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文档简介
第12章能量法第12章能量法§12.1能量法概述§12.2杆件应变能的计算§12.4莫尔定理与单位载荷法§12.3卡氏定理§12.1能量法概述返回总目录一、能量法
利用功能原理W=Vε
来求解可变形固体的位移、变形和内力等的方法。二、外力功(W)固体在外力作用下变形,引起力的作用点沿力作用方向位移,外力因此作功
。三、变形能或应变能(Vε)弹性固体因变形而储备了能量,称为变形能或应变能。返回四、外力功与应变能的关系根据能量守恒原理,有:对于在静载作用下的完全弹性体,外力从零缓慢增加到最终值,可不考虑其他能量的损失,外力在相应位移上作的功,在数值上等于积蓄在物体内的应变能。返回§12.2杆件应变能的计算
返回总目录一、外力功在线弹性范围内,F与Δ成正比1.
F为集中力
—
Δ是线位移
说明:F与Δ均为广义量2.
F为集中力偶
—Δ是角位移
返回1.轴向拉压杆
二、杆件应变能的计算
微段轴向变形
轴力在d△l上作的功
整根杆的应变能
当FN/EA为常量时
返回2.扭转圆轴扭转圆轴的应变能
当T/GIp为常量时
3.弯曲梁梁的应变能
4.组合变形杆返回例12-1悬臂梁如图所示已知:梁的抗弯刚度为常量试:计算梁的应变能以及B截面的转角返回例12-1悬臂梁如图所示已知:梁的抗弯刚度为常量试:计算其应变能以及B截面的转角解:1.梁的应变能
弯矩方程
梁的应变能
返回例12-1悬臂梁如图所示已知:梁的抗弯刚度为常量试:计算其应变能以及B截面的转角解:1.梁的应变能
3.截面的转角2.外力作功为由
返回例12-2已知:梁的刚度为EI,杆的刚度为EA。试求:图示结构的应变能。返回例12-2已知:梁的刚度为EI,杆的刚度为EA。
试求:图示结构的应变能。解:1.CB杆的应变能
2.梁的应变能CB杆的轴力3.整个结构的应变能
弯矩方程返回例12-3图示结构已知:斜杆AB长2m,横截面面积为200mm2,水平杆AC的横截面面积为250mm2,材料的弹性摸量E=200GPa,载荷F=10kN。试求:节点A竖直方向的位移返回解:1.计算各杆件的轴力取节点A研究AF300返回2.利用能量法计算节点A的垂直位移AF300由
返回例12-4
图示三角支架已知:两杆的拉压刚度均为EA试求:结点B的竖直位移ΔBV。
返回例12-4两杆的拉压刚度均为EA试求:结点B的竖直位移ΔBV。
解:1.杆件轴力分析用截面法,取结点B研究,画受力图列平衡方程返回例12-4
两杆的拉压刚度均为EA试求:结点B的竖直位移ΔBV。
解:1.杆件轴力分析4.计算ΔBV
由
2.支架应变能
3.外力作功返回§12.3卡氏定理
返回总目录可以证明,应变能对任一载荷Fi的一阶偏导数,等于Fi的作用点沿Fi作用方向的位移Δi。◆适用于梁和刚架的卡氏定理的表达式说明:1.卡氏定理中的载荷Fi与位移Δi都是广义的;2.卡氏定理仅适用于线弹性结构。
◆适用于桁架结构的卡氏定理的表达式一、卡氏定理返回例12-5图示三角支架已知:两杆的拉压刚度均为EA试:试用卡氏定理求结点B的竖直位移ΔBV。
返回例12-5用卡式定理求位移ΔBV
。2.两杆轴力对F的一阶偏导数解:1.杆件轴力分析(见例12-3)3.根据卡氏定理计算ΔBV
返回例12-6试:
用卡氏定理求B截面的转角θB
返回例12-6试用卡式定理求θB。解:1.添加力偶矩Me
Me=03.根据卡氏定理计算θB2.弯矩方程及对其Me的一阶偏导数返回例12-7一平面刚架如图所示已知:各段杆的抗弯刚度均为EI,求:C截面的竖直位移ΔCV与水平位移ΔCH
返回例12-7求:ΔCV与ΔCH
解:
1.为区分两力,2.计算ΔCV分别将两力记为F1、F2
F1=F,
F2=F弯矩方程及其对F1的偏导数返回解:2.计算ΔCV弯矩方程及其对F1的偏导数令F1=F2=F返回解:2.计算ΔCH弯矩方程及其对F2的偏导数令F1=F2=F返回§12.4莫尔定理与单位载荷法返回总目录一、单位载荷法(又称莫尔积分)如图,欲求C截面的竖直位移Δ
,若设想在梁的C截面沿竖直方向施加一单位载荷可证明
式中,M(x)——实际载荷引起的弯矩;
——虚加的单位载荷引起的弯矩。
返回对于桁架结构对于扭转轴
式中,FN——实际载荷引起的轴力——单位载荷引起的轴力
式中,T(x)——实际载荷引起的扭矩
——单位载荷引起的扭矩返回组合变形杆件说明:
◆单位载荷是广义的,应与待求位移相对应。
◆以上公式,仅适用于线弹性结构
。
二、单位载荷法的步骤
1.添加与待求位移相对应的单位载荷;
2.分别计算单位载荷与实际载荷引起的内力;
3.将内力结果代入公式,计算位移。返回例12-8已知:梁的抗弯刚度为EI,试:用单位载荷法计算θB。返回例12-8试:用单位载荷法计算θB。1.在B面施加一单位力偶解:2.列弯矩方程实际载荷作用下单位载荷作用下3.B截面的转角
返回例12-9一正方形桁架结构如图所示已知:5根杆的拉压刚度EA相同,正方形边长为l,试求:A、C两结点之间的相对水平位移ΔA-CH
返回例12-9已知:各杆刚度为EA,正方形边长为l,
求:A、C两点间的相对水平位移ΔA-CH解:1.在A、C处加一对单位力实际载荷作用下单位载荷作用下2.计算各杆轴力返回例12-9已知:各杆刚度为EA,正方形边长为l,求:A、C两点间的相对水平位移ΔA-CH3.A、C两点间的相对水平位移
返回例12-10
图a所示结构,已知AC杆的抗弯刚度为EI,BD杆的拉压刚度为EA,试求C截面的竖直位移
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