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文档简介

CHAPTER11

ENERGYMETHODS

材料力学第十一章能量方法CHAPTER11ENERGYMETHOD

§11–1GENERALEXPRESSIONSOFTHESTRAINENERGY§11–2MOHR’STHEOREM(METHODOFUNITFORCE)§11–3CATIGLIANO’STHEOREM第十一章能量方法

§11–1

变形能的普遍表达式§11–2莫尔定理(单位力法)§11–3卡氏定理§11–1

GENERALEXPRESSIONSOFTHESTRAINENERGY1、Principleofenergy:2、Calculationofthestrainenergy

ofrods:1).Calculationofthestrainenergyofrodsintensionorcompression:

Strainenergystoredintheelasticbodyisequaltotheworkdonebyexternalforces,thatis:

Methodtoanalyzeandcalculatedisplacements、deformationsandinternalforcesofdeformablebodiesbythiskindofrelationiscalledenergymethod.ENERGYMETHODorDensityofthestrainenergy:§11–1

变形能的普遍表达式一、能量原理:二、杆件变形能的计算:1.轴向拉压杆的变形能计算:能量方法

弹性体内部所贮存的变形能,在数值上等于外力所作的功,即

利用这种功能关系分析计算可变形固体的位移、变形和内力的方法称为能量方法。2.Calculationofthestrainenergyofrodsintorsion:3.Calculationofstrainenergyofrodsinbending:ENERGYMETHODorDensityofthestrainenergy:orDensityofthestrainenergy:2.扭转杆的变形能计算:3.弯曲杆的变形能计算:能量方法3、Generalexpressionsofthestrainenergy:

Strainenergyisindependentoftheorderofloading.Deformationsduetomutuallyindependentloadmaybesummedupeachother.Forslendercolumns,thestrainenergyduetoshearingforcesmaybeneglected.ENERGYMETHODDeflectionfactorofshear三、变形能的普遍表达式:

变形能与加载次序无关;相互独立的力(矢)引起的变形能可以相互叠加。细长杆,剪力引起的变形能可忽略不计。能量方法Solution:Inenergymethod(workdonebyexternalforcesisequaltothestrainenergy)①DetermineinternalforcesAENERGYMETHODBendingmoment:Torque:Example1

Asemicirclerodasshowninthefigureislieinhorizontalplane.AverticalforcePactatitspointA.

DeterminethedisplacementofpointAinverticaldirection.PROQMNMTAAPNBjTOMN[例1]图示半圆形等截面曲杆位于水平面内,在A点受铅垂力P的作用,求A点的垂直位移。解:用能量法(外力功等于应变能)①求内力能量方法APROQMTAAPNBjTO③Workdonebyexternalforcesisequaltothestrainenergy②Strainenergy:ENERGYMETHODLetthen③外力功等于应变能②变形能:能量方法Example2DeterminethedeflectionofpointCbytheenergymethod,wherethebeamisofequalsectionandstraight.

Solution:WorkdonebyexternalforcesisequaltothestrainenergyByusingsymmetryweget:Thinking:Forthedistributedload,canwedeterminethedisplacementofpointCbythismethod?qCaaAPBfENERGYMETHODLet[例2]用能量法求C点的挠度。梁为等截面直梁。解:外力功等于应变能应用对称性,得:思考:分布荷载时,可否用此法求C点位移?能量方法qCaaAPBf

§11–2

MOHR’STHEOREM(METHODOFUNITFORCE)

DeterminethedisplacementfAofanarbitrarypointA.1、Provementofthetheorem:aAFigfAq(x)Figc

A0P=1q(x)fAFigb

A=1P0ENERGYMETHOD§11–2

莫尔定理(单位力法)求任意点A的位移fA。一、定理的证明:能量方法aA图fAq(x)图c

A0P=1q(x)fA图b

A=1P0

Mohr’stheorem(methodofunitforce)2、GeneralformofMohr’stheoremENERGYMETHOD

莫尔定理(单位力法)二、普遍形式的莫尔定理能量方法3、WhatwemustpayattentiontoasweapplyMohr’stheorem:④CoordinateofM0(x)mustbecoincidewiththatofM(x).Foreachsegmentthecoordinatemaybesetupfreely.⑤Mohr’sintegrationmustbethroughthewholestructure.②M0:Theinternalforceofthestructureasweactageneralizedunitforcealongthedirection,ofthegeneralizeddisplacementthatistobedetermined,wheretheappliedforceistakenout.①M(x):Theinternalforceofthestructureactedbyoriginalloads.③Theproductoftheappliedgeneralizedunitforceandthegeneralizeddisplacementtobedetermineddeterminedmustbeofthedimensionofwork.

ENERGYMETHOD三、使用莫尔定理的注意事项:④M0(x)与M(x)的坐标系必须一致,每段杆的坐标系可自由建立。⑤莫尔积分必须遍及整个结构。②M0——去掉主动力,在所求广义位移

点,沿所求

广义位移

的方向加广义单位力

时,结构产生的内力。①M(x):结构在原载荷下的内力。③所加广义单位力与所求广义位移之积,必须为功的量纲。能量方法Example3

DeterminethedisplacementandtheangleofrotationofpointCbytheenergymethod.Solution:①Plotthediagramofthestructureactedbytheunitload

②DeterminetheinternalforceBAaaCqBAaaC0P=1xENERGYMETHOD[例3]用能量法求C点的挠度和转角。梁为等截面直梁。解:①画单位载荷图②求内力能量方法BAaaCqBAaaC0P=1xSymmetry③DeformationBAaaC0P=1BAaaCqxENERGYMETHOD()③变形能量方法BAaaC0P=1BAaaCqx()④Determinetheangleofrotation.Setupthecoordinateagain(asshowninthefigure)

qBAaaCx2x1BAaaCMC0=1

d)()(

)()()(00)(00òò+=aBCaABxEIxMxMdxEIxMxMENERGYMETHOD=0④求转角,重建坐标系(如图)

能量方法qBAaaCx2x1BAaaCMC0=1

d)()(

)()()(00)(00òò+=aBCaABxEIxMxMdxEIxMxM=0Solution:①Plotthediagramofthestructureactedbyaunitload

②Determinetheinternalforce510

20A300P=60NBx500Cx1510

20A300Bx500C=1P0ENERGYMETHODExample4Afoldingrodisshowninthefigure.AbearingisatpositionAandtherodmayrotatefreelyinthebearingbutcannotmoveupanddown.Knowing:E=210Gpa,G=0.4E,DeterminetheverticaldisplacementofpointB.[例4]拐杆如图,A处为一轴承,允许杆在轴承内自由转动,但不能上下移动,已知:E=210Gpa,G=0.4E,求B点的垂直位移。解:①画单位载荷图②求内力能量方法510

20A300P=60NBx500Cx1510

20A300Bx500C=1P0③DeterminethedeformationENERGYMETHOD()③变形能量方法()§11–3CATIGLIANO’STHEOREMGive

Pn

anincrementdPn

,then:1)FirstapplyforcesP1、

P2、•••、Pn

onthebody,then:2).FirstapplytheforcedPn

onthebody,then:1、Provementofthetheorem

dnENERGYMETHOD§11–3

卡氏定理给Pn

以增量dPn

,则:1.先给物体加P1、

P2、•••、

Pn

个力,则:2.先给物体加力dPn

,则:一、定理证明

能量方法dnAgainapplyforces

P1、

P2、•••、Pn,then:

dnn=nPU¶¶dSecondCastigliano’stheoremItalianengineer—AlbertoCastigliano,1847~1884ENERGYMETHOD再给物体加P1、

P2、•••、Pn个力,则:

能量方法dnn=nPU¶¶d第二卡氏定理

意大利工程师—阿尔伯托·卡斯提安诺(AlbertoCastigliano,1847~1884)2、whatwemustpayattentiontoasweapplyCatigliano’stheorem:①U—Linearelasticstrainenergyofthewholestructureactedbyexternalloads②

Pnisconsideredasavariable.ThereactionsandthestrainenergyofthestructureandsoonmustbeallexpressedasthefunctionofPn.③

nisthedeformationofthepointactedbyPn

anditisalongthedirectionofPn.④Ifthereisno

Pn

correspondingto

nwemay firstactaPn

along

nanddeterminethepartialderivativeandthenletPn

bezero.dnENERGYMETHOD二、使用卡氏定理的注意事项:①U——整体结构在外载作用下的线弹性变形能②

Pn视为变量,结构反力和变形能等都必须表示为Pn的函数③

n为Pn

作用点的沿Pn

方向的变形。④当无与

n对应的Pn

时,先加一沿

n

方向的Pn

,求偏导后,再令其为零。能量方法dn3、Castigliano’stheoremforspecialstructures(rods):ENERGYMETHOD三、特殊结构(杆)的卡氏定理:能量方法Example5Thestructureisshowninthefigure.DeterminethedeflectionandtheangleofrotationofthesectionA

byCatigliano’stheorem.③Determinethedeformation①DeterminetheinternalforceSolution:Determinethedeflection.Setupthecoordinate②Determinethepartialderivativeoftheinternalforcewithrespectto

PAALPEIxO

ENERGYMETHOD()[例5]结构如图,用卡氏定理求A

面的挠度和转角。③变形①求内力解:求挠度,建坐标系②将内力对PA求偏导能量方法ALPEIxO

()Determinetheangle

Aofrotation①DeterminetheinternalforceThereisnothegeneralizedforcecorrespondingto

A.wemayactone.“Negativesign”expressesthat

AiscontrarytothedirectionoftheactedgeneralizedforceMA()②DeterminethepartialderivativeoftheinternalforceM(x)withrespecttoMAandletMA=0.③Determinethedeformation(Note:MA=0)LxO

APMAENERGYMETHOD求转角

A①求内力没有与

A向相对应的力(广义力),加之。“负号”说明

A与所加广义力MA反向。()②将内力对MA求偏导后,令M

A=0③求变形(注意:MA=0)能量方法LxO

APMAExample

6

DeterminethedeflectioncurveofthebeamshowninthefigurebyCastigliano’stheorem.Solution:Determinethedeflectioncurve—thedeflectionofanarbitrarypointonthebeamf(x).①Determinetheinternalforces②DeterminethepartialderivativeoftheinternalforceM(x)withrespecttoPxandletPx=0.

Thereisnothegeneralizedforcecorrespondingtof(x).wemayactone.

PALxBPx

CfxOx1ENERGYMETHOD[例6

]结构如图,用卡氏定理求梁的挠曲线。解:求挠曲线——任意点的挠度f(x)①求内力②将内力对Px求偏导后,令Px=0没有与f(x)相对应的力,加之。能量方法PALxBPx

CfxOx1③Determinethedeformation(Note:Px=0)ENERGYMETHOD③变形(注意:Px=0)能量方法Example7

Abeamwithequalsectionisshowninthefigure.Determinethedeflectionf(x)ofpointBbyCatigliano’stheorem.②determineinternalforcesSolution:1.Determineredundantreactionsaccordingto③DeterminethepartialderivativeoftheinternalforcewithrespecttoRC.

①TakeaprimarybeamasshowninthePCAL0.5LBfxOPCAL0.5LBRCENERGYMETHODfigure.[例7]等截面梁如图,用卡氏定理求B

点的挠度。②求内力解:1.依求多余反力,③将内力对RC求偏导①取静定基如图能量方法PCAL0.5LBfxOPCAL0.5LBRC④DeformationENERGYMETHODSo④变形能量方法2.Determine②Determinethepartialderivativeoftheinternalforcewithrespect①DeterminetheinternalforcesENERGYMETHODtoP.2.求②将内力对P求偏导①求内力能量方法③DeformationENERGYMETHOD()③变形能量方法()③DeterminethedeformationSolution:①Plotthediagramofthestructureactedbyunitload②DeterminetheinternalforceExample

8

Aframeisshowninthefigure.DeterminethedistancebetweensectionAandsectionB

afterthedeformation.PPAB11ENERGYMETHOD③变形解:①画单位载荷图②求内力[例8

]结构如图,求A、B两面的拉开距离。PPAB能量方法1159

Chapter11Exercises1.Astraightrodwiththetension(compression)rigidityEIissubjectedforcesshowninthefigure.Maythestrainenergybeexpressedas

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