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文檔簡介
CHAPTER11
ENERGYMETHODS
材料力學(xué)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
變形能的普遍表達(dá)式§11–2莫爾定理(單位力法)§11–3卡氏定理§11–1
GENERALEXPRESSIONSOFTHESTRAINENERGY1、Principleofenergy:2、Calculationofthestrainenergy
ofrods:1).Calculationofthestrainenergyofrodsintensionorcompression:
Strainenergystoredintheelasticbodyisequaltotheworkdonebyexternalforces,thatis:
Methodtoanalyzeandcalculatedisplacements、deformationsandinternalforcesofdeformablebodiesbythiskindofrelationiscalledenergymethod.ENERGYMETHODorDensityofthestrainenergy:§11–1
變形能的普遍表達(dá)式一、能量原理:二、桿件變形能的計算:1.軸向拉壓桿的變形能計算:能量方法
彈性體內(nèi)部所貯存的變形能,在數(shù)值上等于外力所作的功,即
利用這種功能關(guān)系分析計算可變形固體的位移、變形和內(nèi)力的方法稱為能量方法。2.Calculationofthestrainenergyofrodsintorsion:3.Calculationofstrainenergyofrodsinbending:ENERGYMETHODorDensityofthestrainenergy:orDensityofthestrainenergy:2.扭轉(zhuǎn)桿的變形能計算:3.彎曲桿的變形能計算:能量方法3、Generalexpressionsofthestrainenergy:
Strainenergyisindependentoftheorderofloading.Deformationsduetomutuallyindependentloadmaybesummedupeachother.Forslendercolumns,thestrainenergyduetoshearingforcesmaybeneglected.ENERGYMETHODDeflectionfactorofshear三、變形能的普遍表達(dá)式:
變形能與加載次序無關(guān);相互獨立的力(矢)引起的變形能可以相互疊加。細(xì)長桿,剪力引起的變形能可忽略不計。能量方法Solution:Inenergymethod(workdonebyexternalforcesisequaltothestrainenergy)①DetermineinternalforcesAENERGYMETHODBendingmoment:Torque:Example1
Asemicirclerodasshowninthefigureislieinhorizontalplane.AverticalforcePactatitspointA.
DeterminethedisplacementofpointAinverticaldirection.PROQMNMTAAPNBjTOMN[例1]圖示半圓形等截面曲桿位于水平面內(nèi),在A點受鉛垂力P的作用,求A點的垂直位移。解:用能量法(外力功等于應(yīng)變能)①求內(nèi)力能量方法APROQMTAAPNBjTO③Workdonebyexternalforcesisequaltothestrainenergy②Strainenergy:ENERGYMETHODLetthen③外力功等于應(yīng)變能②變形能:能量方法Example2DeterminethedeflectionofpointCbytheenergymethod,wherethebeamisofequalsectionandstraight.
Solution:WorkdonebyexternalforcesisequaltothestrainenergyByusingsymmetryweget:Thinking:Forthedistributedload,canwedeterminethedisplacementofpointCbythismethod?qCaaAPBfENERGYMETHODLet[例2]用能量法求C點的撓度。梁為等截面直梁。解:外力功等于應(yīng)變能應(yīng)用對稱性,得:思考:分布荷載時,可否用此法求C點位移?能量方法qCaaAPBf
§11–2
MOHR’STHEOREM(METHODOFUNITFORCE)
DeterminethedisplacementfAofanarbitrarypointA.1、Provementofthetheorem:aAFigfAq(x)Figc
A0P=1q(x)fAFigb
A=1P0ENERGYMETHOD§11–2
莫爾定理(單位力法)求任意點A的位移fA。一、定理的證明:能量方法aA圖fAq(x)圖c
A0P=1q(x)fA圖b
A=1P0
Mohr’stheorem(methodofunitforce)2、GeneralformofMohr’stheoremENERGYMETHOD
莫爾定理(單位力法)二、普遍形式的莫爾定理能量方法3、WhatwemustpayattentiontoasweapplyMohr’stheorem:④CoordinateofM0(x)mustbecoincidewiththatofM(x).Foreachsegmentthecoordinatemaybesetupfreely.⑤Mohr’sintegrationmustbethroughthewholestructure.②M0:Theinternalforceofthestructureasweactageneralizedunitforcealongthedirection,ofthegeneralizeddisplacementthatistobedetermined,wheretheappliedforceistakenout.①M(x):Theinternalforceofthestructureactedbyoriginalloads.③Theproductoftheappliedgeneralizedunitforceandthegeneralizeddisplacementtobedetermineddeterminedmustbeofthedimensionofwork.
ENERGYMETHOD三、使用莫爾定理的注意事項:④M0(x)與M(x)的坐標(biāo)系必須一致,每段桿的坐標(biāo)系可自由建立。⑤莫爾積分必須遍及整個結(jié)構(gòu)。②M0——去掉主動力,在所求廣義位移
點,沿所求
廣義位移
的方向加廣義單位力
時,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力。①M(x):結(jié)構(gòu)在原載荷下的內(nèi)力。③所加廣義單位力與所求廣義位移之積,必須為功的量綱。能量方法Example3
DeterminethedisplacementandtheangleofrotationofpointCbytheenergymethod.Solution:①Plotthediagramofthestructureactedbytheunitload
②DeterminetheinternalforceBAaaCqBAaaC0P=1xENERGYMETHOD[例3]用能量法求C點的撓度和轉(zhuǎn)角。梁為等截面直梁。解:①畫單位載荷圖②求內(nèi)力能量方法BAaaCqBAaaC0P=1xSymmetry③DeformationBAaaC0P=1BAaaCqxENERGYMETHOD()③變形能量方法BAaaC0P=1BAaaCqx()④Determinetheangleofrotation.Setupthecoordinateagain(asshowninthefigure)
qBAaaCx2x1BAaaCMC0=1
d)()(
)()()(00)(00òò+=aBCaABxEIxMxMdxEIxMxMENERGYMETHOD=0④求轉(zhuǎn)角,重建坐標(biāo)系(如圖)
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]拐桿如圖,A處為一軸承,允許桿在軸承內(nèi)自由轉(zhuǎn)動,但不能上下移動,已知:E=210Gpa,G=0.4E,求B點的垂直位移。解:①畫單位載荷圖②求內(nèi)力能量方法510
20A300P=60NBx500Cx1510
20A300Bx500C=1P0③DeterminethedeformationENERGYMETHOD()③變形能量方法()§11–3CATIGLIANO’STHEOREMGive
Pn
anincrementdPn
,then:1)FirstapplyforcesP1、
P2、???、Pn
onthebody,then:2).FirstapplytheforcedPn
onthebody,then:1、Provementofthetheorem
dnENERGYMETHOD§11–3
卡氏定理給Pn
以增量dPn
,則:1.先給物體加P1、
P2、???、
Pn
個力,則:2.先給物體加力dPn
,則:一、定理證明
能量方法dnAgainapplyforces
P1、
P2、???、Pn,then:
dnn=nPU??dSecondCastigliano’stheoremItalianengineer—AlbertoCastigliano,1847~1884ENERGYMETHOD再給物體加P1、
P2、???、Pn個力,則:
能量方法dnn=nPU??d第二卡氏定理
意大利工程師—阿爾伯托·卡斯提安諾(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項:①U——整體結(jié)構(gòu)在外載作用下的線彈性變形能②
Pn視為變量,結(jié)構(gòu)反力和變形能等都必須表示為Pn的函數(shù)③
n為Pn
作用點的沿Pn
方向的變形。④當(dāng)無與
n對應(yīng)的Pn
時,先加一沿
n
方向的Pn
,求偏導(dǎo)后,再令其為零。能量方法dn3、Castigliano’stheoremforspecialstructures(rods):ENERGYMETHOD三、特殊結(jié)構(gòu)(桿)的卡氏定理:能量方法Example5Thestructureisshowninthefigure.DeterminethedeflectionandtheangleofrotationofthesectionA
byCatigliano’stheorem.③Determinethedeformation①DeterminetheinternalforceSolution:Determinethedeflection.Setupthecoordinate②Determinethepartialderivativeoftheinternalforcewithrespectto
PAALPEIxO
ENERGYMETHOD()[例5]結(jié)構(gòu)如圖,用卡氏定理求A
面的撓度和轉(zhuǎn)角。③變形①求內(nèi)力解:求撓度,建坐標(biāo)系②將內(nèi)力對PA求偏導(dǎo)能量方法ALPEIxO
()Determinetheangle
Aofrotation①DeterminetheinternalforceThereisnothegeneralizedforcecorrespondingto
A.wemayactone.“Negativesign”expressesthat
AiscontrarytothedirectionoftheactedgeneralizedforceMA()②DeterminethepartialderivativeoftheinternalforceM(x)withrespecttoMAandletMA=0.③Determinethedeformation(Note:MA=0)LxO
APMAENERGYMETHOD求轉(zhuǎn)角
A①求內(nèi)力沒有與
A向相對應(yīng)的力(廣義力),加之?!柏?fù)號”說明
A與所加廣義力MA反向。()②將內(nèi)力對MA求偏導(dǎo)后,令M
A=0③求變形(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
]結(jié)構(gòu)如圖,用卡氏定理求梁的撓曲線。解:求撓曲線——任意點的撓度f(x)①求內(nèi)力②將內(nèi)力對Px求偏導(dǎo)后,令Px=0沒有與f(x)相對應(yīng)的力,加之。能量方法PALxBPx
CfxOx1③Determinethedeformation(Note:Px=0)ENERGYMETHOD③變形(注意:Px=0)能量方法Example7
Abeamwithequalsectionisshowninthefigure.Determinethedeflectionf(x)ofpointBbyCatigliano’stheorem.②determineinternalforcesSolution:1.Determineredundantreactionsaccordingto③DeterminethepartialderivativeoftheinternalforcewithrespecttoRC.
①TakeaprimarybeamasshowninthePCAL0.5LBfxOPCAL0.5LBRCENERGYMETHODfigure.[例7]等截面梁如圖,用卡氏定理求B
點的撓度。②求內(nèi)力解:1.依求多余反力,③將內(nèi)力對RC求偏導(dǎo)①取靜定基如圖能量方法PCAL0.5LBfxOPCAL0.5LBRC④DeformationENERGYMETHODSo④變形能量方法2.Determine②Determinethepartialderivativeoftheinternalforcewithrespect①DeterminetheinternalforcesENERGYMETHODtoP.2.求②將內(nèi)力對P求偏導(dǎo)①求內(nèi)力能量方法③DeformationENERGYMETHOD()③變形能量方法()③DeterminethedeformationSolution:①Plotthediagramofthestructureactedbyunitload②DeterminetheinternalforceExample
8
Aframeisshowninthefigure.DeterminethedistancebetweensectionAandsectionB
afterthedeformation.PPAB11ENERGYMETHOD③變形解:①畫單位載荷圖②求內(nèi)力[例8
]結(jié)構(gòu)如圖,求A、B兩面的拉開距離。PPAB能量方法1159
Chapter11Exercises1.Astraightrodwiththetension(compression)rigidityEIissubjectedforcesshowninthefigure.Maythestrainenergybeexpressedas
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