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再谈虚功与需位移原理

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发表于 2017-9-14 20:21:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 水水5 于 2017-9-14 20:26 编辑 7 H) Z1 l' V4 \; l, u

/ @$ P& A- X: x8 y8 U" E最近有许多网友在论坛力问了些关于受力分析与求解的问题。我觉得有必要给大家介绍一下虚功原理。因为论坛力的一些前辈们曾经就虚功与虚位移原理介绍的很明白了,例如逍遥处士大侠等。所以,在此,我只能是再谈虚功与虚位移原理。我的认识也只是一些皮毛,此贴的意思一是给一些新同学介绍这个简便的方法,也是抛砖引玉,希望再有机会听大侠们的高见。; I  K! v9 c9 o/ ^

" R8 {) P  S5 M* ]7 }! p“虚位移原理应用功的概念分析系统的平衡问题,是研究静力学平衡问题的另一途径。虚位移原理与达朗贝尔原理结合起来,组成动力学普遍方程,为求解复杂系统的动力学问题提供了另一普遍的方法,构成了分析力学的基础。”这是书上的原话。2 b7 @1 ]3 @4 i2 p
* i. E% ?. S& U+ ^0 S/ H9 o% F( T
简单的说,对于有理想约束的一个系统,在某个瞬时,质点系在约束允许的条件下,可能实现的任何无限小的位移成为虚位移。力乘以在力的方向上产生的虚位移就是虚功。一个静态平衡的系统,虚功的代数和为零。对于简单的机构,可以认为,输入力的虚功等于输出力的虚功。" T" K# y8 G% O$ X# ]0 |3 \, U

) H( ]- Z9 ]% j4 d# E我一般是这样理解的,虚位移就是很小的位移。比如一个连杆机构,让主动件移动0.1mm,观察从动件能够移动多少。通过对比两个距离,就能够知道力的比值。
: x% @/ M: W6 J, p- F
+ G+ ?; x7 y! \% i3 O6 g; |6 u; E) z下图是课本上的一个例题:
' E$ l$ |0 ]- a5 E
! I+ P* w0 l: X& x. [这个例题中,利用几何关系确定了各虚位移之间的比例关系,进而得出了已知量与未知量的关系。虽然并没有给虚位移一个特定的值。
- h8 a4 b/ O% m( i" a在大多数情况下,我们可能很难确切的确定各虚位移之间的比例关系,或者说,可能是随时间变化的,机构的每一个状态,其比例关系并不一样。但是我们有solidworks呀。我们可以给虚位移一个微小量,比如1mm或者0.1mm.然后观察执行机构的运动情况,比如说运动了2mm或者0.2mm,那显然,出力就是入力的2倍。
: Y! k; S# E  z& w4 N( o: Y5 N" A$ s6 X- v7 `& Z
这个是逍遥处士前辈的帖子,他比我讲的好多了。! k6 Y0 m& k6 p- a
http://www.cmiw.cn/forum.php?mod ... hlight=%D0%E9%B9%A6
! d6 W: \- {! E
, |+ Z% b( m/ Fz
2 j; l! d$ [* j4 Q4 S. X# I, H  v' w: O2 ]* p

' w# }) N. a" z9 j% L; p+ M, F

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 楼主| 发表于 2017-9-14 20:51:00 | 显示全部楼层
例如,有如下图的一个连杆机构:蓝色的是两个连杆,左侧连杆与固定支架(未画出,假设是原点)铰接,粉色的是主动件,由气缸推动。右侧棕色的是一执行机构,由灰色的直线导轨导向。假设在图示状态要提供100牛的挤压力,需要用多大的气缸?9 K6 B) Z, U2 W/ }; @! k
. B# T' ]9 v2 B& `- ]
也许受力分析并不复杂,下面我们用虚位移原理求解。$ S5 V7 m; r) H, b* D
测量主动件和从动件与固定支架的距离,如下图:
9 c: r2 ~! n2 y+ G% ~2 k/ C* \- F" U
再给主动件一个0.1mm的推进量,观察从动件的移动:
( Z* p' n0 Y( v2 J9 `. S% h2 a) {& ~% p8 ?
可以看出,从动件移动了125.11-124.94=0.17mm4 o, K0 r% j8 m1 s7 D7 K
假设气缸推力为F,列虚功平衡方程为:5 t2 U* J0 X# q
F*0.1=100*0.17,,则气缸推力为170N.再根据样本就可以算出气缸的推力了。
$ ^/ d7 k3 @( t2 q8 I# X' N
+ X7 T4 s* I/ b8 }作为优化,这个机构可能是用其死点位置作为夹紧、压紧、保持等功用,能够自锁。例如肘夹等。那么压紧需要多大的力呢?可以将连杆推至接近死点的位置,计算一下。+ J6 k8 `& I! T" R

  D# J4 W. G* N
+ N3 K5 N4 m: L9 }; ]) i2 |9 l

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 楼主| 发表于 2017-9-14 20:55:40 | 显示全部楼层
本帖最后由 水水5 于 2017-9-14 21:00 编辑
5 }+ a, M  F6 I, C6 F3 P" c  H# w2 J4 Y. ]
在实际设计中,我一般根据经验,先确定一个状态,然后根据这个状态,利用虚位移原理求解。再加上加速度的考虑。; f& U# t+ k' }. b: |8 B+ \
例如连杆机构,我根据经验先确定气缸受力最大的位置,然后列虚功平衡方程。一定不能偷懒,要把方程写出来,不然移相移来移去就移错了。做工程一定要仔细。* _5 n: ]% Q) o+ r
& O1 z/ U4 m5 g* @
虚位移取的越小越精确。9 t3 y( E0 q, J' ]
' N+ L' @* I. t% O$ V3 H3 m/ b
要注意虚功是力乘以在力的方向上移动的距离。
/ h( q5 v: u1 @9 p6 Z6 m, _& ?
大家还是多看看课本上的几个例题,结合自己的实践,就有更深的体会了。1 _: O# N8 g3 O' ~2 L- C, y
发表于 2017-9-14 21:03:31 | 显示全部楼层
上完学就忘了,前段时候搞个连杆。差点被搞死。  ~6 J# v5 [9 Z! G5 R7 L- S2 O" O
现在看用虚位移一下就算出来啦。。。。
发表于 2017-9-14 21:46:53 | 显示全部楼层
学习了。
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发表于 2017-9-15 09:06:01 | 显示全部楼层
感谢楼主的分享
发表于 2017-9-15 10:21:57 | 显示全部楼层
有效的分析受力情况,可以在选型上少走弯路,优化结构
发表于 2017-9-15 13:30:29 | 显示全部楼层
其实也是运用能量守恒的一个思路。
发表于 2017-9-15 14:18:39 | 显示全部楼层
感谢分享!
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发表于 2017-9-15 14:21:23 | 显示全部楼层
学习了
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