材料力学第九章能量法
材料力学能量法
限制条件:不适 用于求解动力学 问题如振动、冲 击等
适用范围:适用 于求解线性问题 如弹性、塑性等
限制条件:不适 用于求解非线性 问题如塑性、蠕 变等
材料力学能量法的发展趋势和未来 展望
材料力学能量法的发展趋势
计算方法:发展高效、准确 的数值计算方法
应用领域:拓展应用领域如 航空航天、生物医学等
柱的压缩问题
问题描述:柱在轴向 压力作用下的压缩问 题
应用实例:桥梁、建 筑等结构中的柱在受 压时的变形和破坏
能量法分析:利用能 量法分析柱的受压变 形和破坏过程
结论:能量法在柱的 压缩问题中的应用可 以有效地预测柱的变 形和破坏情况为工程 设计提供依据。
弹性体的振动问题
添加 标题
弹性体振动问题的背景:在工程中弹性体的振动问题非常常见如桥梁、建筑物、机械设备等。
定义和原理
材料力学能量法: 一种研究材料力学 问题的方法通过分 析能量变化来求解 问题。
基本概念:能量、 应力、应变、位移 等。
原理:根据能量守 恒定律材料的变形 和破坏过程中能量 会发生变化通过分 析这些变化可以求 解问题。
应用:广泛应用于 结构分析、优化设 计等领域。
能量法的应用范围
结构力学:分析结构受力、变形和稳定性 材料力学:分析材料应力、应变和断裂 流体力学:分析流体流动、压力和速度 热力学:分析热传导、对流和辐射 电磁学:分析电磁场、电磁波和电磁感应 声学:分析声波传播、反射和吸收
能量法的基本假设
材料是连续、均匀、各向同性的
材料是线弹性的应力与应变成正 比
添加标题
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材料是弹性的满足胡克定律
添加标题
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材料是各向同性的应力与应变的 关系与方向无关
材料力学第9章--梁挠度和刚度计算
qx4
ql 12
x3
C x D 1
1
C 材料力学方程和挠曲线方程
EIq 1 qx3 ql x2 ql3
6
4 24
EIw 1 qx4 ql x3 ql3 x 24 12 24
6 梁的最大挠度:根据对称性
E Iw m a x E Iw |2 l 2 1 4 q 2 l 4 1 q 2 l 2 l 3 q 2 l4 3 2 l 3 5 8 q 4 lE 2 I
第9章 平面弯杆弯 曲 变 形与刚度计算 9.1 挠曲线 挠度和转角 9.2 挠曲线近似微分方程 9.3 积分法求梁的变形 9.4 叠加法求梁的变形 9.5 梁的刚度条件与合理刚度设计 9.6 用变形比较法解简单超静定梁
材料力学第9章--梁挠度和刚度计算
9.1 挠曲线 挠度和转角
1、梁的变形特点
平面假设
1 M z (x)
EI z * 思考:
1、若M常量
2、 若MM(x)
材料力学第9章--梁挠度和刚度计算
9.3 积分法求梁的变形
1、挠曲线方程(弹性曲线)
EIw (x)M (x)
EIw (x)M (x)dxC 1
E Iw (x ) (M (x )d x )d x C 1 x C 2
材料力学第9章--梁挠度和刚度计算
q
小变形(小挠度)
C
挠曲线
P x
w(x)
w(x)
C1
挠曲线:梁弯曲后,梁轴线所成的曲线
挠曲线方程
挠度:梁截面形心在垂直于梁的初始轴线方向的位移 w w(x)
转角:梁截面相对于变形前的位置转过的角度 qtanqdwx
材料力学第9章--梁挠度和刚度计算
dx
材料力学第九章动荷载和交变应力
kd 1 a g 1 2.5 9.8 1.26
st FNst / A W2 / A 127.3MPa d kd st 160.4MPa 1.05[ ]
∴ 钢索满足强度要求。
2.5m
FNd W2
W2 g
a
2.5m a
W2
2.梁的强度校核
W1
kd 1 a g 1 2.5 9.8 1.26
求σdmax、△Dd。不计梁的自重。 A
解:1.计算静态的△Cst、Mmax和
σstmax
W
h
D
2l / 3 l
C
B
l/3
由 w Fb(l 2 b2 ) x Fb x3
6EIl
6EIl
得
Δ Cst
W
l [l 2 ( l )2]
3
3
6EIl
2l 3
Wl 3
6EIl
( 2l )3 3
4Wl 3 0.19mm 243EI
结论:梁满足强度要求。
三、提高构件抗冲击能力的措施
d kdst Fd kdW d kd st
kd 1
1 2h — —竖向冲击动荷因数
st
kd
v2 水平冲击动荷因数
gst
在静应力不变的情况下,减小动荷系数可以减小冲击应力。
即加大冲击点沿冲击方向的静位移: 被冲击物采用弹性模量低、变形大的材料制作; 或在被冲击物上垫上容易变形的缓冲附件。
W
h C
z Iz = 1130cm4 Wz =141cm3
A
B
1.梁本身的变形
1.5m
1.5m
k
ΔCst1
Wl 3 48EI
0.474mm
2.支座缩短量
材料力学课件:能量法(一) (2)
公式中k为广义力Fk的相应广义位移
公式中的广义力Fk为相互独立的变量
14
能量法(一)
卡氏第二定理要早于克罗第—恩格塞定理
卡氏第二定理的证明:
Fk
F1 F2 Fk Fn A
1、 各Fi作用下梁的总外力功 B 2、给Fk一微增量Fk后的外力功增量
1 2 k
n
3、改变加载次序(先加Fk,后)
加Fi)的总外力功
bh5/ 2
l h/2
Vc V vcdV 2 0 0 vcbdydx
Vc F
25 F 2l 4 2c 2b 2 h 5
19
能量法(一)
➢
卡氏定理的应用:
k
V FkBiblioteka 例1:求A端的挠度P
A l
x
l M 2(x)
V 0
dx 2 EI
M(x) Px
Pl3 f A 3EI
20
能量法(一)
例2:求A端的转角
P
A l
P
M
x
k
V Fk
l M 2(x)
V 0
dx 2 EI
M(x) Px M
A
V M
M 0
附加力法:先假设一附加力,对被积函数求导后,令附加力等于零
21
能量法(一)
例3:EI为常数,求fA,A
k
V Fk
fA
V P
A
V ( Pa )
Pa
B
aC a
A
V
1( 2EI
a 0
和均取绝对值。求A端的挠度。
k
Vc Fk
F
A l
弹性体余能:Vc V vcdV
不考虑剪力的影响:微体处于单向
材料力学章节重点和难点
材料力学章节重点和难点第一章绪论1.主要内容:材料力学的任务;强度、刚度和稳定性的概念;截面法、内力、应力,变形和应变的基本概念;变形固体的基本假设;杆件的四种基本变形。
2.重点:强度、刚度、稳定性的概念;变形固体的基本假设、内力、应力、应变的概念。
3.难点:第二章杆件的内力1.主要内容:杆件在拉压、扭转和弯曲时的内力计算;杆件在拉压、扭转和弯曲时的内力图绘制;平面弯曲的概念。
2.重点:剪力方程和弯矩方程、剪力图和弯矩图。
3. 难点:绘制剪力图和弯矩图、剪力和弯矩间的关系。
第三章杆件的应力与强度计算1.主要内容:拉压杆的应力和强度计算;材料拉伸和压缩时的力学性能;圆轴扭转时切应力和强度计算;梁弯曲时正应力和强度计算;梁弯曲时切应力和强度计算;剪切和挤压的实用计算方法;胡克定律和剪切胡克定律。
2.重点:拉压杆的应力和强度计算;材料拉伸和压缩时的力学性能;圆轴扭转时切应力和强度计算;梁弯曲时正应力和强度计算。
3.难点:圆轴扭转时切应力公式推导和应力分布;梁弯曲时应力公式推导和应力分布;第四章杆件的变形简单超静定问题1.主要内容:拉(压)杆的变形计算及单超静定问题的求解方法;圆轴扭转的变形和刚度计算;积分法和叠加法求弯曲变形;用变形比较法解超静定梁。
2.重点:拉(压)杆的变形计算;;圆轴扭转的变形和刚度计算;叠加法求弯曲变形;用变形比较法解超静定梁。
3.难点:积分法和叠加法求弯曲变形;用变形比较法解超静定结构。
第五章应力状态分析? 强度理论1.主要内容:应力状态的概念;平面应力状态分析的解析法和图解法;广义胡克定律;强度理论的概念及常用的四种强度理论。
2.重点:平面应力状态分析的解析法和图解法;广义虎克定律;常用的四种强度理论。
3.难点:主应力方位确定。
第六章组合变形1.主要内容:拉伸(压缩)与弯曲、斜弯曲、扭转与弯曲组合变形的强度计算;2.重点: 弯扭组合变形。
3.难点:截面核心的概念第七章压杆稳定1.主要内容:压杆稳定的概念;各种支座条件下细长压杆的临界载荷;欧拉公式的适用范围和经验公式;压杆的稳定性校核。
山东大学材料力学习题练习册 班级 学号 姓名
第20页共26页
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9.17图示桁架各杆的材料相同,截面面积相等。试求节点C处的水平位移和垂直位移。
9.20直角曲拐 水平放置,受垂直方向的力 作用。刚架的 和 都为已知,试求截面 的垂直位移。
9.6在外伸梁的自由端作用力偶矩 ,试用互等定理,并借助于表4.1,求跨度中点 的挠度 。
9.8试求图示各梁 截面的挠度及 截面转角。 为已知。第19 Nhomakorabea共26页
山东大学材料力学习题练习册班级学号姓名
9.9图示为变截面梁,试求在 作用下截面 的垂直位移和截面 的转角。
9.14求图示变截面刚架 截面的垂直位移和水平位移。
山东大学材料力学习题练习册班级学号姓名第九章第九章能量法能量法91两根圆截面直杆的材料相同尺寸如图所示其中一根为等截面另一根为变截面
山东大学材料力学习题练习册班级学号姓名
第九章能量法
9.1两根圆截面直杆的材料相同,尺寸如图所示,其中一根为等截面,另一根为变截面。试比较两根杆件的应变能。
9.2试求图示受扭圆轴内所积蓄的应变能( )。
9.22由杆系及桁架组成的混合结构如图所示。设 、 、 、 、 均为已知。试求 点的垂直位移。
9.26图示折杆的横截面为圆形。在力偶矩 作用下,试求折杆自由端的线位移和角位移。
第21页共26页
九、 材料力学位移分析(2)
5、梁的刚度计算
解:1、作强度设计
[ ]; W ql 2 1 M max 10103 4 2 40kNm; 4 4 40103 4 3 W 4 10 m ; 100106 单个槽钢W 2 10 4 m 3 200cm3 ;
22a槽钢满足刚度要求。
课外练习:9-18;9-19;
6、简单的静不定问题
关于静不定的基本概念
求解静不定问题的基本方法
拉压静不定问题
扭转静不定问题 简单的静不定梁 静不定结构的特性
6、简单的静不定问题
关于静不定的基本概念
静定问题与静定结构——未知力(内力或外力)个数等于独立的平衡方程数 静不定问题与静不定结构——未知力个数多于独立的平衡方程数
对转角的限制 轴的类型 滑动轴承 向心轴承 向心球面轴承 圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承 安装齿轮的轴 许用转角[θ]/rad
0.001 0.005 0.005 0.0025 0.0025 0.001
5、梁的刚度计算
例题9-10、图示钢制圆轴,已知
20kN C
2000
Fp=20kN,E=206GPa,轴承B 处的
4、铝杆应力:σ =FNA/AA=128.8MPa 5、铝杆长度:l =300+0.936-0.552=300.38mm;
6、简单的静不定问题
扭转静不定问题 例题9-15、两端固定的圆轴受力如图,已知Mx,GIp,l, 求A、B两端的约束力。
y
x Mx z A l C l Mx D l B
6、简单的静不定问题
解:1、轴受力如图,由平衡方程:
M
x
0;
M x 4 M x M x M x 3 0;
材料力学章节重点和难点
材料力学章节重点和难点第一章绪论1.主要内容:材料力学的任务;强度、刚度和稳定性的概念;截面法、内力、应力,变形和应变的基本概念;变形固体的基本假设;杆件的四种基本变形。
2.重点:强度、刚度、稳定性的概念;变形固体的基本假设、内力、应力、应变的概念。
3.难点:第二章杆件的内力1.主要内容:杆件在拉压、扭转和弯曲时的内力计算;杆件在拉压、扭转和弯曲时的内力图绘制;平面弯曲的概念。
2.重点:剪力方程和弯矩方程、剪力图和弯矩图。
3. 难点:绘制剪力图和弯矩图、剪力和弯矩间的关系。
第三章杆件的应力与强度计算1.主要内容:拉压杆的应力和强度计算;材料拉伸和压缩时的力学性能;圆轴扭转时切应力和强度计算;梁弯曲时正应力和强度计算;梁弯曲时切应力和强度计算;剪切和挤压的实用计算方法;胡克定律和剪切胡克定律。
2.重点:拉压杆的应力和强度计算;材料拉伸和压缩时的力学性能;圆轴扭转时切应力和强度计算;梁弯曲时正应力和强度计算。
3.难点:圆轴扭转时切应力公式推导和应力分布;梁弯曲时应力公式推导和应力分布;第四章杆件的变形简单超静定问题1.主要内容:拉(压)杆的变形计算及单超静定问题的求解方法;圆轴扭转的变形和刚度计算;积分法和叠加法求弯曲变形;用变形比较法解超静定梁。
2.重点:拉(压)杆的变形计算;;圆轴扭转的变形和刚度计算;叠加法求弯曲变形;用变形比较法解超静定梁。
3.难点:积分法和叠加法求弯曲变形;用变形比较法解超静定结构。
第五章应力状态分析? 强度理论1.主要内容:应力状态的概念;平面应力状态分析的解析法和图解法;广义胡克定律;强度理论的概念及常用的四种强度理论。
2.重点:平面应力状态分析的解析法和图解法;广义虎克定律;常用的四种强度理论。
3.难点:主应力方位确定。
第六章组合变形1.主要内容:拉伸(压缩)与弯曲、斜弯曲、扭转与弯曲组合变形的强度计算;2.重点: 弯扭组合变形。
3.难点:截面核心的概念第七章压杆稳定1.主要内容:压杆稳定的概念;各种支座条件下细长压杆的临界载荷;欧拉公式的适用范围和经验公式;压杆的稳定性校核。
材料力学能量法
材料力学能量法材料力学能量法是材料力学中的一种重要分析方法,它通过能量原理来研究材料的力学性能和行为。
能量法在工程应用中具有广泛的意义,可以用于解决各种复杂的材料力学问题。
本文将对材料力学能量法进行详细介绍,包括其基本原理、应用范围和计算方法等内容。
首先,我们来看一下材料力学能量法的基本原理。
能量法是以能量守恒原理为基础的一种力学分析方法,它认为在任何力学系统中,系统的总能量始终保持不变。
在材料力学中,通过能量方法可以方便地求解结构的变形、应力分布和稳定性等问题。
能量法的基本原理为系统的总能量等于外力对系统做功的总和,即系统的内能和外力对系统做功的总和保持恒定。
其次,材料力学能量法的应用范围非常广泛。
它可以用于分析材料的弹性、塑性、断裂等力学性能,也可以用于研究材料的疲劳、蠕变、冷却等行为。
在工程实践中,能量法可以应用于各种材料的设计、优化和性能评估,如金属材料、复合材料、土木工程材料等。
通过能量法分析,可以更好地理解材料的力学行为,为工程设计和材料选型提供科学依据。
最后,我们来介绍一下材料力学能量法的计算方法。
能量法的计算方法主要包括弹性能量法、弹塑性能量法和断裂能量法等。
在应用中,需要根据具体问题选择合适的能量方法,并结合数值计算和实验验证进行分析。
在计算过程中,需要考虑材料的本构关系、加载条件和边界约束等因素,以确保计算结果的准确性和可靠性。
综上所述,材料力学能量法是一种重要的力学分析方法,具有广泛的应用前景和深远的理论意义。
通过能量法分析,可以更好地理解材料的力学性能和行为,为工程实践提供科学依据。
在今后的研究和应用中,我们需要进一步深入理解能量法的基本原理和计算方法,推动其在材料力学领域的发展和应用。
材料力学-第9章 能量法
材料力学里的虚功原理: 变形体受力处于平衡状态时,外力在虚位移上所作的功 (外力虚功)等于内力在虚变形上作的功(内力虚功)
外力q在虚位移 上作功
q
=
应力 在虚应变 上作用 * 若外力虚功不等于内力虚功,则外力作功未完全转化为结构 应变能,受力不平衡
材料力学-第9章 能量法
§9-3 虚功原理、内力虚功
材料力学-第9章 能量法
§9-1 功与应变能的基本概念
轴向拉压
dx
对于拉伸和压缩杆件,微段的应变能为
FN
FN
dVε
1 FN d 2
Vε=
dx+dδ
l 1 l 1 l 1 F 1 FN d FN dx FN dx FN N dx 0 2 0 2 0 2 0 2 E EA l
材料力学-第9章 能量法
§9-2 互等定理
思考题:
根据功的互等定理和位移互等定理对下列结构完成等式
?=?
材料力学-第9章 能量法
§9-2 互等定理
思考题:
根据功的互等定理和位移互等定理对下列结构完成等式
?=?
材料力学-第9章 能量法
§9-2 互等定理
思考题:
根据功的互等定理和位移互等定理对下列结构完成等式
?=?
材料力学-第9章 能量法
§9-2 互等定理
例题
A
Me
B
l
图示静不定梁,承受弯矩作用。利用功的互等 定理确定B端的支反力。设弯曲刚度EI为常数。
材料力学-第9章 能量法
§9-2 互定理
解:
Me A B FR M e
将支座B解除,代以支反力FR
。
将力偶Me和支反力FR作为一组力, 另外施加力F作为第二组力
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_课件
拉压杆
E
u
1 0
1 2 d E1 2 2E
2 1
扭转杆
G
u
1
0
1 1 2 d G 1 2 2G
2
例 题: 水平杆系如图所示 ,两杆的长度均为 l,横截面面积
为A,弹性模量为E,且均为线弹性。试计算在P1作用下的
应变能。
l
2
2
(3)弯曲梁内的变形能(略去剪力的影响)
1 M l l M ( x )dx U m 0 2 2EI 2EI
(4)组合变形的变形能
N ( x )dx T ( x )dx M ( x )dx U l l l 2 EA 2GI p 2 EI
2 2 2
2
2
2、非线性弹性体,通过 比能 求应变能
1 1
d
3
1 P1d 1 4
二. 余能 1、非线性弹性 材料(拉杆)
P
P1
1
O
P
1
O
ε1
ε
P
P1
dP
P
P1
O
1
Δ1 Δ dP + 0 PdΔ 0
=矩形面积
余功公式
P1 W C 0 Δ dP
P
P1
dP
P
O
1
余能公式
UC W C 0 Δ dP
P1
UC V ucdV
§3.1
概述
可变形固体在受外力作用而变形时,外力和内力均将作功。 对于弹性体,外力在相应位移上作的功,在数值上就等于
积蓄在物体内的应变能。
U=W
能量方法 : 利用功能原理 U = W 来求解可变形固体 的位移、变形和内力等的方法。
材料力学 能量法p
1 应变能
FN2 d x M2 dx T 2 dx V W 2EA l 2EI 2GI p l l
2 卡氏定理
线弹性杆
V Δi Fi
FN FN M M T T i dx dx dx EA Fi EI Fi GI p Fi l l l
3 虚功原理
F Δ F d Δ l M d θ T d φ F d λ i i N S
4 单位载荷法
Δ FN d Δl M d θ T d φ FS dλ
5 莫尔积分
步骤
FN FN MM TT d x d x EA EI GI P d x FN FN M M T T i dx dx dx EA Fi EI Fi GI p Fi l l l Δ
n —— 静不定次数
3. 变形比较法建立几何方程 A ΔB = 0 4. 建立物理方程 5. 建立补充方程解出多余未知力
A
q
B
q
B X1
相当系统
要点分析(1) q
A B X1
相当系统
补充方程
X 1l 3 ql 4 0 3EI 8EI
相当系统 —— 含有多余未知力 补充方程 —— 含有多余未知力
ω
x
M M dx
设 M ax b
x
M
xc
dx
M M d x ax b M d x a x M d x b M d x
ωax c b ωM C
MC
a ωx c b ω
x
M
C
ω
载荷弯矩图
x
材料力学能量法知识点总结
材料力学能量法知识点总结材料力学是工程力学的重要分支之一,研究材料在受力作用下的变形与破坏行为。
能量法是材料力学的基础理论之一,通过利用能量守恒原理,分析和求解材料的力学问题,具有重要的理论和实践价值。
本文将对材料力学能量法的基本概念、原理和应用进行总结。
1. 弹性势能与弹性应变能材料在受力作用下产生的变形能够存储为弹性势能,其中最常用的势能是弹性应变能。
弹性应变能是由于材料的弹性变形而储存的能量,可表示为弹性应变能密度。
2. 弹性势能的计算方法弹性应变能的计算方法主要有两种:一是通过力学平衡方程和材料力学性质的函数关系进行积分计算;二是通过应力-应变关系和应变能密度公式进行计算。
3. 弹性势能的应用弹性势能的应用涉及材料的变形、破裂、接头设计等问题。
通过计算弹性势能可以判断材料是否会发生破裂,并可用于材料的优化设计。
4. 塑性势能与塑性应变能材料在塑性变形时会产生塑性势能,塑性势能是由于材料的塑性变形而储存的能量。
塑性应变能可表示为塑性应变能密度。
5. 塑性势能的计算方法塑性势能的计算方法适用于材料的非弹性变形过程,常用的方法有等效应力法和Mises准则。
通过计算塑性势能可以估计材料在受力作用下的变形程度和破坏形式。
6. 塑性势能的应用塑性势能的应用主要涉及材料的变形、强度分析和塑性成形工艺等问题。
通过计算塑性势能可以评估材料的强度和变形能力,并可用于材料的成形优化。
7. 总势能与变分原理材料受到多种因素的叠加作用时,总势能是各种势能的代数和。
变分原理是能量法的基本原理之一,通过对总势能进行变分,得到材料力学问题的基本方程。
8. 总势能的应用总势能的应用主要涉及材料的稳定性分析和振动问题。
通过计算总势能可以判断材料的稳定性,预测振动频率和振动模式。
9. 耗散能与损伤模型材料在受力作用下会发生能量损耗,产生耗散能。
通过建立耗散能与应变的关系,可以描述材料的损伤行为,并建立损伤模型进行应力-应变分析。
材料力学能量法
材料力学能量法
材料力学是研究材料在外力作用下的变形、破坏和稳定性等问题的学科。
能量法是材料力学中的一种重要分析方法,它通过能量的守恒原理来分析材料的力学性能,为工程实践提供了重要的理论支撑。
本文将对材料力学能量法进行介绍,包括能量原理、应用范围、解题方法等内容,希望能为相关领域的研究人员和工程师提供一些参考。
在材料力学中,能量原理是指系统在外力作用下,能量的总变化等于外力所做的功。
根据这一原理,可以利用能量方法来分析材料的力学性能。
能量方法的应用范围非常广泛,可以用于分析材料的弹性、塑性、断裂等问题,也可以用于分析结构的稳定性和动力响应。
在工程实践中,能量方法被广泛应用于材料设计、结构优化和故障分析等领域。
在使用能量方法进行分析时,首先需要建立系统的能量平衡方程,然后根据系统的力学性能和外力条件,确定系统的势能和动能表达式。
接下来,可以利用能量平衡方程来推导系统的力学性能参数,比如应力、应变、位移等。
最后,通过求解能量平衡方程,可以得到系统的稳定性、破坏条件等重要信息。
除了上述基本方法外,能量方法还可以结合其他分析方法,比如有限元方法、变分原理等,来进行更复杂的问题分析。
在工程实践中,能量方法通常与实验测试和数值模拟相结合,可以为工程设计和材料选择提供重要的参考依据。
总之,材料力学能量法是一种重要的分析方法,它通过能量的守恒原理来分析材料的力学性能,为工程实践提供了重要的理论支撑。
希望本文的介绍能够对相关领域的研究人员和工程师有所帮助,也希望能够引起更多人对材料力学能量法的关注和研究。
材料力学能量法范文
材料力学能量法范文材料力学能量法是一种分析和计算物体的力学行为的方法,它基于能量守恒定律。
在这种方法中,物体或结构的变形和应力被视为能量的转化和传递过程。
通过确定系统的动能和势能,并将其与外部力和内部能力作为输入参数,可以计算系统的平衡状态和力学性能。
材料力学能量法的应用十分广泛,特别在工程领域中,例如结构分析、疲劳分析、材料强度计算和复杂系统的模拟等。
这种方法的基本原理是通过对物体的动能和势能之间的转化过程的考虑,来得到物体的平衡状态和力学性能。
在材料力学能量法中,物体的动能是由其质量和速度决定的,而势能是由物体的形变和应力分布决定的。
物体的动能包括其线性运动的动能和旋转运动的动能。
线性运动的动能可以通过物体的质量和速度平方的乘积来计算,而旋转运动的动能可以通过物体的惯性矩和角速度平方的乘积来计算。
物体的势能包括其弹性势能和塑性势能。
弹性势能是由物体的形变和应力分布引起的,而塑性势能是由物体在塑性变形时的能量损失引起的。
弹性势能可以通过弹性模量和物体的形变量的乘积来计算,而塑性势能可以通过材料的塑性应变和应力的乘积来计算。
在材料力学能量法中,系统的总能量是系统动能和势能的总和。
根据能量守恒定律,系统的总能量在无外部能量输入的情况下保持不变。
通过计算系统各个部分的动能和势能,可以确定系统的能量平衡状态和力学性能。
材料力学能量法的优点是可以考虑到物体的整体行为,并对动能和势能之间的转化过程进行分析。
它可以用来解决复杂的力学问题,并提供物体的应力和变形的直观理解。
此外,它还可以与其他力学方法相结合,例如有限元分析和基于能量的优化方法。
然而,材料力学能量法也有一些限制。
它通常只适用于小变形和较简单的物体形状,而对于大变形、非线性材料和复杂几何形状的物体,其精确性可能会降低。
此外,对于一些实际工程问题,由于存在其他影响因素,如温度和湿度等,材料力学能量法可能需要进一步修正和扩展。
总之,材料力学能量法是一种重要的力学分析方法,它基于能量守恒定律,通过对系统动能和势能之间的转化过程进行分析,来确定物体的平衡状态和力学性能。
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Therefore, the final strain energy for the second loading sequence is
dPi dδ i + U + dPiδ i (b) 2 Equating this expression to the earlier one (a), we have ∂U dPi dδ i U+ dPi = + U + dPiδ i ∂Pi 2 Neglecting the higher order infinitesimal amount, we then obtain
For a nonprismatic bar with continuously varying axial force, its strain energy is
[ N(x)2 ] U =∫ dx 2 EA( x) 0
l
2. Strain energy density ----The strain energy per unit volume of material.
If the two loads are equal, then the last equation becomes
δ 12 = δ 21
The reciprocal - displaceme nt theorem
The displacement at point A due to the load acting at point B is equal to the displacement at point B due to the load acting at point A.
l l l
9.2 Reciprocal Theorems 互换定理 1. Basic conditions a) the material must follow Hooke’s law; b) The displacement must be small enough that all calculations can be based upon the undeformed geometry of the structure.
Mθ U =W = 2
M 2L U= 2 EI
l 2
[ M ( x)]2 dx dU = 2x U =∫ 2 EI ( x) 0
5. Strain energy in the case of combined loading
If the materail is linear elastic and the deformation is small, we can get the strain energy in a member by superpersition
Comparing the equations (*) and (**), we get
P1δ 12 = P2δ 21 The reciprocal - work theor em
The work done by the forces in the first state of loading when they move through their corresponding displacements in the second state of loading is equal to the work done by the forces in the second state of loading when they move through their corresponding displacements in the first state of loading
9.3 Castigliao’s Theorems The strain energy U of the beam is
U = W = W ( P , P2 ,......Pn ) 1 i.e., the strain energy U is a function of the loads P1 P2 ,…Pn. Supposing that load Pi is increased slightly by the amount dPi, the increase in strain energy is
∂U δi = ∂Pi (8 - 20) Castigliao’ s Theorems
Example9-1 Find the vertical displacement and angle of rotation at the free end of a cantilever with Castigliano’s theorem. Solution: M=-Px-M0 l l 2 M dx 1 U =∫ = (− Px − M 0 ) 2 dx 2 EI ( x) 2 EI ∫ 0 0
When the second load is applied, an additional deflection results at B equal to δ22 ; hence, the second load dose work equal to 1 P2δ 22 2 Noting that the point A undergoes an additional deflection δ12 while the second load is being applied, the work done by P1 during this process is P1δ 12 In the way that one load is applied before the other, the total strain energy in the beam is 1 1 U = P1δ 11 + P2δ 22 + P1δ 12 (**) 2 2
Tϕ U =W = 2
T L U= 2GI P
2
l
[T ( x)] dx dU = 2GI P ( x)
2
[T ( x)]2 dx U =∫ 2GI P ( x) 0
4. Strain energy in a beam Similarly, we can use equation (*) to calculate the strain energy in a beam by substituting P with bending moment M and δ with the relative angle of rotation of the two ends of the beam θ, and get
0
δ
which make the bar absorbs energy called strain energy.
U = W = ∫ P dδ 1 1
0
δ
PL Noting that δ= We have EA P2L EAδ 2 U= U= 2 EA 2L
Let us assume that the material of the bar follows Hooke’s law, then Pδ U =W = (*) 2
1 1 1 dU = N ( x)dδ + M ( x)dθ + T ( x)dϕ 2 2 2
N 2 ( x)dx M 2 ( x)dx T 2 ( x)dx = + + 2 EA( x) 2 EI ( x) 2GI P ( x)
N 2 ( x)dx M 2 ( x)dx T 2 ( x)dx +∫ +∫ U =∫ 2 EA( x) 0 2 EI ( x) 0 2GI P ( x) 0
∂U dU = dPi ∂Pi Thus, the final strain energy of the beam is ∂U U + dU = U + dPi (a) ∂Pi
Now we let the load dPi is applied first, which produces its Corresponding displacement dδi. Thus, the strain energy due to the dPi is 1 dPi dδ i 2 When the loads P1 P2 ,…Pn are applied, they produce the same displacements as before (δ1, δ2, … ,δn) and do the same amount of work as before (U). However, during the application of these loads, the force dPi automatically moves through the displacement δi. Thus, dPi do additional work, equals to the additional strain energy, as following dPiδ i
For a bar u=
U N u= = AL 2 EA2
2
Eδ u= 2 L2
2
2
σ
2
2E
Eε u= 2
3. Strain energy in a bar in Torsion Similarly, we can use equation (*) to calculate the strain energy in a torsional bar by substituting P with torque T and δ with angle of torsion ϕ, and get
Chapter 9
Energy Methods
9.1 Calculation of Strain Energy 1. Strain energy in the bars Consider a bar with a static load. The work done by P1 is