薄板的小挠度弯曲问题及经典解法精选课件.ppt

关于薄板的小挠度弯曲关于薄板的小挠度弯曲问题及经典解法问题及经典解法第一页，本课件共有47页9-1 有关概念及计算假定有关概念及计算假定 图9-1（1）板板 两个平行面与垂直于该平面的棱柱面所围成的物体称为平两个平行面与垂直于该平面的棱柱面所围成的物体称为平板，简称板。板，简称板。（2）中面中面 平分板厚度平分板厚度d d的平面称为中面。的平面称为中面。（3）弹性曲面弹性曲面 板弯曲时中面所形成的曲面。板弯曲时中面所形成的曲面。第二页，本课件共有47页（4）挠度挠度 中面在中面在 z方向上的位移。方向上的位移。（5）薄板薄板 板的厚度板的厚度d d远小于中面的最小尺寸远小于中面的最小尺寸 b。（3）弹性曲面弹性曲面 板弯曲时中面所形成的曲面。板弯曲时中面所形成的曲面。（如小于（如小于b/8至至b/5）的平板。）的平板。将板受到的一般荷载分解为两种：将板受到的一般荷载分解为两种：作用于中面之内的荷载（平面应力问题）。作用于中面之内的荷载（平面应力问题）。垂直于中面的荷载（板的弯曲问题）。垂直于中面的荷载（板的弯曲问题）。板的弯曲刚度较大，板的挠度远小于其厚度。板的弯曲刚度较大，板的挠度远小于其厚度。（1）形变分量）形变分量 、都可以不计。都可以不计。第三页，本课件共有47页1）由几何方程，）由几何方程，知，知 即在垂直于中面的任一法线上，薄即在垂直于中面的任一法线上，薄板全厚度内各点的挠度相同。板全厚度内各点的挠度相同。2）由几何方程，）由几何方程，得，得，（9-1）（2）引起的形变可以不计。引起的形变可以不计。由物理方程（由物理方程（7-12），有：），有：（9-2）即薄板小挠度弯曲问题的物理方程和薄板平面应力问题的物理方程相同。即薄板小挠度弯曲问题的物理方程和薄板平面应力问题的物理方程相同。第四页，本课件共有47页（3）薄板中面内各点都没有平行于中面的位移）薄板中面内各点都没有平行于中面的位移，（9-3）、即投影保持形状不变。即投影保持形状不变。、第五页，本课件共有47页9-2 弹性曲面微分方程弹性曲面微分方程 按位移求解，基本未知量按位移求解，基本未知量 。将假定（将假定（1），即式（），即式（9-1）对）对z积分：积分：，应用假定（应用假定（3），即式（），即式（9-3），有：），有：，即，即，（a）第六页，本课件共有47页（1）由物理方程（）由物理方程（9-2）式解得应力分量：）式解得应力分量：，（b）（2）用用w表示应力分量表示应力分量s sx、s sy、t txy 将（将（a）式代入（）式代入（b）式，有）式，有（9-4）第七页，本课件共有47页（3）用用w表示应力分量表示应力分量t tzx、t tzy 由空间问题的平衡方程（由空间问题的平衡方程（7-1）式的第一式有（令）式的第一式有（令fx=fy=0）：）：，将（，将（9-4）式代入，有：）式代入，有：由边界条件由边界条件 ，有，有，即有：即有：同理，有：同理，有：第八页，本课件共有47页（9-5）（4）用用w表示应力分量表示应力分量s sz 由平衡方程（由平衡方程（7-1）式的第三式有（取）式的第三式有（取 fz=0）：）：（c）若体力不为零，可把薄板单位面积内的体力及面力归入薄板上面的面力，若体力不为零，可把薄板单位面积内的体力及面力归入薄板上面的面力，并用并用 q表示。表示。（d）第九页，本课件共有47页由于由于 、，将（，将（9-5）式代入（）式代入（c）式，）式，在薄板下面，边界条件在薄板下面，边界条件 （面力已等效），可得：（面力已等效），可得：回代（回代（e）式，有：）式，有：（9-6）第十页，本课件共有47页（1）在薄板上边界，）在薄板上边界，q薄板单位面积内的薄板单位面积内的横向荷载横向荷载，包括，包括横向面力及体力。横向面力及体力。（2）将（）将（9-6）式代入上式，有：）式代入上式，有：其中其中:称为薄板的称为薄板的弯曲刚度弯曲刚度，它的量纲是：，它的量纲是：L2MT-2（9-7）（9-8）（9-9）第十一页，本课件共有47页方程（方程（9-8）称为薄板的）称为薄板的弹性曲面微分方程。是薄板弯曲问题的基本微分。是薄板弯曲问题的基本微分方程。具体求解时要考虑（板边上）薄板侧面的边界条件。方程。具体求解时要考虑（板边上）薄板侧面的边界条件。9-3 薄板横截面上的内力及应力薄板横截面上的内力及应力 一般情况下，很难使应力分量精确满足边界条件，应用圣维南原理，一般情况下，很难使应力分量精确满足边界条件，应用圣维南原理，应使应力组成的内力整体地满足边界条件。应使应力组成的内力整体地满足边界条件。图9-2取出平行六面体取出平行六面体dxdyd d。（1）在）在x为常量的截面上，作用有为常量的截面上，作用有s sx、t txz、t txy。由于应力分量由于应力分量s sx和和t txy都与都与 z成正成正比，全截面上其合力为零，只能合成比，全截面上其合力为零，只能合成为弯矩和扭矩。为弯矩和扭矩。1）弯矩（沿）弯矩（沿y方向取单位宽度）由方向取单位宽度）由s sx合成：合成：第十二页，本课件共有47页将（将（9-4）式中的第一式代入，对）式中的第一式代入，对z积分，有：积分，有：（a）2）扭矩由）扭矩由t txy合成：合成：（b）将（将（9-4）式中的第三式代入，对）式中的第三式代入，对z积分，有：积分，有：第十三页，本课件共有47页3）横向剪力（由）横向剪力（由t txz合成）合成）（c）将（将（9-5）式中的第一式代入，对）式中的第一式代入，对z积分，有：积分，有：（2）同样在）同样在y为常量的截面上，每单位宽度内的为常量的截面上，每单位宽度内的s sy、t tyx、t tyz也分别合也分别合成为如下的弯矩、扭矩和横向剪力：成为如下的弯矩、扭矩和横向剪力：（d）第十四页，本课件共有47页（e）（f）（3）利用（）利用（9-9）式，各个内力的表达式可以简写为：）式，各个内力的表达式可以简写为：（9-10），第十五页，本课件共有47页图9-3 薄板内力的正负方向的规定，是从应力的正负方向的规定得出：正的应力合成的主矢量为正，正的应力乘以正的矩臂合成的主矩为正；反之为负。薄板内力的正方向如图9-3所示。第十六页，本课件共有47页由式（9-4）至（9-6）及（9-10）式，有：（9-11），（1）上述各内力分量均为薄板单位宽度上的内力，弯矩、扭矩的量）上述各内力分量均为薄板单位宽度上的内力，弯矩、扭矩的量纲为纲为LMT-2，横向剪力的量纲是，横向剪力的量纲是MT-2。第十七页，本课件共有47页 （2）一定荷载引起的）一定荷载引起的弯应力弯应力和和扭应力扭应力数值上最大，是主要的应数值上最大，是主要的应力；力；横向剪应力横向剪应力数值较小，是次要的应力；数值较小，是次要的应力；挤压应力挤压应力数值更小，数值更小，是更次要的应力。所以计算薄板内力时，主要计算弯矩和扭是更次要的应力。所以计算薄板内力时，主要计算弯矩和扭矩，横向剪力无须计算。矩，横向剪力无须计算。（3）应用时可查相关手册，若是双向配筋时，扭矩的影响也可不）应用时可查相关手册，若是双向配筋时，扭矩的影响也可不考虑。考虑。第十八页，本课件共有47页9-4 边界条件边界条件 扭矩的等效剪力扭矩的等效剪力 矩形薄板，矩形薄板，OC边简支；边简支；OA边固支；边固支；AB和和BC边自由。边自由。图9-41.固支边固支边，OA边（边（x=0）（9-13）2.简支边简支边，OC边边（y=0）（a）（b）（1）无外力作用时：）无外力作用时：第十九页，本课件共有47页若（若（a）第一条件满足，则）第一条件满足，则w在在OC边上处处为零，则边上处处为零，则 ，故，故 （9-14）（2）若在）若在OC边上作用有分布力矩边上作用有分布力矩M（为（为x的函数）时，则（的函数）时，则（b）式及）式及（9-14）的第二式为：）的第二式为：（b）3.自由边自由边，AB边边（y=b）（1）薄板的弯矩、扭矩和横向剪力都应为零，即：）薄板的弯矩、扭矩和横向剪力都应为零，即：第二十页，本课件共有47页 （c），（2）薄板边上的扭矩可以变换为等效的横向剪力，即扭矩的等效剪力。）薄板边上的扭矩可以变换为等效的横向剪力，即扭矩的等效剪力。总的分布剪力是：总的分布剪力是：图9-5第二十一页，本课件共有47页角点角点A、B处的集中剪力（集中反力）为：处的集中剪力（集中反力）为：（d），则边界条件（则边界条件（c）变为：）变为：，（e）由式（由式（9-10）可知，自由边）可知，自由边AB的边界条件为：的边界条件为：（9-15）4.自由边自由边，BC边边（x=a）同样，有总的分布剪力是：同样，有总的分布剪力是：第二十二页，本课件共有47页（9-16）角点角点C、B处的集中剪力（集中反力）为：处的集中剪力（集中反力）为：（f），则边界条件可变换为：则边界条件可变换为：（g），由式（由式（9-10）可知，自由边）可知，自由边BC的边界条件为：的边界条件为：（9-17）第二十三页，本课件共有47页在两边相交的点，如在两边相交的点，如B点，总的集中反力是点，总的集中反力是 由式（由式（9-10）第三式，可知：）第三式，可知：（9-18）集中剪力或集中反力的正负号决定于角点处的扭矩的正负号，而不能另行规定。据此，A点和C点处的剪力以沿z轴的正方向为正，而O点和B点处的剪力以沿 z轴的负向时为正。如果点如果点B是自由边是自由边AB和自由边和自由边BC的交点，而点的交点，而点B并没有任何支柱对并没有任何支柱对薄板施以此向集中力，则应有薄板施以此向集中力，则应有FRB=0，亦即：，亦即：第二十四页，本课件共有47页如果点如果点B处有支柱阻止挠度发生，则交点条件应为：处有支柱阻止挠度发生，则交点条件应为：而支柱对薄板所施加的反力按式（而支柱对薄板所施加的反力按式（9-18）计算。）计算。（9-19）（9-20）第二十五页，本课件共有47页9-5 简简 单单 例例 题题 设有椭圆形薄板，图设有椭圆形薄板，图9-6，其边界方程，其边界方程是是图9-6（a）（b）试取挠度的表达式为试取挠度的表达式为由式（由式（b）及式（）及式（a）可见，在薄板的边界上有）可见，在薄板的边界上有w=0，同时也有，同时也有 第二十六页，本课件共有47页为了式（为了式（b）能满足边界条件，薄板的边界必须是夹支边。）能满足边界条件，薄板的边界必须是夹支边。将式（将式（b）代入弹性曲面微分方程（）代入弹性曲面微分方程（9-8），得），得（c）因为因为m是常数，所以是常数，所以 q也必须是常数，可见薄板所受的荷载必须是均布也必须是常数，可见薄板所受的荷载必须是均布荷载，即荷载，即q=q0，由（，由（c）式求出）式求出m，再代入式（，再代入式（b），得），得 第二十七页，本课件共有47页再按照式（再按照式（9-10）求内力，由式（）求内力，由式（d）得到弯矩）得到弯矩（d）（e）（f）第二十八页，本课件共有47页对于对于O点及点及A点，图点，图9-6，得到，得到，对于对于O点及点及B点，图点，图9-6，得到，得到（g）第二十九页，本课件共有47页（h）假定假定a b，则上两式求出的是薄板中的最大及最小弯矩，变化见图，则上两式求出的是薄板中的最大及最小弯矩，变化见图9-6。命命a趋于无穷大，薄板变成跨度为趋于无穷大，薄板变成跨度为2b的平面应变情况下的固端梁，可的平面应变情况下的固端梁，可得得在梁的中央及两端，弯矩分别为在梁的中央及两端，弯矩分别为，同材力解答。同材力解答。第三十页，本课件共有47页对圆板（对圆板（a=b），弯矩、扭矩及横向剪力的最大绝对值分别为），弯矩、扭矩及横向剪力的最大绝对值分别为 ，而应力分量的最大绝对值为而应力分量的最大绝对值为，第三十一页，本课件共有47页 设有四边简支的矩形薄板，图设有四边简支的矩形薄板，图9-7，其交点，其交点B由于支承构件的沉陷而由于支承构件的沉陷而发生挠度发生挠度wB=z z，则，则BC边及边及AB边保持为直线，而它们的挠度为边保持为直线，而它们的挠度为 （i），在该两边处，还有边界条件在该两边处，还有边界条件，（j）在在OA边及边及OC边，边界条件为边，边界条件为（k）第三十二页，本课件共有47页取薄板挠度的表达式为取薄板挠度的表达式为:（l）则有则有（m）第三十三页，本课件共有47页交点交点B处的集中反力为处的集中反力为 可见，薄板在可见，薄板在B点处受有与点处受有与z方向相同的反力（向上为正）。同样，薄方向相同的反力（向上为正）。同样，薄板在板在O点处受有与点处受有与z方向相同的反力，并在方向相同的反力，并在A点及点及C点还受有同样大小点还受有同样大小的与的与z反向的反力（向下为正）。反向的反力（向下为正）。第三十四页，本课件共有47页9-6 四边简支矩形薄板的重三角级数解四边简支矩形薄板的重三角级数解 对四边简支的矩形薄板，图对四边简支的矩形薄板，图9-7，边界条件是，边界条件是 图9-7（a）纳维把挠度的表达式取为如下的重三角级数，求得了重三角级数解。纳维把挠度的表达式取为如下的重三角级数，求得了重三角级数解。第三十五页，本课件共有47页（b）能满足（能满足（a）的全部边界条件。）的全部边界条件。为求系数为求系数Amn，将式（，将式（b）代入微分方程（）代入微分方程（9-8），得：），得：（c）将上式右边的将上式右边的q=q(x,y)展开为重三角级数：展开为重三角级数：（d）第三十六页，本课件共有47页（e）（f）由傅里叶级数的展开公式，有由傅里叶级数的展开公式，有代回式（代回式（b），可求得系数），可求得系数 对上式中分子进行积分，求出对上式中分子进行积分，求出Amn，再代入（，再代入（b）式，即可求出挠）式，即可求出挠度度w的表达式，再应用式（的表达式，再应用式（9-10）便可求得内力。）便可求得内力。第三十七页，本课件共有47页当薄板受均布荷载当薄板受均布荷载q=q0时，式（时，式（e）中的积分成为）中的积分成为:由式（由式（f）求得）求得第三十八页，本课件共有47页或或代入（代入（b）式，即可求出挠度）式，即可求出挠度w的表达式的表达式（g）再应用式（再应用式（9-10）可求得内力。）可求得内力。第三十九页，本课件共有47页 当薄板的任意一点（当薄板的任意一点（x x，h h）受集中荷载）受集中荷载F时，可以用微分面积上的均时，可以用微分面积上的均布荷载布荷载F/dxdy来代替分布荷载。于是，（来代替分布荷载。于是，（e）式中的）式中的q除了在点（除了在点（x x，h h）处的微分面积上等于）处的微分面积上等于F/dxdy以外，其余各处都等于零。（以外，其余各处都等于零。（e）式成为：）式成为：代入（代入（b）式，即可求出挠度）式，即可求出挠度w的表达式：的表达式：第四十页，本课件共有47页（g）由此可以用式（由此可以用式（9-10）求得内力。）求得内力。第四十一页，本课件共有47页9-7 矩形薄板的单三角级数解矩形薄板的单三角级数解 对于有两个对边简支的矩形薄板，图对于有两个对边简支的矩形薄板，图9-8，可求得单三角奇数解。，可求得单三角奇数解。图9-8莱维把挠度的表达式取为如下的单三角级数：莱维把挠度的表达式取为如下的单三角级数：（a）级数（级数（a）能满足）能满足 x=0及及 x=a两边的边界条件，两边的边界条件，即：即：，故只须选择函数故只须选择函数Ym，使式（，使式（a）能满足弹性曲面的微分方程）能满足弹性曲面的微分方程 第四十二页，本课件共有47页（b）并在并在 y=b/2的两个边上满足边界条件。的两个边上满足边界条件。将式（将式（a）代入式（）代入式（b），得），得将上式右端的将上式右端的q/D展开成级数，由傅里叶级数的展开公式得展开成级数，由傅里叶级数的展开公式得:与式（与式（c）对比，有）对比，有（c）（d）第四十三页，本课件共有47页常微分方程的解是：常微分方程的解是：设图设图9-7中的矩形板是四边简支的，受有均布荷载中的矩形板是四边简支的，受有均布荷载q=q0。此时，。此时，微分方程（微分方程（d）的右边成为：）的右边成为：（e）微分方程（微分方程（d）的特解为：）的特解为：代入式（代入式（e），由于对称，挠度），由于对称，挠度w应是的应是的 y偶函数，故有偶函数，故有 Cm=0，Dm=0，即得：，即得：第四十四页，本课件共有47页（f）由于由于 y=b/2的两个边也是简支边，边界条件为：的两个边也是简支边，边界条件为：，将式（将式（f）代入上式，可得求）代入上式，可得求Am、Bm的联立方程的联立方程 第四十五页，本课件共有47页以及以及其中其中 。由此可求出系数：。由此可求出系数：，。以及以及，。将求出的系数代入（将求出的系数代入（f）式，即可求出）式，即可求出挠挠度度w的最后表达式。的最后表达式。第四十六页，本课件共有47页感感谢谢大大家家观观看看第四十七页，本课件共有47页