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第 6 章 弯曲变形. 本章主要研究:. 弯曲变形基本方程 计算梁位移的方法 简单静不定梁分析 梁的刚度条件与设计. §1 引言 §2 梁变形基本方程 §3 计算梁位移的积分法 §4 计算梁位移的奇异函数法 §5 计算梁位移的叠加法 §6 简单静不定梁 §7 梁的刚度条件与合理设计. §1 引 言. 弯曲变形及其特点 挠度与转角. 挠曲轴. 弯曲 变形及其特点. 变弯后的梁轴,称为 挠曲轴. 挠曲轴是一条连续、光滑曲线 对称弯曲时,挠曲轴为位于纵向对称面的平面曲线 - PowerPoint PPT Presentation
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1
第 6 章 弯曲变形
弯曲变形基本方程 计算梁位移的方法 简单静不定梁分析 梁的刚度条件与设计
本章主要研究:
2
§1 引言 §2 梁变形基本方程 §3 计算梁位移的积分法§4 计算梁位移的奇异函数法§5 计算梁位移的叠加法§6 简单静不定梁§7 梁的刚度条件与合理设计
3
§1 引 言
弯曲变形及其特点 挠度与转角
4
弯曲变形及其特点
挠曲轴是一条连续、光滑曲线 对称弯曲时,挠曲轴为位于纵向对称面的平面曲线 对于细长梁,剪力对弯曲变形影响一般可忽略不计 ,
因而横截面仍保持平面,并与挠曲轴正交
挠曲轴
变弯后的梁轴,称为挠曲轴
研究弯曲变形的目的,进行梁的刚度计算,分析静 不定梁,为研究压杆稳定问题提供有关基础
5
挠度与转角
转角-挠度
挠度与转角的关系(小变形)
xw
''dd
tan
挠度-横截面形心在垂直于梁轴方向的位移)( xww -挠曲轴方程
转角-横截面的角位移)(x -转角方程
(忽略剪力影响)
xw
dd ( ra
d )
6
§2 梁变形基本方程
挠曲轴微分方程 挠曲轴近似微分方程
7
挠曲轴微分方程
EIxM
x)(
)(1
3/2 21)(1
w
wx
EIxM
w
w )(
13/2 2
EIM
1 (纯弯)
(推广到非纯弯)
w -弯矩引起的挠度max p
-挠曲轴微分方程
8
挠曲轴近似微分方程
小变形时: 12 w
EIxM
xw )(
dd
2
2
EIxM
xw )(
dd
2
2
EIxM
w
w )(
13/2 2
-挠曲轴近似微分方程
pmax
小变形 坐标轴 w 向上
应用条件:
EIxM
x
w )(
d
d2
2
坐标轴 w 向下时:
9
§3 计算梁位移的积分法
挠曲轴微分方程的积分与 边界条件 积分法求梁位移 挠曲轴的绘制 例题
10
挠曲轴微分方程的积分与边界条件
EIxM
xw )(
dd
2
2
CxEI
xMxw d
)(dd
DCxxxEI
xMw dd
)(
约束处位移应满足的条件
梁段交接处位移应满足的条件-位移边界条件 -位移连续条件
利用位移边界条件与连续条件确定积分常数利用位移边界条件与连续条件确定积分常数
11
积分法求梁位移
A =?EI = 常数
建立挠曲轴近似微分方程并积分
lMFF ByAy
/ e
xl
MxM e)(
xEIlM
xw e2
2
dd
(a) 2d
d 2e CxEIlM
xw
(b) 6
3e DCxxEIlM
w
利用边界条件确定积分常数(1) 0 0 wx 处,在
(2) 0 wlx 处,在
由条件 (1), (2) 与式 (b) ,得
EIlM
CD6
0, e
计算转角 )(3
6dd 22e lx
EIlM
xw
EIlM
A 6(0) e ()
12
挠曲轴的绘制
绘制依据
满足基本方程
EIxM
w)(
满足位移边界条件与连续条件
绘制方法与步骤
画 M 图
由位移边界条件确定挠曲轴的空间位置
由 M 图的正、负、零点或零值区,确定挠曲轴的
凹、凸、拐点或直线区,即确定挠曲轴的形状
13
例 题
例 3-1 用积分法求梁的最大挠度, EI 为常数
解: 1. 建立挠曲轴近似微分方程并积分
lFb
FAy
lFa
FBy
121
12
d
dx
EIlFb
x
w
121
1
1
2dd
CxEIlFb
xw
111311 6
DxCxEIlFb
w
)(d
d222
2
22
axEIF
xEIlFb
x
w
22
222
2
2 )(22d
dCax
EIF
xEIlFb
xw
2223
2322 )(
66DxCax
EIF
xEIlFb
w
AC 段 CB 段
14
3. 最大挠度分析
)(6
2221
11 lbx
lEIFbx
w lEIblFb
f39
)( 3/222 ()
当 a > b 时
0 0 11 wx 处,在
0 22 wlx 处,在
2121 wwaxx 处,在
处,在 21 axx
位移边界条件: 位移连续条件:
021 DD )(6
2221 lb
EIlFb
CC
2211 d/dd/d xwxw
2. 确定积分常数
发生在 AC段
111311 6
DxCxEIlFbw
2223
2322 )(
66DxCax
EIFx
EIlFbw
0dd
1
1 xw
15
例 3-2 建立挠曲轴 微分方程,写出边界条件, EI 为常数
2qa
FAy
23qa
FBy
121
12
2dd
xEIqa
xw 2
222
22
2dd
xEIq
xw
解: 1. 建立挠曲轴近似微分方程
AB段 :
CB段 :
2. 边界条件与连续条件
0 0 11 wx 处,在
0 11 wax 处,在
2121 wwaxx 处,在
处,在 21 axx
位移边界条件: 位移连续条件:
2
2
1
1
dd
dd
xw
xw
16
F=qa
例 3-3 绘制挠曲轴的大致形状
F=qa
17
§4 计算梁位移的奇异函数法
奇异函数 弯矩通用方程 梁位移通用方程 例题
18
奇异函数当需分段建立 M 或 EI 方程时,用积分法求解需要确定许多积分常数,利用奇异函数简化了分析计算
)( )( axaxax
)( 0 axax
)0( )( naxxF nn
Caxn
xax nn 1
11
d
定义
奇异函数(或麦考利函数)
)( 00 axax
19
弯矩通用方程
用奇异函数建立最后梁段 DE 的弯矩方程:2
320
1e 2
lxq
lxFlxMxFM Ay
适用于各梁段。
eMxFM Ay
1- 0 0- 0132 lxlxlx由于
例如对于 BC 段( l1, l
2 )
20
梁位移通用方程
232
01e 2
lxq
lxFlxMxFM Ay
2
320
1e2
2
21
d
dlx
qlxFlxMxF
EIx
wAy
Clxq
lxF
lxMxF
EIxw Ay
33
221e
2
6221
dd
DCxlxq
lxF
lxM
xF
EIw Ay
43
32
21
e3
246261
适用于任一梁段 , 仅包括两个积分常数 , 由边界条件确定
21
例 题
例 4-1 用奇异函数法计算 A , EI 为常数
解: 1. 建立梁位移通用方程
lM
FF ByAye
0
ee
2 lxMx
lM
M 0
ee
2
2
2
dd lxMx
lM
xwEI
ClxMxl
MxwEI
22
dd
e2e
DCxlxM
xl
MEIw
2e3e
226
22
2. 确定积分常数0 ,0 0 wlxwx 处,在处,在
0 ,24
e DlM
C得:
EIlM
A 24e ()
ClxMxl
MxwEI
22dd
e2e
DCxlxM
xl
MEIw
2e3e
226
3. 计算转角
24221
dd e
e2e lMl
xMxl
MEIx
w
23
例 4-2 用奇异函数法计算 wA , EI 为常数
解:
FFBy 2
FFCy
022 axFaaxFFxwEI
CaxFaaxFxF
wEI 22
22
DCxaxFa
axF
xF
EIw 233 2236
0 , 3 ;0 , waxwax 处在处在
1211 ,
1213 32 FaDFaC
EIFa
wwA 1211
03
()
24
例 4-3 建立通用挠曲轴微分方程,写出位移边界条件
解:2
2
222lx
qx
qM
22
2
2
222dd lx
qx
qxwEI
0dd ,0 :
xwwlx 处在
25
§5 计算梁位移的叠加法
叠加法 逐段分析求和法 例题
26
叠加法
方法
qAFAA www ,,
分解载荷 分别计算位移求位移之和
)( 83
43
EIql
EIFl
)( 3
3
, EI
Flw FA
)( 8
4
, EI
qlw qA
?Aw
当梁上作用几个载荷时,任一横截面的总位移,等于各载荷单独作用时在该截面引起的位移的代数和或矢量和
27
理论依据
)()()( xMxMxM qF )(dd
2
2xM
xwEI
)()( xwxww qF 故:
)(dd
2
2
xMxw
EI F )( xww F
)(dd
2
2
xMxw
EI q )( xww q
上述微分方程的解,为下列微分方程解的组合(小变形 , 比例极限内 (小变形
叠加法适用条件:小变形,比例极限内
28
逐段分析求和法
分解梁 分别计算各梁段的变形在需求位移处引起的位移
aw B1
EIlFaa
EIFalw
33
2
1
EIFa
w3
3
2
21 www )( )(3
2 al
EIFa
求总位移 在分析某梁段的变形在需求位移处引起的位移时,其余梁段视为刚体
EIlFa
B 3
29
例 题
例 5-1 q(x)=q0cos(x/2l) ,利用叠加法求 wB=?
解: )3(6)d(
d2
xlEI
xxxqwB x
lx
EIxlxq
d2π
cos6
)(320
xlxxlx
EIq
wl
B d 2
)cos(36 0
20 EI
lq4
340
3
24)(2
()
()
30
例 5-2
解:21 wwwC
aww BB 1
FaBFBB www ,,
2
3
2
2
2
3
65
23 EIFa
EIaFa
EIFa
?Cw
FaBFBB ,,
2
2
22
2
23
2 EIFa
EIaFa
EIFa
2
3
1 37
EIFa
w
1
3
2 3EIFa
w 1
3
1
3
2
3
23
337
EIFa
EIFa
EIFa
wC
()
() ()
31
例 5-3 图示组合梁, EI= 常数,求 wB 与 A
2
qa
FF ByAy
FBFBB wwwBy ,,
2
36
232
2
3 aaEI
aF
EIaqa
4813 4
EIqa
qAB
A aw
, 165
244813 333
EIqa
EIqa
EIqa ()
()解:
32
例 5-4 图示刚架,求截面 C 的铅垂位移
21 wwCy
aww BB 1 )( 3
3
2 EI
Faw
)( 33
3
t
23
EI
FaGI
lFaEI
FlCy
解:
)( t
aGIFal
EIFl3
3
33
例 5-5 求自由端位移
故
挠曲轴与外力作用面不重合
zy II 一般情况下
y
z
tan tan
y
z
II
解: sinFFz cosFFy
zz
yy EI
FlEI
lF3
cos3
33
yy
zz EI
FlEI
lF3
sin3
33
22zy
223 sincos3
yz Iθ
IEFl
34
§6 简单静不定梁
静不定度与多余约束 简单静不定梁分析方法 例题
35
静不定度与多余约束
多余约束 凡是多于维持平衡所必须的约束
多余反力 与多余约束相应的支反力或支反力偶矩
静不定度 =未知支反力(力偶)数-有效平衡方程数
静不定度=多余约束数
4-3 = 1 度 静不
定
5-3 = 2 度 静不
定
静不定梁 支反力(含力偶)数超过平衡方程数的梁
36
简单静不定梁分析方法
选 FBy 为多余力
EI
lF
EIFl
w ByB 348
5 33
0Bw -变形协调条件
-物理方程
0348
5 33
EI
lF
EIFl By -补充方程
165F
FBy
163 0, /FlMM AA 得
-平衡方程
1 度静不定
1611 0, /FFF yAy 得
算例
综合考虑三方面
求梁的支反力 , EI= 常数
37
判断梁的静不定度 用多余力 代替多余约束的作用,得受力与原静不定梁相同的静定梁-相当系统 计算相当系统在多余约束处的位移,并根据变形协调条件建立补充方程 由补充方程确定多余力,由平衡方程求其余支反力 通过相当系统计算内力、位移与应力等
依据-综合考虑三方面关键-确定多余支反力
分析方法与步骤
相当系统
相当系统
注意 : 相当系统有多种选择
38
例 题
例 6-1 求支反力
BA M,AM,AF,AA
BA M,BM,BF,BB
EIlM
EIlM
EIlblFab BA
636)(
EIlM
EIlM
EIlalFab BA
366)(
0
0
解: 1. 问题分析
2. 解静不定0 0 BA ,
2
2
2
2
l
bFaM,
lFab
M BA 3
2
3
2 )2(
)2(l
blFaF,
lalFb
F ByAy
水平反力忽略不计 ,2 多余未知力
39
例 6-2 悬臂梁 AB ,用短梁 DG 加固,试分析加固效果
EIlFF
wC 48)2(5 3
R
解: 1. 静不定分析
GC ww
EIlF
EIlF
wG 243/2)( 3
R3
R
45
R
FF
EIlF
EIlFF
2448)2(5 3
R3
R
40
EIFl
EIlF
EIFl
wB 6413
485
3
33R
3
45
R
FF
2. 加固效果分析(刚度)
2max
FaM 减少 50%
减少 39.9%
EIFl
wB 3
3
, =未加固
FaM =未加固,max
3. 加固效果分析(强度)
41
32/ 3
N
EIlFF
wB
EAlF
EAlF
l NN 22Δ
EAlF
EI
lF
FN
3N
23
2
2
2
N 262
AlIFAl
F
例 6-3 图示杆梁结构,试求杆 BC 的轴力
lwB 2
解:梁截面形心的轴向位移一般忽略不计
42
例 5-4 直径为 d 的圆截面梁 , 支座 B 下沉 , max=?
解: ,B 0
EI
lF
EIlM ByB
B 2
2
EI
lF
EIlM
w ByBB 32
32
23
6
12lEI
M,lEI
F BBy
zWMmax
max
Id
lEI /26
2max
Bw
2
3l
dE
0
43
§7 梁的刚度条件与合理设计
梁的刚度条件 梁的合理刚度设计 例题
44
梁的刚度条件
max
w
max
最大位移控制
指定截面的位移控制
-许用挠度
-许用转角
500
~750
ll桥式起重机梁:
10000
5~10000
3 ll一般用途的轴:
例如滑动轴承处 :
w
rad 001.0
45
梁的合理刚度设计
横截面形状的合理选择
材料的合理选择
使用较小的截面面积 A ,获得较大惯性矩 I 的截面形状,例如工字形与盒形等薄壁截面
影响梁刚度的力学性能是 E ,为提高刚度,宜选用E 较高的材料
GPa 220)~(200 E钢与合金钢:
注意:各种钢材(或各种铝合金)的 E 基本相同
GPa 72)~(70 E金:合铝
46
梁跨度的合理选取
跨度微小改变,将导致挠度显著改变
3max l
EIFl3
3
max EI
Fl48
3
max FlM max 4max
FlM
lM max
例如 l 缩短 20 %, max 将减少 48.8%
47
合理安排约束与加载方式
% 75.8max,1
max,2
max1, max2,
max1,max2,
% 5.26max,1
max,2
q=F/l
增加约束,制作成静不定梁
48
例 题
例 7-1 已知 F = 35 kN, l = 4 m, [] = 160 MPa ,[] = l /500, E = 200 GPa ,试选择工字钢型号。
解:4max
FlM
][max
M
Wz
34 m 10192 .Wz
zEIFl
48
3
max
zEIFl
l 48
2max
EFl
I z 48500 2
45-34- m 103.40 m 103.09 zz IW ,
][4 Fl
500l
45 m 10922 .
选№22a
49
本章结束 !