英国名校结构力学第3讲
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结构力学——静定多跨梁讲解
静定平面刚架(frame)
悬臂刚架
静
定
A
D
刚
简支刚架
架
B
C
三铰刚架
D
E
刚架--具有刚结点的由 直杆组成的结构。
有基、附关系的刚架
超静定刚架
一个多余约束
三个多余约束
刚结点处的 变形特点
保持角度不变
平面刚架受力分析
结构特点:
PB
C
PB
C
A
D
B、C—铰结点
(受力简单,空间小 )
A
D
B、C —刚结点
组 成 例 子
F2 F1
F2
F1
分析顺序:先附属部分,后基本部分。 荷载仅在基本部分上,只基本部分受力,附属 部分不受力; 荷载在附属部分上,除附属部分受力外,基本 部分也受力。
例
18
叠层关系图
先附属,后基本,区段叠加
10
10 5
12
例
例:图示多跨静定梁全长受均布荷载 q,各跨长度均为 l。欲使梁上最大正、负弯矩的绝对值相等,试确 定铰 B、E 的位置。
FAy ql / 2 M / l FAy
FBy
MB ql2 / 2 M FAyl 0 FBy ql / 2 M / l M A ql2 / 2 M FByl 0
理力、材力相关内容复习
悬臂梁AB受图示荷载作用,试求A的支
座反力。
MA
q
M
Fx FAx 0 FAx A
刚体上一个力系的等效平移
理力、材力相关内容复习
y 坐标单位 m
FP1
FP1 10 2 kN (FP1, i ) 450
3-5组合结构(结构力学第3章)
FN图(kN )
例3-13 分析图示组合结构的内力。
M 图(kN m)FQ图源自kN )FN图(kN )例3-14 计算图示组合结构中链杆的轴力, 并作出受弯杆的M图。
MJ 0 :
M图, FN
FNHG 3a FNHC 2a FNDG 2a q 2a a 2qa 2a 0
FNHG a FNHC 2a 0
再考虑HBF部分对F点的力矩平衡, 有:
结合 FNHC FNDG ,可得:
FNHG 2qa, FNHC FNDG 2qa
若将铰F的位置上移, 则结构的受力状态不再对称。
(c )
可将刚片EAG和HBF视作链杆, 将链杆GH视作刚片, 然后按三刚 片问题进行求解; 即用m-m截断形成无穷远处虚铰的链杆CH和EG, 由 刚片Ⅲ对虚铰(Ⅱ, Ⅲ)和刚片Ⅱ、Ⅲ联合体对虚铰(Ⅰ, Ⅱ)的力矩平衡 方程联立解得以上两链杆的轴力, 问题便可以得到解决。 其中, EAG部分的弯矩可根据虚拟链杆EG的轴力, 按图3-55c求得。
析:因DE杆与受弯杆平行,链杆DF和EG又与之垂 直,可判定受弯杆全长受轴向压力90kN。
FN图(kN )
例3-13 分析图示组合结构的内力。
M 图(kN m)
MF FyA 2.5m FNDE 1m 30kN 1m 20kN m MG FyB 2.5m FNDE 1m 40kN m
§3-5 组合结构
不要遗漏受弯 杆件的剪力。 计算步骤:⑴求支座反力;⑵计算各链杆的轴力; ⑶计算受弯杆件的内力。
三铰组合屋架
悬吊式桥梁
例3-13 分析图示组合结构的内力。
解:⑴求支座反力。 ⑵计算各链杆的轴力。
结构力学3
C
25 5 20 25 50 20
F
55
G
85 40 10
H
50
40k N A 25 2m B 2m C 2m 5 50 20 50 40k N D 1m
80k N· m E 2m 2m 1m 55 40 40 20 F
20k N/m G 4m 85 40 10 2m H
M 图(k N· m)
20k N/m
FP=8kN q=4 kN/m
l FQc
M c 17
取GB部分为隔离体,可计算得:
M G 7 1 7 kN
r
17
23
MG
r
G
B 7
FQG 7
r MG 7
FQG
G
17 9 A + C D E F G _ B
m=16kN.m B 8
7
FQ图(kN)
§3-2.多跨静定梁
1、多跨静定梁的几何组成特性
(2)跨中集中力偶作用下
4kN· m
4kN· m
(3)叠加得弯矩图
4kN· m
(3)叠加得弯矩图
6kN· m 4kN· m
4kN· m
2kN· m
分段叠加法作弯矩图的方法:
(1)选定外力的不连续点(集中力作用点、集中力偶作用点、分布荷载的
始点和终点)为控制截面,首先计算控制截面的弯矩值; (2)分段求作弯矩图。当控制截面间无荷载时,弯矩图为连接控制截面弯
F 0,
x
X B X C 0, X C Fp ()
XC
YC
B
XB
YB
3)取整体为隔离体 Fy 0,YA YB 0,YA YB Fp () l M A 0, M A Fp 2 YB l 0, 1 M A Fp l (顺时针转) 2
结构力学I-第三章 静定结构的受力分析(桁架、组合结构)
FNEC FNED 33.54 kN
Y 0 FNEC sin FNED sin FNEA sin 10 kN 0
联立解出
FNEC FNED 10 5 33.5 思考:能否更快呢? FNEC 22.36 kN, FNED 11.18 kN
00:44
静定平面桁架
• 桁架的内力计算
由力矩平衡方程 ∑ ME = 0,可求CD杆内力。
FA×d - FNCD×h = 0
FNCD = FAd / h = M0E / h
F1 F2 F3 F4 F5
M0E FA
6d
M FB
若M0E > 0,则FNCD >0 (下弦杆受拉 )
M0E是什么?
00:44
I
II
静定平面桁架
I
II
• 桁架的内力计算
简支梁
悬臂梁
伸臂梁
刚架:受弯构件,由若干直杆联结而成的结构,其中全部或部份 结点为刚结点;
A
D
B
C
简支刚架
悬臂刚架
三铰刚架
00:44
回顾
• 结构内力图
M–AB (表0) 示结构上各截面内力值的图形:弯矩图、M剪BA (0)
力图、A端轴力图;
A
B
FNA横B 坐标 -- 截面位置;
内力图 - 弯矩
A
FA
FB
– 截面法
• 例1:试求图示桁架中杆EF、ED,CD,DG的内力。
解: ⑶ 求上弦杆EF内力,力矩法;
取 ED 和 CD 杆 的 交 点 D 为 矩 心 , 先 求 EF 杆 的 水 平 分 力
FxEF,由力矩平衡方程∑MD = 0,
FA×2d - F1×d + FxEF×H = 0
Y 0 FNEC sin FNED sin FNEA sin 10 kN 0
联立解出
FNEC FNED 10 5 33.5 思考:能否更快呢? FNEC 22.36 kN, FNED 11.18 kN
00:44
静定平面桁架
• 桁架的内力计算
由力矩平衡方程 ∑ ME = 0,可求CD杆内力。
FA×d - FNCD×h = 0
FNCD = FAd / h = M0E / h
F1 F2 F3 F4 F5
M0E FA
6d
M FB
若M0E > 0,则FNCD >0 (下弦杆受拉 )
M0E是什么?
00:44
I
II
静定平面桁架
I
II
• 桁架的内力计算
简支梁
悬臂梁
伸臂梁
刚架:受弯构件,由若干直杆联结而成的结构,其中全部或部份 结点为刚结点;
A
D
B
C
简支刚架
悬臂刚架
三铰刚架
00:44
回顾
• 结构内力图
M–AB (表0) 示结构上各截面内力值的图形:弯矩图、M剪BA (0)
力图、A端轴力图;
A
B
FNA横B 坐标 -- 截面位置;
内力图 - 弯矩
A
FA
FB
– 截面法
• 例1:试求图示桁架中杆EF、ED,CD,DG的内力。
解: ⑶ 求上弦杆EF内力,力矩法;
取 ED 和 CD 杆 的 交 点 D 为 矩 心 , 先 求 EF 杆 的 水 平 分 力
FxEF,由力矩平衡方程∑MD = 0,
FA×2d - F1×d + FxEF×H = 0
结构力学第3章
MA
MB
(b)
Fp
(c)
abFp/l MA MB
(d)
下面把上述叠加法推广应用于直杆的任一区段——区段 区段 下面把上述叠加法推广应用于直杆的任一区段 叠加法。 叠加法。 以图示简支梁的KJ段为例说明区段叠加法应用过程 段为例说明区段叠加法应用过程。 以图示简支梁的 段为例说明区段叠加法应用过程。
q
M CA = M CB = VB × 4 − Fp × 2 = 120 kN.m
1 V A = (F p × 2 + q × 4 × 6 ) = 70kN 8
MC FNC C FQC
图(b) 70
Fp=40kN
B
VB
FQ图(kN): :
⊕
x 10
⇓ 50 M图(kN.m): 图 :
极值点的弯矩 在剪力图中, 在剪力图中,利用几何关系得
(1)无荷载区段,M图为斜直线,故只需求出该区段任意 无荷载区段, 图为斜直线 无荷载区段 图为斜直线, 两控制截面的弯矩便可绘出; 两控制截面的弯矩便可绘出; (2)均布荷载区段,M图为抛物线且其凸出方向与荷载指 均布荷载区段, 图为抛物线且其凸出方向与荷载指 均布荷载区段 向相同; 向相同; (3)M图的极值点,或在 Q=0处,或在 Q发生变号处; M图的极值点,或在F 处 或在F 发生变号处;
1.1 截面法的基本步骤 (1)将结构沿所求内力的截面,用一假想的平面切开(截); 将结构沿所求内力的截面,用一假想的平面切开 截 ; 将结构沿所求内力的截面 (2)取其任一部分为研究对象(称隔离体),把丢弃部分对 取其任一部分为研究对象( ),把丢弃部分对 取其任一部分为研究对象 称隔离体), 研究的作用用内力代替( 研究的作用用内力代替(取); (3)对研究对象应用平衡方程,即可求出指定截面的内力 对研究对象应用平衡方程, 对研究对象应用平衡方程 (列方程求解)。 列方程求解)。 注意:在列方程求内力之前,结构的全部外力(荷载及约 注意:在列方程求内力之前,结构的全部外力( 束反力)必须为已知或已求出。 束反力)必须为已知或已求出。 1.2 梁的内力正负符号规定 轴力F 拉力为正; 轴力 N——拉力为正; 拉力为正 剪力F 绕隔离体顺时针方向转的为正; 剪力 Q——绕隔离体顺时针方向转的为正; 绕隔离体顺时针方向转的为正 弯矩M——使梁下部纤维受拉的为正。 使梁下部纤维受拉的为正。 弯矩 使梁下部纤维受拉的为正 下面举例说明截面法及其应注意的事项
结构力学第三章
q
2 1 0
l
3 6 7 4
l
5 图3.6
解: (1)计算弹性支座柔性系数A 首先需设在节点1处柔性系数A= ,则由下图 可求出柔性系数A。
由力的平衡知,有M4=Rl,其变形连续方程为:
R
v1 M 4l M 4l M 5l M 4l M 5l , 0 l 3EI 3EI 6 EI 6 EI 3EI
第2章 力法
3.3 图3.3为船上龙门吊计算简图,并画出 弯矩图。已知 l12 l45 2l , l23 l56 l , l14 3l , I12 I45 I , I23 I56 1.5I , I14 2I ; p 10ql 。
l14/2 1 p 4
2
5
q
为此,将各杆取出有:
FB B FB ME p A= ME C FC
FC
R1E
MF A= MF
R1F
R2E
R2F
MA
MD RA RD
要使杆B-C轴向力平衡必有 FB=FC 由图中杆E-B和杆A-E可得:
R1E p
12 p 5M E 2M A 0 故有: 由图中杆D-F和杆F-C可得:
C D
MF
2 MD 5
(2)
3 M FB p A 5 10
FC MD 10
A
D
(3)
由式(a)、(b)得: 12M A 25M D 3EIfB 由式(c)、(d)得: 12M D 25M F 3EIfB 由式(e)、(f)得:12M A 25M E 12M D 25M F 0 将式(2)代入式(f)得:
2 1 0
l
3 6 7 4
l
5 图3.6
解: (1)计算弹性支座柔性系数A 首先需设在节点1处柔性系数A= ,则由下图 可求出柔性系数A。
由力的平衡知,有M4=Rl,其变形连续方程为:
R
v1 M 4l M 4l M 5l M 4l M 5l , 0 l 3EI 3EI 6 EI 6 EI 3EI
第2章 力法
3.3 图3.3为船上龙门吊计算简图,并画出 弯矩图。已知 l12 l45 2l , l23 l56 l , l14 3l , I12 I45 I , I23 I56 1.5I , I14 2I ; p 10ql 。
l14/2 1 p 4
2
5
q
为此,将各杆取出有:
FB B FB ME p A= ME C FC
FC
R1E
MF A= MF
R1F
R2E
R2F
MA
MD RA RD
要使杆B-C轴向力平衡必有 FB=FC 由图中杆E-B和杆A-E可得:
R1E p
12 p 5M E 2M A 0 故有: 由图中杆D-F和杆F-C可得:
C D
MF
2 MD 5
(2)
3 M FB p A 5 10
FC MD 10
A
D
(3)
由式(a)、(b)得: 12M A 25M D 3EIfB 由式(c)、(d)得: 12M D 25M F 3EIfB 由式(e)、(f)得:12M A 25M E 12M D 25M F 0 将式(2)代入式(f)得:
结构力学第3章
M图(kNm)
12
3-3 静定平面刚架
例
2kN/m
解
(1)求支反力
x xB yA
C
D
3m
F 0, F F 0, F M 0, M
y A
0 12 kN
A
12 kNm
A 12kNm 4m
B
1m
FxB=0
(2)作内力图
2m
FyA=12kN
3-3 静定平面刚架
8
4 12 12 4 16
例
l q
解
FP=ql
l ql
l/2
l/2 ql FN图 ql2/2 ql2/8
ql
ql
0
ql FQ图
ql2/2
M图
3-3 静定平面刚架
例 M M/2l M/2l l l 0 M/2 M/2l FN图 l l M/2l 解 M/2l
FQ图
M图
M/2
3-3 静定平面刚架
例 FP l FP l 0 Pl FP FPl FN图 解 FP
FP 2 FP FP 2
xB yA
FyA=FP /2
FP /2
(2)作内力图
FPa
FP /2
FN图
FP FQ图
M图
3-3 静定平面刚架
例
2FP A FyA=3FP/4 B FxB=2FP l C FP
解 (1)求支反力
l
(2)作内力图
l/2
FyC=7FP/4 FP
l/2
3FPa/4 F a/2 P FPa/4 FQ图 M图
R NC
FQ图
5kN
5kN
FN图
★取隔离体时: a:约束必须全部断开,用相应的约束反力来代替。 b:正确选择隔离体,标上全部荷载。
英国名校结构力学第1讲
C D
A
11.67kN 12.5kN
E
18.33kN 32.5kN
-ve (-ve thrust means compression, as in trusses.)
-18.33
-ve
+ve
-ve
+12.5
1.19
-32.5
Thrust Diag (kN)
Example: 3-pin frame
Deflected shape for frame
1.2
1
EN1030 Rough timetable
Weeks Frames & arches 1-4 Equilibrium, compatibility & stresses Torsion in tubes Pressure vessels & biaxial stresses Weeks Beam bending, normal and shear 5-10 stresses in beams, effects of beam cross-section, statically indeterminate beams Week Plasticity, yield criteria, plastic hinges 11
11.67kN A
1.15
Example: 3-pin frame
BM & SF in frame: BD
+ve
30kN
B
5kN/m
C D
30kN B 5kN/m x
Mx
A
11.67kN 12.5kN
E
18.33kN 32.5kN
M=-55kNm at x=4m M=0kNm at x=2m
A
11.67kN 12.5kN
E
18.33kN 32.5kN
-ve (-ve thrust means compression, as in trusses.)
-18.33
-ve
+ve
-ve
+12.5
1.19
-32.5
Thrust Diag (kN)
Example: 3-pin frame
Deflected shape for frame
1.2
1
EN1030 Rough timetable
Weeks Frames & arches 1-4 Equilibrium, compatibility & stresses Torsion in tubes Pressure vessels & biaxial stresses Weeks Beam bending, normal and shear 5-10 stresses in beams, effects of beam cross-section, statically indeterminate beams Week Plasticity, yield criteria, plastic hinges 11
11.67kN A
1.15
Example: 3-pin frame
BM & SF in frame: BD
+ve
30kN
B
5kN/m
C D
30kN B 5kN/m x
Mx
A
11.67kN 12.5kN
E
18.33kN 32.5kN
M=-55kNm at x=4m M=0kNm at x=2m
结构力学第三章应掌握的知识点
结构力学第三章应掌握的知识点
结构力学是力学的一个分支,研究物体或结构受力时的应力、应变、
变形等问题。
第三章主要介绍了刚体的平衡条件及刚体平衡问题。
下面是
第三章应掌握的知识点:
1.刚体的基本概念:刚体是指在受到外力作用时不发生形变的物体。
刚体的特点是其内部任何两点的相对距离保持不变。
2.刚体的平衡条件:刚体处于平衡状态时,必须满足平衡条件。
平衡
条件包括力的平衡条件和力矩的平衡条件。
3.力的平衡条件:力的平衡条件是指刚体上作用的各个力的合力为零。
力的平衡条件可以用矢量法、法向量法和坐标法等方法求解。
4.力矩的平衡条件:力矩的平衡条件是指刚体上作用的各个力的合力
矩为零。
力矩的平衡条件可以用叉乘法和矢量法求解。
5.等力作用的刚体平衡:当刚体受到等力作用时,刚体处于平衡状态。
6.非等力作用的刚体平衡:当刚体上作用的力不相等或有多个力时,
刚体处于平衡状态。
7.平衡问题的求解:解决平衡问题需要综合运用力平衡条件和力矩平
衡条件,通过列方程、构建力矩方程和代入数值等方法求解。
8.刚体的静定问题:静定问题指在已知外力或力矩的情况下,求解刚
体的平衡条件以及未知力或力矩的问题。
9.刚体结构的应用:刚体结构的应用广泛,包括桥梁、楼房、机械设
备等。
在实际应用中,需要合理设计结构以满足力学平衡和稳定的要求。
总之,第三章主要介绍了刚体的平衡条件、力的平衡和力矩平衡的基本概念和方法,并通过实例加深了对概念和方法的理解和运用。
掌握这些知识点对于理解和解决结构力学中的问题非常重要。
第三讲 杆件结构有限元分析
du dx
l
0
AE
l du d u dx f x udx 0 dx dx
其中E表示弹性模量,A表示横截面积,方程左端得到单元的刚度矩阵。
建立有限元模型
现考虑一个由5个长度相同(le=1m)横截面积不同的杆件构成的一维杆件,各杆弹性模量都为 E=1.0e10pa,A1=0.5m2,A2=0.4 m2,A3=0.3 m2,A4=0.2 m2,A5=0.1 m2,如图1所示,右端给定位移 u右=0.1,左端固定位移u左,分析杆件内位移分布:
根据虚功原理,方程两边乘以虚位移δu,平衡方程可以写为:
其弱形式为:
l
0
[
d ( A x ) f ( x)] udx 0 dx
l
0
A x
l d u dx f x udx Pj u j 0 dx j
基本方程的最终弱形式
其中,右端最后一项可以看作是节点力情况,所以可以不单独列出,同时 x E 所以上式可以继续写为:
网格尺寸设置
网格划分信息
网格划分
选择calculate → calculate,在弹出的对话框,点击OK,保存,前处理完毕。
工程求解
点击工具栏中“求解计算”按钮,完成模型的求解计算。
后处理
点击工具栏中的“后处理”按钮进入GID,查看计算结果,如下图所示。
结果分析: 本章针对一个变截面一维杆件,通过理论分析和ELAB1.0软件实现两种方式来分析,一方面对有限元
几何模型
将其划分为五个单元六个节点,即每根杆件作为一个单元,每个单元的节点关系如下图所示:
单元拓扑关系
确定杆单元的形函数
考虑其中一个杆单元,其两个端点分别为节点1,节点2,基本变量为节点位移u1,u2::
l
0
AE
l du d u dx f x udx 0 dx dx
其中E表示弹性模量,A表示横截面积,方程左端得到单元的刚度矩阵。
建立有限元模型
现考虑一个由5个长度相同(le=1m)横截面积不同的杆件构成的一维杆件,各杆弹性模量都为 E=1.0e10pa,A1=0.5m2,A2=0.4 m2,A3=0.3 m2,A4=0.2 m2,A5=0.1 m2,如图1所示,右端给定位移 u右=0.1,左端固定位移u左,分析杆件内位移分布:
根据虚功原理,方程两边乘以虚位移δu,平衡方程可以写为:
其弱形式为:
l
0
[
d ( A x ) f ( x)] udx 0 dx
l
0
A x
l d u dx f x udx Pj u j 0 dx j
基本方程的最终弱形式
其中,右端最后一项可以看作是节点力情况,所以可以不单独列出,同时 x E 所以上式可以继续写为:
网格尺寸设置
网格划分信息
网格划分
选择calculate → calculate,在弹出的对话框,点击OK,保存,前处理完毕。
工程求解
点击工具栏中“求解计算”按钮,完成模型的求解计算。
后处理
点击工具栏中的“后处理”按钮进入GID,查看计算结果,如下图所示。
结果分析: 本章针对一个变截面一维杆件,通过理论分析和ELAB1.0软件实现两种方式来分析,一方面对有限元
几何模型
将其划分为五个单元六个节点,即每根杆件作为一个单元,每个单元的节点关系如下图所示:
单元拓扑关系
确定杆单元的形函数
考虑其中一个杆单元,其两个端点分别为节点1,节点2,基本变量为节点位移u1,u2::
结构力学第3章
29
特殊结点 1、L型结点 2、T型结点 3、X型结点
30
判断零杆
31
32
3-4-2截面法
例3-11 试求图3-44a所示桁架中a、b和c三杆的
内力。
1、求反力
2、求内力
作截面I-I
作截面II-II
∑Fy=80kN-2×40kN+Fyc=0 FNc=Fyc=0
∑FFxNMaa==4﹣﹣= 8110220k3kN.6N×9k6Nm-(4压0k力N)×3m+Fxa×3m = 0 ∑MO=﹣80kN×6m+40kN×9m+Fyb×12m=0 Fyb=10kN FNb=16.67kN
步骤: 1、求支座反力 2、计算各链杆的轴力 3、计算受弯杆件的内力。
37
例3-13 试分析图3-53a所示组合结构的内力。
1、求支座反力:
FFFxyyAAB
= = =
04,0kN(↑), 20kN(↑)
2、内力 作截面Ⅰ-Ⅰ,取其右部为隔
离体,
Σ1mMC==020kN× 4.5m-FNDE×
得
FNDE = 90kN
2、按外形
(1)平行弦桁架
(2)折弦桁架
(3)三角形桁架
26
桁7
桁架内力计算方法 1、结点法 2、截面法 3、结点法与截面法联合使用
28
结点法
结点1 ∑Fy=0,FN13=-100 kN, ∑Fx=0,FN12=60 kN 结点2 ∑Fx=0, FN24=60 kN, ∑Fy=0, FN23=80 kN。 结点3 ∑Fy=0, FN34=0, ∑Fx=0 ,FN35=-60 kN
40
§3-7 静定结构的一般性质 (1)温度变化、支座位移和制造误差等非荷 载因素不引起静定结构的反力和内力。
特殊结点 1、L型结点 2、T型结点 3、X型结点
30
判断零杆
31
32
3-4-2截面法
例3-11 试求图3-44a所示桁架中a、b和c三杆的
内力。
1、求反力
2、求内力
作截面I-I
作截面II-II
∑Fy=80kN-2×40kN+Fyc=0 FNc=Fyc=0
∑FFxNMaa==4﹣﹣= 8110220k3kN.6N×9k6Nm-(4压0k力N)×3m+Fxa×3m = 0 ∑MO=﹣80kN×6m+40kN×9m+Fyb×12m=0 Fyb=10kN FNb=16.67kN
步骤: 1、求支座反力 2、计算各链杆的轴力 3、计算受弯杆件的内力。
37
例3-13 试分析图3-53a所示组合结构的内力。
1、求支座反力:
FFFxyyAAB
= = =
04,0kN(↑), 20kN(↑)
2、内力 作截面Ⅰ-Ⅰ,取其右部为隔
离体,
Σ1mMC==020kN× 4.5m-FNDE×
得
FNDE = 90kN
2、按外形
(1)平行弦桁架
(2)折弦桁架
(3)三角形桁架
26
桁7
桁架内力计算方法 1、结点法 2、截面法 3、结点法与截面法联合使用
28
结点法
结点1 ∑Fy=0,FN13=-100 kN, ∑Fx=0,FN12=60 kN 结点2 ∑Fx=0, FN24=60 kN, ∑Fy=0, FN23=80 kN。 结点3 ∑Fy=0, FN34=0, ∑Fx=0 ,FN35=-60 kN
40
§3-7 静定结构的一般性质 (1)温度变化、支座位移和制造误差等非荷 载因素不引起静定结构的反力和内力。
李廉锟结构力学3
【例3-1】 1.反力 2.控制截面 C-A-(D)-EF-GL-GR-B 3.FS-连线 4.M-连线 直线 曲线
(极值)
滚小球作Q图 力推小球同向走,力尽小球平行走 集中力偶中间铰,方向不变无影响 反推小球回到零,上正下负剪力图
斜梁 基本方法 ——截面法 斜杆内力 ——FS、FN随截面方向倾斜 1.支座反力 2.内力: M FS、FN:投影方向 3.内力图 4.斜长分布→水平分布
§3—2 多跨静定梁
1. 几何组成 基本部分——独立地维持其几何不变的部分 附属部分——依靠基本部分才能维持其几何不变 的部分 层叠图——层次关系
2.受力分析——特点 基本部分——荷载作用其上,附属部分不受力 附属部分——荷载作用其上,基本部分受力 3.内力分析步骤 未知反力数 = 独立平衡方程数 计算——按几何组成的相反次序求解 (避免解联立方程) 反力、内力计算,内力图绘制——同单跨梁
【例3-5】
1.简支
-反力 2.M图 3.FS图 4.FN图 5.校核
【例3-6】 1、反力* 2、M图 3、FS图 AD、BE *DC、CE: -M→FS 4、FN图 AD、BE DC、EC (结点)
【例3-7】组成分析——基本、附属部分 按组成相反次序,分别按基本形式计算
§3-4 快速绘制 M 图
任意直杆段——适用 叠加法作M图 (1)求控制截面值 外力不连续点 (F,M作用点, q的起点,终点等) (考虑全部荷载) (2)分段画弯矩图 控制截面间无荷载 ——连直线 控制截面间有荷载(q、F) ——连虚线, ——再叠加标准M0图
5.绘制内力图的一般步骤 (1)求反力(悬臂梁可不求) (2)分段 ——外力不连续点:q端点,F、M作用点 (3)定点 ——求控制截面内力值(全部荷载) (4)连线 ——按微分关系 连直线 曲线:连虚线,叠加简支梁M0图
结构力学课件--3静定梁 共21页PPT资料
P
a
Q3
M3
12.11.2019
N3
N 3 0, Q3 P, M 3 Pa .
计算截面 3 的内力
此时应取截面 3 以上的隔离体进行
课件 分析比较简单。
5
三、荷载、内力之间的关系(平衡条件的几种表达方式)
q(x)
(1)微分关系 dQ q
dx
dx
q
Q
M+d M
P
Q
M+ M
dM Q dx
B
YA
A
结构几何变形均处于线弹性阶段。
MA
q
图中:OA段即为线弹性阶段MB
MA
AB段为非线性弹性阶段
M
+
O
Y
A
M
MA
M
12.11.2M 019 MM
课件
M
B MB
NB
YB MB
Y
B
MB
10
4kN·m
4kN
3m
3m
(1)集中荷载作用下
6kN·m
(2)集中力偶作用下
4kN·m 2kN·m
5. 综上所述,结构力学作内力图顺序为“先区 段叠加作M 图,再由M 图作FQ 图,最后FQ 作FN 图”。需要指出的是,这种作内力图的顺序对于 超静定结构也是适用的。
§3-3 多跨静定梁 一、多跨静定梁的几何组成特性
多跨静定梁常用于桥梁结构。从几何组成特点看,它的组成可以区分 为基本部分和附属部分。
ql 2
ql 2 8
3、均布荷载作用段 M图为抛物线,荷载向 下曲线亦向下凸; Q 图为斜直线,荷载向 下直线由左向右下7 斜
应熟记常用单跨梁的弯矩图
结构力学第三章
FS =7kN. FS = 7kN(注意:集中力
章目录 第三节 第四节 第五节
•
偶矩对剪力无影响).
• ③CD段均布荷载,方向向下,根据微分关系,
FS 的一阶导数为 q , q 为常数,可推知 FS 是一次函数,
此段剪力图是斜直线 . 又因为 q 向下指向 , 和坐标正向相反 , 即 q <0 , 此区段剪力递减 . 只需求
静力平衡
3.1.2 利用静力平衡求解杆件内力
第三章 静定结构的内力分析
章目录 第一节 第二节 章目录 第三节 第四节 第五节
第1节
3.1.2 利用静力平衡求解杆件内力
静力平衡
• 计算截面内力的基本方法是截面法,即将结构沿拟求内力的截面截开,选取截面 任意一侧的部分为研究对象(取隔离体),去掉部分对留下部分的作用,用内力来 代替,然后利用平衡条件可求得截面内力。 • 截面法中,可根据平衡推出用外力计算内力分量的简便方法。 • (1)弯矩:等于截面一侧所有外力对截面形心力矩的代数和。 • (2)剪力:等于截面一侧所有外力沿截面方向的投影代数和。 • (3)轴力:等于截面一侧所有外力沿截面法线方向的投影代数和。
判断弯矩曲线的凹凸性。
图 3.5
结构力学课件
第三章 静定结构的内力分析
章目录
3.2.2
第一节 第二节 章目录 第三节 第四节 第五节
•
利用微分关系作内力图
第2节
静定梁
关于内力曲线凹凸性的判断,数学中有个雨伞法则:
•
由于工程中习惯将弯矩图画在杆件的受拉一侧 ,这样梁的弯矩图竖标人为地翻下来 ,以向下为正. 为方便记忆,经研究发现弯矩曲线的凸向与 q 的指向相同. 利用微分关系作内力图,总是要将梁分 成若干段,一段一段地画.梁的分段点为集中力、集中力偶作用点,以及分布荷载的起、终点。
结构力学第3 讲11.27
对上图所示梁进行几何组成分析: AD杆与大地按两个刚片的规则组成无多余约 束的几何不变体,可独立承受荷载;然后杆DF和 杆FG也分别按两个刚片的规则依次扩大先前已形 成的几何不变体。显然,杆DF是依赖于D以右的 部分才能承受荷载,而杆FG是依赖于F以右的部 分才能承受荷载的。或者说,杆FG被杆DF支承 ,杆DF被杆AD支承。根据各杆之间这种依赖、 支承关系,引入以下两个概念:
(2) 将所有单根梁的约束力求得后,即可将各单跨 梁的内力图作出后汇集,也可先汇集成整体再一次作 内力图。注意AC段上集中力偶作用时弯矩图的叠加 特点。 (3)当多跨静定梁的附属部分上有外荷载时,该外 荷载将使该附属部分产生内力,并传给它以下的基本 部分使其也产生内力;当在其基本部分上有外荷载时 ,该外荷载仅使该基本部分(及以下)产生内力,对 其上的附属部分不产生内力。
∑Fx= 0 FAx+5×√2×√2/2=0 FAx=-5kN (←)
说明: (1)按层叠图从上往下的顺序,画各单跨梁的受 力图,并按这个顺序逐一计算各单跨梁的约束力。 杆FG的约束力有3个,如简支梁的计算。 杆DF上没有直接作用的外荷载(注意铰D上作 用的集中荷载FP可放在铰的任意侧),但在F处有 杆FG部分传来的已知约束力FPy。该杆的计算相当 于伸臂梁的计算,其上的荷载即是由其上的附属部 分由约束处传来的已知约束力。 杆AD是整个梁的基本部分,有三个与大地相连 的待求的支座约束力,其上除了有在D处由D以右 部分传来的已知约束力,还有直接作用的外荷载FP 和m。该杆仍是伸臂梁的计算。
2)内力计算式(用截面一侧上外力表达的方式):
FN=截面一侧所有外力在杆轴平行方向上投影 的代数和。 FQ=截面一侧所有外力在杆轴垂直方向上投影的代 数和。左上为正,右下为正。 Μ =截面一侧所有外力对截面形心力矩代数和。弯 矩的竖标画在杆件受拉一侧。
结构力学3
刚架的内力: 刚架的内力是指各杆件中垂直于杆轴的横 截面上的弯矩、剪力和轴力。在计算静定刚 截面上的弯矩、剪力和轴力。 弯矩 架时, 架时,通常应由整体或某些部分的平衡条件 求出各支座反力和各铰接处的约束力, ,求出各支座反力和各铰接处的约束力,然 后逐杆绘制内力图。 后逐杆绘制内力图。
4kN·m
2kN·m
例 3-1 作梁的 FQ 、M 图。
解: :
首先计算支反力 RA=58kN(↑) RB=12kN(↑) 作剪力图(简易法) 作弯矩图:
分为CA、 1.分段: AD、DE、EF、FG、 GB六段。 2.定点:
MC=0 MA=-20kN·m MD=18kN·m ME=26kN·m MF=18kN·m MG左=6kN·m MG右=-4kN·m MB左=-16kN·m 返回
截面上内力符号的规定: 截面上内力符号的规定:
轴力—截面上应力沿杆轴切线方向的 轴力 截面上应力沿杆轴切线方向的
FN
合力,使杆产生伸长变形为正, FN 合力,使杆产生伸长变形为正,画轴力图 要注明正负号; 要注明正负号;
剪力—截面上应力沿杆轴法线方向的 剪力 截面上应力沿杆轴法线方向的
FQ
FQ
合力, 合力 使杆微段有顺时针方向转动趋势的 为正,画剪力图要注明正负号; 为正,画剪力图要注明正负号;
2m 2m
(b) B
10kN C
18kN·m (c)
A
5 B5
5 5
C
6kN/m D E F
9
18
4
7.5
10 5 0 0
21.5 3 12
0
M图 kN·m) (kN m) 9
12 10 5 5 9.5 2.5
FQ图 (kN)
3-3三铰拱(结构力学第3章)
证:可先考虑半圆形三铰拱的情况。作用 于圆弧上的径向均布荷载q 可以用两 个垂直方向上等值的均布荷载等效替 代。
恰好等于沿竖向和水平方向的两种 均布荷载 q 作用于微段时产生的竖 向分力和水平分力。
qRd cos 竖向分力: dFy qRd sin
水平分力: dFx
例3-9 试证圆弧线是三铰拱拱轴线法线 方向均布压力作用下的合理拱轴线。
26.8kN
0 MK MK FH yK
0 MC FH f
例3-6 绘制图示三铰拱的内力图。 4f y 2 x( l x ) 拱轴线方程: l 解:求支座反力。
0 FyA FyA 28kN , 0 FyB FyB 20kN 0 MC 20kN 8m 16kN 4m 96kN m 0 M C 96 FH 24kN f 4
3-3-3 合理拱轴线 在给定的荷载作用下,能使拱体所有截面上弯矩为零的拱轴 线称为合理拱轴线。 0 弯矩: MK MK FH yK 令:
M M 0 FH y 0 M0 y 得: FH
例3-7 求图示三铰拱的合理拱轴线。 解:相应简支梁的弯: FH f 8 f M0 4 f x l x 合理拱轴线: y 2 FH l
0 MC (推力计算公式 ) FH f
相当梁
⑴在给定荷载作用下,三铰拱的支座反力仅与三个铰的位置有 关,而与拱轴的形状无关。 ⑵在竖向荷载作用下,三铰平拱的支座竖向反力与相应简支梁 反力相同,而水平推力与拱高成反比。拱的高跨比(矢跨比) 愈大则推力愈小;反之,则推力愈大。 0 MC FH f
例3-6 绘制图示三铰拱的内力图。 4f y 2 x( l x ) 拱轴线方程: l 解:求支座反力。
恰好等于沿竖向和水平方向的两种 均布荷载 q 作用于微段时产生的竖 向分力和水平分力。
qRd cos 竖向分力: dFy qRd sin
水平分力: dFx
例3-9 试证圆弧线是三铰拱拱轴线法线 方向均布压力作用下的合理拱轴线。
26.8kN
0 MK MK FH yK
0 MC FH f
例3-6 绘制图示三铰拱的内力图。 4f y 2 x( l x ) 拱轴线方程: l 解:求支座反力。
0 FyA FyA 28kN , 0 FyB FyB 20kN 0 MC 20kN 8m 16kN 4m 96kN m 0 M C 96 FH 24kN f 4
3-3-3 合理拱轴线 在给定的荷载作用下,能使拱体所有截面上弯矩为零的拱轴 线称为合理拱轴线。 0 弯矩: MK MK FH yK 令:
M M 0 FH y 0 M0 y 得: FH
例3-7 求图示三铰拱的合理拱轴线。 解:相应简支梁的弯: FH f 8 f M0 4 f x l x 合理拱轴线: y 2 FH l
0 MC (推力计算公式 ) FH f
相当梁
⑴在给定荷载作用下,三铰拱的支座反力仅与三个铰的位置有 关,而与拱轴的形状无关。 ⑵在竖向荷载作用下,三铰平拱的支座竖向反力与相应简支梁 反力相同,而水平推力与拱高成反比。拱的高跨比(矢跨比) 愈大则推力愈小;反之,则推力愈大。 0 MC FH f
例3-6 绘制图示三铰拱的内力图。 4f y 2 x( l x ) 拱轴线方程: l 解:求支座反力。
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4
Eqns 3+4 one way to find σθ and τθ, alternative, use Mohr’s Circle
3.17
Definition of “principal planes” Planes on which τθ = 0.
τθ = ( σ x − σ y ) sin2θ − τ xy cos2 θ = 0 2
In general, structural components are under several states of stress, i.e. forces acting in all different directions. So far, we have dealt with forces acting on components in only one direction at any one time. Now, consider bi-axial (i.e. two-axes) stresses, i.e. forces on a 2D block of material.
σ1 σ1
pd σ1 = 4t
σ1
σ1 σ1
σ1 σ1
2D loading σ/E − νσ/E σ1
strain = σ1 (1 − v ) E pd (1 − v ) strain = 4tE
3.6
3
Cylindrical vessel, σ1
σ1 σ2 σ1 σ1 = circumferential (hoop) stress For σ1, cut cylinder horizontally σ2 = longitudinal stress p fluid force = vessel force pressure × area = stress × area σ1 σ1 L d t σ2 • ignore ends, “long” cylinder • 2 stresses due to axi-symmetry axis • diameter d, thickness t (length L not important)
ε=σ/E
lateral
3.3
longitudinal
Strain in 2D loading (ii)
σ
Now consider a σ in the other direction Block elongates by ε in direction of stress
ε=σ/E
Block contracts by νε in lateral direction (Poisson ratio effect)
A single constant σ1 in all directions due to symmetry in eqm with internal fluid pressure p σ1
Cut sphere into halves, examine eqm fluid force = vessel force
3.16
8
Resolve perpendicular to plane
A
σx τyx=τxy
θ
σθ All forces except τθ have component
θ
θ C
τθ
σ θ (AB ⋅ 1) = σ x cos θ (AC ⋅ 1) + τ xy cos θ (BC ⋅ 1)
+ τ xy sin θ (AC ⋅ 1) + σ y sin θ (BC ⋅ 1) = σ x cos θ (ABcos θ ) + τ xy cos θ (ABsin θ ) + τ xy sin θ (ABcos θ ) + σ y sin θ (ABsin θ )
p (d L ) = 2 (σ1 × L t ) σ1 =
3.7
pd 2t
Cylindrical vessel, σ2
σ1 σ2 σ1 σ1 = circumferential (hoop) stress σ2 = longitudinal stress For σ2, cut cylinder vertically fluid force = vessel force pressure × area = stress × area
θ
τyx σx
Consider unit width element loaded with σx, σx and τxy (=τyx) Find σθ and τθ on inclined plane Resolve parallel & perpendicular to inclined plane.
σ o = σ θ tan 2 θ + σ θ = σ θ sec 2 θ
⇔
∴
3.14
σ θ = σ o cos 2 θ τ θ = σ o sin θ cos θ
7
Element under biaxial & shear stress
consider a plane A
σy
θ
τxy σθ
θ
σx
p
pressure × area = stress × area
π d2 p 4 = σ1 (π d t ) pd σ1 = 4t
σ1
3.2
1
Strain in 2D loading (i)
Remember: E = σ / ε Original square block
EN1030 Structural Mechanics
Week 3: Pressure Vessel & Biaxial Stresses 12 February 2007
3.1
Pressure vessels
• 3 types (sphere, cylinder, combined) • “thin” shells, t < 1/10 radius • constant through-thickness stress σ1 σ1 σ1 σ1
τyx
τθ
B
C
τxy
σy
3.15
Resolve parallel to plane
A
σx τyx=τxy
θ
σθ All forces except σθ have component
θLeabharlann θ Cτθτ θ (AB ⋅ 1) = σ x sin θ (AC ⋅ 1) + τ xy sin θ (BC ⋅ 1) − τ xy cos θ (AC ⋅ 1) − σ y cos θ (BC ⋅ 1) = σ x sin θ (ABcos θ ) + τ xy sin θ (ABsin θ ) − τ xy cos θ (ABcos θ ) − σ y cos θ (ABsin θ )
This ratio of t2/t1 causes no distortion at the junction ALL other values of t2/t1 will cause distortion (bending)
5
Bi-axial Stress
3.11
Bi-axial stress
3.12
6
Bar in tension
width out of page = 1
Consider a unit width bar in tension Find σ, τ on inclined plane σo σo
θ
b
A
θ
σo
θ
σθ
θ
τθ
B
AB =
b cos θ
C
3.13
Resolving
eqm = balance of force, not stress ←
τxy σB y
τ θ = σ x cosθ sin θ + τ xy sin 2 θ -τ xy cos 2 θ − σ y cos θ sin θ sin2 θ sin2 θ − τ xy ( cos 2 θ -sin 2 θ ) − σ y 2 2 sin2 θ = (σx − σ y ) − τ xy cos2 θ 3 2 = σx
t1
t2
p
For compatibility, equal radial strains at junction, ε1 = ε
pd (2 − v ) = p d (1 − v ) 4 t1 E 4 t2 E ⇒ t 2 1− v = 0 .412 for v = 0 .3 = t1 2 − v
3.10
σ2
p
σ2
3.8
4
Strain in cylindrical vessel
From before
σ1
σ σ
ε − νε = σ/E−νσ/E
σ2 σ
σ2
ε − νε σ
σ2/E − νσ1/E σ1
σ2 σ 1 pd pd pd (1 − 2v ) -v 1 = −v = E E E 4t 2t 4tE σ 1 pd pd pd σ (2 − v ) ε1 = 1 - v 2 = −v = E E E 2 t 4 t 4 t E 3.9 ε2 =
A
σo
θ
σθ
θ
θ
τθ
C B
⇔
b b σ o (b ⋅ 1) = τ θ sin θ ⋅ 1 + σ θ cos θ ⋅1 cos θ cos θ σ o = τ θ tan θ + σ θ 1 b b 0 = τ θ cos θ ⋅ 1 − σ θ sin θ ⋅1 cos θ cos θ τ θ = σ θ tan θ 2