孙训芳材料力学11ppt课件

能量法 Energy method 一 概述（General introduction） 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 同静力学方法平行的一种方法 恒力功: 二 功、能（应变能或变形能） 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 统一表示为统一表示为 2 2 能（应变能或变形能）能（应变能或变形能） 能是一种可对物体做功的本领 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。 图示在线弹性范围内工作的一端固定、另一端自由的圆轴，在自由端截面图示在线弹性范围内工作的一端固定、另一端自由的圆轴，在自由端截面 上承受扭转力偶矩上承受扭转力偶矩MM 1 1 。材料的切变模量。材料的切变模量GG和轴的长度和轴的长度 l l 以及直径以及直径 d d 均已均已 知。试计算轴在加载过程中所积蓄的应变能知。试计算轴在加载过程中所积蓄的应变能 。 例题例题 利用应变能密度 三种方法 利用外力功 利用内力功 三 卡氏第一定理 为最后位移 的函数 卡氏第一定理卡氏第一定理 应变能对于构件上某一应变能对于构件上某一 位移之变化率，就等于位移之变化率，就等于 与该位移相应的荷载。与该位移相应的荷载。 由于 改变了 ，外力功相应改变量为 图示在线弹性范围内工作的一端固定、另一端自由的圆轴，在自由端截面图示在线弹性范围内工作的一端固定、另一端自由的圆轴，在自由端截面 上承受扭转力偶矩上承受扭转力偶矩MM 1 1 。材料的切变模量。材料的切变模量GG和轴的长度和轴的长度 l l 以及直径以及直径 d d 均已均已 知。试计算轴两端的相对扭转角。知。试计算轴两端的相对扭转角。 例题例题 四四 余功、余能及卡氏第二定理余功、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线弹性范围内外力功等 于余功，能等于余能。于余功，能等于余能。 试计算图示结构在荷载试计算图示结构在荷载 作用下的余能，结构中两杆的作用下的余能，结构中两杆的 长度均为长度均为 ，横截面面积均为，横截面面积均为A A材料在单轴拉伸时的应力材料在单轴拉伸时的应力 应变曲线如图所示。应变曲线如图所示。 解：由结点解：由结点C C的平衡方程，可得两杆的轴力为的平衡方程，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由非线性弹性材料的应力应变关系曲线可得 余能密度为余能密度为 例题例题 卡氏第二定理卡氏第二定理 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 余能定理余能定理 杆件的余能对于杆杆件的余能对于杆 件上某一荷载的变件上某一荷载的变 化率就等于与该荷化率就等于与该荷 载相应的位移。载相应的位移。 在线弹性范围内在线弹性范围内 卡氏第二定理卡氏第二定理 线弹性范围内线弹性范围内，杆件，杆件 的应变能对于杆件上的应变能对于杆件上 某一荷载的变化率，某一荷载的变化率， 就等于与该荷载相应就等于与该荷载相应 的位移。的位移。 试计算图示结构在荷载试计算图示结构在荷载 作用下作用下C C点的竖向位移，结构中两杆的点的竖向位移，结构中两杆的 长度均为长度均为 ，横截面面积均为，横截面面积均为A A材料在单轴拉伸时的应力材料在单轴拉伸时的应力应变曲应变曲 线如图所示。线如图所示。 解：由结点解：由结点C C的平衡方程，可得两杆的轴力为的平衡方程，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由非线性弹性材料的应力应变关系曲线可得 余能密度为余能密度为 例题例题 试求简支梁试求简支梁F F p p 处的挠度，已知梁的抗弯刚处的挠度，已知梁的抗弯刚 度为度为EIEI。 本题也可用功能原理（实功原理）求解，但这种方法有它的局限性，本题也可用功能原理（实功原理）求解，但这种方法有它的局限性， 即只能求解单个力作用时沿其方向的位移。即只能求解单个力作用时沿其方向的位移。 例题例题 外伸梁外伸梁ABCABC的自由端作用有铅直荷载的自由端作用有铅直荷载F F P P ，求求 （1 1）C C端挠度端挠度 （2 2） C C端转角端转角 例题例题 解：解： （1 1）C C端挠度端挠度 支座反力分别为支座反力分别为 内力为内力为 ABAB段段 BCBC段段 总应变能为总应变能为 由功能原理或由功能原理或 卡氏第二定理可得卡氏第二定理可得 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 为静定问题静定问题,相应的结构称为静定结构静定结构. 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平衡, ,变形协调和物理变形协调和物理三个方面. 例题例题 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. L1 1 2 变形协调方程 试计算图示结构在荷载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作用下的余能，结构中两斜杆的长度均 为为 ，横截面面积均为，横截面面积均为A A材料在单轴拉伸时的应力材料在单轴拉伸时的应力应变曲线如图应变曲线如图 所示。求各杆内力。所示。求各杆内力。 解：由结点解：由结点C C的平衡方程，得两斜杆轴力为的平衡方程，得两斜杆轴力为 于是两杆横截面上的应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由非线性弹性材料的应力应变关系曲线可得 余能密度为余能密度为 例题例题 试计算图示结构的支座反力试计算图示结构的支座反力 这种以力为基本未知量，把它的求解当作关键性问题的方法称为力法力法 例题例题 平面内，由平面内，由k k根杆组成的杆系，在结点根杆组成的杆系，在结点A A处用