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Fall 09 — Kragarm mit Drehfeder unter Spitzenlast

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Ein Kragarm endlicher Länge wird durch eine konzentrierte Vertikallast am freien Ende belastet. Das eingespannte Ende ist durch eine Drehfeder mit vorgegebener Rotationssteifigkeit gestützt. Vertikalverschiebung und Rotation am freien Ende werden ausgewertet.

Beschreibung

Ein Kragarm von 10 Zoll Länge wird durch eine konzentrierte Vertikallast P = 10 lbf am freien Ende belastet. Das eingespannte Ende wird durch eine Drehfeder mit Steifigkeit kr = 10 000 lbf-in/rad gestützt.

Gesucht:

Statisches System

Cantilever beam with rotational spring subjected to a tip load

Geometrie, Lagerungsbedingungen und Lastanwendung im Verifizierungsmodell.

Modellparameter

ParameterWert
ElementtypBeam element
MaterialE = 30 000 ksi
QuerschnittseigenschaftenI = 1 000 in⁴
LagerungsbedingungenLeft Node – constrain Ux and Uy, Rotational Spring constant about Z-axis kr = 10 000 lbf-in/rad
LastenNodal load −10 lbf

Analytische Lösung

Moment at the fixed end due to the tip load:

$$M_1 = P \cdot L$$

Rotation of the fixed end due to the finite spring stiffness:

$$\theta_1 = \frac{M_1}{k_r} = \frac{P \cdot L}{k_r}$$

Deflection at the free end of the cantilever:

$$\delta_2 = \delta_b + \delta_r$$

$$\delta_2 = \frac{P \cdot L^3}{3EI} + \theta_1 \cdot L$$

$$\delta_2 = \frac{P \cdot L^3}{3EI} + \frac{P \cdot L^2}{k_r} = -0.1\ \mathrm{in}$$

Rotation at the free end of the cantilever:

$$\theta_2 = \theta_{b2} + \theta_{r1}$$

$$\theta_2 = \frac{P \cdot L^2}{2EI} + \frac{P \cdot L}{k_r} = -0.01\ \mathrm{rad}$$

Numerische Ergebnisse

Verschiebungen

Deformed shape of a cantilever beam with rotational spring

Tabellenergebnisse aus RodX

Nodal displacement and rotation results for cantilever beam

Vergleich

Parameter Analytische Lösung RodX
Δx(2) 0.00 0.00
Δy(2) −0.10 −0.10
θz(2) −0.01 −0.01

Die numerischen Ergebnisse aus RodX stimmen mit der analytischen Lösung überein.

Literatur

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