工程力学-第5章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ZHEJIANG SCI-TECH UNIVERSITY,杆件的内力分析与内力图,第二篇 材料力学,工程力学,(,静力学与材料力学,),第,5,章,返回总目录,杆件在外力作用下，横截面上将产生轴力、剪力、扭矩、弯矩等内力分量。在很多情形下，内力分量沿杆件的长度方向的分布不是均匀的。研究强度问题，需要知道哪些横截面可能最先发生失效，这些横截面称为危险面。内力分量最大的横截面就是首先需要考虑的危险面。研究刚度问题虽然没有危险面的问题，但是也必须知道内力分量沿杆件长度方向是怎样变化的。,为了确定内力分量最大的横截面，必须知道内力分量沿着杆件的长度方向是怎样分布的。杆件的内力图就是表示内力分量变化的图形。,本章首先介绍内力分量的正负号规则；然后介绍轴力图、扭矩图和剪力图与弯矩图，重点是剪力图与弯矩图；最后讨论载荷、剪力、弯矩之间的微分关系及其在绘制剪力图和弯矩图中的应用。,第,5,章,杆件的内力图,基本概念与基本方法,轴力图与扭矩图,剪力图与弯矩图,结论与讨论,返回总目录,第,5,章,杆件的内力图,基本概念与基本方法,轴力图与扭矩图,剪力图与弯矩图,结论与讨论,返回总目录,第,5,章,杆件的内力图,确定外力作用下杆件横截面上的内力分量，重要的是正确应用平衡的概念和平衡的方法。这一点与静力分析中的概念和方法相似，但又不完全相同。主要区别在于，在静力分析中只涉及共同系统或单个刚体的平衡，而在确定时，不仅要涉及单个构件以及构件系统的平衡，而且还要涉及构件的局部的平衡。因此，需要将平衡的概念加以扩展和延伸。,基本概念与基本方法,整体平衡与局部平衡的概念,内力与外力的相依关系,基本概念与基本方法,控制面,杆件内力分量的正负号规则,指定截面上内力分量的确定,整体平衡与局部平衡的概念,内力与外力的相依关系,控制面,杆件内力分量的正负号规则,返回总目录,基本概念与基本方法,指定截面上内力分量的确定,弹性杆件在外力作用下若保持平衡，则从其上截,取的任意部分也必须保持平衡。前者称为,整体平衡,或,总体平衡,（,overall equilibrium,）；,后者称为,局部平衡,（,loca1equilibrium,）。,基本概念与基本方法,整体是指杆件所代表的某一构件；局部是指：可以是,用一截面将杆截成的两部分中的任一部分；也可以是无限接,近的两个截面所截出的一微段；还可以是围绕某一点截取的,微元或微元的局部；等等。,基本概念与基本方法,整体平衡与局部平衡的概念,内力与外力的相依关系,控制面,杆件内力分量的正负号规则,返回总目录,基本概念与基本方法,指定截面上内力分量的确定,应用截面法可以,证明，当杆件上的外力（包括载荷与约,束力）沿杆的轴线方向发生突变时，内力的变化规律也,将发生变化。,所谓外力突变是指有集中力、集中力偶作用的,情形；分布载荷间断或分布载荷集度发生突变的情形。,基本概念与基本方法,所谓外力突变，是指有集中力、集中力偶作用的,情形；分布载荷间断或分布载荷集度发生突变的情形。,所谓内力变化规律是指表示内力变化的函数或变化的图线,。这表明，如果在两个外力作用点之间的杆件上没有其他外力,作用，则这一段杆件所有横截面上的内力可以用同一个数学方,程或者同一图线描述。,基本概念与基本方法,某一截面上的内力与作用在该截面一侧局部杆件上的外力相平衡；,在荷载无突变的一段杆的各截面上内力按相同的规律变化；,基本概念与基本方法,整体平衡与局部平衡的概念,内力与外力的相依关系,控制面,杆件内力分量的正负号规则,返回总目录,基本概念与基本方法,指定截面上内力分量的确定,根据以上分析，在一段杆上，内力按某一种函数规律变化，这一段杆的两个端截面称为控制面（,control cross-section,）。,据此，下列截面均可为控制面：,集中力作用点的两侧截面；,集中力偶作用点的两侧截面；,均布载荷（集度相同）起点和终点处的截面。,基本概念与基本方法,外力规律发生变化截面,集中力、集中力偶作用点、分布荷载的起点和终点处的横截面。,基本概念与基本方法,整体平衡与局部平衡的概念,内力与外力的相依关系,控制面,杆件内力分量的正负号规则,返回总目录,基本概念与基本方法,指定截面上内力分量的确定,同一位置处左、右侧截面上内力分量必须具有相同的正负号。,基本概念与基本方法,F,N,F,N,轴力,F,N,x,或,F,N,无论作用在哪一侧截面上，使杆件受拉者为正；受压者为负。,扭矩,M,x,扭矩矢量方向与截面外法线方向一致者为正；反之为负。,剪力,F,Q,(,F,Q,y,或,F,Q,z,),一使截开部分杆件产生顺时针方向转动者为正；逆时针方向转动者为负。,F,Q,F,Q,弯矩,M,(,M,y,或,M,z,),一作用在左侧面上使截开部分逆时针方向转动；或者作用在右侧截面上使截开部分顺时针方向转动者为正；反之为负。,基本概念与基本方法,F,N,F,N,F,Q,F,Q,基本概念与基本方法,整体平衡与局部平衡的概念,内力与外力的相依关系,控制面,杆件内力分量的正负号规则,返回总目录,基本概念与基本方法,指定截面上内力分量的确定,应用截面法可以确定杆件任意横截面上的内力分量,用假想截面从所要求的截面处将杆截为两部分,考察其中任意一部分的平衡,由平衡方程求得横截面的内力分量,C,基本概念与基本方法,F,P,l,l,例题,1,A,B,C,D,一端固定另一端自由的梁，称为,悬臂梁,(,cantilever beam,),。,梁承受集中力,F,P,及集中力偶,M,O,作用。,M,O,=,2,F,P,l,试确定,:,截面,C,及截面,D,上的剪力和弯矩。,C,、,D,截面与加力点无限接近。,基本概念与基本方法,F,P,F,P,l,l,A,B,C,D,M,O,=,2,F,P,l,解：,1.,应用静力学平衡方程确定,固定端,的约束力。,2.,应用截面法确定,C,截面上的内力分量,用假想截面将梁,C,截面处截开，以左边部分为平衡对象。,因为外力与梁轴线都在同一平面内，而且没有沿杆件轴线方向的外力作用，所以横截面上没有轴力和扭矩，只有剪力和弯矩两种内力分量。,M,A,0,A,C,l,F,P,M,A,0,基本概念与基本方法,F,Q,C,M,C,F,P,M,A,0,F,P,l,l,A,B,C,D,M,O,=,2,F,P,l,解：,2.,应用截面法确定,C,截面上的内力分量,C,A,F,P,l,M,A,0,假设截开横截面上的剪力和弯矩均为正方向。根据截开的局部平衡建立平衡方程：,所得结果均为正值，这表明所假设的,C,截面上的剪力和弯矩的正方向是正确的。,基本概念与基本方法,F,P,M,A,0,F,P,l,l,A,B,C,D,M,O,=,2,F,P,l,解：,3.,应用截面法确定,D,截面上的内力分量,A,F,P,M,A,0,l,l,M,O,=,2,F,P,l,D,用假想截面将梁,D,截面处截开，以左边部分为平衡对象。,基本概念与基本方法,F,P,M,A,0,F,P,l,l,A,B,C,D,M,O,=,2,F,P,l,解：,3.,应用截面法确定,D,截面上的内力分量,假设截开横截面上的剪力和弯矩均为正方向。根据截开的局部平衡建立平衡方程：,因为,D,截面无限接近,B,截面，所以式中,M,D,F,Q,D,A,F,P,M,A,0,l,l,M,O,=,2,F,P,l,D,基本概念与基本方法,解：,4.,讨论,本,例中所,选择的研究对象都是,C,、,D,截面以左部分梁，因而需要首先确定左端的约束力。如果以,C,、,D,截面以右部分梁作为平衡对象，则无需确定约束力。计算过程会更简单些。,F,P,M,A,0,F,P,l,l,A,B,C,D,M,O,=,2,F,P,l,基本概念与基本方法,基本概念与基本方法,轴力图与扭矩图,剪力图与弯矩图,结论与讨论,返回总目录,第,5,章,杆件的内力图,轴力图轴力图与扭矩图,轴力图与扭矩图,沿着杆件轴线方向作用的载荷，通常称为,轴向载荷,(normal load),。,杆件承受轴向载荷作用时，横截面上只有轴力一种内力分量,F,N,。,杆件只在两个端截面处承受轴向载荷时，则杆件的所有横截面上的轴力都是相同的。如果杆件上作用有两个以上的轴向载荷，就只有两个轴向载荷作用点之间的横截面上的轴力是相同的。,表示轴力沿杆件轴线方向变化的图形，称为,轴力图,（,diagram of normal force,）。,C,A,B,直杆，,A,端固定，在,B,、,C,两处作用有集中载荷,F,1,和,F,2,，,其中,F,1,5,kN,，,F,2,10,kN,。,F,1,F,2,l,l,C,A,B,l,l,F,1,F,2,F,A,试画出：,杆件的轴力图。,例题,2,解：,1.,确定,A,处的约束力,A,处虽然是固定端约束，但由于杆件只有轴向载荷作用，所以只有一个轴向的约束力,F,A,。,求得,F,A,5,kN,由平衡方程,轴力图与扭矩图,解：,2.,确定控制面,3.,应用截面法求控制面上的轴力,用假想截面分别从控制面,A,、,B,、,B,、,C,处将杆截开，假设横截面上的轴力均为正方向（拉力），并考察截开后下面部分的平衡。,C,A,B,F,1,F,2,l,l,C,A,B,l,l,F,1,F,2,F,A,在集中载荷,F,2,、,约束力,F,A,作用处的,A,C,截面，以及集中载荷,F,1,作用点,B,处的上、下两侧横截面都是控制面。,B,B,轴力图与扭矩图,3.,应用截面法求控制面上的轴力,用假想截面分别从控制面,A,、,B,、,B,、,C,处将杆截开，假设横截面上的轴力均为正方向（拉力），并考察截开后下面部分的平衡，求得各截面上的轴力：,C,A,B,l,l,F,1,F,2,F,A,B,B,C,A,B,l,l,F,1,F,2,F,N,A,轴力图与扭矩图,3.,应用截面法应用截面法求控制面上的轴力,用假想截面分别从控制面,A,、,B,、,B,、,C,处将杆截开，假设横截面上的轴力均为正方向（拉力），并考察截开后下面部分的平衡，求得各截面上的轴力C,A,B,l,l,F,1,F,2,F,A,B,B,C,B,l,F,1,F,2,B,F,N,B,轴力图与扭矩图,3.,应用截面法应用截面法求控制面上的轴力,用假想截面分别从控制面,A,、,B,、,B,、,C,处将杆截开，假设横截面上的轴力均为正方向（拉力），并考察截开后下面部分的平衡，求得各截面上的轴力：,C,A,B,l,l,F,1,F,2,F,A,B,B,F,N,B,C,l,F,2,B,轴力图与扭矩图,3.,应用截面法应用截面法求控制面上的轴力,用假想截面分别从控制面,A,、,B,、,B,、,C,处将杆截开，假设横截面上的轴力均为正方向（拉力），并考察截开后下面部分的平衡，求得各截面上的轴力：,C,A,B,l,l,F,1,F,2,F,A,B,B,F,N,C,C,l,F,2,轴力图与扭矩图,4.,建立,F,N,x,坐标系,，,画轴力图,F,N,x,坐标系中,x,坐标轴沿着杆件的轴线方向，,F,N,坐标轴垂直于,x,轴。,将所求得的各控制面上的轴力标在,F,N,x,坐标系中，得到,a,、和,c,四点。因为在,A,、,之间以及、,C,之间，没有其他外力作用，故这两段中的轴力分别与,A,（,或）截面以及,C,（,或）截面相同。这表明,a,点与点心,”,之间以及,c,点之间的轴力图为平行于,x,轴的直线。于是，得到杆的轴力图。,轴力图与扭矩图,F,N,/,kN,O,x,C,A,B,F,1,F,2,l,l,C,A,B,l,l,F,1,F,2,F,N,A,F,N,B,C,B,l,F,1,F,2,B,F,N,B,C,l,F,2,B,F,N,C,C,l,F,2,b,5,b,10,c,10,5,a,轴力图与扭矩图,根据以上分析，绘制轴力图的方法,确定约束力；,根据杆件上作用的载荷以及约束力，确定控制面，也就是轴力图的分段点；,应用截面法，用假想截面从控制面处将杆件截开，在截开的截面上，画出未知轴力，并假设为正方向；对截开的部分杆件建立平衡方程，确定控制面上的轴力,建立,F,N,x,坐标系，将所求得的轴力值标在坐标系中，画出轴力图。,轴力图与扭矩图,扭矩图,轴力图与扭矩图,作用在杆件上的外力偶矩，可以由外力向杆的轴线简化而得，但是对于传递功率的轴，通常都不是直接给出力或力偶矩，而是给定功率和转速。,因为力偶矩在单位时间内所作之功即为功率，于是有,其中,T,为外力偶矩；,为轴转动的角速度；,P,为轴传递的功率。,轴力图与扭矩图,考虑到：,1 kW,l000 Nm/s,，,上式可以改写为,其中功率,P,的单位为,kW,；,n,为轴每分钟的转数，用,r/min,表示。,轴力图与扭矩图,在扭转外力偶作用下，圆轴横截面上将产生扭矩。,确定扭矩的方法也是截面法，即假想截面将杆截开分成两部分，横截面上的扭矩与作用在轴的任一部分上的所有外力偶矩组成平衡力系。据此，即可求得扭矩的大小与方向。如果只在轴的两个端截面作用有外力偶矩，则沿轴线方向所有横截面上的扭矩都是相同的，并且都等于作用在轴上的外力偶矩。,当轴的长度方向上有两个以上的外力偶矩作用时，轴各段横截面上的扭矩将是不相等的，这时需用截面法确定各段横截面上的扭矩。,扭矩沿杆轴线方向变化的图形，称为,扭矩图,(diagram of torsion moment),。,绘制扭矩图的方法与绘制轴力图的方法相似，这里不再重复。,轴力图与扭矩图,例题,2,圆轴受有四个绕轴线转动的外加力偶，各力偶的力偶矩的大小和方向均示于图中，其中力偶矩的单位为,N.m,，,尺寸单位为,mm,。,试：,画出圆轴的扭矩图。,轴力图与扭矩图,解：,1,确定控制面,外加力偶处截面,A,、,B,、,C,、,D,均为控制面。,2,应用截面法,由平衡方程,确定各段圆轴内的扭矩,。,轴力图与扭矩图,3,建立,M,x,x,坐标系，画出扭矩图,建立,M,x,x,坐标系，其中,x,轴平行于圆轴的轴线，,M,x,轴垂直于圆轴的轴线。,将所求得的各段的扭矩值，标在,M,x,x,坐标系中，得到相应的点，过这些点作,x,轴的平行线，即得到所需要的扭矩图。,轴力图与扭矩图,基本概念与基本方法,轴力图与扭矩图,剪力图与弯矩图,结论与讨论,返回总目录,第,5,章,杆件的内力图,剪力方程与弯矩方程,载荷集度、剪力、弯矩之间,的微分关系,剪力图与弯矩图,剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,剪力图与弯矩图,一般受力情形下，梁内剪力和弯矩将随横截面位置的改变而发生变化。描述梁的剪力和弯矩沿长度方向变化的代数方程，分别称为,剪力方程,(equation of shearing force),和,弯矩方程,(equation of bending moment),。,为了建立剪力方程和弯矩方程，必须首先建立,Oxy,坐标系，其中,O,坐标原点，,x,坐标轴与梁的轴线一致，坐标原点,O,一般取在梁的左端，,x,坐标轴的正方向自左至右，,y,坐标轴铅垂向上。,剪力图与弯矩图,建立剪力方程和弯矩方程时，需要根据梁上的外力,(,包括载荷和约束力,),作用状况，确定控制面，从而确定要不要分段，以及分几段建立剪力方程和弯矩方程。,确定了分段之后，在每一段中任意取一横截面，假设这一横截面的坐标为,x,，,然后从这一横截面处将梁截开，并假设所截开的横截面上的剪力,F,Q,(,x,),和弯矩,M,(,x,),都是正方向，最后分别应用力的平衡方程和力矩的平衡方程，即可得到剪力,F,Q,(,x,),和弯矩,M,(,x,),的表达式，这就是所要求的剪力方程,F,Q,(,x,),和弯矩方程,M,(,x,),。,剪力图与弯矩图,需要特别注意的是，在剪力方程和弯矩方程中,，,x,是变量,，,而,F,Q,(,x,),和,M,(,x,),则是,x,的函数,。,这一方法和过程实际上与前面所介绍的确定指定横截面上的内力分量的方法和过程是相似的，所不同的，现在的指定横截面是坐标为,x,的横截面。,剪力图与弯矩图,一端为固定铰链支座、另一端为辊轴支座的梁，称为,简支梁,(,simple supported beam,),。,梁上承受集度为,q,的均布载荷作用，梁的长度为,2,l,。,试写出：,该梁的剪力方程和弯矩方程矩图。,q,l,l,B,A,C,例题,4,剪力图与弯矩图,解：,1,确定约束力,l,l,B,A,C,q,F,R,B,F,R,A,因为只有铅垂方向的外力，所以支座,A,的水平约束力等于零。又因为梁的结构及受力都是对称的，故支座,A,与支座,B,处铅垂方向的约束力相同。,于是，根据平衡条件不难求得：,剪力图与弯矩图,O,y,x,解：,2,确定控制面和分段,因为梁上只作用有连续分布载荷,(,载荷集度没有突变,),，没有集中力和集中力偶的作用，所以，从,A,到,B,梁的横截面上的剪力和弯矩可以分别用一个方程描述，因而无需分段建立剪力方程和弯矩方程。,l,l,B,A,C,q,F,R,B,F,R,A,3,建立,Oxy,坐标系,以梁的左端,A,为坐标原点，建立,Oxy,坐标系,，,剪力图与弯矩图,x,x,F,R,A,F,Q,(,x,),M,(,x,),O,y,x,l,l,B,A,C,q,F,R,B,F,R,A,解：,4,确定剪力方程和弯矩方程,由左段梁的平衡条件,以,A,、,B,之间坐标为,x,的任意截面为假想截面，将梁截开，取左段为研究对象，在截开的截面上标出剪力,F,Q,(,x,),和弯矩,M,(,x,),的正方向。,剪力图与弯矩图,O,y,x,l,l,B,A,C,q,F,R,B,F,R,A,解：,4,确定剪力方程和弯矩方程,由左段梁的平衡条件,得到梁的剪力方程和弯矩方,程分别为,这一结果表明，梁上的剪力方程是,x,的线性函数；弯矩方程是,x,的二次函数。,x,F,Q,(,x,),M,(,x,),F,R,A,剪力图与弯矩图,例题,5,悬臂梁在,B,、,C,二处分别承受集中力,F,P,和集中力偶,M,2,F,P,l,作用。梁的全长为,2,l,。,试写出：,梁的剪力方程和弯矩方程矩图。,F,P,l,l,A,B,C,M,O,=,2,F,P,l,剪力图与弯矩图,解：,1,确定控制面和分段,本例将通过考察截开截面的右边部分平衡建立剪力方程和弯矩方程，因此可以不必确定左端的约束力。,2,建立,Oxy,坐标系,以梁的左端,A,为坐标原点，建立,Oxy,坐标系,，,由于梁在固定端,A,处作用有约束力、自由端,B,处作用有集中力、中点,C,处作用有集中力偶，所以，截面,A,、,B,、,C,均为控制面。因此，需要分为,AC,和,CB,两段建立剪力和弯矩方程。,F,P,l,l,A,B,M,O,=,2,F,P,l,C,O,y,x,剪力图与弯矩图,解：,3,建立剪力方程和弯矩方程F,P,l,l,A,B,M,O,=,2,F,P,l,O,y,x,C,x,1,x,2,在,AC,和,CB,两段分别以坐标为,x,1,和,x,2,的横截面将截开，并在截开的横截面上，假设剪力,F,Q,(,x,1,),、,F,Q,(,x,2,),和弯矩,M,(,x,1,),、,M,(,x,2,),都是正方向，然后考察截开的右边部分梁的平衡，由平衡方程即可确定所需要的剪力方程和弯矩方程。,剪力图与弯矩图,解：,3,建立剪力方程和弯矩方程,F,Q,(,x,),M,(,x,),对于,AC,段梁的剪力和弯矩方程,，在,x,1,处截开后，考察右边部分的平衡。,F,P,l,l,A,B,M,O,=,2,F,P,l,O,y,x,C,F,P,M,O,=,2,F,P,l,l,2,l x,1,C,B,根据平衡方程,x,1,剪力图与弯矩图,解：,3,建立剪力方程和弯矩方程,得到,AC,段,的剪力方程与弯矩方程,：,F,Q,(,x,1,),M,(,x,1,),F,P,M,O,=,2,F,P,l,l,2,l x,1,C,B,剪力图与弯矩图,F,Q,(,x,2,),M,(,x,2,),解：,3,建立剪力方程和弯矩方程,得到,CB,段,的剪力方程与弯矩方程,：,F,P,l,l,A,B,M,O,=,2,F,P,l,O,y,x,C,F,P,2,l x,2,B,上述结果表明，,AC,段和,CB,段的剪力方程是相同的；弯矩方程不同，但都是,x,的线性函数。,对于,CB,段梁的剪力和弯矩方程,，在,x,2,处截开后，考察右边部分的平衡。,根据平衡方程,x,2,剪力图与弯矩图,载荷集度、剪力、弯矩之间,的微分关系,剪力图与弯矩图,作用在梁上的平面载荷，如果不包含纵向力，这时梁的横截面上将只有弯矩和剪力。表示剪力和弯矩沿梁轴线方向变化的图线，分别称为,剪力图,（,diagram of shearing force,）,和,弯矩图,（,diagram of bending moment,）。,剪力图与弯矩图,绘制剪力图和弯矩图有两种方法,：,第一种方法,是：根据剪力方程和弯矩方程，在,F,Q,x,和,M,x,坐标系中首先标出剪力方程和弯矩方程定义域两个端点的剪力值和弯矩值，得到相应的点；然后按照剪力和弯矩方程的类型，绘制出相应的图线，便得到所需要的剪力图与弯矩图。,剪力图与弯矩图,绘制剪力图和弯矩图的第二种方法,是：先在,F,Q,x,和,M,x,坐标系中标出控制面上的剪力和弯矩数值，然后应用载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系，确定控制面之间的剪力和弯矩图线的形状，而无需首先建立剪力方程和弯矩方程。,剪力图与弯矩图,根据相距,d,x,的两个横截面截处微段的平衡，可以得到载荷集度、剪力、弯矩之间存在下列的微分关系：,剪力图与弯矩图,将,F,Q,(,x,),对,x,求一次导数，将,M,(,x,),对,x,求一次和二次导数，得到,O,y,x,l,l,B,A,C,q,F,R,B,F,R,A,剪力图与弯矩图,式中等号右边的负号，是由于作用在梁上的均布载荷是向下的。因此，规定,：,对于向上的均布载荷，微分关系,(5,2),式中的载荷集度,q,为正值；对于向下的均布载荷，载荷集度,q,为负值,。,剪力图与弯矩图,上述微分关系，也说明剪力图和弯矩图图线的几何形状与作用在梁上的载荷集度有关。,剪力图与弯矩图,剪力图的斜率等于作用在梁上的均布载荷集度；弯矩图在某一点处斜率等于对应截面处剪力的数值。,如果一段梁上没有分布载荷作用，即,q,0,，,这一段梁上剪力的一阶导数等于零，弯矩的一阶导数等于常数，因此，这一段梁的剪力图为平行于,x,轴的水平直线；弯矩图为斜直线。,如果一段梁上作用有均布载荷，即,q,常数，这一段梁上剪力的一阶导数等于常数，弯矩的一阶导数为,x,的线性函数，因此，这一段梁的剪力图为斜直线；弯矩图为二次抛物线。,弯矩图二次抛物线的凸凹性，与载荷集度,q,的正负有关：当,q,为正,(,向上,),时，抛物线为凹曲线，凹的方向与,M,坐标正方向一致，：当,q,为负,(,向下,),时，抛物线为凸曲线，凸的方向与,M,坐标正方向一致。,剪力图与弯矩图,剪力图与弯矩图,剪力图与弯矩图,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系绘制剪力图与弯矩图的方法，与绘制轴力图和扭矩图的方法大体相似，但略有差异，主要步骤如下：根据载荷及约束力的作用位置，确定控制面；,应用截面法确定控制面上的剪力和弯矩数值；,建立,F,Q,x,和,M,x,坐标系，并将控制面上的剪力和弯矩值标在上述坐标系中，得到若干相应的点；,应用微分关系确定各段控制面之间的剪力图和弯矩图的图线，得到所需要的剪力图与弯矩图。,剪力图与弯矩图,B,A,简支梁受力的大小和方向如图示。,例题,6,1kN.m,2kN,1.5m,1.5m,1.5m,试画出：,其剪力图和弯矩图,并确定剪力和弯矩绝对值的最大值。,解,：,1,确定约束力,求得,A,、,F,二处的约束力,F,Ay,0.89,kN,F,Fy,1.11,kN,F,R,A,F,R,B,根据力矩平衡方程,剪力图与弯矩图,B,A,1kN.m,2kN,1.5m,1.5m,1.5m,F,R,A,F,R,B,解,：,2,确定控制面,在集中力和集中力偶作用处的两侧截面以及支座反力内侧截面均为控制面，即,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,各截面均为控制面。,3,建立坐标系,建立,F,Q,x,和,M,x,坐标系,x,F,Q,/,kN,O,x,M,/,kN.m,O,B,C,D,E,剪力图与弯矩图,5,根据微分关系连图线,因为梁上无分布载荷作用，所以剪力,F,Q,图形均为平行于,x,轴的直线；弯矩,M,图形均为斜直线。于是，顺序连接,F,Q,x,和,M,x,坐标系中的,a,、,b,、,c,、,d,、,e,、,f,各点，便得到梁的剪力图与弯矩图。,x,F,Q,/,kN,O,x,M,/,kN.m,O,解,：,4,应用截面法确定控制面上的剪力和弯矩值，并将其标在,F,Q,x,和,M,x,坐标系中。,B,A,1kN.m,2kN,1.5m,1.5m,1.5m,F,R,A,F,R,B,B,C,D,E,1.11,f,0.89,d,d,e,1.665,f,0,c,0.335,b,1.335,1.11,e,b,0.89,c,a,0,a,0.89,剪力图与弯矩图,5,确定,剪力与弯矩的最大绝对值,x,F,Q,/,kN,O,x,M,/,kN.m,O,B,A,1kN.m,2kN,1.5m,1.5m,1.5m,F,R,A,F,R,B,B,C,D,E,1.11,f,0.89,d,d,e,1.665,f,0,c,0.335,b,1.335,1.11,e,b,0.89,c,a,0,a,0.89,从图中不难得到剪力与弯矩的绝对值的最大值分别为,(,发生在,EF,段,),(,发生在,D,、,E,截面上,),剪力图与弯矩图,从所得到的剪力图和弯矩图中不难看出,AB,段与,CD,段的剪力相等，因而这两段内的弯矩图具有相同的斜率。此外，在集中力作用点两侧截面上的剪力是不相等的，而在集中力偶作用处两侧截面上的弯矩是不相等的，其差值分别为集中力与集中力偶的数值，这是由于维持,DE,小段和,BC,小段梁的平衡所必需的。建议大家自行加以验证。,x,F,Q,/,kN,O,x,M,/,kN.m,O,B,A,1kN.m,2kN,1.5m,1.5m,1.5m,F,R,A,F,R,B,B,C,D,E,1.11,f,0.89,d,d,e,1.665,f,0,c,0.335,b,1.335,1.11,e,b,0.89,c,a,0,a,0.89,剪力图与弯矩图,例题,7,q,B,A,D,a,4,a,ql,F,Ay,F,By,梁由一个固定铰链支座和一个辊轴支座所支承，但是梁的一端向外伸出，这种梁称为,外伸梁,(,overhanging beam,),。,梁的受力以及各部分,尺寸,均示于图中。,试画出：,其剪力图和弯矩图,并确定剪力和弯矩绝对值的最大值。,解：,1,确定约束力,根据梁的整体平衡，由,求得,A,、,F,二处的约束力,剪力图与弯矩图,q,B,A,D,a,4,a,ql,F,Ay,F,By,C,O,x,F,Q,O,x,M,解,：,2,确定控制面,由于,AB,段上作用有连续分布载荷，故,A,、,B,两个截面为控制面，约束力,F,By,右侧的,C,截面，以及集中力,qa,左侧的,D,截面，也都是控制面。,3,建立坐标系,建立,F,Q,x,和,M,x,坐标系,剪力图与弯矩图,q,B,A,D,a,4,a,ql,F,Ay,F,By,O,x,F,Q,O,x,M,9,qa/,4,a,9,qa/,4,b,d,qa,c,qa,a,db,c,qa,2,解,：,4,确定控制面上的剪力和弯矩值，并将其标在,F,Q,x,和,M,x,坐标系中。,剪力图与弯矩图,q,B,A,D,a,4,a,ql,F,Ay,F,By,O,x,F,Q,O,x,M,c,qa,9,qa/,4,a,7,qa/,4,b,d,qa,a,d,b,c,qa,2,5,根据微分关系连图线,对于剪力图,：在,AB,段，因有均布载荷作用，剪力图为一斜直线，于是连接,a,、,b,两点，即得这一段的剪力图；在,CD,段，因无分布载荷作用，故剪力图为平行于,x,轴的直线，由连接,c,、,d,二点而得，或者由其中任一点作平行于,x,轴的直线而得。,剪力图与弯矩图,q,B,A,D,a,4,a,ql,F,Ay,F,By,O,x,F,Q,O,x,M,5,根据微分关系连图线,对于弯矩图：,在,AB,段，因有均布载荷作用，图形为二次抛物线。又因为,q,向下为负，弯矩图为凸向,M,坐标正方向的抛物线。于是，,AB,段内弯矩图的形状便大致确定。为了确定曲线的位置，除,AB,段上两个控制面上弯矩数值外，还需确定在这一段内二次抛物线有没有极值点，以及极值点的位置和极值点的弯矩数值。从剪力图上可以看出，在,e,点剪力为零。,9,qa/,4,a,7,qa/,4,b,d,qa,a,d,b,c,qa,2,c,qa,e,81,qa,2,/32,e,E,剪力图与弯矩图,O,x,F,Q,O,x,M,q,B,A,D,a,4,a,ql,F,Ay,F,By,9,qa/,4,a,7,qa/,4,b,d,qa,a,d,b,c,qa,2,c,qa,e,81,qa,2,/32,e,E,M,E,q,A,E,x,E,6,确定弯矩图极值点的位置。,剪力图与弯矩图,O,x,F,Q,O,x,M,q,B,A,D,a,4,a,ql,F,Ay,F,By,9,qa/,4,a,7,qa/,4,b,d,qa,a,d,b,c,qa,2,c,qa,e,81,qa,2,/32,e,E,7,确定,剪力与弯矩的最大绝对值,从图中不难得到剪力与弯矩的绝对值的最大值分别为,剪力图与弯矩图,O,x,F,Q,O,x,M,q,B,A,D,a,4,a,ql,F,Ay,F,By,9,qa/,4,a,7,qa/,4,b,d,qa,a,d,b,c,qa,2,c,qa,e,81,qa,2,/32,e,E,意到在右边支座处，由于约束力的作用，该处剪力图有突变（支座两侧截面剪力不等）弯矩图在该处出现折点（弯矩图的曲线段在该处的切线斜率不等于斜直线,cd,的斜率）。,剪力图与弯矩图,基本概念与基本方法,轴力图与扭矩图,剪力图与弯矩图,几点重要,结论,返回总目录,第,5,章,杆件的内力图,几点重要结论,剪力、弯矩与载荷集度之间,的微分关系的证明,结论与讨论,正确应用力系简化方法确定,控制面上的内力分量,根据弹性体的平衡原理，应用刚体静力学中的平衡方程，可以确定静定杆件上任意横截面上的内力分量。,内力分量的正负号的规则不同于刚体静力学，但在建立平衡方程时，依然可以规定某一方向为正、相反者为负。,剪力方程与弯矩方程都是横截面位置坐标,x,的函数表达式，不是某一个指定横截面上剪力与弯矩的数值。,无论是写剪力与弯矩方程，还是画剪力与弯矩图，都需要注意分段。因此，正确确定控制面是很重要的。,在轴力图、扭矩图、剪力图和弯矩图中，最重要也是最难的是剪力图与弯矩图。可以根据剪力方程和弯矩方程绘制剪力图和弯矩图，也可以不写方程直接利用载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系绘制剪力图和弯矩图。,结论与讨论,正确应用力系简化方法确定,控制面上的内力分量,结论与讨论,确定控制面上剪力和弯矩有几种方法？怎样确定弯矩图上极值点处的弯矩数值？,结论与讨论,力系简化方法应用于确定控制面上剪力和弯矩,F,P,a,a,F,Q,=,F,P,M=F,P,a,M=F,P,a,F,Q,=,F,P,F,P,F,P,F,P,a,结论与讨论,谢 谢 大 家,返回首页,返回总目录,