材料力学第五章粱弯曲时的位移

当集中荷载F作用于简支梁的跨中时(b=l/2)，最大转角
qmax和最大挠度wmax为
qmax q A qB
EI
第9页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
Ⅱ. 挠曲线近似微分方程的积分及边界条件
w M x
EI 求等直梁的挠曲线方程时可将上式改写为
EIw M x
后进行积分，再利用边界条件确定积分常数。
第10页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
当全梁各横截面上的弯矩 可用一个弯矩方程表示时(例如 图中所示情况)有
左段梁0 x a
右段梁 a x l
挠曲线近似微分方程
EIw1

M1x

F
b l
x
积分得
EIw2

M
2
x

F
b l
x

F
x

a
EIw1

F
b l

x2 2
C1
EIw1

F
b l

x3 6
C1x

D1
EIw2

F
b l

x2 2

F x a2
第3页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
(a)
(b)
直梁弯曲时的挠度和转角这两个位移不但与梁的弯曲
变形程度(挠曲线曲率的大小)有关，也与支座约束的条件
有关。图a和图b所示两根梁，如果它们的材料和尺寸相同， 所受的外力偶之矩Me也相等，显然它们的变形程度(也就 是挠曲线的曲率大小)相同，但两根梁相应截面的挠度和
x1
l2 b2 3
aa 2b
3
显然，由于现在a>b，故上式
表明x1<a，从而证实wmax确实 在左段梁内。将上列x1的表达 式代入左段梁的挠曲线方程得
wmax w1 |xx1 9
Fb 3lEI
l2 b2 3
第31页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移

x

1
x

M x
EI
第7页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
从几何方面来看，平面曲线的曲率可写作(参见《高等 数学上册》，同济大学，P212）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 1
x


w 1 w2
3/ 2
式中，等号右边有正负号是因为曲率1/为度量平面曲线 (挠曲线)弯曲变形程度的非负值的量，而w"是q = w' 沿x方
以x为自变量进行积分得：
EIw


q 2

lx2 2

x3 3
C1
EIw

q 2

lx3 6

x4 12

C1x

C2
第20页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
该梁的边界条件为 在 x=0 处 w=0， 在 x=l 处 w=0
于是有 从而有
C2 0
转角则明显不同。
第4页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
在图示坐标系中，挠度w向下为正，向上为负；
顺时针转向的转角q为正，逆时针转向的转角q为负。
第5页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
§5-2 梁的挠曲线近似微分方程及其积分
Ⅰ. 挠曲线近似微分方程的导出 在§4-4中曾得到等直梁在线弹性范围内纯弯曲情况
向的变化率，是有正负的。
第8页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
再注意到在图示坐标系中，负弯矩对应于正值w" ，正弯矩对
应于负值的w" ，故从上列两式应有
w
1 w2
3/ 2
M x
EI
由于梁的挠曲线为一平坦的曲线，上式中的w2与1相比可略
去，于是得挠曲线近似微分方程 w M x

Fl 2 2EI

Fl 2 2EI


wmax

w
|xl

Fl 3 2EI
Fl 3 6EI
Fl 3 3EI

第17页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
思考: 试求图示等截面悬臂梁在所示坐标系中的挠曲线 方程和转角方程。积分常数C1和C2等于零吗？
第18页 / 共63页
位移q 称为横截面的转角。
第2页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
弯曲后梁的轴线——挠曲线为一平坦而光滑的曲线， 它可以表达为w=f(x)，此式称为挠曲线方程。由于梁变形
后的横截面仍与挠曲线保持垂直，故横截面的转角q 也就
是挠曲线在该相应点的切线与x轴之间的夹角，从而有转 角方程：
q tanq w f x
及
EIw|xl

q 2

l4 6

l4 12


C1l

0
即
C1

ql3 24
，C2

0
转角方程 q w q l3 6lx2 4x3 24EI
挠曲线方程 w qx l3 2lx2 x3 24EI
第21页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
例题5-2 试求图示等直梁的挠曲线方程和转角方程，
并确定其最大挠度wmax和最大转角qmax。
第19页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
解：该梁的弯矩方程为
M x ql x 1 qx2 q lx x2
22
2
挠曲线近似微分方程为
EIw M x q lx x2 2
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
从而得两段梁的转角方程和挠曲线方程如下：
左段梁 (0 x a)
右段梁 (a x l)
q1

w1

Fb 2lEI
1 3
l2 b2

x
2

q2

w2

Fb 2lEI

l b
x

a
2

x2
1 3
l2
b2

第13页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
例题5-1 试求图示等直梁的挠曲线方程和转角方程，
并确定其最大挠度wmax和最大转角qmax。
第14页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
解：该梁的弯矩方程为
M x Fl x
挠曲线近似微分方程为
EIw M x Fl x
D2 0
第27页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
由另一支座约束条件 w2|x=l=0 有
b l3 F l a3
EIw2 |xl F l b 6 C2l 0
即
C2

Fb 6l
l2
b2
从而也有
C1
Fb 6l
l2
b2
第28页 / 共63页
下中性层的曲率为
1M EI
这也是位于中性层内的挠曲线的曲率的表达式。
第6页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
在横力弯曲下，梁的横截面上除弯矩M=M(x)外，还 有剪力FS=FS(x)，剪力产生的剪切变形对梁的变形也会产 生影响。但工程上常用的梁其跨长l 往往大于横截面高度h 的10倍，此时剪力FS对梁的变形的影响可略去不计，而有
第26页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
该梁的两类边界条件为 连续条件： 在x=a处 w1 w2，w1=w2
支座约束条件：在x=0处 w1=0，在 x=l 处 w2=0
由两个连续条件得： C1 C2， D1 D2
由支座约束条件 w1|x=0=0 得 D1 0 从而也有
第12页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
若由于梁上的荷载不连续等原因使得梁的弯矩方程 需分段写出时，各段梁的挠曲线近似微分方程也就不同。 而对各段梁的近似微分方程积分时，都将出现两个积分 常数。要确定这些积分常数，除利用支座处的约束条件 外，还需利用相邻两段梁在交界处的连续条件。这两类 条件统称为边界条件。
6lEI
qB
q2
|xl


Fabl
6lEI
a
当a>b时有
qmax qB

Fabl a
6lEI

第30页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
根据图中所示挠曲线的大致形状可知，最大挠度wmax 所在w 0 处在现在的情况下应在左段梁内。令左段梁的
转角方程 w1 等于零，得
M
2
x


FA
x

F
x

a

F
b l
x

F
x

a

a x l
为了后面确定积分常数的方便，右边那段梁的弯矩方
程M2(x)仍取x截面左边的梁为分离体，使方程M2(x)中的第 一项与方程M1(x)中的项相同。
第24页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
两段梁的挠曲线近似微分方程亦需分段列出，并分别进行积分：
Fb
wmax w1 |xx1 9 3lEI
l2 b2 3
由上式还可知，当集中荷载F
作用在右支座附近因而b值甚小，
以致 b2 和 l2 相比可略去不计时有
Fbl 2
Fbl 2
wmax 9
0.0642 3EI
EI
它发生在 x1
l 0.577 l 处。而此时 x l 0.500l处(跨
EI 2EI
挠曲线方程 w Fx2l Fx3 2EI 6EI
根据该梁边界条件和全梁横截面上弯矩均为负值， 以及挠曲线应光滑连续描出了挠曲线的示意图。
第16页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
可见该梁的qmax和wmax均在x=l的自由端处。于是有
qmax
q
|xl
Fl 2 EI
根据对称性可知，两支座处的转角qA及qB的绝对值相
等，且均为最大值，故
qmax q A qB
ql3
24 EI
最大挠度在跨中，其值为
wmax

w
|xl
2
ql 2
24 EI
l 3

2l
l 2
2


l 2
3

5ql 4 384 EI

第22页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
例题5-3 试求图示等直梁的挠曲线方程和转角方程，
并确定其最大挠度wmax和最大转角qmax。
第23页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
解：约束力为
FA

F
b， l
FB
Fa l
两段梁的弯矩方程分别为
M1x

FA
x

F
b l
x
0 x a
EIw M xd x C1
EIw M xd x d x C1x C2
以上两式中的积分常数C1， C2由边界条件确定后即可得出梁 的转角方程和挠曲线方程。
第11页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
边界条件(这里也就是支座处的约束条件)的示例如 下图所示。
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
§5-1 梁的位移——挠度和转角 §5-2 梁的挠曲线近似微分方程及其积分 §5-3 按叠加原理计算梁的挠度和转角 §5-4 梁的刚度校核·提高梁的刚度的措施
第1页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
§5-1 梁的位移——挠度和转角
直梁在对称平面xy内弯曲时其原来的轴线AB将弯曲成 平面曲线AC1B。梁的横截面形心(即轴线AB上的点)在垂直 于x轴方向的线位移w称为挠度，横截面对其原来位置的角
2
C2
EIw2

F
b l

x3 6

Fx
6
a3

C2 x
D2
第25页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
值得注意的是，在对右段梁进行积分运算时，对于含 有(x-a)的项没有以x 为自变量而是以(x-a)作为自变量进行 积分的，因为这样可在运用连续条件 w1 '|x=a=w2'|x=a 及 w1|x=a=w2|x=a 确定积分常数时含有(x-a)2和(x-a)3的项为零而 使工作量减少。
3
2
中点C)的挠度wC为
wC

w1
|xl
2
Fb 48 EI
3l 2 4b2
Fbl 2 16 EI
0.0625
Fbl 2 EI
第32页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
可见在集中荷载作用于右支座附近这种极端情况下，跨中
挠度与最大挠度也只相差不到3%。因此在工程计算中，只要 简支梁的挠曲线上没有拐点都可以跨中挠度代替最大挠度。
以x为自变量进行积分得
EIw

F lx

x2 2


C1
EIw
F
lx2 2

x3 6

C1x
C2
该梁的边界条件为：在 x=0 处 w 0，w =0
于是得
C1 0，C2 0
第15页 / 共63页
材料力学
从而有
转角方程
第五章 梁弯曲时的位移
q w Fxl Fx2
w1

Fbx 6lEI
l2
b2
x2
w2

Fb 6lEI

l b
x

a
3

x
3

l2
b2
x
第29页 / 共63页
材料力学
第五章 梁弯曲时的位移
左、右两支座处截面的转角分别为
qA
q1
|x0
Fb l 2 b2 6lEI
Fabl b