材料力学13能量法.ppt
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1、前面讨论了求简单结构的位移:前面讨论了求简单结构的位移:三角架三角架以切代弧以切代弧梁梁积分法(繁琐)、叠加法(不方便)积分法(繁琐)、叠加法(不方便)在外力作用下,利用在外力作用下,利用功能原理功能原理求结构指定点位移求结构指定点位移的方法叫的方法叫能量法。能量法。局限性局限性1 1、能量法:、能量法:第十三章第十三章 能量法能量法能量法的特点能量法的特点1 1解题简单、适用性广;解题简单、适用性广;2 2不受材料和形状限制,适用于线弹性、非线性和塑性不受材料和形状限制,适用于线弹性、非线性和塑性 问题;(只讨论线弹性问题)问题;(只讨论线弹性问题)3 3可求解静定与超静定问题;可求解静定与
2、超静定问题;工程结构形状复杂,受力复杂。工程结构形状复杂,受力复杂。利用能量法可以利用能量法可以求结构任一指定点的任意方向的位移,且求求结构任一指定点的任意方向的位移,且求解过程简单。解过程简单。求位移的普遍方法求位移的普遍方法功能原理功能原理 物体受力产生弹性变形时,外力作用点将沿力的方向产生位移,物体受力产生弹性变形时,外力作用点将沿力的方向产生位移,因而外力要作功,若不计动能的变化和其它的能量损失。因而外力要作功,若不计动能的变化和其它的能量损失。外力功外力功W物体所储存的应变能物体所储存的应变能V。2 2、应变能和、应变能和功能原理功能原理应变能:应变能:在外力作用下,物体因产生弹性变
3、形而储存的能在外力作用下,物体因产生弹性变形而储存的能量称为弹性应变能,也称量称为弹性应变能,也称变形能变形能。3 3、线弹性体(线弹性结构)、线弹性体(线弹性结构)(1)材料服从胡克定律。(2)变形微小,各力的作用互不影响。(4)线弹性结构受到充分约束,在任何外力作用下没有 刚体位移。即:位移是由变形引起。讨论对象:线弹性体。讨论对象:线弹性体。应用应用叠加原理叠加原理的条件的条件(3)任一点的位移与载荷呈线性齐次关系。1 1、拉压、拉压Pl l静载静载P加载过程中始终有加载过程中始终有外力功外力功P lP l应变能应变能xq(x)dxdxFN(x)FN(x)dFN(x)q(x)dx略去高阶
4、微量,认为略去高阶微量,认为dx只承受只承受FN(x)P=FN应变能密度(变形比能)应变能密度(变形比能)P13-2 杆件变形能计算杆件变形能计算2 2、扭转、扭转加载过程中始终有加载过程中始终有外力功外力功me 应变能应变能T=mel 当扭矩随截面位置变化时当扭矩随截面位置变化时me 静载静载me l3 3、弯曲、弯曲加载过程中始终有加载过程中始终有外力功外力功m m 应变能应变能M=mm 静载静载纯弯曲纯弯曲横力弯曲横力弯曲M=M(x)理论证明:理论证明:剪力对变形的影响很小,剪切剪力对变形的影响很小,剪切应变能远远小于弯曲应变能。应变能远远小于弯曲应变能。P1P2应变能的特点:应变能的特
5、点:应变能的特点:应变能的特点:(2)应变能的数值恒为正值;)应变能的数值恒为正值;(3)应变能为载荷的二次函数,同种类型荷载的变形能)应变能为载荷的二次函数,同种类型荷载的变形能不不能叠加。能叠加。(1)基本变形的应变能通式:)基本变形的应变能通式:F-F-广义力广义力泛指力或力偶矩;泛指力或力偶矩;d-d-广义位移广义位移为线位移或角位移;为线位移或角位移;证明证明1)共同作用下:F1LF2L2)单独作用下:3)单独作用下:证毕证毕。F1LF2(4 4)弹性体中的应变能只决定于外力和位移的最终值,与加载弹性体中的应变能只决定于外力和位移的最终值,与加载的次序无关;的次序无关;先施加先施加P
6、1再施加再施加P2P1保持不变,作功为保持不变,作功为P1P2l1l2CABP2作功为作功为总功为:总功为:AB又伸长又伸长先施加先施加P2再施加再施加P1AB又伸长又伸长P2保持不变,作功为保持不变,作功为P1作功为作功为总功仍为上述表达式。总功仍为上述表达式。总功仍为上述表达式。总功仍为上述表达式。(5)应变能是可逆的。)应变能是可逆的。(跳板跳水跳板跳水)分析:分析:求简支梁求简支梁外力外力P作用点作用点C的挠度。的挠度。例例labPCAB1)1)求反力求反力2)2)弯矩方程弯矩方程AC段:段:CB段:段:(0 x1 a)解:解:直接利用功能原理求位移的实例直接利用功能原理求位移的实例3
7、)3)由功能原理由功能原理(0 x2 b)结果大于零,说明位移的方向与力的方向一致。结果大于零,说明位移的方向与力的方向一致。只适用于结构上有一个载荷,要求载荷作用点沿载荷方向的位移。只适用于结构上有一个载荷,要求载荷作用点沿载荷方向的位移。x1x2RARB利用能量法求解时,所列弯矩方程应便于求解。13-3 应变能应变能的普遍表达式的普遍表达式基础知识基础知识 线弹性结构线弹性结构线弹性结构线弹性结构上受一个外力作用,任一点的位移与该力成正比。上受一个外力作用,任一点的位移与该力成正比。上受一个外力作用,任一点的位移与该力成正比。上受一个外力作用,任一点的位移与该力成正比。广义 线弹性结构上任
8、意一点的广义位移与各广义力成线性齐线弹性结构上任意一点的广义位移与各广义力成线性齐次关系。次关系。比例加载比例加载时,线弹性结构上任一外力作用点沿外力方向的位移与该点的广义力成正比。即即:线弹性体的变形能等于每一外力与其相应位移乘:线弹性体的变形能等于每一外力与其相应位移乘积的二分之一的总和。积的二分之一的总和。采用比例加载采用比例加载F1、F2、F3外力外力0比例比例0 1、2、3位移位移比例比例 应变能只取决于受力变形的最终状态,因此可采用便于计算的方式计算应变能。克拉贝依隆原理对于组合变形对于组合变形Fs(x)Fs(x)k是用来修正横力弯曲时切应力不沿截面均匀分布的修正系数,是用来修正横
9、力弯曲时切应力不沿截面均匀分布的修正系数,它的数值和截面形状有关。矩形它的数值和截面形状有关。矩形k=6/5=6/5;圆形;圆形k=10/9=10/9。对于双向弯曲,弯矩沿形心主轴分解对于双向弯曲,弯矩沿形心主轴分解,换成换成 若杆件及杆系的变形是以弯曲变形为主的,因轴力和剪力远小若杆件及杆系的变形是以弯曲变形为主的,因轴力和剪力远小于弯矩对变形的影响,故在计算这类杆件的变形时,通常不计轴力于弯矩对变形的影响,故在计算这类杆件的变形时,通常不计轴力和剪力的影响。和剪力的影响。例例:试求图示悬臂梁的应变能,并利用功能原理求:试求图示悬臂梁的应变能,并利用功能原理求自由端自由端B的挠度。的挠度。解
10、:解:变形能的应用变形能的应用 1.1.计算变形能计算变形能 2.2.利用功能原理计算变形利用功能原理计算变形 F例题:悬臂梁在自由端承受集中力例题:悬臂梁在自由端承受集中力F及集中力偶及集中力偶矩矩Me作作用。设用。设EI为常数,试求梁的应变能。为常数,试求梁的应变能。LFMeAB解:解:弯矩方程弯矩方程 变形能变形能LFMeAB 当当F和和Me分分别作用时别作用时 用普遍定理用普遍定理13-4 互等定理互等定理位移发生点位移发生点荷载作用点荷载作用点F1F2F1F2F2F1功的互等定理功的互等定理:位移互等定理位移互等定理:即:即:F F1 1 力在由力在由F F2 2力引起的位移上所作的
11、功,等于力引起的位移上所作的功,等于F F2 2力在由力在由F F1 1力引起的位移上所作的功。力引起的位移上所作的功。即:即:F F2 2引起的引起的F F1 1 作用点沿作用点沿 F F1 1方向的位移,等于同方向的位移,等于同样大小的力样大小的力F F1 1 引起的引起的F F2 2作用点沿作用点沿 F F2 2方向的位移。方向的位移。(1)(1)互等定理只适用于线弹性结构;互等定理只适用于线弹性结构;说明:说明:(2)(2)互等定理中的力与位移应理解为广义力和相互等定理中的力与位移应理解为广义力和相应的广义位移。则位移互等定理中的相同大小的应的广义位移。则位移互等定理中的相同大小的力为
12、力为数值数值相同,位移相同也仅代表相同,位移相同也仅代表数值相同数值相同,量,量纲对应。纲对应。(3 3)这里是指结构不可能发生刚性位移的情况下)这里是指结构不可能发生刚性位移的情况下,只是由变形引起的位移只是由变形引起的位移.例:求图示简支梁例:求图示简支梁C截面的挠度。截面的挠度。F 例:求图示悬臂梁中点例:求图示悬臂梁中点C处的铅垂位移处的铅垂位移 。F(a)FkAB1 2 3AB(b)例(a)中Fk=10KN时,1、2、3点的挠度分别为 若(b)中1、2、3点作用荷载F1=50KN,F2=40KN,F3=20KN,求k点的挠度?解:解:由功的互等定理由功的互等定理即即13-5 卡氏定理
13、卡氏定理若只给若只给 以增量以增量 ,其余不变,在,其余不变,在 作用下,原各力作用点将作用下,原各力作用点将产生位移产生位移变形能的增加量:变形能的增加量:略去二阶小量,则:略去二阶小量,则:如果把原有诸力看成第一组力,把如果把原有诸力看成第一组力,把 看作第二组力,根据互等看作第二组力,根据互等定理:定理:所以:所以:变形能对任一载荷变形能对任一载荷Fi 的偏导数,等于的偏导数,等于Fi作用点沿作用点沿Fi方向的位移方向的位移卡氏第二定理卡氏第二定理举例举例利用功能原理ABFLwA=?L/2L/2CABFwC=?(1 1)卡氏第二定理只适用于线性弹性体)卡氏第二定理只适用于线性弹性体)卡氏
14、第二定理只适用于线性弹性体)卡氏第二定理只适用于线性弹性体说明:说明:说明:说明:(2 2)F Fi i 为广义力为广义力为广义力为广义力,i i为相应的位移为相应的位移为相应的位移为相应的位移一个力一个力一个力一个力一个力偶一个力偶一个力偶一个力偶一对力一对力一对力一对力一对力偶一对力偶一对力偶一对力偶一个一个一个一个线位移线位移线位移线位移一个一个一个一个角位移角位移角位移角位移相对线位移相对线位移相对线位移相对线位移相对角位移相对角位移相对角位移相对角位移(3 3)卡氏第二定理的应用)卡氏第二定理的应用)卡氏第二定理的应用)卡氏第二定理的应用 (a a)轴向拉伸与压缩轴向拉伸与压缩轴向拉
15、伸与压缩轴向拉伸与压缩 (b b)扭转扭转扭转扭转 (c c)弯曲弯曲弯曲弯曲(4 4)平面桁架平面桁架平面桁架平面桁架(5 5)组合变形组合变形组合变形组合变形例例 外伸梁受力如图所示外伸梁受力如图所示,已知弹性模量已知弹性模量EI.梁材料为线弹性体梁材料为线弹性体.求梁求梁C C截面的挠度和截面的挠度和A A截面的转角截面的转角.FABCMelaF FR RA AF FRBRBABAB:BCBC:ABClaF FR RA AFx1x2解解解解:MeF FRBRBABClaF FR RA AFx1x2Me()例题例题 刚架结构如图所示刚架结构如图所示.弹性模量弹性模量EI已知。材料为线弹性已
16、知。材料为线弹性.不考不考虑轴力和剪力的影响,计算虑轴力和剪力的影响,计算C截面的转角和截面的转角和D截面的水平位移截面的水平位移.ABCDaa2aMe解解:在在C截面虚设一力偶截面虚设一力偶 Ma,在在D截面虚设一水平力截面虚设一水平力F.FRDFRAxFRAyMMa aF FCDCD:CBCB:ABAB:x2x3ABCDaa2aMex1FRDFRAxFRAyMMa aF F2axxABCDaaMeFRDFRAxFRAy()MMa aF F 例:求图示悬臂梁中点例:求图示悬臂梁中点C处的铅垂位移处的铅垂位移 。结果为负,说明位移与所虚加的力方向相反。结果为负,说明位移与所虚加的力方向相反。1
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