原始
早在 2500 多年前,人们在建筑领域里就开始使用起重机械。 自首次使用至今,起重机械一直在不断发展。 为了在没有发动机的情况下移动重物,当时的人们使用了滑轮系统。 其中的一些简单而巧妙的基本原理至今仍在使用。
什么是滑轮系统?
滑轮系统是由绳索和至少一个滑轮构成的组合结构,用来提升重物。 通过使用多个滑轮,可以达到省力和改变用力方向的目的。 滑轮分为定滑轮和动滑轮。轴的位置固定不动的滑轮称为定滑轮。反之,轴的位置随被拉物体一起运动的滑轮称为动滑轮。 绳索的拉动位移越大,越省力。
四种典型滑轮系统
下面介绍了四种滑轮系统。文章下方附上模型下载链接。 在模型文件中,为了方便理解,分别有接近真实的结构模型和与其相对应的原理模型。
对于每种系统,都显示如何将 G = 100 N 的重物提升 u = 100 mm 的高度。 这里:
[F7] | 提升重物所用力,对应于 RFEM 模型中的左下支座 |
n | 承重绳索的段数 |
Δl | 将重物提升高度 u 时所需的绳索拉动位移 |
对于这四种滑轮系统,绳索的拉动位移公式为 Δl= n·u。
实现 1: 1
F = G
Δl= u
Umsetzung 1 : 2
F = 0.5·G
Δl= 2·u
Umsetzung 1 : 3
F = 1/3·G
Δl= 3·u
Umsetzung 1 : 4
F = 1/4·G
Δl= 4·u
在 RFEM 中建模
建模时,绳索必须使用连续的多段线通过至少 3 个节点进行定义。 这样,程序就“知道”它是一个完整的绳索单元。 然后,可以将该多段线定义成类型为“滑轮索”的杆件, 并且至少在该滑轮索的一端必须定义固定铰支座或杆件,以便可以传递所施加的拉力。 因为在类型为“滑轮索”的杆件中的拉力是恒定的,所以在建模过程中无需对其所连接的单元进行进一步定义。 在绳索由垂直状态转变为弯曲状态处,其相邻单元或节点支座会受到随方向改变而变化的力。
在建模时使用了刚性杆件来模拟此处力的传递,以便可以读取例如滑轮系统固定在天花板处的受力。 在动滑轮处设置了额外的支座,以避免发生失稳现象。
所需的绳索拉动距离是通过定义一个强制节点变形来实现的。