в поперечном сечении пружины.
Проекции полной силы и момента относительно системы координат, связанной с сечением, описываются следующими соотношениями:
M к = (PD / 2) × cosθ,
M изг = (PD / 2) × sinθ,
Q = P × cosθ,
N = P × sinθ.
Предположим, что сила Р равна 1, тогда соотношения для сил и моментов примут вид:
M к1 = (D / 2) × cosθ,
M изг1 = (D / 2) × sinθ,
Q 1 = cosθ,
N 1 = sinθ.
Найдем осевое перемещение в пружине, пользуясь интегралом Мора. С учетом малости перемещений, вызванных нормальной и поперечными силами, а также осевого перемещения, в данном случае интеграл Мора запишется следующим образом:
где произведение в знаменателе представляет собой жесткость пружины на кручение;
l – длина рабочей части пружины;
l ≈ πDn
Вследствие малости угла наклона витков θ полагаем, что cos θ = 1, тогда
Напряжения в винтовых пружинах, работающих на сжатие-растяжение или кручение, определяются следующим образом.
§ 4.5. ВЫЧИСЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ СЕЧЕНИЙ ПРОСТОЙ ФОРМЫ
Как указано в § 1.5, геометрические характеристики сложных сечений определяются путем расчленения их на ряд простых фигур, геометрические характеристики которых можно вычислить по соответствующим формулам или определить по специальным таблицам. Эти формулы получаются в результате непосредственного интегрирования выражений (8.5)-(10.5). Приемы их получения рассматриваются ниже на примерах прямоугольника, треугольника и круга.
Прямоугольное сечение
Определим осевой момент инерции прямоугольника высотой h и шириной b относительно оси проходящей через его основание (рис. 11.5, а). Выделим из прямоугольника линиями, параллельными оси элементарную полоску высотой и шириной b.
Площадь этой полоски расстояние от полоски до оси равно их. Подставим эти величины в выражение момента инерции (8.5):
Аналогичным путем для момента инерции относительно оси можно получить выражение
Для определения центробежного момента инерции выделим из прямоугольника линиями, параллельными осям (рис.
11.5, б), элементарную площадку величиной. Определим сначала центробежный момент инерции не всего прямоугольника, а лишь вертикальной полоски высотой h и шириной расположенной на расстоянии от оси
Произведение вынесено за знак интеграла, так как для всех площадок, принадлежащих рассматриваемой вертикальной полоске, оно постоянно.
Проинтегрируем затем выражение в пределах от до
Определим теперь осевые моменты инерции прямоугольника относительно осей у и, проходящих через центр тяжести параллельно сторонам прямоугольника (рис. 12.5). Для этого случая пределы интегрирования будут от до
Центробежный момент инерции прямоугольника относительно осей (рис. 12.5) равен нулю, так как эти оси совпадают с его осями симметрии.
Треугольное сечение
Определим осевые моменты инерции треугольника относительно трех параллельных осей, проходящих через его основание (рис. 13.5, а), центр тяжести (рис. 13.5,б) и вершину (рис. 13.5, е).
Для случая, когда ось проходит через основание треугольника (рис. 13.5, а),
Для случая, когда ось проходит через центр тяжести треугольника параллельно его основанию (рис. 13.5, б),
В случае, когда ось проходит через вершину треугольника параллельно его основанию (рис. 13.5, в),
Момент инерции значительно больше (в три раза), чем момент инерции так как основная часть площади треугольника более удалена от оси чем от оси
Выражения (17.5) - (19.5) получены для равнобедренного треугольника. Однако они верны и для неравнобедренных треугольников. Сравнивая, например, треугольники, показанные на рис. 13.5, а и 13.5, г, из которых первый равнобедренный, а второй неравнобедренный, устанавливаем, что размеры площадки и пределы, в которых изменяется у (от 0 до) для обоих треугольников одинаковы. Следовательно, моменты инерции для них также одинаковы. Аналогично можно показать, что осевые моменты инерции всех сечений, изображенных на рис. 14.5, одинаковы. Вообще смещение частей сечения параллельно некоторой оси не влияет на величину осевого момента инерции относительно этой оси.
Очевидно, что сумма осевых моментов инерции треугольника относительно осей показанных на рис. 13.5, а и 13.5, в, должна быть равна осевому моменту инерции прямоугольника относительно оси показанной на рис. 11.5, а. Это следует из того, что прямоугольник можно рассматривать как два треугольника, для одного из которых ось проходит через основание, а для другого - через вершину параллельно его основанию (рис. 15.5).
Действительно, по формулам (17.5) и (19.5)
что совпадает с выражением прямоугольника по формуле (12.5).
Сечение в форме круга
Определим осевой момент инерции круга относительно любой оси, проходящей через его центр тяжести. Из рис. 16.5, а следует
Очевидно, что относительно любой оси, проходящей через центр круга, осевой момент инерции будет равен и, следовательно,
По формуле (11.5) находим полярный момент инерции круга относительно его центра:
Формулу осевого момента инерции круга можно получить более простым путем, если предварительно вывести формулу для его полярного момента инерции относительно центра (точки О). Для этого выделим из круга элементарное кольцо толщиной радиусом и площадью (рис. 16.5,б).
Полярный момент инерции элементарного кольца относительно центра круга так как все элементарные площадки из которых состоит это кольцо, расположены на одинаковом расстоянии от центра круга. Следовательно,
Этот результат совпадает с полученным выше.
Моменты инерции (полярный и осевые) сечения, имеющего форму кругового кольца с наружным диаметром d и внутренним (рис. 17.5), можно определить как разности между соответствующими моментами инерции наружного и внутреннего кругов.
Полярный момент инерции кольца на основании формулы (21.5)
или, если обозначить
Аналогично, для осевых моментов инерции кольца
Момент инерции и момент сопротивления
При определении сечения строительных конструкций очень часто необходимо знать момент инерции и момент сопротивления для рассматриваемого поперечного сечения конструкции. Что такое момент сопротивления и как он связан с моментом инерции изложено отдельно. Кроме того, для сжимаемых конструкций также нужно знать значение радиуса инерции. Определить момент сопротивления и момент инерции, а иногда и радиус инерции для большинства поперечных сечений простой геометрической формы можно по давно известным формулам:
Таблица 1. Формы сечения, площади сечений, моменты инерции и моменты сопротивления для конструкций достаточно простых геометрических форм.
Обычно, этих формул достаточно для большинства расчетов, но случаи бывают всякие и сечение конструкции может быть не такой простой геометрической формы или положение осей, относительно которых нужно определить момент инерции или момент сопротивления, может быть не таким, тогда можно воспользоваться следующими формулами:
Таблица 2. Формы сечения, площади сечений, моменты инерции и моменты сопротивления для конструкций более сложных геометрических форм
Как видно из таблицы 2, высчитывать момент инерции и момент сопротивления для неравнополочных уголков достаточно сложно, да нет в этом необходимости. Для неравнополочных и равнополочных прокатных уголков, а также для швеллеров, двутавров и профильных труб есть сортаменты. В сортаментах значения момента инерции и момента сопротивления приводятся для каждого профиля.
Таблица 3. Изменения моментов инерции и моментов сопротивления в зависимости от положения осей.
Формулы из таблицы 3 могут понадобиться для расчета наклонных элементов кровли.
Было бы неплохо объяснить на наглядном примере для особо одаренных, типа меня, что такое момент инерции и с чем его едят. На специализированных сайтах как-то всё очень запутанно, а у Дока есть явный талант довести информацию, быть может не самую сложную, но очень грамотно и понятно
В принципе, что такое момент инерции и откуда он взялся, достаточно подробно объяснено в статье “Основы сопромата, расчетные формулы”, здесь лишь повторюсь: “W – это момент сопротивления поперечного сечения балки, другими словами, площадь сжимаемой или растягиваемой части сечения балки, умноженная на плечо действия равнодействующей силы”. Момент сопротивления необходимо знать для расчетов конструкции на прочность, т.е. по предельным напряжениям. Момент инерции необходимо знать для определения углов поворота поперечного сечения и прогиба (смещения) центра тяжести поперечного сечения, так как максимальные деформации возникают в самом верхнем и в самом нижнем слое изгибаемой конструкции, то определить момент инерции можно, умножив момент сопротивления на расстояние от центра тяжести сечения до верхнего или нижнего слоя, поэтому для прямоугольных сечений I=Wh/2. При определении момента инерции сечений сложных геометрических форм сначала сложная фигура разбивается на простейшие, затем определяются площади сечения этих фигур и моменты инерции простейших фигур, затем площади простейших фигур умножаются на квадрат расстояния от общего центра тяжести сечения до центра тяжести простейшей фигуры. Момент инерции простейшей фигуры в составе сложного сечения равен моменту инерции фигуры + квадрат расстояния умноженный на площадь. Затем полученные моменты инерции суммируются и получается момент инерции сложного сечения. Но это максимально упрощенные формулировки (хотя, соглашусь, все равно выглядит достаточно мудрено).
Момент инерции и момент сопротивления - Доктор Лом
При определении сечения строительных конструкций очень часто необходимо знать момент инерции и момент сопротивления для поперечного сечения конструкции. Определить момент сопротивления и момент энерции для абсолютного большинства поперечных сечений простой геометрической формы можно по давно известным формулам
Глава 5. МОМЕНТЫ ИНЕРЦИИ ПЛОСКИХ СЕЧЕНИЙ
Любое плоское сечение характеризуется рядом геометрических характеристик: площадью, координатами центра тяжести, статическим моментом, моментом инерции и др.
Статические моменты относительно осей х и y равны:
Статические моменты обычно выражаются в кубических сантиметрах или метрах и могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. Ось, относительно которой статический момент равен нулю, называется центральной. Точка пересечения центральных осей называется центром тяжести сечения . Формулы для определения координат центра тяжести x c и y c сложного сечения, разбитого на простейшие составные части, для которых известны площади А i и положение центра тяжести x ci и y ci ,имеют вид
Величина момента инерции характеризует сопротивляемость стержня деформации (кручения, изгиба) в зависимости от размеров и формы поперечного сечения. Различают моменты инерции:
– осевые, определяемые интегралами вида
Осевые и полярные моменты инерции всегда положительны и не
обращаются в нуль. Полярный момент инерции I p равен сумме осевых моментов инерции I х и I у относительно любой пары взаимно перпендикулярных осей х и у :
Центробежный момент инерции может быть положительным, отрицательным и равным нулю. Размерность моментов инерции - см 4 или м 4 . Формулы для определения моментов инерции простых сечений относительно центральных осей приведены в справочниках. При вычислении моментов инерции сложных сечений часто используют формулы перехода от центральных осей простых сечений к другим осям, параллельным центральным.
где – моменты инерции простых сечений относительно центральных осей;
m, n – расстояния между осями (рис. 18).
Рис. 18. К определению моментов инерции относительно осей,
Важное значение имеют главные центральные оси сечения. Главными центральными называются две взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр тяжести сечения, относительно которых центробежный момент инерции равен нулю, а осевые моменты инерции имеют экстремальные значения. Главные моменты инерции обозначаются I u (max) и I v (min) и определяются по формуле
Положение главных осей определяется углом α , который находится из формулы
Угол α откладывается от оси с большим неглавным моментом инерции; положительное значение – против часовой стрелки.
Если сечение имеет ось симметрии, то эта ось является главной. Другая главная ось перпендикулярна оси симметрии. На практике часто используются сечения, составленные из нескольких прокатных профилей (двутавр, швеллер, уголок). Геометрические характеристики этих профилей приведены в таблицах сортамента. Для неравнобокого и равнобокого уголков центробежный момент инерции относительно центральных осей, параллельных полкам, определяется по формуле
Обратите внимание на обозначение главных центральных осей в таблице сортамента для уголков. Знак I xy для уголка зависит от положения его в сечении. На рис.19 показаны возможные положения уголка в сечении и приведены знаки для I xy .
Рис. 19. Возможные положения уголка в сечении
Определить I u , I v и положение главных центральных осей сечения
Сложное сечение состоит из двух прокатных профилей. Выписка из таблиц сортамента (прил. 5) приведена на рис. 21.
В качестве вспомогательных примем оси, проходящие по внешним
сторонам швеллера (оси x B , y B , см. рис. 20).Координаты центра тяжести сечения:
(вычислите самостоятельно).
Рис. 20. Положение главных центральных осей инерции
U и V сложного сечения
В качестве вспомогательных можно было бы выбрать, например, центральные оси швеллера. Тогда несколько сократится объем вычислений.
Осевые моменты инерции:
Обратите внимание, что неравнобокий уголок в сечении расположен
иначе, чем показано в таблице сортаментов. Значение вычислите самостоятельно.
№ 24 180 x 110 x 12
Рис. 21. Значения геометрических характеристик прокатных профилей:
а – швеллера № 24; б – неравнобокого уголка 180 x 110 x 12
Центробежные моменты инерции:
– для швеллера (есть оси симметрии);
– для уголка,
знак минус – в связи с положением уголка в сечении;
– для всего сечения:
Проследите назначение знаков у n и m . От центральных осей швеллера переходим к общим центральным осям сечения, поэтому + m 2
Главные моменты инерции сечения:
Положение главных центральных осей сечения:
; α = 55 о 48 ′ ;
Проверка правильности вычисления величин I u , I v и α производится по формуле
Угол α для этой формулы отсчитывается от оси u .
Рассмотренное сечение имеет наибольшую сопротивляемость изгибу относительно оси u и наименьшую – относительно оси v .
Глава 5. МОМЕНТЫ ИНЕРЦИИ ПЛОСКИХ СЕЧЕНИЙ Любое плоское сечение характеризуется рядом геометрических характеристик: площадью, координатами центра тяжести, статическим моментом, моментом инерции и