Модели нагрузок. Силы и их классификация

Внешние силы (нагрузки), действующие на деформируемое тело, принято делить на:

- статические (стационарные) и динамические (нестационарные) (т.е. независящие и зависящие от времени);

- поверхностные и объемные;

- сосредоточенные и распределенные.

По характеру приложения во времени нагрузки подразделяются на статические и динамические. Нагрузки, медленно изменяющиеся по времени от нуля до своего конечного значения, называются статическими; силами инерции здесь пренебрегают. Условие статического нагружения

,

где — время нарастания нагрузки; - период низшего тона собственных колебаний конструкции; — низшая круговая частота собственных колебаний конструкции.

Динамические нагрузки сопровождаются значительными ускорениями точек деформируемого тела. При этом возникают силы инерции, которыми пренебречь нельзя. Динамические нагрузки делят на мгновенно приложенные, ударные и повторно-переменные.

Нагрузка считается мгновенно приложенной или быстро приложенной, если она возрастает в течение короткого промежутка времени:

.

Авиационные конструкции многоразового пользования подвергаются, как правило, действию переменных нагрузок, называемых повторно-переменными.

Объемные силы действуют непрерывно по всему объему тела. Примерами объемных сил могут служить силы тяжести, центробежные силы, электромагнитные силы и силы инерции. Поверхностные силы приложены к точкам поверхности тела и являются результатом взаимодействия твердых тел или воздействия на них внешней среды, например, набегающего потока воздуха на крыло ЛА (воздушная нагрузка).

Часто нагрузку, распределенную по поверхности р (рис. 1.5а), приводят к главной плоскости, в результате чего получается нагрузка q, распределенная по линии или погонная нагрузка (рис. 1.5б). Очевидно, что размерность распределенной по площади нагрузки Н/м², а погонной – Н/м. Иногда в технической литературе погонную нагрузку q называют распределенной, в том смысле, что она распределена по длине конструктивного элемента.

Рис.1.5. Распределенная (а) и погонная (б) нагрузки

Иногда возникает необходимость приведения распределенной по поверхности или погонной нагрузки к эквивалентной сосредоточенной силе. При этом абсолютное значение эквивалентной силы равно площади эпюры (графика изменения распределенной нагрузки по длине элемента конструкции) распределенной нагрузки и приложена она в центре тяжести этой эпюры. Так, на рис. 1.6 показаны схемы перехода от реально действующей погонной нагрузки к эквивалентной силе Р_экв для двух простейших случаев: равномерной погонной нагрузки и нагрузки, распределенной по линейному закону. Очевидно, что такой переход допустим лишь в том случае, если длина участка действия погонной нагрузки l существенно меньше длины всего объекта в целом L, как это показано на рис. 1.7. Встречаются нагрузки, которые могут быть представлены в виде сосредоточенного момента (пары сил) (размерность H·м).

Все реально действующие внешние нагрузки распределены по некоторому конечному участку тела. Тем не менее, при схематизации реальных объектов (например, узлов крепления) в сопротивлении материалов делаются упрощения в системе сил, приложенных к элементу конструкции. Смысл упрощения, при котором вводится понятие сосредоточенной силы, ясен из рис.1.7 (при сила , действующая в узле крепления груза считается сосредоточенной). Аналогично может быть рассмотрено введение понятия сосредоточенного момента.

Рис.1.6. Схема перехода к эквивалентной нагрузке

Рис. 1.7. К выбору представления силы в расчетной схеме