第六章 弯曲变形.ppt

,(,Deflection of Beams,),弯曲变形,弯 曲 变 形,第 六 章,61,基本概念及工程实例,一,.,工程实例,但在另外一些情况下,有时却要求构件具有较大的弹性变形,以满足特定的工作需要,.,例如,车辆上的板弹簧,要求有足够大的变形,以缓解车辆受到的冲击和振动作用,.,1,、挠度,横截面形心,C,(,即轴线上的点,),在垂直于,x,轴方向的线位移,称为该截面的挠度,.,用,w,表示,.,二、基本概念,弯曲变形,w,挠度,C,C,A,B,w,x,2,、转角,横截面对其原来位置的角位移,称为该截面的转角,.,用,表示,弯曲变形,转角,A,C,C,w,B,x,w,挠度（,3,、挠曲线,：,梁变形后的轴线称为挠曲线,.,式中,x,为梁变形前轴线上任一点的横坐标,w,为该点的挠度,.,挠曲线,挠曲线方程为,w,A,B,x,转角,w,挠度（,C,C,4,、挠度与转角的关系,w,A,B,x,转角,w,挠度,C,C,挠曲线,5,、挠度和转角符号的规定,挠度 向上为正,向下为负,.,转角,自,x,转至切线方向,逆时针转为正,顺时针转为负,.,w,A,B,x,转角,w,挠度,C,C,挠曲线,62,挠曲线的微分方程,一、推导公式,1,、纯弯曲时,曲率,与弯矩的关系,横力弯曲时,M,和,都是,x,的函数,.,略去剪力对梁的位移的影响,则,2,、由数学得到平面曲线的曲率,在规定的坐标系中,x,轴水平向右,为正,w,轴竖直向上为正,.,曲线向上凸时,O,x,w,x,O,w,因此,与,的正负号相同,曲线向下凸时,:,此式称为,梁的挠曲线近似微分方程,与,1,相比十分微小而可以忽略不计,故上式可近似为,(6.5),近似原因,:(1),略去了剪力的影响,;,(2),略去了,项,;,(3),63,用积分法求弯曲变形,一、微分方程的积分,若为等截面直梁,其抗弯刚度,EI,为一常量上式可改写成,2,、再积分一次,得,挠度方程,二、积分常数的确定,1,、边界条件,2,、连续条件,1,、积分一次得,转角方程,积分常数,C,1,、,C,2,由梁的位移边界条件和光滑连续条件确定。,位移边界条件,光滑连续条件,弹簧变形,适用于小变形情况下、线弹性材料、细长构件的平面弯曲。,可应用于求解承受各种载荷的等截面或变截面梁的位移。,积分常数由挠曲线变形的几何相容条件（边界条件、连续条件）确定。,优点：使用范围广，直接求出较精确；,缺点：计算较繁。,讨论：,例题,1,图示一抗弯刚度为,EI,的悬臂梁,在自由端受一集中力,F,作用,.,试求梁的挠曲线方程和转角方程,并确定其最大挠度 和最大转角,A,B,x,F,弯曲变形,w,(1,),弯矩方程,为,解：,(2),挠曲线的近似微分方程,为,x,w,A,B,x,F,弯曲变形,对挠曲线近似微分方程进行,积分,梁的转角方程和挠曲线方程分别为,边界条件,将边界条件代入,(3)(4),两式中,可得,B,x,y,A,F,（）,都发生在自由端截面处,和,（）,例题,2,图示一抗弯刚度为,EI,的简支梁,在全梁上受集度为,q,的均布荷载作用,.,试求此梁的挠曲线方程和转角方程,并确定其,和,A,B,q,l,解,:,由对称性可知，梁的,两个支反力为,A,B,q,l,R,A,R,B,x,此梁的弯矩方程及挠曲线微分方程分别为,梁的转角方程和挠曲线方程分别为,弯曲变形,x,A,B,q,l,R,A,R,B,A,B,在,x,=0,和,x,=,l,处转角的绝对值相等且都是最大值，,最大转角和最大挠度分别为,w,max,在,梁跨中点处,有,最大挠度值,边界条件,时,例题,3,图示一抗弯刚度为,EI,的简支梁,在,D,点处受一集中力,F,的作用,.,试求此梁的挠曲线方程和转角方程,并求其最大挠度和最大转角,.,A,B,F,D,a,b,弯曲变形,l,解,:,梁的两个支反力为,R,A,R,B,A,B,F,D,a,b,l,1,2,x,x,两段梁的弯矩方程分别为,两段梁的挠曲线方程分别为,1,(0,x,a,),挠曲线方程,转角方程,挠度方程,挠曲线方程,转角方程,挠度方程,(,a,x,l,),2,D,点的连续条件,边界条件,在,x,=,a,处,在,x,=0,处，,在,x,=,l,处，,代入方程可解得,:,A,B,F,D,a,b,1,2,R,A,R,B,1,2,将,x,=0,和,x,=,l,分别代入转角方程左右两支座处截面的转角,当,a,b,时,右支座处截面的转角绝对值为最大,弯曲变形,简支梁的最大挠度应在,处,先研究第一段梁,令,得,当,a,b,时,x,1,a,最大挠度确实在第一段梁中,梁中点,C,处的挠度为,结论,:,在简支梁中,不论它受什么荷载作用,只要挠曲线上无 拐点,其最大挠度值都可用梁跨中点处的挠度值来代替,其精确度是能满足工程要求的,.,对各段梁,都是由坐标原点到所研究截面之间的梁段上的外力来写弯矩方程的,.,所以后一段梁的弯矩方程包含前一段梁的弯矩方程,.,只增加了,(,x-a,),的项,.,对,(,x-a,),的项作积分时，应该将,(,x-a,),项作为积分变量,.,从而简化了确定积分常数的工作,.,积分法的原则,64,用叠加法求弯曲变形,梁的变形微小,且梁在,线弹性范围内,工作时,梁在几项荷载,(,可以是集中力,集中力偶或分布力,),同时作用下的挠度和转角，,就分别等于每一荷载单独作用下该截面的挠度和转角的叠加,.,当每一项荷载所引起的挠度为同一方向,(,如均沿,w,轴方向,),其转角是在同一平面内,(,如均在,xy,平面内,),时,则叠加就是代数和,.,这就是叠加原理,.,一、叠加原理,1,、载荷叠加,:,多个载荷同时作用于结构而引起的变形等于每个载荷单独作用于结构而引起的变形的代数和,.,2,、结构形式叠加,（逐段刚化法）,1,、,按叠加原理求,A,点转角和,C,点挠度,.,解,:(1),载荷分解如图,(2),由梁的简单载荷变形表，,查简单载荷引起的变形,.,B,q,F,A,C,a,a,F,=,A,B,+,A,B,q,(3),叠加,q,F,F,=,+,A,A,A,B,B,B,C,a,a,q,例题,4,一抗弯刚度为,EI,的简支梁受荷载如图 所示,.,试按叠加原理求梁跨中点的挠度,w,C,和支座处横截面的转角,A,B,。,A,B,C,q,m,l,解：,将梁上荷载分为两项简单的荷载,如图所示,A,B,C,q,m,(a),l,B,A,m,(c),l,A,q,(b),B,l,C,C,(),(),(),例题,5,试利用叠加法,求图所示抗弯刚度为,EI,的简支梁跨中点的挠度,w,C,和两端截面的转角,A,B,.,A,B,C,q,l,l,/2,A,B,C,q,/2,C,A,B,q,/2,q,/2,解,:,可视为正对称荷载与反对称荷载两种情况的叠加,.,（,1,）正对称荷载作用下,A,B,C,q,/2,C,A,B,q,/2,q,/2,（,2,）反对称荷载作用下,在跨中,C,截面处,挠度,w,C,等于零,但 转角不等于零且该截面的弯矩也等于零,可将,AC,段和,BC,段分别视为受均布线荷载作用且长度为,l,/2,的简支梁,C,A,B,q,/2,q,/2,可得到：,B,q,/2,A,C,q,/2,将相应的位移进行叠加,即得,(),(),(),例题,6,一抗弯刚度为,EI,的外伸梁受荷载如图所示,试按叠加原理并利用附表,求截面,B,的转角,B,以及,A,端和,BC,中点,D,的挠度,w,A,和,w,D,.,A,B,C,D,a,a,2,a,2q,q,解：,将外伸梁沿,B,截面截成两段,将,AB,段看成,B,端,固定的悬臂梁,BC,段看成简支梁,.,A,B,C,D,a,a,2,a,2q,q,B,C,D,q,2,qa,2q,A,B,2qa,B,截面两侧的相互作用为：,就是有外伸梁,AC,的,B,w,D,简支梁,BC,的受力情况与有外伸梁,AC,的,BC,段的受力情况相同,由简支梁,BC,求得的,B,w,D,2,qa,B,C,D,q,q,B,C,D,B,C,D,简支梁,BC,的变形就是,M,B,和均布荷载,q,分别引起变形的叠加,.,由叠加原理得,:,D,B,C,2qa,B,C,D,q,D,B,C,(1),求,B,，,w,D,(2),求,w,A,由于简支梁上,B,截面的转动,带动,AB,段一起作刚体运动,使,A,端产生挠度,w,1,悬臂梁,AB,本身的弯曲变形,使,A,端产生挠度,w,2,A,A,2q,B,2qa,2qa,B,C,D,q,因此，,A,端的总挠度应为,由附录,1V,查得,二 刚度条件,1,、数学表达式,2,、刚度条件的应用,(1),校核刚度,(2),设计截面尺寸,(3),求许可载荷,是构件的许可挠度和转角,.,和,例,7,下图为一空心圆杆,内外径分别为,:,d,=40mm,、,D,=80mm,杆的,E,=210GPa,工程规定,C,点的,w,=0.00001,B,点的,=,0.001,弧度,试,核此杆的刚度,.,L=,400mm,F,2,=2kN,A,C,a=,0.1m,200mm,D,F,1,=1kN,B,F,2,B,C,D,A,=,+,F,2,B,C,a,F,2,B,C,D,A,M,=,+,F,1,=1kN,A,D,C,F,2,=2kN,C,A,B,B,解,:(1),结构变换,查表求简单载荷变形,.,L=,400mm,F,2,=2kN,A,C,a=,0.1m,200mm,D,F,1,=1kN,B,F,2,B,C,=,+,+,图,1,图,2,图,3,F,1,=1kN,D,C,F,2,B,C,D,A,M,(2),叠加求复杂载荷下的变形,F,2,=2kN,=,+,+,图,1,图,2,L=,400mm,A,C,a=,0.1m,200mm,D,F,1,=1kN,B,F,1,=1kN,D,B,C,图,3,F,2,B,D,A,M,A,C,C,F,2,(3),校核刚度,:,(rad),基本概念,1.,超静定梁,65,静不定梁的解法,单凭静力平衡方程不能求出全,部支反力的梁,称为超静定梁,F,A,B,A,B,C,F,R,A,R,B,R,C,2.“,多余”约束,多于维持其静力平衡所必需的,约束,3.“,多余”反力,“,多余”约束相应的支座反力,R,B,A,B,C,F,F,A,B,R,A,R,C,4.,超静定次数,超静定梁的“多余”约束的数目就等于其超静定次数,.,n,=,未知力的个数,-,独立平衡方程的数目,二、求解超静定梁的步骤,1,、,画静定基，建立相当系统,：,将可动,铰,链支座作看,多余约束,解除多余约束代之以约束反力,R,B,.,得到原超静定梁的基本静定系,.,2,、列,几何方程,变形协调方程,超静定梁在多余约束处的约束条件，梁的,变形协调条件,A,B,q,q,A,B,R,B,根据变形协调条件得变形几何方程：,变形几何方程,为,3,、列,物理方程,变形与力的关系,查表得,q,A,B,将力与变形的关系代入,变形几何方程得补充方程,4,、建立补充方程,B,A,R,B,q,A,B,R,B,补充方程为,由该式解得,5,、求解其它问题（反力、应力、变形等）,q,A,B,q,A,B,B,A,R,B,R,B,R,A,m,A,求出该梁固定端的两个支反力,代以与其相应的多余反力偶,m,A,得基本静定系,.,变形协调条件为,请同学们自行完成！,方法二,:,取支座,A,处阻止梁转动的约束,为多余约束,.,A,B,q,l,A,B,q,l,m,A,例题,8,梁,AC,如图所示,梁的,A,端用一钢杆,AD,与梁,AC,铰接,在梁受荷载作用前,杆,AD,内没有内力,已知梁和杆用同样的钢材制成,材料的弹性模量为,E,钢梁横截面的惯性矩为,I,拉杆横截面的面积为,A,其余尺寸见图,试求钢杆,AD,内的拉力,N.,a,2a,A,B,C,q,2q,D,l,C,A,D,B,q,2q,A,N,N,A,D,B,C,q,2,q,N,N,A,点的变形协调条件是拉杆和梁在变形后仍连结于,A,点,.,即,解：这是,一次超静定,问题,.,将,AD,杆与梁,AC,之间的连结铰看作多余约束,.,拉力,N,为多余反力,.,基本静定系如图,变形几何方程为,根据叠加法,A,端的挠度为,B,C,q,2q,N,B,C,q,2q,B,C,N,在例题 中已求得,可算出,:,拉杆,AD,的伸长为,:,补充方程为,:,由此解得,:,A,D,B,C,q,2,q,N,N,例题,9,求图示梁的支反力,并绘梁的剪力图和弯矩图,.,已知,EI,=5,10,3,kN.m,3,.,4m,3m,2m,A,B,D,C,30kN,20kN/m,解：这是一次超静定问题,取支座,B,截面上的相对,转动约束为多余约束,.,基本静定系为在,B,支座,截面上安置铰的静定梁，,如图 所示,.,4m,3m,2m,A,B,D,C,30kN,20kN/m,4m,3m,2m,A,B,D,C,30kN,20kN/m,多余反力为分别作用于,简支梁,AB,和,BC,的,B,端,处的一对弯矩,M,B,.,变形协调条件为，简支梁,AB,的,B,截面转角和,BC,梁,B,截面的转角相等,.,M,B,由表中查得,:,4m,3m,2m,A,B,D,C,30kN,20kN/m,D,A,B,30kN,20kN/m,M,B,C,补充方程为,:,解得,:,负号表示,B,截面弯矩,与假设相反,.,4m,3m,2m,A,B,D,C,30kN,D,A,B,30kN,20kN/m,20kN/m,M,B,C,由基本静定系的平衡方程,可求得其余反力,在基本静定系上绘出剪力图,和弯矩图,.,4m,3m,2m,A,B,D,C,30kN,20kN/m,+,-,32.05,47.95,18.40,11.64,+,+,-,25.68,31.80,23.28,1.603m,-,+,63,提高弯曲刚度的措施,影响梁弯曲变形的因素不仅与梁的支承和载荷情况有关,而且还与梁的材料、截面尺寸、形状和梁的跨度有关,.,所以,要想提高弯曲刚度,就应从上述各种因素入手,.,一、增大梁的抗弯刚度,EI,二、减小跨度或增加支承,三、改变加载方式和支座位置,(1),增大梁的抗弯刚度,EI,工程中常采用工字形,箱形截面,为了减小梁的位移,可采取下列措施,(2),调整跨长和改变结构,设法缩短梁的跨长,将能显著地减小其挠度和转角,.,这是提高梁的刚度的一个很又效的措施,.,桥式起重机的钢梁通常采用两端外伸的结构就是为了缩短跨长而,减小梁的最大挠度值,.,A,B,q,l,同时,由于梁的外伸部分的自重作,用,将使梁的,AB,跨产生向上的挠,度,从而使,AB,跨向下的挠度能够,被抵消一部分,而有所减小,.,q,q,A,B,l,增加梁的支座也可以减小梁的挠度,.,第六章结束,