Изгибные колебания балок
Рассмотрим случай, когда возмущающая нагрузка задана в виде сосредоточенной силы
(305)или комбинации нескольких нагрузок того же вида с одинаковой частотой. Решение для прогибов будем искать в виде
(306)сводя задачу к определению формы колебаний (кривой амплитуд прогибов)
.В случае
, подставляя в (192) (306), получим (307)Решение дифференциального уравнения (307) имеет вид
(308)где
- функции Крылова (198), в которых вместо (196) нужно принятьДля определения постоянных
, входящих в общее решение (308), необходимо использовать граничные условия. Рассмотрим два случая, которые не освещались при расчете на свободные колебания.1.Возмущающая сила
приложена на конце балки. Поперечная сила в сечении должна быть равна этой силеи граничное условие принимает вид
где знак «+» соответствует силе, приложенной к правому концу, знак «-» - силе, приложенной к левому концу. Кроме того,
.2. Возмущающая сила
приложена в промежуточном сечении балки.В этом сечении должны выполняться четыре условия сопряжения:
где а - абсцисса сечения, в котором приложена возмущающая сила; индексы «-» и «+» соответствуют сечениям, расположенным бесконечно близко слева и справа от сечения а.
Первые три условия обозначают непрерывность прогиба, угла поворота сечения и изгибающего момента в точке приложения возмущающей силы; четвертое условие выражает разрыв функции поперечной силы в указанном сечении на величину
.Приведенные выше рассуждения представляют собой непосредственное решение задачи. Теперь рассмотрим другой способ - разложение решения в ряд по собственным функциям.
В общем случае, когда возмущающая поперечная нагрузка задана произвольным законом
дифференциальное уравнение движения приобретает вид
(309)т.е. отличается от аналогичного уравнения при свободных колебаниях наличием правой части.
Как и выше, представим в виде ряда
(310)
Также в виде ряда будем искать решение для прогиба
(311)
Для определения функций времени умножим обе части равенства (310) на и проинтегрируем результат по всей длине балки. Вследствие ортогональности собственных функций в правой части при этом остается только одно слагаемое, соответствующее номеру , так что
(312)
Эта формула совпадает по записи с (301), выведенной выше для продольных колебаний, но в (312) представляет собой собственные формы задачи о свободных колебаниях балки («балочные функции»). Поэтому здесь также справедлива формула (303), относящаяся к случаю сосредоточенных возмущающих сил.
Учитывая, что каждое слагаемое ряда (310) вызывает движение, описываемое соответствующим слагаемым ряда (311), можно записать уравнение (309) в виде
Разделив обе части на , получим
Левая часть этого равенства равна , поэтому
Отсюда получим дифференциальное уравнение для
Общее решение этого уравнения имеет вид
(313)
Изложенный способ позволяет получить решения и в случаях переменного сечения, если заранее найдены собственные формы и собственные частоты .