Расчет максимального значения восстанавливающей силы

Сибирский государственный университет путей сообщения

Домашнее задание по дисциплине «Математическое моделирование»

Задачи №1, №2

Разработал: студент гр. М-511

Ревнивцев

2008

Задача№1

В тупике железнодорожного пути установлен буфер (рисунок 1), имеющий упругий элемент с нелинейной жесткостью, восстанавливающая сила которого изменяется по закону

1 – вагон; 2 – буфер; 3 – демпфер

Рисунок 1 – Схема к решения задачи.

В направлении тупика движется вагон массой m и скоростью X. При столкновении вагона с упругим элементом, последний смещается на величину X1. В задаче также приняты следующие допущения: 1) масса буфера мала по сравнению с массой вагона; 2) после удара контакт между этими объектами сохраняется.

Восстанавливающая сила (закон изменения):

(1)

В задаче требуется определить:

- максимальное перемещение буфера;

- максимальное значение восстанавливающей силы;

- время, за которое восстанавливающая сила достигнет максимального значения.

На данную систему (рисунок 1) действуют силы: сила инерции движущегося вагона; сила демпфирования (или сила вязкого трения), пропорциональная скорости движения вагона; а также восстанавливающая сила упругого элемента-демпфера.

Сила инерции:

, (2)

Сила демпфирования:

, (3)

Сила упругости:

(4)

Для решения поставленной задачи следует решить обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка вида:

(5)

Заменим уравнение (5) системой уравнений первого порядка, для этого введем новую неизвестную функцию и перепишем исходное уравнение, представив его в виде системы из двух уравнений:

(6)

Решение проводим в системе MathCad с построением графических зависимостей: 1) скорости движения вагона от времени; 2) перемещения буфера от времени; 3) восстанавливающей силы от времени. Неизвестные выше исходные данные записываются непосредственно в программе.

Исходное уравнение имеет вид:

, (7)

где - коэффициент демпфирования, ;