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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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