材料力学 能量法
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材料力学第十三章 能量法
1 vε = = τγ 2G 2
τ2
三、扭转
由实验知，线弹性范围内，扭转角与扭转力偶成线性关系： 由实验知，线弹性范围内，扭转角与扭转力偶成线性关系：
M e l M e 2l 1 1 Vε = W = M e ⋅ ∆φ = M e = 2 2 G I p 2G I p
T 2 ( x) Vε = ∫ dx 2G I p ( x) l
截面的挠度。 例：求图示简支梁C截面的挠度。 求图示简支梁 截面的挠度
F
θ B2
wC1
解：由功的互等定理 F ⋅ wC1 = M ⋅ θ B 2
得：F ⋅ wC1
Fl =M⋅ 16 E I Ml = 16 E I
2
2
由此得：wC1
例：求图示悬臂梁中点C处的铅垂位移∆ C 。 求图示悬臂梁中点 处的铅垂位移
故：
M ( x) M ( x) ∆=∫ dx EI l
M ( x) M ( x) 莫尔定理 ∆=∫ dx 莫尔积分） （莫尔积分） EI l
对于组合变形： FN ( x) FN ( x) T ( x) T ( x) M ( x) M ( x) ∆=∫ dx + ∫ dx + ∫ dx EA GI p EI l l l
积分得： 积分得：
FN (x)dx M (x)dx T (x)dx Vε = ∫ +∫ +∫ 2EA 2EI 2GIP L L L
2
2
2
例：试求图示悬臂梁的应变能，并利用功 试求图示悬臂梁的应变能，并利用功 求自由端B的挠度 能原理求自由端 的挠度。 能原理求自由端 的挠度。
F
解：
B
A
l
x
M ( x) = − F ⋅ x
材料力学-能量法
U
l
N 2( x)dx 2EA
l
M
2 n
(
x
)dx
2GI P
l
M 2( x)dx 2EI
（9-8）
注意：叠加法不能用于计算外力功和变形能。
例1 试分别计算图示各梁的变形能 例1图
解：求各梁的变形能 a b
c
Ua
0l
M 2( x)dx 2EI
0l
(
Px)2 2EI
dx
P 2l3 6EI
Ub
0l
M 2( x)dx 2EI
W 1 P
2
(9-2)
式中： P —— 广义力（力、力偶）
——广义位移（线位移、角位移）
广义力与广义位移相对应。如广义力是力，相应的广义
位移就是线位移（沿力方向的线位移）；如广义力是力偶， 相应的广义位移就是角位移（在力偶作用处的角位移）。
（二）变形能和比能
1. 轴向拉伸与压缩时的变形能
a. 轴力为常量： ( N P,l Nl )
材料力学
能量法
一、外力功与变形能
本章考虑杆件在线弹性范围内的能量法计算问题。
能量法——利用功和能的概念来解决变形体的位移、变 形和内力等计算的方法。
在线弹性范围内，外力功 W 全部转变为变形能 U，不 考虑能量的损耗。因此有
W=U
（一）外力功
1. 常力作功（P 为恒力）
W P
(9-1)
2. 变力作功（P 从0逐渐增加到最终值）
EA
U W 1 Pl N 2l
2
2EA
（9-3）
u
U V
N2 2EA2
2
2E
1
2
u 为比能，即单位体积的变形能。
008-材料力学_能量法
U i Fi
U i Fi
Fj Fj
M M M2 M M ( dx) dx L EI F L EI F Fi L 2EI i i Fj Fj Fj Fj
dx T T L GI p Fi Fj Fj
8.1 杆件的应变能
二、杆件的应变能 FN dx
dx d
克拉贝隆原理
U
L 2 FN 1 dx FN d L 2 2 EA
克拉贝隆原理
FN 拉压杆的应变能
d
FN dx EA
2 FN l U 2 EA
圆轴扭转的应变能
d
T
T2 1 U dx T d L 2GI L2 p T2l U 2GI p
拉压杆的应变能 F F
U dUV udV
V V
or U dU l
L
l l +Δ l FN dx
dx d
FN ( x) F ( x) N A( x) E EA( x)
1 u 2
2 FN ( x) 1 U udV dA dx dA dx V L A2 L 2 EA2 ( x) A
A F
Ay
2U 2 2 Fl1 ( ) () F E1 A1 2E2 A2
例：图示悬臂梁 AB 的 EI 是常数，在自由端作用一横力 F 和一力偶矩 m ，求梁的 应变能。
F m
解：由外力功计算应变能 横力的相应位移为自由端的挠度，力偶矩的相 应位移为自由端的转角，分别为：
B x l
例：图示悬臂梁 AB 的 EI 是常数，在跨中作用一横力 F ，求 yC 、 θA 。 解：F 是与 yC 相应的广义力，与 θA 相应的 F 广义力为作用在自由端的力偶矩，可虚设一 个“附加力” m ，最后在位移表达式中令其 m 为零即可。( 附加力法 ) C A B 2 l/2 l M dx 梁的应变能 U 0 2 EI l 由卡氏第二定理
材料力学第十三章 能 量 法
Vε Vε (D1 , D 2 ,, D i ,, D n )
假设位移 Di 有一微小增量 dDi 其它位移均保持不变 梁的应变能也有一增量 dVe
外力功的增量
d W Fi d D i
Ve d Ve d Di D i
d Ve d W
Ve Fi D i
卡氏第一定理
卡氏第一定理
Vε
l
0
F ( x) T ( x) dx dx 0 2GI 2 EA p
l
2 N
2
F ( x) M ( x) d x s dx 0 2 EI 0 2GA
l l
2
2 S
应变能恒为正 ，是内力或外力的二次函数。
非线性函数
一般情况：非线性弹性体
s s1 s e
外力作功：
de e 1
DAB 方向水平向外
§3-4 用能量法解超静定系统
解超静定问题要综合考虑三方面 几何方面 —— 建立变形几何相容条件 物理方面 —— 建立补充方程 静力学方面 —— 建立平衡方程
等直杆，发生基本变形，材料为线性弹性体 非等直杆或杆系结构，受较复杂荷载作用， 材料为非线性弹性体 易 难
能量法
例1：求图示超静定梁支座处的约束力。
③ 先加M，后加F
A
M AM
F
B
AF DCF
AM
Ml 3EI
D CF
Fl 48 EI
3
AF
Fl 16 EI
2
1 1 应变能： V M ε AM ( FD CF M AF ) 2 2 2 3 2 2 1 F l M l MFl ( ) EI 96 6 16
Ve Fi D i
材料力学第十三章 能 量 法
单元体上外力作功： W s e1 d e 0
应变能密度：
ve
e1 s d e
0
边长为dx、dy、dz的单元体： dVe ve d x d y d z
杆： Ve dVe V ve dV
线性弹性体：
ve
s e1
0
de
1 2
s
1e1
1 2
Ee12
1 2E
s
2 1
ve
1 d
0
1 2
1
AF
Fl 2 16 EI
应变能：
Vε
1 2
M AM
(1 2
FDCF
M AF )
1
F 2l3 (
M
2l
MFl 2
)
EI 96 6 16
④ M、F 分别单独作用
F
A
DCF
B
A M AM
B
DCF
Fl 3 48 EI
AM
Ml 3EI
应变能之和： VεF VεM
1 2
FDCF
1 2
M AM
1 EI
VεS
l
s
FS2 (x) d x 2GA
s — 剪切形状因数
S
S
通常，梁的剪切应变能远小于弯曲应变能。
杆件发生组合变形
在线弹性、小变形的条件下，每一基本变形的内力仅 在其相应的基本变形上作功，在其他基本变形上不作功。
Vε
l FN2 (x) d x 0 2EA
l T 2 (x) dx
0 2GIp
材料是线弹性的，但变形 D 与力F 不是线性的
几何非线性弹性问题
材料是非线性弹性的
物理非线性弹性问题
材料力学能量法
B
2m C
F
30° A
能量法/克拉贝隆原理
•解: 由节点A的平衡条件求得AB杆的内力：
F N1
FN2
A
F
F N 12F115.2kN
AC杆的内力为：
F N 2F N 1c o s3 0 o 9 9 .8k N
杆系的应变能： UFN21LAB FN22LAC 172J 2EA1 2EA2
设节点A的竖直位移 A为
mF
代入应变能的内力表达式：
L
UM 2(x)dxL(F xm )2dx L 2E I 0 2E I
F2L3 FmL2 m2L 6EI 2EI 2EI
能量法/克拉贝隆原理
UF2L3FmL2 m2L 6EI 2EI 2EI
mF L
•从结果中可以看到：第一、三项分别为F和m单独作用时 的 应变能，故F、m同时作用在杆内所引起的应变能不等于各 载荷单独作用时所引起的应变能之和。其原因是这两个载 荷都使梁产生了同一种弯曲变形，彼此都在对方引起的位 移上做了功（结果中的第二项即代表F和m共同作用时在相 互影响下所做的功）。
2、能量法
利用应变能的概念，解决与弹性体系变形有关的问题的 方法。
在求解组合变形、曲杆或杆系以及超静定问题时，能量 法是一种非常有效的方法，是结构分析的基础。
能量法/基本概念
能量法有关的几个基本概念 1、外力功:线弹性体系在外力的作用下产生变形，每个外力
在与它相对应的位移上所作的功 W。
2、应变能:弹性体受外力作用下产生变形而储存了能量，这个
Ub 125 30
US 3(1)
能量法/克拉贝隆原理
二、应变能的普遍表达式(克拉贝隆原理)
基本变形下应变能的一般表达式：
材料力学第8章-能量法
能量原理的应用
能量原理可以应用于弯曲、拉伸、压缩等各种不同的力学问题。通过计算系统的势能和应变能，可以分 析材料的应力分布、变形情况和稳定性。
弹性势能和弹性材料的能量原 理
弹性势能是指弹性材料在外力作用下产生的能量。通过应变能和弹性势能之 间的关系，可以推导出弹性材料的力学性质和变形方程。
弹塑性材料的能量原理
材料力学第8章-能量法
材料力学的能量法是研究材料变形和力学行为的重要方法，它具有广泛的应 用。本章将介绍能量法的基本概念和应用，以及弹性和弹塑性材料的能量原 理。
能量法的基本概念
能量法是一种力学分析方法，通过考虑系统的能量变化，推导出材料的力学 性质和变形行为。能量法的基本概念包括势能和应变能的概念，以及能量守 恒定律。
通过能量法，我们可以分析臂梁在外力作用下的弯曲行为。通过计算和优化梁的几何参数和材料性质， 可以设计出更加稳定和高效的悬臂梁结构。
总结和要点
能量法是一种重要的材料力学分析方法，它通过考虑材料的能量变化，分析 材料的力学性质和变形行为。
对于弹塑性材料，除了考虑弹性势能外，还需要考虑应变能和塑性势能的贡献。能量原理可以用来分析 弹塑性材料的强度和变形行为。
能量法在材料力学中的重要性
能量法是材料力学中的一种基本方法，它可以用来分析各种不同类型的力学问题，包括材料的变形、破 坏和失稳行为。掌握能量法对于研究和设计材料结构至关重要。
应用实例：悬臂梁弯曲问题的分析
材料力学第12篇能量方法
(
2 x
2 xy
2 xz
)dV
V 2E 2G 2G
M T(x) M (x)
FN (x)
MT(x) M (x) F N (x)
dx 图12.9
组合变形时的应变能
M T(x) M (x)
FN (x)
MT(x) M (x) FN (x)
dx
图12.9
dV
dW
1 2
FN (x)d(l)
1 2
M T (x)d
dF1l EA
F 2l 2EA
1 2
Fl
V
1 2
F l
FN2l 2EA
F
(a)
如果杆件的轴力 FN 分段为常量时
V
n FN2i li i 1 2Ei Ai
△l
l
F
F1
dF1
F A
B △l
O
△ l1 d(△ l1)
△l
(b)
图12.1
杆件轴线的轴力为变量 FN (x) 时
V
l
FN2 (x) 2 EA( x)
V
V
v
dV
l
A
1 2G
FbSISzz*图122.d6 A
dx
(d)
γdx
dx
(c) 图12.6
FS( x)
梁的应变能
V
V v dV
{
l
A
[
M 2(x)y
2EI
2 z
2
FS
2
(
x)
S
*2 z
2GI z2b 2
]dA}dx
令
k
A
I
2 z
A
材料力学之能量法
A
l/2
F C 1
l/2
B
l/2 1 1 Fl 3 W Fδ1 F F 2 2 48 EI C A 2) 力偶由零增至最后值 Me Mel B 截面的转角为 θ 3 EI 1 1 Mel 力偶 Me 所作的功为 W2 M eθ M e 2 2 3 EI
l/2 Me B
由 V =W 得
( FRsin ) 2 πF 2 R3 Rd 2 EI 8EI
Δ BV
πFR 4 EI
3
A
O
例: 简支梁, 两种载荷按同样比例加载, 计算其变形能。 梁中点的挠度为 梁右端的转角为
Fl 3 M el 2 δ1 48EI 16 EI Fl 2 M el δ2 θ 16 EI 3EI
Fb 2 Fa 2 ( x1 ) ( x2 ) a b l dx1 l dx2 0 0 2 EI 2 EI
2
B
x1 a l C x2
b
F 2b2 a3 F 2a 2 b3 F 2a 2b 2 2 2 2 EIl 3 2 EIl 3 6 EIl
1 W F vC 2
由 V =W 得
(( ))
1
q A
RA
F=qa B
C
x
A x 1/2a
B
C x
x
2a
a
2a
a
(2) 求 C 截面的转角 ( 在 C 处加一单位力偶 ） 2 qa qx x AB: M ( x) x (0 x 2a) M ( x) 2 2 2a BC: M ( x) qa x (0 x a) M ( x) 1 a 1 2 a qa qx 2 x 5qa3 c [ ( x )( )dx (qax)(1)d x] 0 EI 0 2 2 2a 6 EI （
l/2
F C 1
l/2
B
l/2 1 1 Fl 3 W Fδ1 F F 2 2 48 EI C A 2) 力偶由零增至最后值 Me Mel B 截面的转角为 θ 3 EI 1 1 Mel 力偶 Me 所作的功为 W2 M eθ M e 2 2 3 EI
l/2 Me B
由 V =W 得
( FRsin ) 2 πF 2 R3 Rd 2 EI 8EI
Δ BV
πFR 4 EI
3
A
O
例: 简支梁, 两种载荷按同样比例加载, 计算其变形能。 梁中点的挠度为 梁右端的转角为
Fl 3 M el 2 δ1 48EI 16 EI Fl 2 M el δ2 θ 16 EI 3EI
Fb 2 Fa 2 ( x1 ) ( x2 ) a b l dx1 l dx2 0 0 2 EI 2 EI
2
B
x1 a l C x2
b
F 2b2 a3 F 2a 2 b3 F 2a 2b 2 2 2 2 EIl 3 2 EIl 3 6 EIl
1 W F vC 2
由 V =W 得
(( ))
1
q A
RA
F=qa B
C
x
A x 1/2a
B
C x
x
2a
a
2a
a
(2) 求 C 截面的转角 ( 在 C 处加一单位力偶 ） 2 qa qx x AB: M ( x) x (0 x 2a) M ( x) 2 2 2a BC: M ( x) qa x (0 x a) M ( x) 1 a 1 2 a qa qx 2 x 5qa3 c [ ( x )( )dx (qax)(1)d x] 0 EI 0 2 2 2a 6 EI （
材料力学 能 量 方 法
例4.4 已知: F, R, EI
求: BV
解: 1. 写 M (x) 并对F 求偏导
F B R F1
A : M ( ) = - FRsin M/F = - Rsin 2. 求 BV M ( ) M 1 /2 BV = EI F Rd = EI 0 (-FRsin )(-Rsin ) Rd
上式适用于线性和非线性弹性或非弹性杆件或杆系。 对于线弹性杆或杆系:
FN(x)dx d = EA T(x)dx d = GI t My(x)dx dy = E I y Mz(x)dx dz = E I z
0 FN(x)FN(x) T 0(x)T(x) My0(x)My(x) Mz0(x)Mz(x) dx + G I dx + dx + dx = EA E Iy E Iz l t
l
M 2(x) dx 2 EI
非圆截面杆:
2 FN(x) dx T 2(x) dx M 2(x) dx M 2(x) dx y z V = + + + l 2 EA l 2 GIt l 2 EI y l 2 EI z
功能原理：
W = V
例4.1 知: F , Me , EI , l
求: 外力做的总功 W 解: wB =
P B
B + P
R
1
B
16PR2 + 32PR2 ( 1 – 1 ) = Ed 4 Gd 4 4
例4.9 知:P , l , EI
(省竞赛试题)
y A
P B x l
求: 反向弯曲的挠曲线方程 解: 由图乘法求力作用点挠度: y = – {[a(Pab/l )/2](2ab/3l ) + + [b(Pab/l )/2](2ab/3l ) }/EI Pa2b2 = – 3EIl 令 a = x , b = l – x , 并反号, 得 y = Px2(l – 3EIl x)2
材料力学 能量法
能量法一、变形能（应变能）：变形固体在外力作用下由变形而储存的能量“”。
弹性变形能：变形固体在外力作用下产生的弹性变形而储存的能量1、性变形能具有可逆性。
2、塑性变形能不具有可逆性。
二、变形能的计算：利用能量守恒原理能量守恒原理：变形固体在外力作用下产生的变形而储存的能量，在数值上等于外力所作的外力功。
三、能量法：利用功能原理和功、能的概念进行计算的方法。
常见的能量法——功能原理、单位力（莫尔积分）、卡氏定理等。
在卡氏第二定理中应该注意的问题①、Vε——整体结构在外载作用下的线弹性变形能。
②、F i视为变量，结构反力和变形能等都必须表示为F i的函数②、Δi为F i作用点的、沿F i方向的变形③、Δi处要有相应的荷载，当无与Δi对应的F i时，可采用附加力法进行计算。
既先加一沿Δi方向的F i（在所求位移处沿所求位移的方向加上相对应的附加力），求偏导后，在令其为零，结果即为实际荷载作用的位移⑤、结果为正时，说明Δi与F i的方向相同；结果为负时，说明Δi与的F i方向相反。
单位力载荷法注意问题1、此种方法存在两个力系：一个为实际的力系；另一个为单位力系。
2、单位力必须与所求位移相对应：若求线位移——则单位力必须作用在所求点沿所求位移方向加单位的集中力；若求角位移——则单位力必须作用在所求点沿所求位移方向加单位的集中力偶。
2、内力的坐标系必须一致，每段杆的坐标系可自由建立。
莫尔积分必须遍及整个结构。
4、结果为“+”只说明所加的单位力的方向与实际的位移方向相同；“-”只说明所加的单位力的方向与实际的位移方向相反。
材料力学(能量法)
弹性变形阶段
01
外力作用下，材料发生弹性变形，此时外力所做的功全部转化
为应变能储存于材料内部。
塑性变形阶段
02
当外力继续增加，材料进入塑性变形阶段，部分应变能转化为
热能散失到环境中。
断裂破坏阶段
03
当材料达到强度极限时发生断裂破坏，此时储存的应变能迅速
释放并转化为断裂表面的新表面能和其他形式的能量。
非圆截面扭转时的能量可以通过实验或数值模拟等方法进 行计算，以获得准确的能量值。
扭转变形过程中能量转化
弹性变形能
在扭转变形过程中，部分能量以弹性变形能的形式储存在材料中。 当外力去除后，这部分能量可以释放并使材料恢复原状。
塑性变形能
当扭转变形超过材料的弹性极限时，部分能量会以塑性变形能的形 式消耗在材料中。这部分能量不可逆转，导致材料产生永久变形。
压缩过程中能量变化
外力做功
在压缩过程中，外力对杆件做 功，使其产生压缩变形和位移 。外力做功的大小与外力的大 小和杆件的位移成正比。
内力耗能
杆件在压缩过程中，材料内部 会产生应力和应变，从而消耗 能量。内力耗能的大小与材料 的应力-应变关系有关。
弹性势能
杆件在压缩过程中，由于材料 的弹性变形，会储存一定的弹 性势能。弹性势能的大小与材 料的弹性模量和变形量有关。
结构稳定性分析方法
能量准则
通过比较结构失稳前后的能量变 化，判断结构的稳定性。若失稳 后能量降低，则结构不稳定。
平衡路径跟踪法
通过逐步增加荷载或位移，跟踪 结构的平衡路径，观察结构从稳 定到不稳定的转变过程。
特征值分析法
基于结构刚度矩阵和质量矩阵， 求解特征值和特征向量，分析结 构的振动特性和稳定性。
材料力学--能量法
1、求内力
F
R
A
FA
R
M n
T
t
弯 矩:M () FR sin
扭矩:T () FR(1 cos) 12
2、变形能：
弯 矩:M () FR sin
扭矩:T () FR(1 cos)
U T 2 (x) dx M 2 (x) dx
l 2GI P
l 2EI
U1 U2
U U1 U2 F1 l2 U1 U2 F2 l1
结论：应变能与加载次序无关。
10
[例11-1-1] 用能量法求C点的挠度。梁为等截面直梁。
F
解：外力功等于应变能
A
C
B
W
1 2
FwC
a
a
U
L
M 2(x) 2EI
dx
利用对称性，得：
M (x)
L 2EA
L 2GIP
L 2EI
注意:应变能是力的二次函数，因此，引起同一 基本变形的一组外力在杆内所产生的应变能，并不等 于各力分别作用时产生的应变能的简单相加。
6
例如： 求图示简支梁的应变能。 解：设F和M同时由零按比 A 例加至终值。
（1）求支反力，列弯矩方程：
x
F
C
l 2
M1(x)
1 2
MFl2 16
M 2l 6
7
U
1 EI
F 2l3 96
MFl2 16
M 2l 6
(a)
A
FM
C
B
变形(a)式得
l
l
F
R
A
FA
R
M n
T
t
弯 矩:M () FR sin
扭矩:T () FR(1 cos) 12
2、变形能：
弯 矩:M () FR sin
扭矩:T () FR(1 cos)
U T 2 (x) dx M 2 (x) dx
l 2GI P
l 2EI
U1 U2
U U1 U2 F1 l2 U1 U2 F2 l1
结论：应变能与加载次序无关。
10
[例11-1-1] 用能量法求C点的挠度。梁为等截面直梁。
F
解：外力功等于应变能
A
C
B
W
1 2
FwC
a
a
U
L
M 2(x) 2EI
dx
利用对称性，得：
M (x)
L 2EA
L 2GIP
L 2EI
注意:应变能是力的二次函数，因此，引起同一 基本变形的一组外力在杆内所产生的应变能，并不等 于各力分别作用时产生的应变能的简单相加。
6
例如： 求图示简支梁的应变能。 解：设F和M同时由零按比 A 例加至终值。
（1）求支反力，列弯矩方程：
x
F
C
l 2
M1(x)
1 2
MFl2 16
M 2l 6
7
U
1 EI
F 2l3 96
MFl2 16
M 2l 6
(a)
A
FM
C
B
变形(a)式得
l
l
材料力学第10章-能量法
10-4 卡氏定理
（2）先加载dFi ，则力 dFi 在其相应的位移 di上做的功为
1
W1 dFi di
2
F1
再加载F1, F2 ,, Fn ，在相应
的位移 i 上所做的功为
1
n1
W2 i1 2 Fi i V
F2
2
dFi Fi
di
i
n
Fn
原来载荷 dFi 对位移i 上所做的功为
W3 dFi i
F A
F
在位移坐标轴上取了一个微段d ，
该微段对应的外力可视为常力。则常力作
功为
dW Fd k d
B
当外载荷和相应的位移由零缓慢增加 O
d
至F 和 时，在这个过程中外力作功
k 2 F
W kd 0
2
2
SOAB
线弹性范围内，外载荷所做的功等于力与位移乘积的一半。
10-2 外载荷做的功
二、多个力作用下的外力功
量的损失），弹性体内部所贮存的应变能，在数
值上等于外力所作的功，即满足：
V W
l
P
利用功和能的概念来求解可变形固体的位移、变形和内力
等的方法，通称为能量方法。
10-2 外载荷做的功
一、单个力作用下的外力功
材料服从胡克定律，即在线弹性范围内，弹性体在外力
作用下位移 与外载荷F 成正比，即
F k
横力弯曲时，弯矩为x的函数，则横力弯曲时的应变能为
M (x)2 dx dV
2EI
M (x)2 dx
V l 2EI
四、用广义力和广义位移表示的应变能
轴向压力
扭转
弯曲
F l V 2
V M e
材料力学13能量法
FN (x)
T (x)
M (x)
FN (x)
T (x)Fs(x)
Vε
FN2 (x) dx l 2EA(x)
T 2(x) dx l 2GIp (x)
M 2(x) dx l 2EI (x)
kFs 2 (x) dx l 2GA(x)
对若k于是杆双用件向来及弯修杆曲正系，横的弯力变矩弯形沿曲是形时以心切弯主应曲轴力变分不形解沿为, 截主面的均，匀因分轴布力的和修剪正力系远数小，
)
再施加P1
AB又伸长
Dl AB
P1l1 EA
P2保持不变，作功为
V 2
P2
P1l1 EA
P1作功为
V 3
P12l1 2EA
（5）应变能是可逆的。(跳板跳水) 总功仍为上述表达式。10
直接利用功能原理求位移的实例 利用能量法求解时，所列
例 求简支梁外力P作用点C的挠度。 弯矩方程应便于求解。
V F
FL3 48 EI
wC
29
说明： （1）卡氏第二定理只适用于线性弹性体
δi
Vε Fi
（2）Fi 为广义力，i为相应的位移
一个力
一个力偶
一对力
一对力偶
一个线位移
一个角位移
相对线位移
相对角位移
30
（3）卡氏第二定理的应用
（a） 轴向拉伸与压缩
δi
Vε Fi
Fi
22
F
B2
wC1
解：由功的互等定理 F wC1 M B2
得：F
wC1
M
Fl 2 16EI
T (x)
M (x)
FN (x)
T (x)Fs(x)
Vε
FN2 (x) dx l 2EA(x)
T 2(x) dx l 2GIp (x)
M 2(x) dx l 2EI (x)
kFs 2 (x) dx l 2GA(x)
对若k于是杆双用件向来及弯修杆曲正系，横的弯力变矩弯形沿曲是形时以心切弯主应曲轴力变分不形解沿为, 截主面的均，匀因分轴布力的和修剪正力系远数小，
)
再施加P1
AB又伸长
Dl AB
P1l1 EA
P2保持不变，作功为
V 2
P2
P1l1 EA
P1作功为
V 3
P12l1 2EA
（5）应变能是可逆的。(跳板跳水) 总功仍为上述表达式。10
直接利用功能原理求位移的实例 利用能量法求解时，所列
例 求简支梁外力P作用点C的挠度。 弯矩方程应便于求解。
V F
FL3 48 EI
wC
29
说明： （1）卡氏第二定理只适用于线性弹性体
δi
Vε Fi
（2）Fi 为广义力，i为相应的位移
一个力
一个力偶
一对力
一对力偶
一个线位移
一个角位移
相对线位移
相对角位移
30
（3）卡氏第二定理的应用
（a） 轴向拉伸与压缩
δi
Vε Fi
Fi
22
F
B2
wC1
解：由功的互等定理 F wC1 M B2
得：F
wC1
M
Fl 2 16EI
材料力学 第15章 能量法
Vε
2
a 0
1 2EI
(F 2
x)2 dx
F 2a3 12EI
Q W Vε
Fa3 wC 6EI
思考：可否用此法求C截面的转角？
15.2 杆件弹性变形能
例15.2 试计算图示吊车架的应变能，并应用它求节点A 的竖直位移。已知E=200GPa,F =57.6kN。斜杆AB由两
根50505mm 等边角钢组成，每根角钢的横截面面积 A1 4.8cm2，横杆AC由两根No.10槽钢组成，每根槽钢 的横截面面积 A2 12.74cm2 。设各杆自重可以不计。
Vε ＝W
15.2 杆件弹性变形能
一、线弹性体上的外力作功
作用在弹性杆件上的力，其加力点的位移，随着杆件
受力和变形的增加而增加，在这种情形下，力所作的功
为变力功。
F
0
F
F
Δ
W 1FΔ 2
Δ
O
对于材料满足胡克定律、又在小变形条件下工作的弹 性杆件，作用在杆件上的力与位移成线性关系。
这时，力所作的变力功为
2 a (qax qx2 ) x dx 5qa4
EI 0
2 2 24EI
④ 求转角，建立图示单位力状
态 q
A
B
C
a
a
x1 A
a
x2
M 1 B C
a
AC :
M
( x)
qax1
qx12 2
M (x) x1 2a
BC:
M
(
x)qax2
qx22 2
M (x) x2 2a
15.3 莫尔定理
0
只有当杆件上任一载荷在其他载荷引起的位移上不做功时， 应变能才可叠加。例如：
材料力学 能量法
第九章 能量法
概述 弹性体在外力作用下将发生变形，在变形过程中， 弹性体在外力作用下将发生变形，在变形过程中，一方面 载荷将在相应的位移上做功，称为外力功， 表示； 载荷将在相应的位移上做功，称为外力功，用 W 表示；另一 方面，弹性体由于变形，在其内部存储了能量， 方面，弹性体由于变形，在其内部存储了能量，这种因变形而 存储的能量称为应变能（变形能） 表示。 存储的能量称为应变能（变形能），用 Vε 或 U 表示。 根据能量守恒定律:如果载荷是静载，则应变能在数值上应 根据能量守恒定律:如果载荷是静载， 等于外力功: 等于外力功:
Vε1 = W Vε2 = W2 1
Vε1 = Vε2 = W = W2 1
F∆12 = F2∆21 1
F1
二、位移互等定理
F ∆12 = F2∆21 1
若F1=F2
1
11
2
21
F2
∆12 = ∆21
1
12
2
22
F1作用点沿 1方向由于 2而引起的位移∆12,等于 2作用点 作用点沿F 方向由于F 而引起的位移∆ 等于 等于F 方向由于F 引起的位移∆ 沿F2方向由于 1引起的位移∆21. 一个力作用在2点时， 点所引起的位移等于 一个力作用在 点时，在1点所引起的位移等于该力作用在 点时 点所引起的位移等于该力作用在 1点时，在2点所引起的位移 点时， 点所引起的位移 点所引起的位移. 点时 上述互等定理中的力和位移都应理解为广义的，如果力 上述互等定理中的力和位移都应理解为广义的， 换成力偶，则相应的位移应当是角位移。 换成力偶，则相应的位移应当是角位移。
例9-3 如图所示悬臂梁，已知梁的抗弯刚度为 如图所示悬臂梁，已知梁的抗弯刚度为EI, 若B点的垂直 点的垂直 位移为0，试用互等定理求F 位移为 ，试用互等定理求 B
概述 弹性体在外力作用下将发生变形，在变形过程中， 弹性体在外力作用下将发生变形，在变形过程中，一方面 载荷将在相应的位移上做功，称为外力功， 表示； 载荷将在相应的位移上做功，称为外力功，用 W 表示；另一 方面，弹性体由于变形，在其内部存储了能量， 方面，弹性体由于变形，在其内部存储了能量，这种因变形而 存储的能量称为应变能（变形能） 表示。 存储的能量称为应变能（变形能），用 Vε 或 U 表示。 根据能量守恒定律:如果载荷是静载，则应变能在数值上应 根据能量守恒定律:如果载荷是静载， 等于外力功: 等于外力功:
Vε1 = W Vε2 = W2 1
Vε1 = Vε2 = W = W2 1
F∆12 = F2∆21 1
F1
二、位移互等定理
F ∆12 = F2∆21 1
若F1=F2
1
11
2
21
F2
∆12 = ∆21
1
12
2
22
F1作用点沿 1方向由于 2而引起的位移∆12,等于 2作用点 作用点沿F 方向由于F 而引起的位移∆ 等于 等于F 方向由于F 引起的位移∆ 沿F2方向由于 1引起的位移∆21. 一个力作用在2点时， 点所引起的位移等于 一个力作用在 点时，在1点所引起的位移等于该力作用在 点时 点所引起的位移等于该力作用在 1点时，在2点所引起的位移 点时， 点所引起的位移 点所引起的位移. 点时 上述互等定理中的力和位移都应理解为广义的，如果力 上述互等定理中的力和位移都应理解为广义的， 换成力偶，则相应的位移应当是角位移。 换成力偶，则相应的位移应当是角位移。
例9-3 如图所示悬臂梁，已知梁的抗弯刚度为 如图所示悬臂梁，已知梁的抗弯刚度为EI, 若B点的垂直 点的垂直 位移为0，试用互等定理求F 位移为 ，试用互等定理求 B
材料力学 第12章_能量法
由
W Vε
B V
Fl 1 2 2 EA
返回
§12.3 卡氏定理
返回总目录
一、卡氏定理
可以证明，应变能对任一载荷Fi的一阶偏导数， 等于Fi的作用点沿Fi作用方向的位移 Δi。 V Δi Fi
说明： 1. 卡氏定理中的载荷Fi与位移Δi都是广义的； 2. 卡氏定理仅适用于线弹性结构。
解：1. 梁的应变能 弯矩方程
M x M e
梁的应变能
M 2 x V dx 2 EI
l
2 M M e dx e l 0 2 EI 2 EI
l 2
返回
例12-1 悬臂梁如图所示 已知:梁的抗弯刚度为常量 试:计算其应变能以及B截面的转角 2 Me l 解：1. 梁的应变能 V 2 EI
返回
四、外力功与应变能的关系 对于在静载作用下的完全弹性体，外力从零 缓慢增加到最终值，可不考虑其他能量的损失， 外力在相应位移上作的功，在数值上等于积蓄在 物体内的应变能。 根据能量守恒原理，有：
W Vε
返回
§12.2 杆件应变能的计算
返回总目录
一、外力功
在线弹性范围内，F与Δ成正比1 W Fd' F 2 0
第12章
能量法
第12章
能量法
§12.1 能量法概述
§12.2 杆件应变能的计算 §12.3 卡氏定理
§12.4 莫尔定理与单位载荷法
§12.1 能量法概述
返回总目录
一、能量法 利用功能原理 W= Vε 来求解可变形固体的位移、 变形和内力等的方法。 二、外力功（W） 固体在外力作用下变形，引起力的作用点 沿力作用方向位移，外力因此作功 。 三、变形能或应变能 （Vε） 弹性固体因变形而储备了能量 ，称为变形 能或应变能。
材料力学 第10章 能量法
材料力学第10章能量法在材料力学这门学科中，能量法是一种重要的分析方法。
它可以帮助我们计算杆件受力、弯曲、扭转等方面的机械能量，以及计算受力杆件的变形和应力分布等方面的物理能量。
本文将对材料力学第10章中的能量法做一简要介绍和讲解。
第一节：能量法的基本概念能量法的基本概念是物理学中的能量守恒定律。
根据能量守恒定律，能量可以被转化为其他形式，但总能量守恒不变。
在材料力学中，能量法通过分析杆件的受力变形过程，计算机械能、变形能和应变能等不同形式的能量，来求解某些物理量，如杆件的应力、变形等。
第二节：能量法的应用能量法可以应用在杆件的弯曲、扭转、受力等方面。
其中，弯曲问题是最为常见的。
在弯曲分析中，我们需要计算杆件上各点的剪力和弯矩，使用能量法时，我们可以采用双曲线弧长法和曲率半径法来计算。
在扭转分析中，我们需要计算杆件上各点的切向力和扭矩，使用能量法时，我们可采用扭转角度法和扭转能的变化法来计算。
在受力分析中，我们需要计算杆件上各点的应力和应变，使用能量法时，我们可以用弹性能和破裂能来计算杆件的应力和应变等物理量。
第三节：能量法的计算过程在应用能量法进行分析时，需要进行以下步骤：1. 建立受力变形模型：根据杆件的几何形状和受力情况建立受力变形模型，确定受力分布和变形情况。
2. 确定杆件的位移和应变能量：计算杆件受力变形后的弹性能、变形能等物理能量。
3. 利用能量守恒定律：将机械能、弹性能、变形能和应变能等能量之和等于零，根据能量守恒定律和受力变形模型，求解杆件的位移、应力和应变等物理量。
4. 对解得的结果进行有效检验：通过检查应力、应变等物理量的分布情况，对解得的结果进行有效检验。
总而言之，能量法是材料力学分析领域中非常重要的分析方法。
它广泛应用于工程设计、科研和生产实践等领域。
通过掌握能量法的理论基础和实际应用方法，可以有效地分析和解决杆件受力、弯曲、扭转等方面的技术问题，推动材料力学学科的发展进步。
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3
13 Pa 12 EI
3
M
能量法
例：图示梁，抗弯刚度为EI，承受均布载荷q及
集中力X作用。用图乘法求： (1)集中力作用端挠度为零时的X值； (2)集中力作用端转角为零时的X值。
能量法
解：(1)
ql / 8
2
1 wC EI
Xal 2a Xa 2 2a ql 3 a 2 3 2 3 12 2
l P 2 得：P wC1 m 2E I 2 ml 由此得： C wC1 8E I
2
能量法
例：长为 l 、直径为 d 的圆杆受一对横向压力 P 作用，
求此杆长度的伸长量。已知E和m。
能量法
解：由位移互等定理知，①杆的伸长量等于 ②杆直径的减小量
l
①
d
②
e d e d
4 P P d d E AE
能量法
例：已知简支梁在均布载荷 q 作用下，梁的中点挠
度
5ql w 384E I
4
。求梁在中点集中力P作用下(见
图)，梁的挠曲线与梁变形前的轴线所围成的面积A。
A
能量法
A
5ql q A P 384E I
能量法
4
可用于线弹性材料，也可用于非线弹性材料。
能量法
§12-7 单位载荷法 莫尔积分
P1
P2
C
用虚功原理可以导出计算结构一点位移的单位载荷法
能量法
P1
P2
C
Fs ( x)
C
M ( x)
1 M ( x)d
M ( x) d dx EI
P0 1 Fs ( x)
M ( x)
n
2l l
6 3 1
6
A
A
5
(3 2 2 ) Fl F 2 FNi FNi li EA
B B 1
4
能量法
§13-8 计算莫尔积分的图形互乘法 在应用莫尔定理求位移时，需计算下列形式的积分：
M ( x)M ( x) dx E I l
对于等直杆，EI=const，故只需计算积分
M ( x ) M ( x ) d x
FN ( x) T ( x) M ( x) Vε dx dx dx 2 E A( x) 2GI p ( x) 2 E I ( x) l l l
2
2
2
能量法
例：轴线为半圆形的平面曲杆，作用于A端的集
中力P垂直于轴线所在的平面。试求A点的垂直位移。
已知GIp、EI为常量。
能量法
M
Fs
Fs
d
d(l )
dW FNd(l ) Md Fs d
内
W
能量法
内
FN d(l ) Md Fs d
W
内
FN d(l ) Md Fs d
W外 ＝ Pi i
i 1
n
Pl / 4
Pl 48 E I
3
M
l/4
能量法
Pl / 4
max
1 1 Pl 1 l EI 2 4 2
Pl 16 E I
2
M
能量法
例：试用图乘法求所示简支梁C截面的挠度和A、B截
面的转角。
能量法
解：
ml wC 16 E I
2
M
能量法
R
S
AV
能量法
3 PR 3 PR 3 2GI p 2 EI
例：试求图示四分之一圆曲杆的变形能，并利用功
能原理求B截面的垂直位移。已知EI 为常量。
能量法
解： M ( ) PR sin
2
2 2
( PR sin ) M ( ) Rd Ve Rd 2E I 2EI 0 l P2 R3 8 EI 1 W P BV 2 R 由V e W , 得：
1 W P wB 2
2 3 ( Px) M ( x) P l dx Vε dx 2E I 2EI 6 EI 0 l
2
l
2
由 Vε W，得
Pl wB 3EI
3
()
能量法
例：试求图示梁的变形能，并利用功能原理求C
截面的挠度。
能量法
Pb Pa x x 2 a b 1 2 M ( x) dx l dx Ve dx l 1 2 2 E I 2EI 2E I l 0 0
第十二章 能量法
§12-1 功能原理
在弹性范围内，弹性体在外力作用下发生变形而 在体内积蓄的能量，称为弹性变形能，简称应变能。 物体在外力作用下发生变形，物体的应变能在数 值上等于外力在加载过程中在相应位移上所做的功，
即
Ve=W
能量法
§12-2 杆件应变能计算
一、轴向拉伸和压缩
1 Pl 1 Vε W P l P 2 EA 2
l
能量法
M ( x) x tg
y
M ( x)
M ( x)M ( x)dx
l
tg x M ( x)dx
l
x
y
M ( x)
tg xC
MC
MC
能量法
M ( x)
C
M ( x)M ( x) dx EI l
M C
EI
M ( x)
MC
能量法
2
2
三、弯曲
纯弯曲：
2 2 1 m l 1 m l M l Ve W m m 2 EI 2E I 2E I 2
横力弯曲：
能量法
M ( x) Ve dx 2 E I ( x) l
2
例：试求图示悬臂梁的变形能，并利用功能原理求
自由端B的挠度。
能量法
解：
M ( x) P x
5Pl A 384E I
4
§12-6 虚功原理
P1 P1
P2 P2
P3 P3
i
n
W ＝ Pi i
i 1
能量法
1.在虚位移中，杆件原有外力、内力保持不变，且 始终是平衡的；
2.虚位移满足边界条件和连续性条件；
3.符合小变形要求； 4.是实际发生的位移。
能量法
d
M
FN FN
l/4
A
1 ml 1 E I 2 3
ml 6E I
顺时针
M
能量法
B
1 ml 2 E I 2 3
ml 3E I
逆时针
M
能量法
例：试用图乘法求所示悬臂梁自由端B的挠度和转角。
能量法
解：
2 1 l ql 3l wB EI 3 2 4
解：T ( ) PR(1 cos ) , M ( ) PR sin
T ( ) M ( ) Ve Rd Rd 2GI p 2E I l l
2 2
3 P 2 R 3 P 2 R 3 4GI p 4E I 1 W P AV 2 由Ve W，得：
注意：上式中 δ应看成广义位移， 把单位力看成与广义位 移对应的广义力
能量法
例：试用莫尔定理计
算图(a)所示悬臂梁 自由端B的挠度和转 角。
P
A
x
l
B
1
A
x
B
1
A
能量法
B
x
解： (1)在B截面作用一单位力, 如图(b)所示 M ( x) Px, M ( x) x
Px M ( x)M ( x) Pl dx wB dx EI EI 3EI l 0
6 3
1
A
2
FN FN dx EA l
5 4
F
B
1 FNi FNi li EA
B 1
能量法
A
杆编号 1 2
杆长 l
i
FNi
F 2F F F 2F 2F
FNi
0 0 1 0
2 1
FNi FNi li
0 0 Fl 0 2 2 Fl 2Fl
3
4 5
l 2l l l
B
2 1 Pl 1 EI 2
Pl 2 EI
2
顺时针
M
能量法
例：试用图乘法求所示简支梁的最大挠度和最大转角。
能量法
解：
wmax
2 2 l ql 5l EI 3 2 8 32
2
ql / 8
2
5ql 384 E I
l 2
3
1
(2)在B截面作用一单位力偶, 如图(c)所示 M ( x) Px, M ( x) 1
Px Pl M ( x)M ( x) dx B dx E I 2 EI E I 0 l
2
能量法
l
1
例：计算图（a）所示开口圆环在 P力作用下切
口的张开量 ΔAB 。EI=常数。
ql 8E I
4
ql 2 2
M
能量法
B
2 1 l ql 1 EI 3 2
ql 6E I
3
顺时针
ql 2
2
M
能量法
例：试用图乘法求图示悬臂梁中点C处的铅垂位移。