铁木辛柯梁
基于传递函数解的铁木辛柯梁分析
一
（） ５
ｄ
ｄ
【 ・ ） ｄ ＋ Ｏ
ｄ ｒ
ｒ
ｄ ｘ
） ＋棚：０
式中 ｑ 为单位长度 内载荷在 Ｊ轴上的投影 ， 为单位长度 内载荷对横截面 中心点的力矩 。 ，
将微 分方 程 改写 成状 态空 问形 式 的方程 ：
’ ｄ （） ｄ ｏｘ ／ｘ＝Ｆ （） ｇ ｏｘ ＋ （）
截面…定垂直变形后的轴线 。铁木辛柯梁理论 的广义位移有两个 ：一是梁轴线的挠度 ｗ 和横截面 的转 （ ）
角Ｏｘ 。由于梁在变形后横截面不一定再垂直轴线 ，故转角Ｏｘ 与轴线的斜率之间并不存在如经典理论 （） （） 中的 Ｏｘ ＝ ｗｘ／ｒ （ ｄ （）ｄ 的简单关系 ） 取梁的轴线为ｘ 梁的挠 曲面为ｘ 轴， ｙ平面， 轴垂直于挠曲面。 ｚ 现研究梁 内任一点（ ， 。 Ｙｚ 它沿 Ｙ ） ， 轴的位移 ｕ ，，） ｗｘＹｚ可 由两个广义位移 ｗｘ 和 Ｏｘ 来表示 ： （ Ｙｚ （ ， ｘ ， ， ） （ ） （）
铁木辛柯梁理论
铁木辛柯梁理论
简称为“六理”的铁木辛柯梁理论是20世纪著名哲学家和历史
学家铁木辛柯、梁公开提出的一种“系统性社会理论”，旨在实施
“自由、平等、法治”的人权概念，以及在未来实现民主社会和新型
国家的建立。
铁木辛柯梁理论的一个关键思想是，一个强大的国家可以通过保
障人权来获得发展与繁荣，因此，铁木辛柯和梁提出，在未来的社会
发展中保护人权应成为国家最重要的任务。
此外，国家只有保护宪法
中规定的权利，改善人民的物质生活和持续发展，才能实现所谓的自
权安全。
此外，铁木辛柯梁理论还详细说明了每一个国家社会发展的未来
蓝图，把成长和发展过程定位到国家对民众权力的责任上。
理论的核
心就是人的自由、平等和尊严的维护，因为，只有当国民获得自由和
平等待遇时，会有社会新进展，把人类带到自由平等的社会。
另外，铁木辛柯梁理论还认为，法治的实施是社会发展不可或缺
的前提，它使国家能够有效管理国家和社会关系，并将国家的行动和
价值观以及国家标准配备于一身。
将法治作为社会进步的神经，它能
够完美融合社会所有组成部分，形成一个完整而和谐的国家机构系统。
从上述，我们可以明确看到，“铁木辛柯梁理论”作为一个“系
统性社会理论”，它提供了一种以自由、平等和法治为核心的社会理论，确保每个国家実施人权和法治的统一主体，有利于建立一个安全
而平等的社会。
铁木辛柯梁
铁木辛柯梁就是20世纪早期由美籍俄裔科学家与工程师斯蒂芬·铁木辛柯提出并发展得力学模型。
[1]［２]模型考虑了剪应力与转动惯性,使其适于描述短梁、层合梁以及波长接近厚度得高频激励时梁得表现。
结果方程有4阶,但不同于一般得梁理论,如欧拉-伯努利梁理论,还有一个2阶空间导数呈现。
实际上,考虑了附加得变形机理有效地降低了梁得刚度,结果在一稳态载荷下挠度更大,在一组给定得边界条件时预估固有频率更低。
后者在高频即波长更短时效果更明显,反向剪力距离缩短时也有同样效果。
铁木辛柯梁(蓝)得变形与欧拉-伯努利梁(红)得对比如果梁材料得剪切模量接近无穷,即此时梁为剪切刚体,并且忽略转动惯性,则铁木辛柯梁理论趋同于一般梁理论、准静态铁木辛柯梁铁木辛柯梁得变形、不等于。
在静力学中铁木辛柯梁理论没有轴向影响,假定梁得位移服从于式中就是梁上一点得坐标,就是位移矢量得三维坐标分量,就是对于梁得中性面得法向转角,就是中性面得在方向得位移。
控制方程就是以下常微分方程得解耦系统:静态条件下得铁木辛柯梁理论等同于欧拉-伯努利梁理论,即当可忽略上面控制方程得最后一项,得到有效得近似,式中就是梁得长度。
对于等截面均匀梁,合并以上两个方程,动态铁木辛柯梁在铁木辛柯梁理论中若不考虑轴向影响,则给出梁得位移式中就是梁内一点得坐标,就是位移矢量得三维坐标分量,就是对于梁得中性面得法向转角,就是中性面方向得位移。
从以上假设,铁木辛柯梁,考虑到振动,要用线性耦合偏微分方程描述:[３]其中因变量就是梁得平移位移与转角位移。
注意不同于欧拉－伯努利梁理论,转角位移就是另一个变量而非挠度斜率得近似。
此外,•就是梁材料得密度(而非线密度);•就是截面面积;•就是弹性模量;•就是剪切模量;•就是轴惯性矩;•,称作铁木辛柯剪切系数,由形状确定,通常矩形截面;•就是载荷分布(单位长度上得力);••这些参数不一定就是常数。
对于各向同性得线弹性均匀等截面梁,以上两个方程可合并成[4］［5]轴向影响如果梁得位移由下式给出其中就是方向得附加位移,则铁木辛柯梁得控制方程成为其中,就是外加轴向力。
梁的有限元分析原理 - 考虑剪切变形影响的梁单元
代人
比较：弯曲梁 单元中的单刚
得到：
等截面梁单元有限元分析
8
长沙理工大学
小结
剪切变形的影响通过系数b反映在刚度矩阵中，使刚度减弱。 对矩形截面：
，当l >>h，b趋于0，可以忽略剪力变形的影响。
等截面梁单元有限元分析
9
长沙理工大学
Timoshenko梁单元
铁木辛柯梁单元——采用两个独立变量 挠度 w
几何关系，曲率
对比
等截面梁单元有限元分析
3
最小势能原理
长沙理工大学
k为截面剪切校正因子
1.经典梁单元 2.铁木辛柯梁单元
——C1型单元 ——C0型单元
等截面梁单元有限元分析
4
长沙理工大学
在经典梁单元基础上引入剪切变形的影响. 挠度叠加
结点位移
其中
采用不考虑剪切变形梁单元的w相同的Hermite插值； 采用2结点的Lagrange插值，即线性插值。
解决方法
假设剪切应变
代替插值函数
计算泛函的剪切应变能时，θ采用低一 阶，和dw/dx同阶插值函数代替原插值 函数
18
等截面梁单元有限元分析
长沙理工大学
等截面梁单元有限元分析
——考虑剪切变形的梁单元
2014.4.13
1
长沙理工大学
介绍.
轴力构件 axial elements 杆单元
受弯构件 flexural elements 梁单元
考虑剪切变形的梁单元
等截面梁单元有限元分析
2
长沙理工大学 假设：梁内的横向剪切力Q所产生的剪切变形将引起梁的附加挠度， 并使原来垂直于中面的截面变形后不再和中面垂直，而且发生翘曲。 考虑剪切变形的梁单元 但在这里，假设原来垂直于中面的截面变形后仍保持为平面。 几何描述
铁木辛柯梁
运动平衡 平衡 本构模型
Material Laws Strains Kinematic equations Displacements Stresses Equilibrium Forces
1.2 Kinematic equations
Remember the equations for EulerBernoulli beams……
4.1 Solving problem
The process
Formulation FEM
Implementation Discretisation
Methods on implementation Methods on discretisation
4.2 High Order functions
Displacement
= 0 when parameter reaches
infinity
Locking
3.1 Locking behaviour exhibits slow converging rate
Converging behaviour of FE solution
1.2 1 Relative displacemen 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 15 Number of elements Euler Bernoulli (Analytical) Timoshenko (FE approximation) 20 25 30
Material Laws
M = EIκ Q = αGAγ
1.6 Boundary conditions
Displacement / Essential / Dirichlet
铁木辛柯梁四阶偏微分方程有限差分解
铁木辛柯梁四阶偏微分方程有限差分解全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：铁木辛柯梁四阶偏微分方程有限差分解铁木辛柯梁四阶偏微分方程是一种常见的工程数学问题，其求解方法之一是利用有限差分法进行数值模拟。
本文将介绍铁木辛柯梁四阶偏微分方程的定义和性质，以及如何利用有限差分法对其进行数值解析。
铁木辛柯梁四阶偏微分方程是描述弹性梁振动问题的一类方程，在工程力学和结构分析中有广泛的应用。
其一般形式可以表示为：\frac{\partial^4 u}{\partial x^4} = f(x)u是梁的位移函数，x是空间变量，f(x)是外力项。
铁木辛柯梁四阶偏微分方程的解代表了梁在给定外力作用下的变形情况。
1. 线性性质：方程是线性的，即其解满足叠加原理，可以分解为若干个简单形式的解的线性组合。
2. 边界条件：通常需要给定边界条件才能获得唯一解，例如位移和受力边界条件。
3. 初值条件：梁振动问题通常需要给定初值条件，如初始位移和速度，才能解得全体解。
4. 解的存在性和唯一性：在适当的边界条件和初始条件下，铁木辛柯梁四阶偏微分方程存在唯一解。
有限差分法是一种常用的数值计算方法，用来近似求解微分方程。
通过在区域内采用离散的网格点，将微分方程的微分算子用有限差分算子替代，从而将微分方程转化为代数方程组，再通过数值求解方法得到近似解。
对于铁木辛柯梁四阶偏微分方程，可以将其进行空间离散化，假设空间区域用n个网格点离散化为\Delta x的格点间隔，即x_i=i\Delta x，i=0,1,...,n。
然后利用中心差分法对微分算子进行离散化，即：\frac{\partial^4 u}{\partial x^4} \approx \frac{u_{i-2} - 4u_{i-1} + 6u_i - 4u_{i+1} + u_{i+2}}{\Delta x^4}将原方程代入离散化的微分算子，得到差分方程：通过整理可得：根据给定的边界条件和初始条件，可以通过迭代计算在网格点处的位移值u_i，从而得到铁木辛柯梁四阶偏微分方程的数值解。
铁木辛柯梁振动偏微分方程 推导过程
铁木辛柯梁振动偏微分方程推导过程示例文章篇一：《探索铁木辛柯梁振动偏微分方程的推导过程》哎呀，一提到铁木辛柯梁振动偏微分方程的推导过程，可能好多小伙伴就觉得头疼，觉得这是超级难的东西。
可我呀，就想试着跟大家讲讲，说不定讲着讲着大家就懂了呢！咱们先来说说铁木辛柯梁是啥。
想象一下，有一根长长的梁，就像咱们学校操场旁边的那个长长的栏杆一样。
不过这个梁可不是普通的梁哦，它有好多特性呢。
铁木辛柯梁考虑了梁的剪切变形和转动惯量，这就像是我们在玩搭积木的时候，不但要考虑积木块的形状（类似梁的形状），还要考虑它们的重量（类似转动惯量）和它们之间可能滑动变形的情况（类似剪切变形）。
那怎么开始推导这个方程呢？咱们得从最基本的东西开始想。
比如说力和变形的关系。
就好比我们拉一个弹簧，用力越大，弹簧拉得越长，这里面就有个关系对吧？对于铁木辛柯梁也一样。
我们先假设梁在振动呢。
这时候梁上的每个小部分都在动来动去。
我就想象我自己是梁上的一个小粒子，哎呀，那感觉可奇怪了。
周围的小伙伴们有的也在想象，他们就说：“你这小粒子，在梁上晃悠啥呢？”我就回答：“我这不是在感受梁振动嘛，这样才能更好地理解这个方程推导呀。
”我们要考虑梁的弯矩、剪力这些东西。
弯矩就像是一个大力士在梁的一端使劲拧梁，让梁有弯曲的趋势。
剪力呢，就像是有一把大剪刀在梁上想要把梁剪开一样。
这两个力在梁振动的时候可重要啦。
那怎么把这些力和梁的振动联系起来呢？这就需要用到一些物理的知识啦。
我们知道加速度和力是有关系的，就像我们跑步的时候，用力跑就有加速度，跑得就越来越快。
梁上的小粒子也有加速度呢。
我就跟小伙伴们讨论：“你们说这个小粒子的加速度该怎么算呀？”有个聪明的小伙伴说：“肯定和梁的变形有关系呀。
”他说得对极了。
我们假设梁在x方向上，然后我们看梁的一个小段。
这个小段的长度很小很小，就像我们铅笔尖那么小。
在这个小段上，弯矩的变化、剪力的变化都和梁的振动有关系。
我就像是个小侦探一样，在这个小段上找线索。
铁木辛柯梁理论
铁木辛柯梁理论
铁木辛柯梁理论，也称为“铁木辛柯理论”，是一种有助于改善社会状况的理论。
它是由美国社会学家罗伯特·铁木辛柯（Robert K Merton）在1936年提出的。
这一理论的主要观点是，社会结构和社会动力的冲突导致了社会变革的发生。
铁木辛柯梁理论的核心思想是，社会结构和社会动力之间存在着某种冲突关系，这种冲突关系会导致社会状态的变化。
这种冲突关系是以某种方式建立在社会结构和社会动力之间的，这种冲突关系也称为“梁型模型”。
梁型模型的核心思想是，当两个相互矛盾的力量即社会结构和社会动力之间存在着某种冲突时，就会产生社会变革。
铁木辛柯梁理论的核心思想是，社会结构和社会动力之间的冲突可以解释社会变革的发生。
它认为，社会结构和社会动力之间的冲突会导致社会变革，从而改善社会状况。
铁木辛柯梁理论强调，社会变革是一个可以改善社会状况的过程，这种变革是由社会结构和社会动力之间的矛盾冲突而引起的。
因此，铁木辛柯梁理论的核心思想是，社会结构和社会动力之间的冲突可以解释社会变革的发生，从而改善社会状况。
因此，通过解决社会结构和社会动力之间的冲突，可以促进社会变革，改善社会状况。
此外，铁木辛柯梁理论还提出了一些解决社会冲突的政策和策略，如社会政策的调整、社会经济政策的实施等，以促进社会变
革，改善社会状况。
铁木辛柯梁固有振动频率的边界元解法
铁木辛柯梁固有振动频率的边界元解法引言边界元方法是一种常用于求解结构振动问题的数值方法。
它在结构振动频率分析中得到了广泛应用。
本文将探讨边界元方法在求解铁木辛柯梁的固有振动频率时的应用。
铁木辛柯梁的定义和振动问题的描述铁木辛柯梁是一种常见的结构形式，它由不同材料组成，每个材料的密度、弹性模量、几何形状等属性可能不同。
铁木辛柯梁在实际工程中常用于桥梁、飞机等结构的设计和分析。
在结构动力学中，我们关注的是铁木辛柯梁的固有振动频率。
固有振动频率是指结构在没有外力作用下自由振动的频率。
对于铁木辛柯梁而言，我们希望求解出其各种模态下的固有振动频率和振动模态形态。
边界元方法的原理边界元方法是一种基于强制边界条件的数值方法。
其基本思想是将求解区域划分为许多小的单元，称为边界元或边界单元。
在每个边界元上，我们只需要求解边界上的位移，通过满足边界条件将位移传递给相邻的边界元，并通过迭代求解获得整个结构的位移响应。
铁木辛柯梁的边界元模型建立铁木辛柯梁的边界元模型需要考虑材料的特性、几何形状和边界条件等。
对于简化的情况，我们可以假设铁木辛柯梁是线性弹性材料，且其截面积在整个结构上是均匀的。
在建立边界元模型时，首先将铁木辛柯梁的截面划分为若干个边界元。
然后在每个边界元上采用适当的形函数展开边界位移。
最后，通过满足边界条件以及结构的连续性条件，得到整个结构的位移响应。
求解铁木辛柯梁的固有振动频率在边界元模型的基础上，我们可以利用边界元方法求解铁木辛柯梁的固有振动频率。
具体而言，我们将结构的位移响应代入结构的运动方程中，得到一个特征值问题。
通过求解该特征值问题，我们可以得到结构的固有振动频率和振动模态形态。
对于大规模的结构，求解特征值问题往往是一个计算量巨大的过程。
在实际求解中，我们可以采用数值方法，如迭代法、广义特征值分析等，来有效地求解铁木辛柯梁的固有振动频率。
数值实验与结果分析在本节中，我们将通过数值实验验证边界元方法在求解铁木辛柯梁的固有振动频率时的有效性。
铁木辛柯梁
§3.2 Timoshenko梁理论
• 将横向剪切变形加入Euler-Bernoulli梁模型就得 出Timoshenko梁理论。 • 在此理论中，为了简化运动方程的导数，剪应变 在一个给定横截面上是常值。接着引入剪切校正 因子来解释这种简化，其值取决于横截面的形状。 在横向剪切的存在下，横截面的旋转就由挠曲和 横向（平面外）剪变形引起。
§3 铁木辛柯梁和欧拉梁的区别
铁木辛柯梁（蓝）的变形与欧拉-伯努利梁 （红）的对比
§3.1 Euler-Bernoulli梁理论
• Euler-Bernoulli梁理论认为横截面在变形前和变 形后都垂直于中心轴并不受任何应变(也就是说其 构型仍无缺的)。换句话说，翘曲和横向剪切变形 的影响和横向正应变非常小，所以可以忽略不计。 • 这些假设对细长梁是有效的。无横向剪切意味着 横截面的旋转只由挠曲引起。对于厚梁，高频模 态的激励，复合材料梁问题，横向剪切不可以忽 略。
§3.3 铁木辛柯梁和欧拉梁的区别
• 欧拉-伯努利梁：弯曲梁，线弹性理论的简化，只 考虑横向弯曲，可以看作铁木辛柯梁的特例。 • 铁木辛柯梁：考虑剪切和转动效应，可以处理 “短梁”。
§2 铁木辛柯梁的介绍
• 铁木辛柯梁是20世纪早期由美籍俄裔科学家与工 程师斯蒂芬·铁木辛柯提出并发展的力学模型。 模型考虑了剪应力和转动惯性，使其适于描述短 梁、层合梁以及波长接近厚度的高频激励时梁的 表现。结果方程有4阶，但不同于一般的梁理论， 如欧拉-伯努利梁理论，还有一个2阶空间导数呈 现。 • 实际上，考虑了附加的变形机理有效地降低了梁 的刚度，结果在一稳态载荷下挠度更大，在一组 给定的边界条件时预估固有频率更低。
§3.3 铁木辛柯梁和欧拉梁假设的区别
• 欧拉－伯努利梁理论有两个假设：（1）变形前垂 直梁中心线的平剖面，变形后仍然为平面（刚性 横截面假定）；（2）变形后横截面的平面仍与变 形后的轴线相垂直。 • 铁木辛克梁理论有两个假设：（1）变形前垂直梁 中心线的平剖面，变形后仍然为平面（刚性横截 面假定）；（2）由于欧拉－伯努利梁的第二个假 设忽略了梁的剪切变形，对于有效长度较短或复 合材料梁板桥时，忽略剪切变形是不妥的，铁木 辛克提出让梁的应力应变关系得到满足。 • 可以看出，主要区别在于第二个假设。
铁木辛柯梁固有振动频率的边界元解法
铁木辛柯梁固有振动频率的边界元解法铁木辛柯梁固有振动频率的边界元解法是一种用于求解结构固有振动频率的数值方法。
它是基于边界元法的，通过将结构分解为一系列小的面元，然后在每个面元上求解振动方程，最终得到整个结构的固有振动频率。
边界元法是一种基于边界条件的数值方法，它将结构分解为一系列小的面元，然后在每个面元上求解边界条件，最终得到整个结构的解。
在铁木辛柯梁固有振动频率的边界元解法中，每个面元都被视为一个简单的弹性体，其振动方程可以用标准的弹性理论来求解。
在求解过程中，需要先将结构分解为一系列小的面元，然后在每个面元上求解振动方程。
这个过程可以通过将结构离散化为一系列小的三角形或四边形面元来实现。
然后，对于每个面元，可以使用标准的弹性理论来求解其振动方程。
最终，将所有面元的振动方程组合起来，就可以得到整个结构的固有振动频率。
铁木辛柯梁固有振动频率的边界元解法具有以下优点：1. 可以处理复杂的结构形状。
由于边界元法是基于边界条件的，因此它可以处理任意形状的结构，包括非常复杂的形状。
2. 精度高。
边界元法可以提供非常高的精度，尤其是在处理结构边界上的问题时。
3. 计算效率高。
边界元法只需要在结构表面上求解振动方程，因此它的计算效率比有限元法高得多。
4. 可以处理大型结构。
由于边界元法只需要在结构表面上求解振动方程，因此它可以处理非常大的结构，而不需要对整个结构进行离散化。
总之，铁木辛柯梁固有振动频率的边界元解法是一种非常有效的数值方法，可以用于求解各种结构的固有振动频率。
它具有高精度、高效率和能够处理复杂结构等优点，在结构分析和设计中具有广泛的应用前景。
剪切修正系数的测定
铁木辛柯梁剪切修正系数的测定铁木辛柯梁理论是欧拉梁模型的改进，考虑了剪切变形，适用于短梁(长、宽比小于10)，当只有分部横向载荷作用时，铁木辛柯梁的方程为：2222()0d w d C C q x dx dx d d C D C dx dx ψψψψ⎧-+=⎪⎪⎨⎪--+=⎪⎩(1) (4)D Dw q q C ''⇒=- (2)其中D EI =弯曲刚度，C k A μ=是剪切刚度，k 剪切修正系数，A 截面面积。
简支梁的解设0w 是欧拉梁的解，满足方程(4)0Dw q ⇒=，边界条件：000,0,0, 0x l x l w w ==''==。
铁木辛柯梁的解可取为：000, D w w w w Cψ'''=-=代入(1)式直接验证可知满足方程。
而且，显然有0000,0,0,0,0,0, 0x l x l x l x l x lD w w w w Cψ====='''''=-===，所以000, D w w w w C ψ'''=-=也满足边界条件，则000, D w w w w C ψ'''=-=就是铁木辛柯简支梁的解。
这说明，只要知道欧拉简支梁的解，就可求出铁木辛柯简支梁的解。
欧拉梁中点作用集中力F 的解为： 2203() (0)1242Fx l l w x x EI =-≤≤ 22003() (0)12422D Fx l D Fx l w w w x x C EI C EI ''=-=--≤≤ 33max (1)()2484482l Fl D Fl l l w w F EI C EI EI kAE ν⎛⎫+==--=-+ ⎪⎝⎭。
三点弯实验中测得载荷-挠度曲线(maxw F )，求出其斜率就得到3(1)482l l EI kAE ν++，其中截面面积、惯性矩可以算出，杨氏模量和泊松比为已知或由另外实验测出，这样就可算出剪切修正系数k 。
基于铁木辛柯梁理论的工字梁剪切变形计算方法研究
基于铁木辛柯梁理论的工字梁剪切变形计算方法研究辛育霞，王勇，付佳豪，倪天琦，齐贺阳（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）摘要：飞机机翼通常采用工字梁作为支撑结构，然而由于工字梁的几何参数改变，理论计算会受到影响，梁理论的选择会直接影响计算结果。
目前，现有的工字梁挠度计算主要基于欧拉-伯努利梁理论，未充分考虑梁弯曲时存在的剪切变形。
因此，本文提出了一种基于铁木辛柯梁理论的考虑剪切作用的工字梁计算方法，用于针对受集中力影响的工字梁进行计算。
通过表征剪切变形对梁变形的影响，获得了剪切变形对梁的作用规律，并解释了剪切变形在梁中的变形机制。
研究表明，当工字悬臂梁靠近固定端一定范围内以及梁的跨高比小于5时，计算时应考虑剪切变形的影响。
该计算方法得出的内力计算理论结果与仿真及电测法结果基本一致，可以应用于实际工程计算中。
关键词：工字梁；剪切变形；铁木辛柯梁理论；电测法中图分类号：TB9;V224 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2023）05-0031-08Research on calculation method of shear deformation of I⁃beam based onTimoshenko beam theoryXIN Yuxia, WANG Yong, FU Jiahao, NI Tianqi, QI Heyang(Changcheng Institute of Metrology & Measurement, Beijing 100095, China)Abstract: Aircraft wings usually use I⁃beams as support structures. However, due to changes of the geometric param⁃eters of the I⁃beams, theoretical calculations will be affected, and the choice of beam theory will directly affect the calcula⁃tion results. At present, the existing deflection calculation of I⁃beams is mainly based on the Euler Bernoulli beam theory, without fully considering the shear deformation during beam bending. Therefore, this article proposes a calculation method for I⁃beams considering shear effects based on the Timoshenko beam theory, which is used to calculate I⁃beams af⁃fected by concentrated forces. By characterizing the effect of shear deformation on beam deformation, the law of action of shear deformation on the beam was obtained, and the deformation mechanism of shear deformation in the beam was ex⁃plained. Research has shown that when the I⁃shaped cantilever beam is within a certain range near the fixed end and the span to height ratio of the beam is less than 5, the influence of shear deformation should be considered in the calculation. The theoretical results of internal force calculation obtained by this method are basically consistent with the results of simulation and electrical measurement method, and can be applied to practical engineering calculation.Key words: I⁃beam; shear deformation; Timoshenko beam theory; electrometric methoddoi：10.11823/j.issn.1674-5795.2023.05.05收稿日期：2023-03-17；修回日期：2023-04-12基金项目：航空创新基金项目（ZC02102280）引用格式：辛育霞，王勇，付佳豪，等.基于铁木辛柯梁理论的工字梁剪切变形计算方法研究［J］.计测技术，2023，43（5）：31-38.Citation：XIN Y X，WANG Y，FU J H，et al.Research on calculation method of shear deformation of I⁃beam based on Timoshenko beam theory［J］.Metrology & Measurement Technology，2023，43（5）：31-38.0 引言工字梁是一种空腹式杆件，这种截面设计主要通过离形心最远的翼缘抵抗弯曲，利用腹板抵抗剪切，具有强度高、重量轻的优点，是飞机机翼的理想支撑结构［1］，针对工字梁的研究是研究机翼变形的基础。
铁木辛柯梁的边界函数
铁木辛柯梁的边界函数一直以来，铁木辛柯梁（TikhonovLyapunov）边界函数在系统动力学领域中被广泛应用，用来评估动力学系统可能的稳定性和不稳定性，以及可能的失控行为。
它是一种实用性强的可应用于确定系统性能限制的分析方法，最近也应用于控制设计、针对重要分析任务的鲁棒控制任务、航空航天系统诊断和故障排除等领域。
本文首先简要介绍了铁木辛柯梁边界函数，然后讨论了它在理论和实践方面的应用，以及应用它来评估动力学系统可能的稳定性;最后，综述了该边界函数对系统的性能约束和失控行为的影响。
简而言之，铁木辛柯梁边界函数是一种可以评估动力学系统稳定性的分析工具。
它通过计算系统内部变量来识别可能存在的振荡和不稳定性，从而为控制系统提供稳定性限制。
具体来说，铁木辛柯梁边界函数是一个系统动力学概念，可以应用于估计被称为“静止点”或“失控点”的某些类型的稳定性，也就是某种特定的状态，其输入和输出值不会改变。
实际上，该边界函数可以被认为是一种显示系统的边界，可以用来预测系统结构是否会失控。
铁木辛柯梁边界函数也可以用于确定动力学系统的性能限制，考虑到系统动力学的复杂性，许多系统需要在有限的时间内执行一个任务。
在此情况下，该边界函数可以用来确定系统在完成某个任务所需的最小延迟时间、最大延迟时间、最小输出振幅和最小反应时间等几个性能限制，从而提高系统性能。
在系统诊断和故障排除方面，铁木辛柯梁边界函数可以用来检测系统中的轻微故障，进而改善系统的容错性和可靠性。
例如，铁木辛柯梁边界函数可以在系统中发现偏移和延迟，并帮助检测器更好地识别故障，从而对系统进行有效的诊断和故障排除。
最后，铁木辛柯梁边界函数可以用于评估不同系统的运行行为，包括执行时间、稳定性、可靠性和可控性。
结合动力学系统的稳定性和不稳定性，这种边界函数可以帮助设计者识别系统中可能出现的失控行为，从而对其进行改进和改善。
总之，铁木辛柯梁边界函数是一种实用性强的分析工具，可用于评估动力学系统的可能稳定性和不稳定性，并通过系统内部参数检测稳定性限制，有助于系统故障诊断和故障排除以及系统性能评估。
铁木辛柯梁
§1.1 铁木辛柯的学术作品
• 铁木辛柯是一位力学教育家，他主讲过很多重要 的力学课程，还培养了许多研究生。 • 他把很多精力用于编写书籍，计编写了《材料力 学》、《高等材料力学》、《结构力学》、《工 程力学》、《高等动力学》、《弹性力学》、 《弹性稳定性理论》、《工程中的振动问题》、 《弹性系统的稳定性》、《高等动力学》、《板 壳理论》和《材料力学史》等二十种书。计有等 20多部。这些教材影响很大，被翻译为世界各国 的多种文字出版，其中大部分有中文译本，有些 书至今仍被教学采用。此外他还写了《俄国工程 教育》和《自我回忆》两书
§1.1 铁木辛柯的学术研究
• 铁木辛柯在应用力学方面著述甚多。1904年他发 表第一篇论文《各种强度理论》，次年发表《轴 的共振现象》，首次考虑到质量分布的影响，并 把瑞利方法应用于结构工程问题。 • 1905年，他得出开口剖面薄壁杆扭转问题中扭矩T 和转角嗞的关系。1906年,他解决了用板的挠度微 分方程去求板受压的临界值问题。以后又发表了 关于弹性体稳定性问题的论文多篇，对船舶制造 和飞机设计有指导意义。
§3.3 铁木辛柯梁和欧拉梁假设的区别
• 欧拉－伯努利梁理论有两个假设：（1）变形前垂 直梁中心线的平剖面，变形后仍然为平面（刚性 横截面假定）；（2）变形后横截面的平面仍与变 形后的轴线相垂直。 • 铁木辛克梁理论有两个假设：（1）变形前垂直梁 中心线的平剖面，变形后仍然为平面（刚性横截 面假定）；（2）由于欧拉－伯努利梁的第二个假 设忽略了梁的剪切变形，对于有效长度较短或复 合材料梁板桥时，忽略剪切变形是不妥的，铁木 辛克提出让梁的应力应变关系得到满足。 • 可以看出，主要区别在于第二个假设。
§3.2 Timoshenko梁理论
• 将横向剪切变形加入Euler-Bernoulli梁模型就得 出Timoshenko梁理论。 • 在此理论中，为了简化运动方程的导数，剪应变 在一个给定横截面上是常值。接着引入剪切校正 因子来解释这种简化，其值取决于横截面的形状。 在横向剪切的存在下，横截面的旋转就由挠曲和 横向（平面外）剪变形引起。
铁木辛柯梁轴向应变
铁木辛柯梁轴向应变
铁木辛柯梁轴向应变是指铁木辛柯梁在轴向受力下产生的变形情况。
铁木辛柯梁是一种传统的建筑材料，由铁木辛柯这种特殊的木材制成，具有较高的强度和耐久性。
在建筑结构中，铁木辛柯梁常常承受着巨大的轴向力，因此轴向应变的研究对于确保结构的稳定性和安全性具有重要意义。
铁木辛柯梁轴向应变的大小与轴向受力的大小有直接关系。
当外力作用于铁木辛柯梁上时，梁体会发生弯曲和拉伸等变形。
这种变形会导致梁体内部产生轴向应变，即单位长度的变形量。
轴向应变是一个标量，用来描述梁体在轴向方向上的变形程度。
铁木辛柯梁轴向应变的计算通常采用应变-位移关系来进行。
应变与位移之间存在着一定的比例关系，可以通过测量位移来计算出轴向应变。
在实际工程中，我们可以使用应变计等专门的仪器来测量轴向应变，从而评估结构的变形情况。
铁木辛柯梁轴向应变的大小对结构的安全性和稳定性有着重要影响。
如果轴向应变过大，可能会导致铁木辛柯梁的破坏或失效，从而引发严重的安全事故。
因此，在设计和施工过程中，需要合理控制轴向力的大小，以保证铁木辛柯梁的正常使用和寿命。
铁木辛柯梁轴向应变是一个重要的工程问题，对于确保结构的安全性和稳定性至关重要。
通过合理的设计和施工，可以有效控制轴向
应变的大小，从而保证铁木辛柯梁的正常使用和寿命。
这对于建筑结构的可靠性和稳定性具有重要意义，也是工程师们在实践中需要重视的问题。
铁木辛柯梁的边界函数
铁木辛柯梁（Per Martin-Löf）是20世纪著名的数学家、逻辑学家和计算机科学家，他在逻辑学、数学和计算机科学等领域做出了许多重要的贡献。
铁木辛柯梁的边界函数是他在逻辑学研究中提出的一个概念。
边界函数是一种数学函数，它的定义域为自然数集，值域为布尔值（即真和假）。
边界函数的作用是将一个序列的前缀（即从序列的第一个元素开始的一段序列）映射到布尔值。
如果该前缀符合某些条件，则边界函数的值为真；否则，边界函数的值为假。
例如，设有一个序列{a1, a2, a3, …}，假设我们想要求出序列中从第一个元素开始的前缀中，满足条件“所有元素的和大于100”的最小的前缀的长度。
我们可以定义一个边界函数f(n)，当且仅当序列{a1, a2, a3, …, an}中所有元素的和大于100时，f(n)的值为真；否则，f(n)的值为假。
这样，我们就可以通过求出f(n)的最小的真值，来解决上述问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
铁木辛柯梁（Timoshenko beam）就是能考虑剪切变形的梁。
具体地说，它的位移和截面转角是独立插值的，而不是由位移的导数来求得。
就是对于梁的高度较大，铁木辛柯梁是考虑剪切的梁，欧拉梁（Euler–Bernoulli beam）是材料力学里讲的梁，忽略剪切作用。
铁木辛柯梁主要考虑剪切变形，而且位移和转角是独立的，不是通过位移导数求得。
欧拉梁基于平截面假定，弯曲是主要变形，忽略剪切变形的影响，其计算公式通过平衡微分方程得到，而非变形协调方程。
The model takes into account shear deformation and rotational inertia effects, making it suitable for describing the behavior of short beams, sandwich composite beams or beams subject to high-frequency excitation when the wavelength approaches the thickness of the beam.
Example of simply support beam in Timoshenko beam theory
and the free end is at . If a point load is applied to the middle of beam in the positive direction there are some equation:
Therefore, from the expressions for the bending moment and shear force, we have
Integration of the first equation, and application of the boundary
condition at , leads to
The second equation can then be written as
Integration and application of the boundary condition at gives
The axial stress is given by。