能量法与超静定结构.ppt

第九章 能量法 Energy method,9.1 概述 9.2 应变能 余能 9.3 卡氏定理 9.4 能量法解超静定系统 9.5 虚位移原理及单位力法,9.1 概述,能量法: 固体力学中，把一个和功、能的概念有关的理论和方法 统称为能量法,恒力功:,9.2 应变能 余能,1 功: 力作用于物体，力在其作用方向上发生位移，则该 力对物体做了功,变形功:,在线弹性范围内,广义力,广义位移,轴向拉伸时外力做功,扭转时外力做功,弯曲时外力做功,统一表示为,2 能（应变能或变形能）,应变能密度：单位体积内积蓄的应变能,若微元各边分别为,若整个体积内 相同,根据能量守恒定律。贮存在物体中的应变能 等于外力在物体变形过程中所做的功W。,三 卡氏第一定理,为最后位移 的函数,卡氏第一定理 应变能对于构件上某一位移之变化率，就等于与该位移相应的荷载。,由于 改变了 ，外力功相应改变量为,四 余功、余能及卡氏第二定理,与外力功 之和等于矩形面积,与余功相应的能称为余能,线弹性范围内外力功等于余功，能等于余能。,试计算图示结构在荷载 作用下的余能，结构中两杆的 长度均为 ，横截面面积均为A材料在单轴拉伸时的应力 应变曲线如图所示。,解：由结点C的平衡方程，可得两杆的轴力为,于是两杆横截面上的应力为,由于轴向拉伸杆内各点应变状态均相同，因此，结构在荷载作用下的余能为,由非线性弹性材料的应力应变关系曲线可得,余能密度为,9.3 卡氏第二定理,表明余能为一系列荷载 的函数,由于 改变了 ，外力余功相应改变量为,余能定理 杆件的余能对于杆件上某一荷载的变化率就等于与该荷载相应的位移。,在线弹性范围内,卡氏第二定理 线弹性范围内，杆件的应变能对于杆件上某一荷载的变化率，就等于与该荷载相应的位移。,试计算图示结构在荷载 作用下C点的竖向位移，结构中两杆的 长度均为 ，横截面面积均为A材料在单轴拉伸时的应力应变曲线如图所示。,解：由结点C的平衡方程，可得两杆的轴力为,于是两杆横截面上的应力为,由于轴向拉伸杆内各点应变状态均相同，因此，结构在荷载作用下的余能为,由非线性弹性材料的应力应变关系曲线可得,余能密度为,五 能量法解超静定,1.简单超静定问题及其解法,未知力个数等于独立的平衡方程数目,则仅由平衡方程即可解出全部未知力,这类问题称为静定问题,相应的结构称为静定结构.,未知力个数多于独立的平衡方程数目,则仅由平衡方程无法确定全部未知力,这类问题称为超静定问题或静不定问题,相应的结构称为超静定结构或静不定结构.,所有超静定结构,都是在静定结构上再加一个或几个约束,这些约束对于特定的工程要求是必要的,但对于保证结构平衡却是多余的,故称为多余约束.,未知力个数与平衡方程数之差,称为超静定次数或静不定次数.,求解超静定问题,需要综合考察结构的平衡,变形协调和物理三个方面.,一铰接结构如图示,在水平刚性横梁的B端作用有载荷F 垂直杆1,2的抗拉压刚度分别为E1A1,E2A2,若横梁AB的 自重不计,求两杆中的内力.,变形协调方程,试计算图示结构在荷载 作用下的余能，结构中两斜杆的长度均为 ，横截面面积均为A材料在单轴拉伸时的应力应变曲线如图所示。求各杆内力。,解：由结点C的平衡方程，得两斜杆轴力为,于是两杆横截面上的应力为,由于轴向拉伸杆内各点应变状态均相同，因此，结构在荷载作用下的余能为