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1、Chapter13 Energy Method,,第十三章 能量法,2,第十三章 能量法 (Energy Methods),13-1 概述（Introduction),13-2 桿件變形能的計算( Calculation of strain energy for various types of loading ),13-3 互等定理（Reciprocal theorems),,13-4 單位荷載法 莫爾定理(Unit-load method ,若先在 C 截面加 F2, 然后在 B 截面加 F1.,分別計算兩種加力方法拉桿的應變能.,22,（1）先在 B 截面加 F1,然后在 C 截面加
2、 F2,（a）在 B 截面加 F1, B截面的位移為,外力作功為,（b）再在C上加 F2,C截面的位移為,F2 作功為,23,,（c）在加F2 后,B截面又有位移,在加 F2 過程中 F1 作功（常力作功）,所以應變能為,24,（2）若先在C截面加F2 ,然后B截面加F1.,（a）在C截面加F2 后,F2 作功,（b） 在B截面加F1后,F1作功,25,,（c）加 F1引起 C 截面的位移,在加F1過程中F2作功（常力作功）,所以應變能為,注意：,（1） 計算外力作功時,注意變力作功與常力作功的區(qū)別.,（2）應變能V只與外力的最終值有關,而與加載過程和加載次序無關.,26,,解: 梁中點的撓
3、度為:,梁右端的轉角為:,,梁的變形能為:,例題5,,以彎曲變形為例證明 應變能V只與外力的最 終值有關,而與加載過程 和加載次序無關.,27,,先加力 F 后,再加力偶 Me,（1）先加力F后,C 點的位移,力F 所作的功為,（2）力偶由零增至最后值 Me,B 截面的轉角為,力偶 Me 所作的功為,,,28,,先加上的力F所作的功為,,C截面的位移為,,F與力偶Me所作的功為,,,29,,兩力作用點沿力作用方向的位移分別為,F1 ,F2,（1）設在線彈性結構上作用力,1 ,2,一、功的互等定理（ Reciprocal work theorem ）,13-3 互等定理（Reciprocal T
4、heorems ),30,,,F1 和 F2 完成的功應為,（2）在結構上再作用有力,F3 ,F4,沿 F3和 F4方向的相應位移為,3 , 4,F3 和 F4 完成的功應為,31,,（3）在 F3和 F4的作用下,F1 和F2 的作用點又有位移,F1 和 F2 在 1和 2上完成的功應為,因此,按先加 F1,F2 后F3,F4 的次序加力,結構的應變能為,1和 2,32,,若按先加F3 ,F4 后加F1, F2 的次序加力,又可求得結構的應變能為,由于應變能只決定于力和位移的最終值,與加力的次序無關,故,33,功的互等定理（reciprocal work theorem）:第一組力在第二組力
5、引起的位移上所作的功,等于第二組力在第一組力引起的位移上所作的功.,二、位移互等定理（Reciprocal displacement theorem),若第一組力 F1,第二組力只有 F3,則,如果 F1= F3,則有,34,位移互等定理（reciprocal work theorem）： F1作用點沿 F1 方向因作用 F3而引起的位移等于F3 作用點沿 F3 方向因作用 F1而引起的位移.（The deflection at A due to a load acting at B is equal to the deflection at B due to the same load
6、acting at A ),三、注意（Notice）,（1）力和位移都應理解為廣義的.,（2）這里是指結構不可能發(fā)生剛性位移的情況下,只是由變形引起的位移.,,35,13-4 單位荷載法 莫爾定理 （Unit-load method ,（3）所加廣義單位力與所求廣義位移之積,必須為功的量綱;,40,A,,,例題5 抗彎剛度為EI的等截面簡支梁受均布荷載作用,用單位載荷法求梁中點的撓度 wC 和支座A截面的轉角.剪力對彎曲的影響不計.,,q,B,,,,,,C,l,l/2,解:,在實際荷載作用下,任一 x 截面的彎矩為,41,A,,,,A,B,C,（1）求C 截面的撓度,在C點加一向下的單位力,,
7、任一 x 截面的彎矩為,,q,B,,,,,,C,l,l/2,ql/2,ql/2,42,ql/2,A,,,,A,B,（2）求A截面的轉角,在 A 截面加一單位力偶,引起的 x 截面的彎矩為,,q,,,,,,C,l,l/2,,（順時針）,ql/2,43,B,,,例題6 圖示外伸梁,其抗彎剛度為 EI. 用單位載荷法求C點的撓度和轉角.,,,,,,,,,,A,C,q,F=qa,,,,,,a,2a,44,,B,A,,,A,B,C,,,,,,a,2a,解：,AB:,（1）求截面的撓度（在C 處加一單位力“1”）,,,,,,,,,,C,q,F=qa,,,,,,a,2a,45,BC:,,B,A,,A,B,C
8、,,,,,,a,2a,,,,,,,,,,,C,q,F=qa,,,,,,a,2a,,FRA,1/2,46,B,A,,,BC:,AB:,（2）求C 截面的轉角（在C處加一單位力偶）,A,B,C,,,,,,a,2a,,,,,,,,,,C,q,F=qa,,,,,,a,2a,,FRA,47,例題7 剛架的自由端A作用集中力F.剛架各段的抗彎剛度已于圖中標出. 不計剪力和軸力對位移的影響. 計算A點的垂直位移及B截面的轉角.,,,A,B,C,F,,EI1,,EI2,,,,,解:（1）計算A點的垂直位移,在A點加垂直向下的單位力,48,AB:,BC:,a,,,,,,,,,,A,B,C,F,l,,,,,,,,
9、,A,B,C,l,a,,,49,（2）計算B截面的轉角,在B上加一個單位力偶矩,AB:,BC:,,,,,,,,,,A,B,C,F,l,,,x,a,,,,,,,,,A,B,C,l,,,x,a,,,50,,例題8 圖示剛架,兩桿的 EI 和 EA 分別相同,試求C點的水平位移.,解:在 C點加一水平單位力,51,,,,,,,,F,a,,,,,,a,A,B,B,A,C,C,CB :,,,,,AB :,,,52,,,,,,,F,a,,,,,,a,A,B,B,A,C,C,,,,,,,53,例題9 圖示為一水平面內的曲桿，B 處為一剛性節(jié)點， ABC=90在 C 處承受豎直力F，設兩桿的抗彎剛度和抗扭剛度
10、分別是 EI 和 GIp ，求C點豎向的位移.,,54,解:在 C點加豎向單位力,BC:,,,,,,,,,,A,B,C,a,b,AB:,,,55,,,56,例題10 由三桿組成的剛架,B,C為剛性節(jié)點,三桿的抗彎剛度都是EI,試用單位載荷法求A1,A2兩點的相對位移.,57,,解：在A1,A2 處加一對水平單位力.,B,C 兩支座的反力均為零.,A1B：,BC：,CA2：,,,,A1,A2,B,C,,,,l,58,例題11 剛架受力如圖,求A截面的垂直位移,水平位移及轉角.,,59,AB：,BC：,解:求A點鉛垂位移（在A點加豎向單位力）,,,60,求A點水平位移（在A點加水平單位力）,AB：
11、,BC：,,,61,求A點的轉角（在A點加一單位力偶）,AB:,BC：,,,62,例題12 圖示為一簡單桁架,其各桿的EA相等. 在圖示荷載作用下A、C 兩節(jié)點間的相對位移.,,63,桁架求位移的單位荷載法為,64,A,C兩點間的距離縮短.,65,,例題13 計算圖（a）所示開口圓環(huán)在F力作用下切口的張開量AB. EI=常數(shù).,66,,,,,B,A,,,R,P,,,,,,,,(b),,,,,B,A,,,R,P,,,,(c),解：,,,O,O,,67,設彈性結構在支座的約束下無任何剛性位移.,作用有外力:,F1 ,F2 , ,Fi , ,相應的位移為：,1 , 2 , , i , ,13-5 卡
12、氏定理(Castiglianos Theorem),,結構的變形能,68,只給 Fi 一個增量 Fi .,引起所有力的作用點沿力方向的位移增量為,在作用Fi 的過程中, Fi 完成的功為,原有的所有力完成的功為,結構應變能的增量為,69,如果把原來的力看作第一組力,而把 Fi 看作第二組力.,根椐互等定理,略去高階微量,或者,當 Fi 趨于零時,上式為,這就是卡氏第二定理（Castiglianos Second Theorem）（卡氏定理）（Castiglianos Theorem）,70,（1）卡氏第二定理只適用于線性彈性體,說明（Directions）：,（2）Fi 為廣義力，i為相應的位
13、移,,,,,71,（3）卡氏第二定理的應用,（a） 軸向拉伸與壓縮,（b） 扭轉,（c） 彎曲,72,（4） 平面桁架,（5） 組合變形,73,例題14 外伸梁受力如圖所示,已知彈性模量EI.梁材料為線彈性體.求梁C截面的撓度和A截面的轉角.,F,,,,A,B,C,,,,,,l,a,,FRA,74,AB:,BC:,,,,A,B,C,,,,,,l,a,,FRA,F,解:,75,,,,A,B,C,,,,,,l,a,,FRA,F,76,例題15 剛架結構如圖所示 .彈性模量EI已知。材料為線彈性. 不考慮軸力和剪力的影響，計算C截面的轉角和D截面的水平位移.,,,,,,,,,,,,A,B,C,D,a
14、,a,2a,Me,解 : 在C截面虛設一力偶 Ma , 在D截面虛設一水平力F.,,77,CD:,,CB:,AB:,,,,,,,,,,,,,A,B,C,D,a,a,2a,Me,,78,2a,,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,D,a,a,Me,,79,例題16 圓截面桿ABC,（ABC=90）位于水平平面內,已知桿截面直徑 d 及材料的彈性常數(shù) E ,G .求C 截面處的鉛垂位移.不計剪力的影響.,,80,BC:彎曲變形,,A,B,,,,l,,AB:彎曲與扭轉的組合變形,（扭轉變形）,（彎曲變形）,,81,82,例題17 圖示剛架各段的抗彎剛度均為 EI .不計軸力和剪力的影響. 用卡
15、氏第二定理求截面 D 的水平位移 D 和轉角 D .,,F1,解:在D點虛設一力偶矩 Ma,CD:彎曲變形,,83,但是軸力不計,因此橫截面上 的內力只計彎矩.,F1,,A,B,C,,將力 F 向C 簡化得：,力 F（產生拉伸變形）,力偶矩 2Fl（產生彎曲變形）,Ma（產生彎曲變形）,AC產生拉伸與彎曲的組合變形. 橫截面上的內力有軸力和彎矩.,F1,,將Ma向C簡化得:,,84,,,BC段：,BA段：,,,85,13-6 計算莫爾積分的圖乘法 (The method of moment areas for the mohrs integration),等直桿的情況下,莫爾積分中的EI為常量
16、,可提到積分號外面,只需計算:,86,,,,,,,,C,,,M(x),,,87,,,,,,,,設在桿長為 l 的一段內M（x）圖是曲線,設直線方程是,為 l 段內圖 M(x) 的面積,88,,,,M(x),x,,,,l,x,,,,,,C,,,,C 為圖M(x)的形心,xC為其坐標,為圖M(x)對 y 軸坐標的靜矩,89,,,,M(x),x,,,,l,x,,,,,,C,,,,對于等直桿有,當M圖為正彎矩時,w應代以正號.,當M圖為負彎矩時, w應代以負號.,90,b,幾中常見圖形的面積和形心的計算公式,,,,,,,,,,,,,a,,l,,,,,,h,三角形,,C,,,,,,,,,,,,C,l,h
17、,頂點,二次拋物線,91,,,,,,,,,,,,,l,,,,,,h,頂點,c,N 次拋物線,,,,,,,,,,,,,,l,,h,頂點,c,二次拋物線,3l/4,l/4,92,例題18 均布荷載作用下的簡支梁,其 EI 為常數(shù). 求跨中點的撓度.,,,,,,93,,A,B,C,F,,94,例題19 圖示梁,抗彎剛度為EI,承受均布載荷q及集中力F作用. 用圖乘法求: （1）集中力作用端撓度為零時的F值； （2）集中力作用端轉角為零時的F值.,,F,C,A,B,a,q,,95,,F,C,A,B,解：,a,,,,,a,q,,,96,例題20 圖示開口剛架,EI為常數(shù).求A和B兩截面的相對角位移q
18、AB和沿F力作用線方向的相對線位移AB .,a,a,a/2,a/2,A,B,F,F,,,,,,,97,解：,,,,,,,,Fa/2,,,,,,,,a/2,Fa/2,Fa/2,a/2,a/2,98,例題21 圖示剛架,EI為常數(shù). 求A截面的水平位移AH 和轉角qA .,B,A,,a,a,,,99,a,,qa2/2,解：,,,,,,,,,,a,1,qa2/2,,,,100,例題22 拐桿如圖,A處為一軸承,允許桿在軸承內自由轉動,但不能上下移動,已知:E=210GPa,G=0.4E,求B點的垂直位移.,,,,,,,,,5,,,,,,,,A,300,,B,,500,,,,解:（1）畫單位載荷圖,,
19、,,,,,,,5,,,,,,,,A,300,,B,,,500,,,,101,（3）變形,（2）求內力,,102,質點和質點系的虛位移原理:質點和質點系處于平衡狀態(tài)的充要條件是,作用在其上的力對于虛位移所作的總功為零.,,13-7 虛功原理 （Principle of virtual work）,一、虛功原理 （Principle of virtual work）,作用在桿件上的力分為外力和內力,外力:荷載和支座反力,內力:截面上各部分間的相互作用力,對于處于平衡狀態(tài)的桿件,其外力和內力對任意給定的虛位移所作的總虛功等于零.,103,,桿件的約束條件:,（1）支座約束條件,（2）各單元體變形的幾
20、何相容條件,桿件在荷載作用下所發(fā)生的位移都滿足上述兩類約束條件,且為微小量,即符合虛位移的基本要求. 所以,可以把桿件由荷載作用產生的微小實位移當作虛位移.,104,梁上荷載:,F1, F2, F3, F4, FRA, FRB,給梁任一虛位移,荷載作用點沿其作用方向的相應虛位移（支座處沒有虛位移）為,1, 2, 3, 4,（1） 梁的外力虛功,,,,,,,,,,,A,l,B,,,,外力虛功為,105,（2） 梁的內力虛功,彎矩虛功,（受拉）,,106,剪力虛功,107,（1） 該微段的外力虛功,M,FS應看作該微段的外力,該微段的外力虛功為（略去二階小量）,,108,（2）該微段的內力虛功 dWi,由該微段的虛位移原理,（3）梁的內力虛功,梁的虛位移原理為,109,若橫截面上不僅有彎矩 M 和剪力FS, 還有軸力FN和扭矩T,則桿的虛位移原理為,（a）i 為 Fi 力作用點沿Fi方向的相應虛位移,d,d,d,d 分別為與彎矩M,剪力FS,軸力FN 和扭矩T相對應虛位移；,（b）虛位移原理既不限定于線性問題,也不限定于彈性問題.,,第十三章結束,,
【材料力學 課件】PPT-第十三章 能量方法
