stateczność kolumny wstępnie sprężonej przy obciążeniu siłą
Transkrypt
stateczność kolumny wstępnie sprężonej przy obciążeniu siłą
MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 54, ISSN 1896-771X STATECZNOŚĆ KOLUMNY WSTĘPNIE SPRĘŻONEJ PRZY OBCIĄŻENIU SIŁĄ ŚLEDZĄCĄ SKIEROWANĄ DO BIEGUNA DODATNIEGO SPOCZYWAJĄCEJ MIEJSCOWO NA PODŁOŻU WINKLERA Krzysztof Sokół 1a , Ilona Cieślińska - Gąsior 1b Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki 1 Instytut Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn a [email protected], b [email protected] Streszczenie W pracy zaprezentowano wyniki badań teoretycznych i numerycznych smukłego układu ciągłego obciążonego siłą śledzącą skierowaną do bieguna dodatniego miejscowo spoczywającego na podłożu typu Winklera, przy uwzględnieniu wstępnego sprężenia. Obciążenie siłą śledzącą skierowaną do bieguna dodatniego realizowane jest poprzez głowice: wymuszającą i przyjmującą obciążenie, zbudowane z elementów o zarysie kołowym. W pracy wyznaczono wartości obciążenia bifurkacyjnego kolumny w funkcji wybranych parametrów geometrycznych i fizycznych układu w tym parametrów opisujących wstępne sprężenie i podłoże typu Winklera. Uzyskane wyniki symulacji numerycznych zostały porównane z rezultatami obliczeń układu liniowego (układu odniesienia). Na podstawie niniejszej analizy wyznaczono krzywe obrazujące zjawisko lokalnej i globalnej utraty stateczności rozważanego układu. Słowa kluczowe: lokalna i globalna utrata stateczności, obciążenie bifurkacyjne, statyczne kryterium stateczności THE INFLUENCE OF PRESTRESSING ON INSTABILITY OF A COLUMN SUBJECTED TO A FOLLOWER FORCE DIRECTED TOWARDS A POSITIVE POLE PARTIALLY SUPPORTED ON WINKLER ELASTIC FOUNDATION Summary In this paper the results of theoretical and numerical investigations on slender system subjected to a follower force directed towards a positive pole partially supported on Winkler elastic foundation taking into account prestressing are presented. The external loading is realized by means of forcing and acquiring heads which are composed of elements with circular outline. The magnitude of bifurcation load of a column as a function of chosen geometrical and physical parameters (taking into account pre-stressing and Winkler elastic foundation) is obtained. The results of numerical simulations are being compared to the ones computed for the corresponding linear system. On the basis of this analysis the curves of local and global instability have been plotted. Keywords: local and global instability, bifurcation force, static stability criterion 72 Krzysztof Sokół, Ilona Cieślińska - Gąsior 1. WSTĘP Geometrycznie nieliniowe układy smukłe są tematem wielu prac naukowych, w których rozpatruje się zagadnienia z zakresu ich stateczności przy różnych sposobach obciążenia i zamocowania. W zakresie badań stateczności układów smukłych rozpatrywano różne przypadki obciążenia konserwatywnego (Eulera - por. [1]), swoistego (por.[2]) oraz niekonserwatywnego (uogólnione obciążenie Becka) (por. [3)]. W zakresie modelu kolumn geometrycznie nieliniowych wyznaczono obciążenie bifurkacyjne przy prostoliniowej (por. [4]) oraz obciążenie krytyczne przy krzywoliniowej (por. [5]) postaci równowagi statycznej. W pracy (por. [6]) rozpatrywano układ poddany działaniu obciążenia siłą śledzącą skierowaną do bieguna dodatniego – przypadek obciążenia swoistego, które zostało wprowadzone do literatury przez L. Tomskiego (por. [7]). W pracy (por.[8]) rozważano model kolumny geometrycznie nieliniowej, której wewnętrzny pręt podparto częściowo podłożem typu Winklera (por.[9]). W publikacji tej określono energię mechaniczną układu, różniczkowe równania ruchu i warunki brzegowe. Odrębnym zagadnieniem są badania niestateczności lokalnej i globalnej układów geometrycznie nieliniowych (por. [4, 10, 11]). W pracach przeprowadzono analizę porównawczą dotyczącą wartości obciążenia bifurkacyjnego kolumn geometrycznie nieliniowych oraz odpowiednich kolumn liniowych z uwzględnieniem różnych parametrów fizycznych i geometrycznych, w tym pęknięć. Lokalna utrata stateczności występuje przy mniejszych współczynnikach asymetrii sztywności na zginanie układów geometrycznie nieliniowych. W tym przypadku wartość obciążenia bifurkacyjnego tych modeli jest mniejsza od siły krytycznej odpowiedniego modelu liniowego. połączona jest z głowicą przyjmującą obciążenie poprzez nieskończenie sztywny element o długości l0. Uwzględnienie tego elementu jest niezbędne ze względu na rzeczywiste rozwiązanie głowicy realizującej obciążenie, której integralną częścią jest element o długości l0. Sztywność na zginanie wymienionego elementu jest wielokrotnie większa od sztywności na zginanie układu smukłego (por. [2,12]) 2. MODEL FIZYCZNY UKŁADU Obciążenie siłą śledzącą skierowaną do bieguna dodatniego (por. rys.1 a÷c) realizowane jest poprzez głowicę wywołującą i przyjmującą obciążenie o zarysie kołowym (stała krzywizna). Kolumnę obciążono siłą P, której kierunek działania przechodzi przez stały punkt O. Kierunek działania zewnętrznej siły obciążającej jest dodatkowo styczny do linii ugięcia swobodnego końca (x=L) prętów układu. Biegun O umiejscowiono w odległości R od swobodnego końca kolumny. Przyjęto założenie, iż podłoże nie narusza symetryczności układu. W celu zamodelowania miejscowego podparcia podłożem sprężystym pręt wewnętrzny (por. rys.1d) podzielono na trzy pręty o sztywności na zginanie odpowiednio: (EJ)2, (EJ)3 oraz (EJ)4, przy czym: (EJ )2 = (EJ )3 = (EJ )4 Rys. 1. Model fizyczny kolumny obciążonej siłą śledzącą a) model kolumny geometrycznie liniowej KL b) model kolumny geometrycznie nieliniowej KN c) model kolumny geometrycznie nieliniowej z miejscowym podłożem sprężystym typu Winklera KNW bez wstępnego sprężenia, d) rozkład sztywności na zginanie kolumny KNW Oznaczenie WKNW wprowadzono w celu rozróżnienia układu wstępnie sprężonego. Rozkład sztywności na zginanie kolumny WKNW jest taki sam jak w przypadku kolumn geometrycznie nieliniowych KNW, KN (por. [9]). Przy opisie podłoża sprężystego Winklera wprowadzono współczynniki opisujące usytuowanie i rozmiar podłoża względem długości kolumny wzór (2.3). (1) Pręt zewnętrzny ma sztywność (EJ)1 Cała długość elementów jest równa długości całego układu L = l1 + l 2 + l3 . Na swobodnym końcu kolumna 73 STATECZNOŚĆ KOLUMNY WSTĘPNIE SPRĘŻONEJ PRZY OBCIĄŻENIU SIŁĄ ŚLEDZĄCĄ… 2l1 + l 2 l , β = 2 (2,3) 2L L W celu uproszczenia obliczeń w dalszych rozważaniach pręty zewnętrzne rozpatruje się jako jeden o całkowitej sztywności na zginanie równej (EJ)1. Przy opisie kolumny KN, KNW, WKNW definiuje się współczynnik asymetrii sztywności na zginanie: Zagadnienie stateczności modelu kolumny geometrycznie nieliniowej rozwiązano, stosując zasadę minimum energii potencjalnej, polegającej na poszukiwaniu obciążenia, przy którym energia potencjalna przestaje być dodatnio określona (por.[13]). δV = 0 (11) gdzie: δ – operator wariacji Wykorzystując związek (10), po obliczeniu wariacji energii potencjalnej otrzymano: - równania przemieszczeń poprzecznych: α = µ = (EJ )2 (EJ )1 (4) przyjmując, że suma sztywności na zginanie układu geometrycznie nieliniowego (KN) jest stała (1): (EJ ) j y j IV (x j ) + Sjyj IV 2 ∑ (EJ )i = const (EJ )4 y 4 (x 4 ) + (5) Sztywność na zginanie prętów kolumny (KL) jest taka sama jak sztywność prętów o indeksie 1 kolumny (KN), (KNW), (WKNW). Do opisu zagadnienia stateczności układów smukłych zastosowano teorię Bernoullego-Eulera oraz teorię umiarkowanych dużych ugięć. Biorąc pod uwagę model fizyczny kolumny, określa się zgodnie z teorią zginania Bernoullego – Eulera składowe energii potencjalnej. Całkowita energia potencjalna V to suma energii: - sprężystej zginania V1: + 2 [ ] [ 2 [ ] ( [ ] d 2 yk (xk ) dxk2 V2 = y1I (L ) = y3I (l 3 ), y 4 (l 2 ) = y3 (0), y 2I (l1 ) = y 4I (0), y 4I (l 2 ) = y 3I (0), l1 1 2 1 I dx + I ( EA ) 2 ∫ 2 y 2 ( x 2 ) + U 2 ( x 2 ) 2 0 2 + l3 1 2 1 I dx + I ( EA )3 ∫ 3 y 3 ( x 3 ) + U 3 ( x 3 ) 2 0 2 ( ) ( y1 (L ) = (R − l 0 )y1I (L ), kolumn KNW,WKNW w zależności (11) pozwala uzyskać naturalne warunki brzegowe: 2 + 2 ) (8) (EJ )1 y1III (L) + (EJ )3 y3III (l3 ) − + P ⋅ U1 ( L , t ) + ) 1 P (R − l0 ) y1I (L ) 2 [ ] ] y 2III (l1 ) = y 4III (0), - potencjalnej podłoża sprężystego V3: V3 [ y 4II (l 2 ) = y 3II (0), 2 1 l2 2 = K ∫ ( y ( x ) ) dx 4 2 0 4 4 1 (EJ )1 y1II (L) + (EJ )3 y3II (l3 ) = 0 R − l0 y 2II (l1 ) = y 4II (0), 2 l2 1 2 1 I dx + I + ( EA ) 4 ∫ 4 y 4 ( x 4 ) + U 4 ( x 4 ) 2 0 2 ( (16-23) y 2 (l1 ) = y 4 (0), (7) 2 ) ) y1I (0) = y 2I (0) = 0, dx4 1 2 1 I dx + I ( EA ) 1 ∫ 1 y1 ( x1 ) + U 1 ( x1 ) 2 0 2 ( (14) y1 (L ) = y 3 (l 3 ), (6) - potencjalnej V2 wynikającej z obciążenia zewnętrznego P: L (12-13) -Uwzględnienie geometrycznych warunków brzegowych (16-23) y1 (0) = y 2 (0) = 0, 2 , k = 1,2,3,4 ) ( gdzie: ykII ( xk ) = Ky 4 (x 4 ) = 0 oraz równania przemieszczeń wzdłużnych poszczególnych prętów układu: 2 1 xk I S k ( xk ) (15) xk − U k ( xk ) = − ∫ y ( x ) dxk 2 0 k k ( EA)k ] l3 l2 1 (EJ )3 ∫ y 3II (x3 ) dx3 + 1 (EJ )4 ∫ y 4II (x 4 ) 2 2 0 0 (x 4 ) + j = 1, 2,3 d I 1 2 U k (x k ) + y I (x ) = 0, k = 1, 2, 3, 4 dx k 2 k k 2 l1 L 1 (EJ )1 ∫ y1II (x1 ) dx1 + 1 (EJ )2 ∫ y 2II (x 2 ) dx 2 + 2 2 0 0 S4 y4 (x ) = 0 j II Przy czym Sk opisuje wartość poszczególnych sił wewnętrznych w prętach. - różniczkowe równania przemieszczeń w kierunku nieodkształconej osi kolumny: i =1 V1 = II y 4III (l 2 ) = y 3III (0), (9) 2 ∑ S i − P = 0, i =1 przy czym :yk(xk), Uk(xk) jest, odpowiednio, przemieszczeniem poprzecznym oraz wzdłużnym prętów układu gdzie k=1,2,3,4, Wzór na całkowitą energię potencjalną ma następującą postać: (10) V = V1 + V 2 + V 3 (24-29) przy czym: S 2 = S3 = S 4 . (30) Warunek (23) wynika z geometrii głowicy realizującej obciążenie (por. [12]), przy czym w zależnościach (12,13) 74 Krzysztof Sokół, Ilona Cieślińska - Gąsior oraz (14) uwzględniono definicję siły wzdłużnej w postaci: d I 1 I 2 U k (x k ) + y (x ) (31) S k ( x k ) = − ( EA) k dx k 2 k k ( cyjnego układu (KN) i (WKN) w funkcji współczynnika µ. Porównując przebieg krzywych kolumny (WKN), stwierdzono, że wstępne sprężenie (układu siły λ*0 wzór ) (33)) należy stosować w ograniczonym przedziale zmian współczynnika asymetrii sztywności na zginanie µ. Pozytywne efekty wstępnego sprężenia uzyskuje się, gdy parametr obciążenia bifurkacyjnego λ*cr kolumny 3. WYNIKI OBLICZEŃ Biorąc pod uwagę rozwiązanie zagadnienia brzegowego uzyskanego na podstawie równań przemieszczeń poprzecznych (12,13) oraz warunków brzegowych (16-23, 24-29), przeprowadzono badania numeryczne odnośnie do stateczności rozważanego układu. Na rys. 2 zaprezentowano zmianę wartości siły bifurkacyjnej modelu kolumny geometrycznie nieliniowej (KN) oraz siły krytycznej modelu kolumny liniowej (KL) w funkcji współczynnika asymetrii sztywności na zginanie µ. Wykreślone krzywe obrazują zjawisko lokalnej i globalnej utraty stateczności rozpatrywanego układu. Parametr obciążenia krytycznego λ*cr wyrażono w (WKN) jest większy od tego parametru układu (KN). postaci bezwymiarowej (wzór 32) (por. [9, 12]). W zakresie zmian wartości współczynnika µ (0, µgr) obciążenie bifurkacyjne (KN) (utrata prostoliniowej równowagi statycznej) jest mniejsze od obciążenia krytycznego kolumny (KL). Za lokalną utratę stateczności odpowiada niestateczność pręta o mniejszej sztywności na zginanie. Usunięcie z modelu kolumny geometrycznie nieliniowej tego pręta powoduje nagły wzrost siły krytycznej (przejście od punktu A1 do punktu A2). W związku z powyższym w zakresie zmienności współczynnika rozkładu asymetrii sztywności na zginanie prętów µ następuje lokalna utrata stateczności układu. W przypadku µ > µgr występuje globalna utrata stateczności układu. l 0* = R* = Rys. 3. Zmiana bezwymiarowego parametru obciążenia bifurkacyjnego λ*cr modelu kolumny nieliniowej WKN w funkcji współczynnika asymetrii rozkładu sztywności na zginanie µ dla l0* = 0.2 , R * = 0.5 S0l 2 λ0 * = 2 ∑ ( EJ ) i i=1,2 (33) i=2 l0 L R L Rys. 2. Zmiana krytycznego parametru obciążenia λ*cr w funkcji współczynnika asymetrii rozkładu sztywności na zginanie µ dla Rys. 4. Zmiana bezwymiarowego parametru obciążenia bifurka- l0* = 0.2, R * = 0.5 podpartej podłożem sprężystym KNW w funkcji współczynnika λ*cr = Pcr l 2 2 i=1,2 cyjnego λ*cr modelu kolumny nieliniowej KN oraz nieliniowej asymetrii sztywności na zginanie dla parametru l 0* = 0.2, R* = 0.5, l1 = 0 .2 , l 2 = 0 .6 , l 3 = 0 . 2 (32) K* = ∑ ( EJ ) i i=2 KL4 2 ∑ ( EJ ) 2 Na rys. 3 zaprezentowano zależność pomiędzy wartościami obciążenia krytycznego kolumny (KL) i bifurka- i =1 75 i=1,2 (34) STATECZNOŚĆ KOLUMNY WSTĘPNIE SPRĘŻONEJ PRZY OBCIĄŻENIU SIŁĄ ŚLEDZĄCĄ… Na rys. 4 przedstawiono wartość obciążenia bifurkacyjnego układu geometrycznie nieliniowego w funkcji współczynnika asymetrii sztywności na zginanie dla wybranych wartości sztywności podłoża typu Winklera o odpowiednio dobranej sztywności K* (wzór 34) częściowo podpierającego środkowy pręt kolumny. W efekcie uzyskano wzrost wartości bezwymiarowego parametru obciążenia bifurkacyjnego kolumny (KNW) powyżej obciążenia bifurkacyjnego modelu kolumny geometrycznie nieliniowej (KN) oraz zmniejszenie wartości granicznego współczynnika asymetrii sztywności na zginanie µgr. Rys. 6 Wpływ sztywności podłoża sprężystego na wartość parametru obciążenia bifurkacyjnego kolumny KNW oraz na wyjście układu z obszaru lokalnej utraty stateczności dla parametru l 0* = 0.2, R * = 0.5, l1 = 0 .2 , l2 = 0 .6, l3 = 0 . 2 Rys. 5. Zmiana obciążenia bifurkacyjnego wstępnie sprężonej kolumny WKNW w funkcji współczynnika asymetrii rozkładu sztywności na zginanie dla parametru l 0* = 0.2, R * = 0.5, l1 = 0 .2 , l 2 = 0 .6 , l 3 = 0 . 2 Na rys. 5 przedstawiono wzrost wartości obciążenia bifurkacyjnego modelu kolumny geometrycznie nieliniowej przy jednoczesnym uwzględnieniu podłoża typu Winklera oraz wstępnego sprężenia. Wartość granicznego współczynnika asymetrii sztywności maleje, zmniejszając obszar lokalnej utraty stateczności. Wykazano, że dobranie odpowiednich parametrów wstępnego sprężenia i podłoża sprężystego umożliwia ‘wyjście’ układu z zakresu lokalnej niestateczności. Rysunki 6, 7 przedstawiają przebieg krzywych granicznych współczynnika asymetrii sztywności na zginanie µ w zależności od wartości parametru sprężystego podłoża Rys. 7. Wpływ wstępnego sprężenia modelu kolumny nieliniowej na wyjście z zakresu lokalnej niestateczności przy współczynniku asymetrii rozkładu sztywności na zginanie i parametrów l 0* = 0 .2, R * = 0.5, l1 = 0 .2 , l2 = 0 .6, l3 = 0 . 2 4. WNIOSKI Analiza otrzymanych wyników numerycznych pozwala stwierdzić, że rozważany układ w zależności od wartości współczynnika asymetrii sztywności na zginanie charakteryzuje się lokalną lub globalną utratą stateczności. Parametr asymetrii sztywności na zginanie µ wpływa na wartość siły bifurkacyjnej modelu kolumny geometrycznie nieliniowej. W zakresie badań wpływu wstępnego sprężenia na stateczność modelu geometrycznie nieliniowej kolumny obciążonej siłą śledzącą skierowaną do bieguna dodatniego określono zakres wartości wstępnego sprężenia, dla którego otrzymuje się wzrost obciążenia bifurkacyjnego kolumny powyżej granicy lokalnej utraty stateczności (tj. obciążenie, przy którym układ geome- K* oraz wstępnego sprężenia λ*0 . Na podstawie zaprezentowanych krzywych wyznaczono obszar lokalnej utraty stateczności prostoliniowej postaci równowagi statycznej przy wybranych parametrach głowicy realizującej obciążenie. 76 Krzysztof Sokół, Ilona Cieślińska - Gąsior trycznie nieliniowy traci prostoliniową postać równowagi statycznej). Stwierdzono, że wstępne sprężenie kolumny w całym możliwym zakresie jest z punktu widzenia otrzymanej wartości siły bifurkacyjnej niewskazane. Dotyczy to szczególnie dużych wartości siły sprężającej, dla których otrzymuje się wyniki przeciwne do oczekiwanych (znaczące zmniejszenie obciążenia bifurkacyjnego). Wstępne sprężenie powinno być stosowane dla kolumn charakteryzujących się lokalną utratą stateczności. Uwzględnienie w modelu fizycznym modelu kolumny nieliniowej podłoża typu Winklera podnosi wartość obciążenia bifurkacyjnego. Wraz ze wzrostem sprężystości podłoża rośnie wartość bezwymiarowego parametru obciążenia λ*cr . Podłoże sprężyste o odpowiednio dużej sztywności powoduje „wyjście” układu z obszaru lokalnej utraty stateczności. Badania zostały przeprowadzone w ramach grantu BS / MN-1-101-302/ 14 / P realizowanego na Politechnice Częstochowskiej Literatura 1. Leipholz H.H.E.: On conservative elastic systems of the first and second kind. “Ingenieur –Archov” 1974, 43, p. 255-271. 2. Tomski L, Szmidla J.: Drgania i stateczność układów smukłych. Rozdz.III: Drgania swobodne i stateczność kolumn poddanych działaniu swoistemu – sztywne węzły konstrukcyjne układu wymuszającego i przyjmującego obciążenie, Pr. zbior. pod kier. nauk. i red. L. Tomskiego. Warszawa: WNT, 2004. 3. Beck M.: Die Knicklast des einseitig eingespannten tangential gedruckten Stabes. ZAMP 1953, 4, 1953, p. 225228, 476-477. 4. Tomski L., Szmidla J.: Local and global instability and vibration of overbraced Euler’s column. “Journal of Theoretical and Applied Mechanics” 2003, 41(1), p. 137-154. 5. Tomski L., Uzny S.: Free vibration and the stability of a geometrically non-linear column loaded by a follower force directed towards the positive pole. “International Journal of Solids and Structures” 2008, 45, p. 87-112. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Tomski L., Szmidla J.: Drgania swobodne i stateczność obiektów smukłych, jako układów liniowych lub nieliniowych. Rozdz.VI :Drgania swobodne i stateczność wspornikowych kolumn geometrycznie nieliniowych poddanych obciążenie swoistemu. Pr. zbior. pod kier. nauk. I red. L. Tomskiego. Warszawa: WNT, 2007. Bogacz R., Imiełowski Sz., Tomski L.: Stability and vibration of column structures subjected to generalized concentrated load : theoretical and experimental study. Dynamics of Continua - International Symposium, Physikzentrum Bad Honnef, 9 -13 September 1996, p. 45-54. Szmidla J.: Drgania i stateczność kolumn spoczywających na podłożu typu Winklera realizujące wybrane przypadki obciążenia konserwatywnego, Zesz. Nauk. Pol. Rzesz. s. „Mechanika” 2008, 258, 74, s. 321-332. Szmidla J.: Drgania swobodne i stateczność układów smukłych poddanych obciążenie swoistemu. Rozdz. III: Drgania swobodne i stateczność kolumny geometrycznie nieliniowej niecałkowicie spoczywającej na podłożu sprężystym typu Winklera. Częstochowa: Wyd. Pol. Częstoch., 2009. Sokół K., Uzny S.: The regions of local and global instability of a two-member slender system with crack. “Machine Dynamics Research” 2014, 2, 38 p. 75-83. . Sokół K.: The local and global instability and vibration of a nonlinear column subjected to Euler’s load. “Scientific Research of the Institute of Mathematics and Computer Science” 2010, 19 p. 187-194. Tomski L., Szmidla J.: Drgania swobodne i stateczność obiektów smukłych jako układów liniowych lub nieliniowych. Rozdz. VIII: Drgania swobodne i stateczność kolumny geometrycznie nieliniowej częściowo spoczywającej na podłożu sprężystym typu Winklera. Pr. zbior. zbiorowa pod kier. nauk. I red. L. Tomskiego. Warszawa: WNT, 2007. Tomski L.: Drgania i stateczność układów dyskretnych. Rozdz. 3: Drgania swobodne i stateczność układów smukłych o jednym oraz o dwóch stopniach swobody. Częstochowa: Wyd. Pol. Częstoch., 2006 77