梁的弹塑性弯曲及

关于梁的弹塑性弯曲及§2.1矩形截面梁的弹塑性纯弯曲

关于梁的两个假定（材料力学）：①

平截面假定：梁的横截面在变形之后仍然保持平面。②

截面上正应力对变形的影响是主要的，其它应力分量的影响可以忽略。故应力应变关系可简化为正应力σ和正应变ε之间的关系。一、基本关系第2页,共70页，2024年2月25日，星期天在图示的矩形截面梁中，如取x轴为中心线，y轴指向梁的挠度方向，梁的受力状态对称与x-y平面时。由平面假设，截面上的正应变为其中为曲率，和都是的函数。小变形情形下——式中挠度以指向轴的方向为正。截面上的轴力和弯矩为——式中b和h分别为矩形截面的宽度和高度第3页,共70页，2024年2月25日，星期天考虑梁的纯弯曲问题，故（3）式中轴向力为零，N=0，而（4）式的弯矩M与x无关。二、弹性阶段由得将代入（3）、（4）——截面的惯性矩说明弯矩和曲率之间有线性关系代入式（5）说明应力分布与y成比例第4页,共70页，2024年2月25日，星期天在梁的最上层和最下层，应力的绝对值最大，故开始屈服所对应的弯矩和曲率为——弹性极限弯矩——弹性极限曲率则（6）式的无量纲形式可写为第5页,共70页，2024年2月25日，星期天三、弹塑性阶段考虑的情形设弹塑性区交界处的值为有截面上的弯矩：第6页,共70页，2024年2月25日，星期天或（10）式中，对应于y=y0的应力为σ=σs，故考虑的情形（11）式也可写为对比弹性解第7页,共70页，2024年2月25日，星期天1、表明虽然梁截面的外层纤维已进入塑性屈服阶段，但由于其中间部分仍处于弹性阶段，“平截面”的变形特性限制了外层纤维塑性变形的大小，因而它们是处于约束塑性变形状态，梁的曲率完全由中间弹性部分控制。第8页,共70页，2024年2月25日，星期天，，塑性极限载荷，在y=±0处上下纤维的正应力从+σs跳到-σs，出现了正应力的强间断。2、3、当变形限制在弹性变形的量级时，材料的塑性变形可以使梁的抗弯能力得到提高。矩形截面梁圆形截面薄圆管工字梁第9页,共70页，2024年2月25日，星期天三、卸载时的残余曲率和残余应力

1、卸载规律——在卸载时M~K之间应服从弹性规律弯矩的改变量和曲率的改变量之间的关系：应力的改变量：2、残余曲率若弯矩完全卸到零，即残余曲率的表达式第10页,共70页，2024年2月25日，星期天卸载后的残余曲率与未卸载时的曲率之比：或：适用：或：当时，显然有第11页,共70页，2024年2月25日，星期天3、残余应力其中与之间的关系有式（13）和（14）给出说明：1.在弹性区的残余应力仍保留原来的符号。2.卸载时，应力变化最大的部位在梁的最外层由和第12页,共70页，2024年2月25日，星期天3.当再次施加的正向弯矩值不超过M*时，梁将呈弹性响应。得外层的正应力改变了符号但未出现反向屈服4.如卸载到零以后再施加反向弯矩，则开始时的响应仍是弹性的，当△M满足外层纤维开始反向屈服,即弯矩的变化范围不大于2Me时，结构将是安定的。第13页,共70页，2024年2月25日，星期天§2.2横向载荷作用下梁的弹塑性分析

一、梁的弹性极限载荷研究矩形截面的理想弹塑性悬臂梁，在端点受集中力作用梁的弯矩：当P增至根部的弯矩X=0截面的最外层纤维开始屈服称为弹性极限载荷第14页,共70页，2024年2月25日，星期天二、塑性状态时，梁的弯矩分布仍服从（19）式。设开始进入塑性状态的截面在处，则有位于的各截面上均有部分区域进入屈服状态，其弹塑性交界位置1、塑性极限载荷第15页,共70页，2024年2月25日，星期天在处，当时，即梁根部的整个截面都进入塑性流动阶段称为塑性极限载荷与相应的值可由第16页,共70页，2024年2月25日，星期天2、塑性铰塑性铰：弯矩达到了塑性极限弯矩，则相应的曲率可任意地增长，就好像一个铰那样。与通常的铰有两点区别：1.通常的铰不承受弯矩；2.通常较两侧的梁段可在两个方向作相对转动，而塑性铰作反方向相对转动对应于卸载。第17页,共70页，2024年2月25日，星期天三、梁的挠度1、梁处于弹性状态以及端条件可得特别地第18页,共70页，2024年2月25日，星期天1、梁处于弹塑性状态弹塑性梁段弹性梁段当第19页,共70页，2024年2月25日，星期天区间中的曲率可由下式给出：利用端条件，得区间中的曲率可由下式给出：利用x=3/L处的连接条件，得第20页,共70页，2024年2月25日，星期天其中自由端的挠度为：可见，弹塑性变形与弹性变形是同数量级的。？当载荷P先加到P，然后又卸载到零时，自由端的残余挠度？第21页,共70页，2024年2月25日，星期天§2.3强化材料矩形截面梁的弹塑性纯弯曲一般强化材料:在纯弯曲条件下，单调加载时，弯矩表达式为：作变量替换后，上式可写为：可得到M～K

关系。仅当时，上式中的才不为零第22页,共70页，2024年2月25日，星期天如已知K＞0，则由（9）和（12）式：可直接求得M值。如已知M＞0，则需用叠代法求出相应的K值和应力分布。为此，可利用将（24）式改写为：上式右端的第一项为纯弹性部分，第二项是由于梁的塑性变形而对曲率的修正。注意到，有在令：第23页,共70页，2024年2月25日，星期天则对任意两个曲率和，由中值定理可得--现定义算子T：而将（27）式写成采用迭代法：先令则第一次迭代为：第24页,共70页，2024年2月25日，星期天由于可见T是一个压缩映象，以上迭代过程是收敛的。--则第次迭代为：第25页,共70页，2024年2月25日，星期天§2.4超静定梁的塑性极限载荷以图示的一次超静定梁为例第26页,共70页，2024年2月25日，星期天设其

MK

曲线可由图7中的理想弹塑性模型表示，即～第27页,共70页，2024年2月25日，星期天当时设载荷P从零开始增长。AB段和BC段弯矩是线性分布的其中在根部A截面当时，对应的载荷为：第28页,共70页，2024年2月25日，星期天当时（1）梁的根部形成一个塑性铰，可以产生任意大的曲率。但由于其它部位仍处于弹性阶段，故根部曲率的大小要受到这些部位的约束。（2）A点成为塑性铰后，该处的弯矩已知，结构成为静定的。由平衡条件得当时，B点的弯矩为梁成为一个机构而不能进一步承载。称为塑性极限载荷第29页,共70页，2024年2月25日，星期天分析：1.塑性极限载荷并不依赖于弹模E，其值仅与结构本身和载荷有关，而与结构的残余应力状态和加载历史无关。弹塑性结构的极限载荷与刚塑性结构的极限载荷是相同的2.若仅计算极限载荷，无须分析弹塑性变形过程，可采用刚塑性模型，用更为简单的方法进行计算。常用的方法：静力法：以应力作为基本未知量机动法：以位移作为基本未知量第30页,共70页，2024年2月25日，星期天静力法：是通过与外载荷相平衡且在结构内处处不违反屈服条件的广义应力场来寻求所对应外载荷的最大值的一种方法。以图6所示的梁为例弯矩（绝对值）的最大值只可能在A点和B点。以C点的支座反力为参数梁内处处不违反屈服条件就要求第31页,共70页，2024年2月25日，星期天两个不等式同时成立，所对应的最大外载荷为：——塑性极限载荷机动法：是当结构的变形可能成为一个塑性流动（或破损）机构时，通过外载荷所做的功与内部耗散功的关系来寻求所对应外载荷的最小值的一种方法。对于图6所示的梁，可能的破损机构只有一种，即根部A和中点B都成为塑性铰。第32页,共70页，2024年2月25日，星期天令B点向下移动的距离为δ，A点处梁的转角为B点两侧梁段的相对转角为则力P所作的功为：塑性铰上所作的耗散功为：由外力功和内部耗散功相等的条件——塑性极限载荷或注：对于较为复杂的结构，可能的破损机构一般有好几种。对应于每一种机构，都可求得一个载荷值。真实的极限载荷是所有这些载荷中的最小值。第33页,共70页，2024年2月25日，星期天§2.5用静力法和机动法求刚架的塑性极限载荷

一、几个概念静力场

：处处满足平衡条件的内力分布现考虑一个n次超静定刚架，它有n个多余反力设刚架中可能出现塑性铰的节点个数为m。m个节点处的弯矩外力多余反力消去得到的m-n个方程反映了结构的平衡条件第34页,共70页，2024年2月25日，星期天即构成一个平衡体系——称为静力场静力许可场：结构内处处不违反屈服条件的静力场结构内处处不违反屈服条件——称为静力许可场静力法：就是要在一切可能的静力许可场中寻求取值最大的外载荷。

第35页,共70页，2024年2月25日，星期天二、例子①⑤②③④图8我们来考虑图8所示的平面刚架。设各截面的塑性极限弯矩为MS。在水平力3P和竖直力2P的作用下，求出结构最大可能承受的载荷P。

解：该结构的超静定次数n=2

节点①，②，③，④处可能出现塑性铰,故m=4取节点⑤处的支座反力R和N为多余反力，并规定弯矩的符号以刚架内侧拉为正，则相应的平衡方程为[静力法]第36页,共70页，2024年2月25日，星期天消去R、N，得到m-n=2个独立的平衡方程即如果mj还满足屈服条件则就构成一个静力许可场(29)第37页,共70页，2024年2月25日，星期天利用（30）式，条件（31）式可等价地写为

或消去消去(32)(33)(34)第38页,共70页，2024年2月25日，星期天而（负号对应于反向加载）对应于最大载荷值：当(34)式中的各式才可能成立。——为存在静力许可场的条件(36)1.对应于的弯矩分布可通过回代过程来确定：——塑性极限载荷说明：2.二次超静定结构中有三个节点①，②，④成为塑性铰，结构变成机构而开始塑性流动。这说明（36）式的的确是一个极限载荷。第39页,共70页，2024年2月25日，星期天[机动法]说明：1.对于n次超静定刚架，当出现（n+1)个塑性铰时，结构就会变成机构而产生塑性流动。设可能出现塑性铰的节点数为m，则可能的破损机构的总数不少于m2.对于n次超静定刚架，可能出现塑性铰的节点数为m，可列出的独立的平衡方程个数为m-n。这m-n个方程可利用虚功原理与结构的m-n个破损机构相对应，称这样的破损机构为基本机构其它的破损机构可通过基本机构组合而得到第40页,共70页，2024年2月25日，星期天3.每一个破损机构都是一个机动场。设在塑性铰点两侧梁段的相对转角为与外载荷相对应的广义位移为可表示为许可机动场——使外载荷在上所作的总功取正值的机动场对于每一个运动机动场，当令外载荷作的总功与塑性铰的总耗散功相等时，便得到一个载荷值。机动法就是要在一切可能的运动许可场中寻求取值最小的外载荷第41页,共70页，2024年2月25日，星期天①⑤②③④图8我们来考虑图8所示的平面刚架。设各截面的塑性极限弯矩为MS。在水平力3P和竖直力2P的作用下，求出结构最大可能承受的载荷P。

解：可能的破损机构总数为基本机构的个数为例如，取图9中的（a)和（b）为基本机构。则（a)和（b）这两种基本机构叠加：消去处的铰，得到机构（c）。②消去处的铰，得到机构（d）。④第42页,共70页，2024年2月25日，星期天(d)成铰③①②(c)成铰①③④(b)成铰③④①(a)成铰②③④第43页,共70页，2024年2月25日，星期天用机动法计算对应于每个破损机构的载荷值(a)成铰②③④(b)成铰③④①第44页,共70页，2024年2月25日，星期天(c)成铰①③④(d)成铰③①②第45页,共70页，2024年2月25日，星期天以上四种载荷值中的最小者对应于机构(b),最先形成塑性铰的节点为①,②,④。——结构的塑性极限载荷讨论一种简便的方法：在以上这些塑性流动机构中事先选取其中的某几个，并分别计算出这几个机构所对应的“上限载荷”。进而考察这些“上限载荷”中取最小值的塑性流动机构，并将其铰点上的弯矩值取为极限弯矩，然后在根据平衡条件求出其它各节点处的弯矩值。如果所有截面上弯矩的绝对值都没有超过极限弯矩，那么我们就找到了一个静力许可场，因为它同时对应于某个运动机动场，所以以上所求得的载荷值就是真实的极限载荷，否则以上的载荷只能是真实极限载荷的上限，而需要对其它的塑性流动机构再重新进行计算。第46页,共70页，2024年2月25日，星期天(a)成铰②③④我们来考虑图8所示的平面刚架。先选取使节点成铰的机构为塑性流动机构。②③④(29)由由柱45的平衡条件，可知节点处的水平力⑤可知节点处的水平力①第47页,共70页，2024年2月25日，星期天由柱12的平衡条件，可知节点处的垂直力⑤即节点1处已违反屈服条件，以上的机构并不是真实的塑性流动机构。再选取使节点成铰的机构为塑性流动机构。②④①(29)由由柱45的平衡条件可知节点处的水平力①以及结构真实的塑性极限载荷第48页,共70页，2024年2月25日，星期天§2.6极限分析中的上下限定理在上节中，我们没有追踪结构的实际加载过程去逐步地进行结构的弹塑性计算，而是设法直接求出结构的塑性极限载荷及其相应的塑性流动机构。这样的分析方法通常称为极限分析。在极限分析中，最常用的方法就是静力法和机动法。这两种方法是以本节将要讨论的上、下限定理为理论依据的回顾：第49页,共70页，2024年2月25日，星期天二、上、下限定理假定作用在结构上的各个外载荷为集中力，它们以共同的比例因子逐渐增长。当时，外载荷对应于真实的塑性极限载荷其中表示给定的关于各载荷间的相对比值与真实的塑性流动机构相对应的运动许可场可写为其中是在实际出现塑性铰点两侧梁段的相对转角。1.几个概念第50页,共70页，2024年2月25日，星期天静力法要求构造某个静力许可场由此可得到一个载荷乘子机动法要求构造某个静力许可场然后通过计算外载荷值：其中满足根据运动许可场的定义，上式中第51页,共70页，2024年2月25日，星期天2.定理上、下限定理：由静力法得到的载荷乘子小于或等于真实的载荷乘子，由机动法得到的载荷乘子大于或等于真实的载荷乘子，即有：3.定理证明虚功原理：当任意一个静力许可场在任意一个运动许可场上作功时，外载荷的虚功应等于内力的虚功。第52页,共70页，2024年2月25日，星期天由于真实场是静力许可场的一种，而真实场是运动许可场的一种，因此根据不同的组合，可得到虚功方程的几种具体表达式：显然有：此外，（43）式大于零的条件可写为第53页,共70页，2024年2月25日，星期天于是，从（43）式减去（41）式并利用条件：可得即类似地，从（39）式减去（42）式并利用可得即这便证明了上、下限定理。第54页,共70页，2024年2月25日，星期天以上定理说明，由静力许可场可得到极限载荷的下限，由运动许可场可得到极限载荷的上限。如果能同时找到一个既是静力许可场又是运动许可场的体系，那么相应的载荷就必然是结构的塑性极限载荷。如果不能精确地求出极限载荷，那么也可分别由静力许可场和运动许可场求得极限载荷的下限和上限，并由上限与下限之差来估计极限载荷近似值的精确度。第55页,共70页，2024年2月25日，星期天§2.7最轻结构的极限设计问题的提出：在给定外载和某些其它条件下，如何来设计一种最优的结构。这样的问题称之为极限（或优化）设计。最优的标准可以有多种。这里的讨论将以重量最轻为准则，故又称为最轻结构的极限设计。[问题]给定载荷及结构的形状，求结构中各截面上的塑性极限弯矩。由于极限弯矩MS与截面的尺寸（或单位长度构件的重量）有关。[分析]故一般可有关系式当f为线性函数时对于同一类型的构件，式中的a和b可取为常数第56页,共70页，2024年2月25日，星期天整个结构的重量:——上式中表示第个构件的塑性极限弯矩如何来选取各个构件的，使得在保证结构安全的前提下，为最小。

？[求解方法]设想结构出现了第q种破损机构而产和塑性流动，相应的运动许可场表示第个构件上位于点处两侧梁段的相对转角有第57页,共70页，2024年2月25日，星期天为保证结构安全就要求对一切可能的q，都有最轻结构的极限设计问题便归结为在满足（46）式的条件下选取使（45）式中的X为最小的问题。这在数学上是一个线性规划问题。例：图10表示了一个双跨连续梁。第58页,共70页，2024年2月25日，星期天设两段梁的极限弯矩分别为MS1和MS2，在外载P1和P2（=3P1）的作用下有四处可能出现塑性铰（如图中的①，②，③，④）因为MS1和MS2可以不相等，B处将在薄弱的一侧形成铰，所以B点有两个可能成铰的截面，即在其左侧或在其右侧。于是，在外载的作用下，就可能出现图（10）中（a），（b），（c），（d）所示的四种机构。或是以上机构的组合，（e)就是（a）和（d）的组合。第59页,共70页，2024年2月25日，星期天相应的（46）式可分别写为：引进无量纲量第60页,共70页，2024年2月25日，星期天下来确定和使得

取最小值。问题就化为：[解析法]将（49）式改为在条件并代入（48）式后，有消去

当结构安全时，x的最小值应取为5（48）第61页,共70页，2024年2月25日，星期天再以代回以上各个不等式，便有或

——在给定载荷下的最轻设计

说明：将极限弯矩值和代到（47）中，可知（a），（b）式中的等号成立。这说明在这种设计时破损机构是（a），（b）的组合（e）。从直观上讲，最优设计应该要求当机构破损时，能同时出现更多的机构，这才能够最充分地发挥所有材料的潜力。第