工程力学梁的变形教学PPT.ppt

1 第十章梁的变形 工程力学 2 第十章弯曲变形 10 5梁的刚度校核及提高弯曲刚度的措施 3 10 1梁的转角和挠度 直梁在对称平面xy内弯曲时其原来的轴线ab将弯曲成平面曲线ac1b 梁的横截面形心 即轴线ab上的点 在垂直于x轴方向的线位移w称为挠度 deflection 横截面对其原来位置的角位移q称为横截面的转角 angleofrotation 4 弯曲后梁的轴线 挠曲线 deflectioncurve 为一平坦而光滑的曲线 它可以表达为w f x 此式称为挠曲线方程 由于梁变形后的横截面仍与挠曲线保持垂直 故横截面的转角q也就是挠曲线在该相应点的切线与x轴之间的夹角 从而有转角方程 5 在图示坐标系中 挠度w向下为正 向上为负 顺时针转向的转角 为正 逆时针转向的转角 为负 6 10 2用积分法求梁的位移 梁的挠曲线近似微分方程 在前面学习中曾得到梁在线弹性范围内纯弯曲情况下中性层的曲率为 这也就是位于中性层内的挠曲线的曲率的表达式 7 在横力弯曲下 梁的横截面上除弯矩m m x 外 还有剪力 剪力产生的剪切变形对梁的变形也会产生影响 但工程上常用的梁其跨长l往往大于横截面高度h的10倍 此时剪力对梁的变形的影响可略去不计 而有 8 从几何方面来看 平面曲线的曲率可写作 式中 等号右边有正负号是因为曲率1 r为度量平面曲线 挠曲线 弯曲变形程度的非负值的量 而w 是q w 沿x方向的变化率 是有正负的 9 再注意到在图示坐标系中 负弯矩对应于正值w 正弯矩对应于负值的w 故从上列两式应有 由于梁的挠曲线为一平坦的曲线 上式中的w 2与1相比可略去 于是得挠曲线近似微分方程 10 用积分法求梁的位移 求梁的挠曲线方程时可将上式改写为 后进行积分 再利用边界条件 boundarycondition 确定积分常数 11 当全梁各横截面上的弯矩可用一个弯矩方程表示时 例如图中所示情况 有 以上两式中的积分常数c1 c2由边界条件确定后即可得出梁的转角方程和挠曲线方程 12 边界条件 这里也就是支座处的约束条件 的示例如下图所示 13 若由于梁上的荷载不连续等原因使得梁的弯矩方程需分段写出时 各段梁的挠曲线近似微分方程也就不同 而对各段梁的近似微分方程积分时 都将出现两个积分常数 要确定这些积分常数 除利用支座处的约束条件 constraintcondition 外 还需利用相邻两段梁在交界处的连续条件 continuitycondition 这两类条件统称为边界条件 14 连续条件 15 例题1试求图示等直梁的挠曲线方程和转角方程 并求自由端截面的挠度和转角 16 解 该梁的弯矩方程为 挠曲线近似微分方程为 以x为自变量进行积分得 于是得 该梁的边界条件为 在x 0处 w 0 17 挠曲线方程 当x l时 18 例题2试求图示等直梁的挠曲线方程和转角方程 并确定其最大挠度wmax和最大转角qmax 19 解 约束力为 两段梁的弯矩方程分别为 为了后面确定积分常数的方便 右边那段梁的弯矩方程m2 x 仍取x截面左边的梁为分离体 使方程m2 x 中的第一项与方程m1 x 中的项相同 20 两段梁的挠曲线近似微分方程亦需分段列出 并分别进行积分 挠曲线近似微分方程 积分得 21 该梁的两类边界条件为 支座约束条件 在x 0处w1 0 在x l处w2 0 连续条件 在x a处 w1 w2 由两个连续条件得 由支座约束条件w1 x 0 0得 从而也有 22 由另一支座约束条件w2 x l 0有 即 从而也有 23 从而得两段梁的转角方程和挠曲线方程如下 左段梁 右段梁 24 左 右两支座处截面的转角分别为 25 将上列x1的表达式代入左段梁的挠曲线方程得 求得的位置值 由 26 由上式还可知 当集中荷载f作用在右支座附近因而b值甚小 以致b2和l2相比可略去不计时有 它发生在处 而此时处 跨中点c 的挠度wc为 简支梁最大挠度的近似计算 27 当集中荷载f作用于简支梁的跨中时 b l 2 最大转角qmax和最大挠度wmax为 可见在集中荷载作用于右支座附近这种极端情况下 跨中挠度与最大挠度也只相差不到3 因此在工程计算中 只要简支梁的挠曲线上没有拐点都可以跨中挠度代替最大挠度 28 10 3用叠加法求梁的位移 当梁的变形微小 且梁的材料在线弹性范围内工作时 梁的挠度和转角均与梁上的荷载成线性关系 在此情况下 当梁上有若干荷载或若干种荷载作用时 梁的某个截面处的挠度和转角就等于每个荷载或每种荷载单独作用下该截面的挠度和转角的代数和 这就是计算梁的位移时的叠加原理 principleofsuperposition 29 悬臂梁和简支梁在简单荷载 集中荷载 集中力偶 分布荷载 作用下 悬臂梁自由端的挠度和转角表达式 以及简支梁跨中挠度和支座截面转角的表达式已在表10 1中列出 根据这些资料灵活运用叠加原理 往往可较方便地计算复杂荷载情况下梁的指定截面的挠度和转角 30 31 32 33 例题怎样用叠加法确定 c和wc 34 35 36 37 超静梁 未知力的数目多于能列出的独立平衡方程的数目 仅利用平衡方程不能解出全部未知力 则称为超静定问题 或静不定问题 超静次数 未知力的数目 独立平衡方程数 4个约束反力 3个平衡方程 静不定次数 1 1 超静定的概念 10 4简单超静定梁 38 2 解简单超静定梁的基本思想 1 确定超静定次数 2 选择基本静定梁 静定梁 基本静定基 将超静定梁的多余约束解除 得到相应的静定系统 该系统仅用静力平衡方程就可解出所有反力以及内力 多余约束 杆系在维持平衡的必要约束外所存在的多余约束或多余杆件 多余约束的数目 超静定次数 多余约束的数目 1 39 静定梁 基本静定基 选取 2 解除a端阻止转动的支座反力矩作为多余约束 即选择两端简支的梁作为基本静定梁 a 1 解除b支座的约束 以代替 即选择a端固定b端自由的悬臂梁作为基本静定梁 40 2 基本静定基要便于计算 即要有利于建立变形协调条件 一般来说 求解变形时 悬臂梁最为简单 其次是简支梁 最后为外伸梁 基本静定基选取可遵循的原则 1 基本静定基必须能维持静力平衡 且为几何不变系统 41 a 3 列出变形协调条件 比较原静不定梁和静定基在解除约束处的变形 根据基本静定梁的一切情况要与原超静定梁完全相同的要求 得到变形协调条件 42 本例 1 4 用积分法或叠加法求变形 并求出多余未知力 仅有q作用 b点挠度为 仅有作用 b点挠度为 因此 解得 43 5 根据静力平衡条件在基本静定梁上求出其余的约束反力 本例 1 44 因此 6 在基本静定梁上按照静定梁的方法求解内力 应力和变形 45 例题图示静不定梁 等截面梁ac的抗弯刚度ei 拉杆bd的抗拉刚度ea 在f力作用下 试求bd杆的拉力 1 选择基本静定梁 解 2 列出变形协调条件 而 1 46 解得 代入 1 47 10 5梁的刚度校核及提高弯曲刚度的措施 梁的刚度校核 对于产生弯曲变形的杆件 在满足强度条件的同时 为保证其正常工作还需对弯曲位移加以限制 即还应该满足刚度条件 stiffnesscondition 式中 l为跨长 为许可的挠度与跨长之比 简称许可挠跨比 q 为许可转角 上列刚度条件常称之为梁的刚度条件 48 土建工程中通常只限制梁的挠跨比 在机械工程中 对于主要的轴 对于传动轴还要求限制在安装齿轮处和轴承处的转角 49 提高梁刚度的措施 1 增大梁的弯曲刚度ei 由于不同牌号的钢材它们的弹性模量e大致相同 e 210gpa 故从增大梁的弯曲刚度来说采用高强度钢并无明显好处 为增大钢梁的弯曲刚度 钢梁的横截面均采用使截面面积尽可能分布在距中性轴较远的形状 以增大截面对于中性轴的惯性矩iz 例如工字形截面和箱形截面 50 跨长为l的简支梁受集度为q的满布均布荷载时 最大弯矩和最大挠度均出现在跨中 它们分别为 2 调整跨长和改变结构的体系 51 如果将两个铰支座各内移一个距离a而成为