三折伞的结构分析

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三折伞的结构分析



刘昆(011916

丁飞(011923 沈炜(011918
伞是十分常用的日常雨具,但是其却有十分复杂的骨架结构,特别是三折伞的结构更是让我们这些平时不对生活感兴趣的孩子们感到有些奇怪,所以现在就对它进行一些力学上的分析。

三折伞共有八个骨架,这八个骨架完全相同,每一个的结构如下所示:



其中的黑色粗杆是伞的中间骨,其最粗,而蓝色的是三根比较粗的骨架,两根红色的是最细的骨架。



现在对这些骨架的结构和受力情况分析如下:



一. 伞结构的骨架受力分析:

在伞仅受由上而下的载荷时,可以将外沿部分的骨架等效成以下形式:



由于杆2 是个二力构件,所以其受力方向只能沿杆2 的方向,



1.计算节点A处的受力情况:
计算中的假设如下:
由于伞面载荷是与伞面撑开面积相关,所以设其线性分布,qq0ax 中所示。现设q0=10 N, a=1 N/m;

3 平衡时,B点处合力矩为零,MB0 B点左侧的载荷产生的力矩为:

l1
,长度如图Ml(q0ax(l1xdx0l1(q0l1q0xal1xax2dx0l12ax(al1q0xq0l1dx0l10
l1
2(axdx(al1q0dxq0l120a1l13(al1q0l12q0l12320.1722
B点右侧的载荷产生的力矩为:
l2MR(q0ax(xl1dxl1l2(q0axal1xax2q0l1dxl1
MFayMlMRa312l2(q0al1l2q0l1l232a3312(l2l1(q0al1(l2l12q0l1(l2l1321.2607e+003 Nm因为
MFayMFayFayl13qal12al2Fay0l2q0l23l12l1-0.9245 N

3 平衡,必满足
Fy0载荷压力为l1l20(q0axdx
aq0(l1l2(l1l222所以3qal12aal22FByq0(l1l2(l1l20l2q0l223l12l14.8486 N
由于二力构件受力方向必沿杆件方向,且由测量得22 所以
tanFby/FbxFbxcotFbycot22 4.8486=12.0007 N又由于Fx0所以,FaxFbx12.0007 N


2.计算杆3的挠度和转角
. B点左侧取截面,如图

设一点x0,因此在x0左侧对其矩为:
x0(q0
0ax(x0xdx可得xMq(q0at(xtdt0x
(q0xq0tatxat2dt0q02a3a3xxx223qax30x262q0x2

M(xFayxMq'M(xFayx利用挠度方程d2wM 2EIdxdw1MdxCdxEIq11a4(Fayx20x3xCEI2624由于伞中骨架5 起固定作用,使w(0=0, θ0=0 所以 C=0 因此 w(x=a3q02xx62Fay3q04a5xxxD 4EI24120w(x=0 D=0 Fay3q04a5xxx0.0083x50.4167x40.0462x3 4EI24120q11a4(Fayx20x3x-0.0083x4-0.3333x3 0.0924x2 θx= EI2624 w(x=
现在假设:E=100, I=0.05 cm 可得其挠度曲线如图:

0x 10
-4
4
-2
-4
-6
-800.020.040.060.080.10.120.140.160.18
转角曲线为:
0x 10
-3
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-100.020.040.060.080.10.120.140.16. B点右侧取截面,如图:
B右侧取一点x0 , 载荷在x0右侧对其矩为:
l1l2
x0l1l2(q0ax(xx0dxMql1l2x(q0at(txdxx(q0tq0xat2atxdtq0211tq0xtat3axt2|lx1l223211111232q0l1l2x2q0xl1l2q0x2al1l2ax3axl1l2ax32332211112321ax3q0x2q0l1l2al1l2xal1l2q0l1l262322



dw(xdxq1411a232aaxq0x3q0l1l2l1l2x2l1l20l1l2xC2462223因为1(l1=2(l1,可求出常数C(x0.0417x1.6667x1.9621x0.7601x-0.2845w(x=q111a1a232ax5q0x4q0l1l2l1l2x3l1l20l1l2x2CxD1202462232432
因为w1(l1w2(l2,可求出常数D.w(x=0.0083x50.4167x40.6540x30.3801x2-0.2845x 0.0358

挠度曲线:

线0.0050
-0.005
-0.01w(x-0.015-0.02-0.025-0.030.20.220.240.260.280.3x0.320.340.360.380.4



转角曲线:
线0.050
-0.05
-0.1
-0.15-0.2-0.25-0.3-0.35-0.40.20.220.240.260.280.3x0.320.340.360.380.4


3.计算杆14 对中心骨的作用力:
由于在杆123相接处的力已求出,故可将其分解为与中心轴垂直及平行的分力;其构造如右图所示:

计算中的由于杆5的作用可忽略,所以假设 以上求出的Fa全由杆1 提供。

145 杆取出,如下:

现分别设这些力为:Fcx,Fcy,Fdx,Fdy
FcxFaxcos12Faysin12FcyFaxsin12Faycos12FdxFbxcos18Fbysin18

FdyFbxsin18Fbycos18. 先求出E点和G点的作用力:

对于145杆组成的系统中
MG0Fcxl3Fcyl4Fdxl5Fdyl6Fexl3因此Fcxlll4Fcy5Fdx6FdyFexl3l3l3lllFexFcx(4Fcy5Fdx6Fdy-11.8085 Nl3l3l3同时求出G点的约束力:ME0Fcyl4FGxl3Fdx(l3l5Fdyl6FGxll1(l3l5Fdx6Fdy4Fcy13.6926 Nl3l3l3对于杆1的平衡(此时忽略杆1的作用)MH0设GH=x1,HDx2,CDx3FGxx1sinFdxx2sinFcy(x2x3cosFGyx1cosFdyx2cosFcx(x2x3sin所以FGyFGxtanFdx用整体平衡求出FeyFeyFGyFcyFdyFeyFdyFGyFcy6.7416 N

xxx2xxxtanFcy23Fdy223tanFcx-0.0127 Nx1x1x1x1. 求出H点的受力

用杆1的平衡算出:

Fx0FHxFGxFcxFDx15.7082 N FHyFGyFcyFDy-6.7416 N

三折伞伞面翻转与恢复分析
伞的一条骨架及主杆如右图1
1主杆2345四根金属杆铰链接 67位两根粗金属丝。
伞面反向受均匀力受均匀力作用时,如风垂直于主杆的法平面。吹向里面时。可如下分析受力:
设风力造成的压强为p0均匀施加于伞面上,所以作用在伞面上的力与受力面积成正比,同时,因形变伞面张力也造成一成线性变化的载荷,这个载荷力较大 所以骨架金属杆5上受到的载荷如图2示。已知伞面造成的张力会抵消绝大部分的风载荷,为了便于计算,垂直于金属杆的载荷分量简化如图3所示



qq0pxq0(1p00 为风压,lpsinl00为伞面为两骨架此相同位置间的距离,与垂直主杆法平面的夹角,为张力抵消风压的系数)
其中:p0100 N/m

2l3 l4180

l220 mm
l1200 mm l0120 mm k=8000 n/m 12 =0.9999
根据力矩平衡,有

F65yl2l01(q0pxxdx113l111322q0xpx|0q0l1pl12323112(1p0l1sin(l0l1231112F65y(1p0l1sin(l0l1 0.0051Nl223

金属丝6为一直角折弯金属丝。分析粗金属丝6,如图4示。6的两端铰链接间不受力,所以为二力构件。
F56yF65yF56
金属丝6易弯曲,使得两段铰链点间的距离缩短。如图5所示,实线为未加风力载荷时的形状,虚线为加一定的风载荷的l' 为末距离,形状, l为两端的初始距离,l 为变化量
近似认为 F56 l为正比关系,比例系数为k,单位N/m F56ysin122F56yl3l4l32122l3l4l3l211(1p0lsin(l0l1 0.0911N23
当加风力载荷时,金属架中金属杆5会绕其与4的铰链接逆时针转动,即当伞里面受到向上的力时。第三折的伞面会向上翻转。
其引起金属丝6的最大形变量分析如下,见图5 原长为l3l4 0.1803 m,末长为(l2l4l3l2 0.1803 m
2lmaxl32l4(l2l42l32l21.4588e-005m
2
2
2
2F56作用6上,使其发生微小形变后,F56yF56的夹角变大,即当F56y不变时,F56会因为F56F56ycos''为两力夹角)而变大。

同时,因为伞面上翻,风力垂直作用伞面的作用力加大,使得5杆上的风力的垂直载荷加大,也就引起F56y的增大。总之,伞面向上翻,会使F56变大。
近似认为F56不变,当其值突破阈值
5 Fmaxklmax 0.1167 N
Fklmaxk(ll(l2l4ll2时,
2324223

5当其小于此值时,撤消风载荷,伞面会在6的作用力下恢复原状。

关于雨伞结构的讨论
-----------中间杆件部分 由伞的支架部分:如图
L+a

可分为A,B,C,D四个主要点:
A 点:固定伞布,以及与周围四个支架的连接部分。
B 点:伸缩延长部件。由于BC件为延长部件,在正立拿伞时,只有轴向受力。 A B C 点:人手握部件,在手持雨伞的情况下,可以近似为固定铰支或力源。 C D 点:为杆件受支架作用力处。 AB A
ө=45°
8 7 6 5
A 对于D点横向:

MA

1 2 ө
3 4

FAXFD1FDXa L FAXFDX
MAFD1(aLFD1aFD1L
FD1MA由此,可以做出AB杆的弯矩图:

这里解释一下A点弯矩:
由于A点的受力结构由图2已经指出,可以知道,234678。均为轴向及纵0 a L+a 向平均受力,为了平衡整个杆件,可以分析出1点受力轴向为FAX5点受力产生弯矩MA
使得杆件平衡。
MA=FA8D/2
FA82FD1L/D
对于D~C间的杆件,只受到轴向的内力传递作用,而且C点可以看作力源,当有轴向力变化时力源中轴向力随之变化。


本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/485bd09277eeaeaad1f34693daef5ef7ba0d12b6.html

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