材料力学-第五章梁弯曲时的位移.ppt
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1、 第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移(Displacements of Bending Beam)廖东斌廖东斌 编制编制一一.概概 述述 第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移三三.挠曲线近似微分方程挠曲线近似微分方程四四.叠加法计算梁的位移叠加法计算梁的位移五五.梁的刚度计算梁的刚度计算二二.梁的位移梁的位移挠度及转角挠度及转角能量法能量法I-I-静定结构变形计算静定结构变形计算一一.概概 述述1.1.工程实践中的弯曲变形问题工程实践中的弯曲变形问题 在工程中,对某些受弯构件,要求变形不能在工程中,对某些受弯构件,要求变形不能过大,即要求构件有过大,即要求构件有足够的刚度足够的刚
2、度,以保证正常,以保证正常工作。工作。在另外一些情况下,却要求构件具有较大在另外一些情况下,却要求构件具有较大的弹性变形,以满足特定的工作需要。的弹性变形,以满足特定的工作需要。变形过大的变形过大的不利影响不利影响(工程实例)(工程实例)摇臂钻床的摇臂等变形过大,就会影响摇臂钻床的摇臂等变形过大,就会影响零件的加工精度,甚至会出现废品。零件的加工精度,甚至会出现废品。摇臂钻床摇臂钻床(自重、钻头等约束力影响)自重、钻头等约束力影响)桥式起重机的横梁变形过大桥式起重机的横梁变形过大,则会使小车则会使小车行走困难,出现爬坡现象。行走困难,出现爬坡现象。传动轴的支座处转角过大,轴承发生磨损。传动轴的
3、支座处转角过大,轴承发生磨损。车辆上的板弹簧,要求有足够大的变形,以车辆上的板弹簧,要求有足够大的变形,以缓解车辆受到的冲击和振动作用。缓解车辆受到的冲击和振动作用。变形的变形的有利方面有利方面(工程实例)(工程实例)求解超静定问题。求解超静定问题。二二.梁的位移梁的位移挠度及转角挠度及转角挠度挠度w:横截面形心处的铅垂位移。横截面形心处的铅垂位移。转角转角 :横截面绕中性轴转过的角度。横截面绕中性轴转过的角度。梁对称弯曲时用什么梁对称弯曲时用什么参数参数表示轴线的表示轴线的变形变形?x xy y挠度挠度w:横截面形心处的铅垂位移。横截面形心处的铅垂位移。转角转角 :横截面绕中性轴转过的角度。
4、横截面绕中性轴转过的角度。挠曲线挠曲线挠曲线挠曲线挠曲线挠曲线(deflection curve):变形后的轴线。变形后的轴线。工程实例工程实例控制截面的挠度、控制截面的挠度、控制桥墩的水平位移控制桥墩的水平位移工程中测量挠度的方法、仪器工程中测量挠度的方法、仪器精密水准仪、全站仪、精密水准仪、全站仪、GPSGPS、机电百分表、光、机电百分表、光电方法等电方法等三三.挠曲线近似微分方程挠曲线近似微分方程1.1.挠曲线方程挠曲线方程(deflection equation)x xy y挠曲线挠曲线挠曲线挠曲线挠曲线方程:挠曲线方程:转角方程:转角方程:曲线曲线 w=f(x)的曲率为的曲率为梁纯弯
5、曲时曲率由几何关系得梁纯弯曲时曲率由几何关系得问题的关键:问题的关键:考虑上式中的取考虑上式中的取正正还是取还是取负?负?考虑小变形条件:考虑小变形条件:问题的关键:问题的关键:考虑上式中的取考虑上式中的取正正还是取还是取负?负?思考思考:与小挠度微分方程与小挠度微分方程 相对应的相对应的坐标系为?坐标系为?()xxxyyy(a)(b)(c)教材中采用教材中采用(a)图图坐标系坐标系2.积分法求弯曲变形积分法求弯曲变形式中式中积分常数积分常数C、D由由边界条件边界条件确定确定弯矩方程不分段时弯矩方程不分段时弯矩方程分弯矩方程分n段段时,积分常数个数为时,积分常数个数为 2n由边界条件确定的方程
6、需要由边界条件确定的方程需要2n个个方法的局限性:方法的局限性:外力复杂或多跨静定梁时计算量过大外力复杂或多跨静定梁时计算量过大光滑连续条件:光滑连续条件:FC边界条件边界条件约束条件约束条件:两端铰处挠度为零。两端铰处挠度为零。铰支座对位移的限制铰支座对位移的限制(A、B处挠度为零)处挠度为零)连续光滑曲线连续光滑曲线(A、B处转角、挠度唯一)处转角、挠度唯一)边界条件边界条件固定端约束对位移的影响:固定端约束对位移的影响:B处转角、挠处转角、挠度度?连续光滑曲线连续光滑曲线边界条件边界条件例例1.已知梁的抗弯刚度为已知梁的抗弯刚度为EI。试求图示简。试求图示简支梁在均布载荷支梁在均布载荷q
7、作用下的转角方程、挠作用下的转角方程、挠曲线方程,并确定曲线方程,并确定max和和wmax。解:解:由边界条件:由边界条件:得:得:最大转角和最大挠度:最大转角和最大挠度:AB()()转角为正时,表示其转向和由转角为正时,表示其转向和由x轴轴转向转向y y轴的时针相轴的时针相同;挠度为正时同;挠度为正时,表示其方向和表示其方向和y y轴正向相同。轴正向相同。例例2.2.已知梁的抗弯刚度为已知梁的抗弯刚度为EI。试求图示悬臂梁。试求图示悬臂梁在集中力在集中力P作用下的转角方程、挠曲线方程,作用下的转角方程、挠曲线方程,并确定并确定maxmax和和wmax。解解:由边界条件:由边界条件:得:得:梁
8、的转角方程和挠曲线方程分别为:梁的转角方程和挠曲线方程分别为:最大转角和最大挠度分别为:最大转角和最大挠度分别为:B另解另解:边界条件:边界条件:梁的转角方程和挠曲线方程分别为:梁的转角方程和挠曲线方程分别为:最大转角和最大挠度分别为:最大转角和最大挠度分别为:B例例3已知梁的抗弯刚度为已知梁的抗弯刚度为EI。试求图示简支梁。试求图示简支梁在集中力在集中力F作用下的转角方程、挠曲线方程,作用下的转角方程、挠曲线方程,并确定并确定max和和 wmax。解:解:由边界条件由边界条件:得得:由对称条件:由对称条件:得得:思考:思考:?AC段梁的转角方程和挠曲线方程分别为:段梁的转角方程和挠曲线方程分
9、别为:最大转角和最大挠度分别为:最大转角和最大挠度分别为:例例4.已知梁的抗弯刚度为已知梁的抗弯刚度为EI。试求图示简支。试求图示简支梁的转角方程、挠曲线方程,并确定梁的转角方程、挠曲线方程,并确定max和和wmax。(请同学课后思考请同学课后思考)四四.用叠加法计算梁的变形用叠加法计算梁的变形 在材料服从胡克定律、且变形很小的前提下在材料服从胡克定律、且变形很小的前提下,载荷与它所引起的变形成线性关系。载荷与它所引起的变形成线性关系。若计算几个载荷共同作用下在某截面上若计算几个载荷共同作用下在某截面上引起的变形,则可分别计算各载荷单独作引起的变形,则可分别计算各载荷单独作用下的变形,然后叠加
10、。用下的变形,然后叠加。当梁上同时作用几个载荷时,各个载荷所引当梁上同时作用几个载荷时,各个载荷所引起的变形是各自独立的,互不影响。起的变形是各自独立的,互不影响。如图示,要计算三种载荷作用下在某截面如如图示,要计算三种载荷作用下在某截面如C截面挠度,则可截面挠度,则可直接查表直接查表:各载荷单独作用:各载荷单独作用下的挠度,然后叠加(下的挠度,然后叠加(代数和代数和)。)。如果如果不能直接查表不能直接查表,则要采用分段刚化等方,则要采用分段刚化等方法化成可查表形式。法化成可查表形式。例例5.5.用叠加法求用叠加法求解:解:将梁上的各载荷分别引起的位移叠加将梁上的各载荷分别引起的位移叠加P36
11、1()()()逐段刚化法:逐段刚化法:变形后:变形后:ABAB BC BCC C点的位移为:点的位移为:wc c例例6.若图示梁若图示梁B端的转角端的转角B=0,求力偶矩,求力偶矩m和和P的的关系?关系?解:解:例例7.求外伸梁求外伸梁C处的位移。处的位移。LaCABP解:解:ABCP刚化EI=PCfc1BC引起的位移引起的位移c1刚化刚化AB刚化刚化BC,AB部分引起的位移部分引起的位移CABP刚化EI=fc2B2PPaB2例例8.求图示变截面梁求图示变截面梁B、C截面的挠度截面的挠度。解:解:思考思考:梁横截面为边长为梁横截面为边长为a的正方形,弹性模量为的正方形,弹性模量为E1;拉杆横截
12、面为直径为;拉杆横截面为直径为d的圆,弹性模量为的圆,弹性模量为E2。求求:拉杆的伸长及拉杆的伸长及AB梁中点的挠度。梁中点的挠度。四、图形互乘法四、图形互乘法二、卡氏第二定理二、卡氏第二定理三、单位力法三、单位力法能量法能量法I-I-静定结构变形计算静定结构变形计算一、杆件的应变能一、杆件的应变能 在弹性范围内,弹性体在外力作用下发生变在弹性范围内,弹性体在外力作用下发生变形而在体内积蓄的能量,称为形而在体内积蓄的能量,称为弹性应变能弹性应变能,简,简称称应变能应变能(又称又称变形能变形能)。一、杆件的应变能一、杆件的应变能 物体在外力作用下发生变形,物体的变形物体在外力作用下发生变形,物体
13、的变形能在数值上等于外力在加载过程中在相应位能在数值上等于外力在加载过程中在相应位移上所做的功,即移上所做的功,即 杆件应变能计算杆件应变能计算1 1、轴向拉伸和压缩、轴向拉伸和压缩一般地一般地2 2、扭转、扭转一般地一般地3 3、弯曲、弯曲一般地一般地纯弯曲:纯弯曲:横力弯曲时剪力影响:横力弯曲时剪力影响:一般地一般地 对横力弯曲的梁,截面上弯矩和剪力,当高跨对横力弯曲的梁,截面上弯矩和剪力,当高跨比较大(长梁)时,比较大(长梁)时,剪切变形能影响较小,可忽剪切变形能影响较小,可忽略不计略不计,对短梁应考虑剪切变形的影响。,对短梁应考虑剪切变形的影响。长梁应变能:长梁应变能:组合变形应变能:
14、组合变形应变能:对于线弹性体,其应变能对某一荷载对于线弹性体,其应变能对某一荷载 的偏的偏导数,等于该荷载的相应位移导数,等于该荷载的相应位移i。用卡氏第二定理求结构某处的位移时,用卡氏第二定理求结构某处的位移时,该处需要有与所求位移相应的荷载。该处需要有与所求位移相应的荷载。如需计算某处的位移,而该处并无与位如需计算某处的位移,而该处并无与位移对应的荷载,则可采取移对应的荷载,则可采取附加力法附加力法。二、卡氏第二定理二、卡氏第二定理卡氏第二定理应用于计算卡氏第二定理应用于计算梁梁的截面转角和挠度的截面转角和挠度计算梁截面转角计算梁截面转角计算梁的截面挠度计算梁的截面挠度例例1 1弯曲刚度为
15、弯曲刚度为EI的悬臂梁受三角形分布荷载作的悬臂梁受三角形分布荷载作用,不计剪力对变形影响。用卡氏第二定理计用,不计剪力对变形影响。用卡氏第二定理计算悬臂梁自由端算悬臂梁自由端A处转角。处转角。B BA Al l解:解:A处无与转角对应的力偶,可附加力偶。处无与转角对应的力偶,可附加力偶。任意截面弯矩任意截面弯矩为为()请课后完成请课后完成A处挠度的计算处挠度的计算例例2 2图示平面折杆图示平面折杆AB与与BC垂直,在自由端垂直,在自由端C受集中受集中力力P作用。已知各段弯曲刚度均为作用。已知各段弯曲刚度均为EI,拉伸刚度为拉伸刚度为EA 。试用卡氏第二定理求截面。试用卡氏第二定理求截面C的水平
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- 材料力学 第五 弯曲 位移
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