变形体系的虚功原理.ppt

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1、6.2变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理 一、功、实功与虚功一、功、实功与虚功1、功、功功包含了力和位移两个因素。功包含了力和位移两个因素。2、静力荷载所做的功、静力荷载所做的功 静力荷载，是指荷载由零逐渐以微小的增量缓慢地增静力荷载，是指荷载由零逐渐以微小的增量缓慢地增加到最终值，结构在静力加载过程中，荷载与内力始终保加到最终值，结构在静力加载过程中，荷载与内力始终保持平衡。持平衡。所谓实功，是指力在其自身引起的位移上所做的功。所谓实功，是指力在其自身引起的位移上所做的功。All Rights Reserved重庆大学土木工程学院3、常力所做的虚功、常力所做的虚功 所谓虚功，是指力在另外的

2、原因（诸如另外的荷载、所谓虚功，是指力在另外的原因（诸如另外的荷载、温度变化、支座位移等）引起的位移上所做的功。温度变化、支座位移等）引起的位移上所做的功。FPFP1FP1D DD D1111D D1111q q2121o1 12All Rights Reserved重庆大学土木工程学院FP1在在12上做的功上做的功 W12是力是力FP1在另外的原因（在另外的原因（M2）引起的位移上所做的功）引起的位移上所做的功，故为虚功。所谓，故为虚功。所谓“虚虚”，就是表示位移与做功的力无关。，就是表示位移与做功的力无关。在作虚功时，力不随位移而变化，是常力，故在计算式中没在作虚功时，力不随位移而变化，是

3、常力，故在计算式中没有系数有系数“1/2”。FP1D D12121 11 122M2FP1(先先)D D1111D D1212q q2121q q22221 12M2(后后)All Rights Reserved重庆大学土木工程学院 还应注意，在虚功中，既然力与位移独立无关，不仅可把还应注意，在虚功中，既然力与位移独立无关，不仅可把位移看作是虚设的，也可把力看作虚设的，它们各有不同的应位移看作是虚设的，也可把力看作虚设的，它们各有不同的应用。用。对于各种形式常力所做的虚功，可以参照式（对于各种形式常力所做的虚功，可以参照式（b），用力），用力和位移这两个彼此独立无关的因子的乘积来表示，即和位移

4、这两个彼此独立无关的因子的乘积来表示，即式中，式中，FP是做功的与力有关的因素，称为广义力，可以是单个是做功的与力有关的因素，称为广义力，可以是单个力、单个力偶、一对力、一对力偶等。力、单个力偶、一对力、一对力偶等。是做功的与位移有关是做功的与位移有关的因素，称为与广义力相应的广义位移，可以是绝对线位移、的因素，称为与广义力相应的广义位移，可以是绝对线位移、绝对角位移、相对线位移、相对角位移等。绝对角位移、相对线位移、相对角位移等。二、广义力和广义位移二、广义力和广义位移All Rights Reserved重庆大学土木工程学院三、刚体体系虚功原理三、刚体体系虚功原理 刚体体系处于平衡的必要和

5、充分条件是，对于符合约刚体体系处于平衡的必要和充分条件是，对于符合约束条件的任意微小虚位移，刚体体系上所有外力所做的虚束条件的任意微小虚位移，刚体体系上所有外力所做的虚功总和等于零功总和等于零。四、变形体系的虚功原理四、变形体系的虚功原理 1、关于原理的表述、关于原理的表述 变形体系处于平衡的必要及充分条件是，对于符合约束变形体系处于平衡的必要及充分条件是，对于符合约束条件的任意微小虚位移，变形体系上所有外力在虚位移上所条件的任意微小虚位移，变形体系上所有外力在虚位移上所做虚功总和等于各微段上内力在其做虚功总和等于各微段上内力在其变形虚位移变形虚位移上所做虚功总上所做虚功总和，或者简单地说，和

6、，或者简单地说，外力虚功等于变形虚功外力虚功等于变形虚功（数量上等于虚（数量上等于虚变形能）。变形能）。All Rights Reserved重庆大学土木工程学院2、关于原理的证明、关于原理的证明(1)按外力虚功与内力虚功计算（从变形的连续条件考虑）按外力虚功与内力虚功计算（从变形的连续条件考虑）dW总总=dW外外+dW内内 将微段将微段ds上的上的作用力区分为外力作用力区分为外力与内力与内力,微段总的微段总的虚功虚功 为：为：FPFR1FR2FR3MqdsdsqMFNFQM+dMFN+dFNFQ+dFQA力状态力状态dsdsdsdsdsg g0g g0dudvdABCDA1B1C1D1C2D

7、2位移状态位移状态All Rights Reserved重庆大学土木工程学院整个结构的总虚功为整个结构的总虚功为或简写为或简写为W总总=W外外+W内内 由于任何两相邻微段的相邻截面上的内力是成对出现的，由于任何两相邻微段的相邻截面上的内力是成对出现的，它们大小相等，方向相反；又由于虚位移是光滑的、连续的，它们大小相等，方向相反；又由于虚位移是光滑的、连续的，两微段相邻的截面总是紧密贴在一起的，而且有相同的位移，两微段相邻的截面总是紧密贴在一起的，而且有相同的位移，因此，每一对相邻截面上的内力所做的虚功总是相互抵消的。因此，每一对相邻截面上的内力所做的虚功总是相互抵消的。由此可见，必有由此可见，

8、必有W内内=0 因此因此 W总总=W外外（a）All Rights Reserved重庆大学土木工程学院(2)按刚体虚功与变形虚功计算（从力系的平衡条件考虑）按刚体虚功与变形虚功计算（从力系的平衡条件考虑）对微段的虚位移则区分为对微段的虚位移则区分为刚体虚位移和变形虚位移刚体虚位移和变形虚位移两类两类.微段总的虚功微段总的虚功 dW总总=dW刚刚+dW变变FPFR1FR2FR3Mqdsdsdsdsdsdsdsg g0g g0dudvdqMFNFQM+dMFN+dFNFQ+dFQAABCDA1B1C1D1C2D2力状态力状态位移状态位移状态All Rights Reserved重庆大学土木工程学

9、院dW总总=dW刚刚+dW变变由刚体虚功原理，可知由刚体虚功原理，可知 dW刚刚=0于是，微段上总的虚功于是，微段上总的虚功 dW总总=dW变变 对于全结构，有对于全结构，有 因此，有因此，有 W总总=W变变(b)由于微段上弯矩、轴力和剪力的增量由于微段上弯矩、轴力和剪力的增量dM、dFN和和dFQ以及以及分布荷载分布荷载q在这些变形上所做虚功为高阶微量而可略去，因此在这些变形上所做虚功为高阶微量而可略去，因此微段上各力在其变形上所做的虚功为微段上各力在其变形上所做的虚功为 dW变变=Mdq q+FNdu+FQdvAll Rights Reserved重庆大学土木工程学院 假如此微段上还有集中

10、荷载或力偶荷载作用，可以认为它假如此微段上还有集中荷载或力偶荷载作用，可以认为它们作用在截面们作用在截面AB上，因而当微段变形时，它们并不做功。总之，上，因而当微段变形时，它们并不做功。总之，仅考虑微段的变形虚位移而不考虑其刚体虚位移时，外力不做仅考虑微段的变形虚位移而不考虑其刚体虚位移时，外力不做功，只有截面上的内力做功。对于平面杆系有功，只有截面上的内力做功。对于平面杆系有 dW变变=M dq q+FNdu+FQdv(c)W变变实际上是所有微段上内力在变形虚位移上所做虚功的实际上是所有微段上内力在变形虚位移上所做虚功的总和，称为变形虚功（数量上等于虚变形能）。总和，称为变形虚功（数量上等于

11、虚变形能）。All Rights Reserved重庆大学土木工程学院 须注意的是：这里（须注意的是：这里（2）中的）中的W变变与（与（1）中的）中的W内内是有区是有区别的。（别的。（1）中的）中的W内内是指所有微段上内力在截面的总位移是指所有微段上内力在截面的总位移（包括刚体位移和变形位移两部分）上所做虚功的总和，如（包括刚体位移和变形位移两部分）上所做虚功的总和，如前所述，它恒等于零；而这里（前所述，它恒等于零；而这里（2）中的）中的W变变仅指所有微段上仅指所有微段上内力在截面的变形位移上所做虚功的总和。内力在截面的变形位移上所做虚功的总和。比较（比较（a）、（）、（b）两式，可得）两式，

12、可得 W外外=W变变 这就是我们需要证明的结论。它不仅适用于杆件结构，这就是我们需要证明的结论。它不仅适用于杆件结构，也适用于板、壳等非杆件结构。也适用于板、壳等非杆件结构。All Rights Reserved重庆大学土木工程学院 对于平面杆系而言，因为单个外力虚功按式（对于平面杆系而言，因为单个外力虚功按式（6-5）W=FP计算，故所有外力（包括荷载和支座反力）在其计算，故所有外力（包括荷载和支座反力）在其对应的虚位移上所做虚功的总和为对应的虚位移上所做虚功的总和为 W外外=S SFPD D 将有关将有关W外外和和W变变的计算式（的计算式（e）和（）和（c）代入式）代入式 ，则平面杆件结构

13、的虚功方程可表示为则平面杆件结构的虚功方程可表示为（e）（6-7）平衡力系平衡力系位移状态位移状态W外外=W变变All Rights Reserved重庆大学土木工程学院3、关于原理的说明、关于原理的说明1）在上面的推证过程中，只考虑了力系的平衡条件和变形的）在上面的推证过程中，只考虑了力系的平衡条件和变形的连续条件。所以，虚功方程既可以用来代替平衡方程，也可连续条件。所以，虚功方程既可以用来代替平衡方程，也可以用来代替几何方程（即协调方程）。以用来代替几何方程（即协调方程）。如果位移是实有的，则可虚设力系，式（如果位移是实有的，则可虚设力系，式（6-7）便称为变）便称为变形体系的形体系的虚力

14、方程虚力方程，它代表几何协调方程，常可用于求实际，它代表几何协调方程，常可用于求实际位移状态中某个未知位移。本章即主要介绍虚力方程及其应位移状态中某个未知位移。本章即主要介绍虚力方程及其应用。用。2）虚功方程是个）虚功方程是个“两用方程两用方程”，具体应用时可有两种形式。，具体应用时可有两种形式。鉴于力系与变形彼此是独立无关的，因此，如果力系是给鉴于力系与变形彼此是独立无关的，因此，如果力系是给定的，则可虚设位移，式（定的，则可虚设位移，式（6-7）便称为变形体系的）便称为变形体系的虚位移方虚位移方程程，它代表力系的平衡方程，常可用于求力系中的某未知力；，它代表力系的平衡方程，常可用于求力系中

15、的某未知力；All Rights Reserved重庆大学土木工程学院3）在推证式（）在推证式（6-6）时，没有涉及到材料的性质。因此，变）时，没有涉及到材料的性质。因此，变形体系的虚功方程是一个普遍方程，既适用于弹性问题，形体系的虚功方程是一个普遍方程，既适用于弹性问题，也适用于非弹性问题。也适用于非弹性问题。4）变形体系的虚功原理同样适用于刚体体系。由于刚体）变形体系的虚功原理同样适用于刚体体系。由于刚体体系发生虚位移时，各微段不产生任何变形位移，故变形体系发生虚位移时，各微段不产生任何变形位移，故变形虚功虚功W变变=0，于是式（，于是式（6-6）成为）成为 W=0 刚体体系的虚功原理只是变形体系虚功原理的一个特例。刚体体系的虚功原理只是变形体系虚功原理的一个特例。（6-8）All Rights Reserved重庆大学土木工程学院