上海交通大学考研专业课材料力学讲义11_energy_methods
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第十一章材料力学课程课件PPT
2.18
BC
第11章
表达式为
变 型能法
11.3 卡 氏 定 理
δ1 =
证明如下: 设 FP1 , FP 2 , , FPn 作用于弹性体上(图11.6),这些力产生的相应位移 为 δ1 , δ 2 ,δ n ,在变形过程中,外力所做的功等于弹性体的变形能,于 是变形能 U 为 FP1 , FP 2 , , FPn 的函数.
M θB W = 0 ,而外力 2
偶所做的功为 M0
M 02 l U = ,由 2 EI
W =可得 U
M 0θ B M 02l = 2 2 EI
θB =
M 0l EI
2.17
第11章
变 型能法
11.3 卡 氏 定 理
其结果与梁的变形一章中计算结果一致.从上面的计算可以看出,由于 变形能为力的函数,若将变形能对力求偏导数,则
与集中力对应的是线位移,与集中力偶对应的是角位移.在线弹性体的 情况下,广义力和广义位移是线性关系,运用胡克定理,上式还可以写 成: FP2 l Cδ 2 U= = (11.11) 2C 2l 式中,C是杆的刚度,从上式可以看出,弹性变形能是广义力或广义位 移的二次函数.
2.13
第11章
变 型能法
(a) (b) 图11.1 轴向受拉杆外力的功 (a) 受拉直杆;(b) 与关系
2.4
P
第11章
W=
变 型能法
1 FP l 2
11.2 变形能的计算
(11.2)
根据式(11.1)可知,受拉杆的弹性变形能为
U =W = 1 FP l 2
因,上式可写成
l = FP l EA
(11.3)
2.5
第11章
材料力学课程讲义 (5)
T ( x2 ) = - Fa
Ay =
∫
a
0
M( x1 )M( x1 ) dx1 + EI
∫
M( x2 )M( x2 ) dx2 + EI 0
l
∫
l 0
l
0
T( x2 )T( x2 ) dx2 EIt
Ay =
∫
a
0
x1 Fx1 dx1 + EI
∫
x2 Fx2 dx2 + EI 0
l
∫
a Fa dx2 EIt
§4 变形体虚功原理
变形体虚功原理 变形体虚功原理的证明
变形体虚功原理 几个概念
可能内力与外力(静力许可场) 可能内力与外力(静力许可场) 1)与外力保持平衡并满足静力边界条件的 与外力保持平衡并满足静力边界条件的 内力,称为静力可能内力 静力可能内力或 内力,称为静力可能内力或可能内力 2)杆的可能内力用 N,T,FS与M表示 杆的可能内力用F 杆的可能内力用 表示 3)可能内力与外力 可能内力与外力 结构的静力许可场
l
∫ [F
l
N( x)dδ + T( x)dφ + M y ( x)dθy
+ Mz ( x)dθz ]
= ∫ [FN( x)dδ + T( x)dφ + M y ( x)dθy + Mz ( x)dθz ]
l
实际变形 由载荷状态下的实际内力 确定
关于位移与单位载荷 -广义位移,施加相应单位广义载荷 广义位移,施加相应单位广义载荷
We = ∫ q( x )w ( x )d x + M e e + Fp l
l
变形体虚功原理
Ay =
∫
a
0
M( x1 )M( x1 ) dx1 + EI
∫
M( x2 )M( x2 ) dx2 + EI 0
l
∫
l 0
l
0
T( x2 )T( x2 ) dx2 EIt
Ay =
∫
a
0
x1 Fx1 dx1 + EI
∫
x2 Fx2 dx2 + EI 0
l
∫
a Fa dx2 EIt
§4 变形体虚功原理
变形体虚功原理 变形体虚功原理的证明
变形体虚功原理 几个概念
可能内力与外力(静力许可场) 可能内力与外力(静力许可场) 1)与外力保持平衡并满足静力边界条件的 与外力保持平衡并满足静力边界条件的 内力,称为静力可能内力 静力可能内力或 内力,称为静力可能内力或可能内力 2)杆的可能内力用 N,T,FS与M表示 杆的可能内力用F 杆的可能内力用 表示 3)可能内力与外力 可能内力与外力 结构的静力许可场
l
∫ [F
l
N( x)dδ + T( x)dφ + M y ( x)dθy
+ Mz ( x)dθz ]
= ∫ [FN( x)dδ + T( x)dφ + M y ( x)dθy + Mz ( x)dθz ]
l
实际变形 由载荷状态下的实际内力 确定
关于位移与单位载荷 -广义位移,施加相应单位广义载荷 广义位移,施加相应单位广义载荷
We = ∫ q( x )w ( x )d x + M e e + Fp l
l
变形体虚功原理
材料力学课程教学大纲-上海交通大学-材料科学与工程学院
undertaking impact force. From this course, the students shall master the basic measuring method of the materials mechanical properties, basic structural analysis method for materials in applications, basic knowledge on ratioThe course will build a bridge to bring students from materials to structures.
*学习目标(Learning Outcomes)
教学内容 材料力学绪论。材料在 力的作用下发生变形 的机制与类型; 内力、应力与应变的定 义与表达方法;单向弹 性变形下胡克定律。 多向弹性变形下胡克 定律;弹塑性变形下材 料的硬化及其应力应 变关系 材料的力学性能测试 方法与实验 静力平衡基本方程与 分析方法(补理论力学 知识) 杆件拉压内力、应力、 应变、变形分析方法 杆件扭转内力、应力、 应变、变形分析方法, 工程剪切问题分析方 法 杆件弯曲内力、应力、 应变、变形分析方法
(中文)材料力学 (英文)Mechanics of Materials 专业基础课
材料力学是关于材料工程应用的科学,主要解决材料的变形与外力的关系、典型 结构设计方法与充分发挥材料承载能力等问题。具体地说,就是在满足强度、刚 度和稳定性等要求下,为设计既经济又安全的构件,提供必要的理论基础和计算 方法。本课程包括三个模块:1、材料的基本力学性能及测试方法,杆件拉压、 剪切、扭转、弯曲等基本变形的分析方法,以及材料屈服和破坏的判定方法,为 *课程简介(Description) 合理利用材料打下基础。2、复杂应力状态分析与应力测试,掌握材料应用与强 度理论的基本分析方法。3、工程应用专题,包括超静定结构分析,构件疲劳分 析,压杆失稳分析,构件受冲击载荷的变形分析等,掌握从材料到构件的基本设 计分析方法。通过学习本课程,学生应掌握材料性能的基本测试方法,材料服役 过程中的基本工程结构分析方法,掌握合理应用材料的基本知识,搭建起由材料 走向工程结构的桥梁。 Mechanics of Materials is a science for applying materials in engineering structures. It focus on the relationship between deformation and force, design of typical structures and making full use of load sustaining capacity of the materials. The course provides with the theoretical basis and calculation method for designing safety and economical engineering structures with specified requirements of strength, stiffness and stability. The course consists of three modules: 1. the basic mechanical properties *课程简介(Description) of materials as well as their measuring methods, the analysis of basic deformations of bars under tension, compression, shear, torsion and bending, as well as the criterion of yielding and failure of materials; 2. Stress analysis and measurement in complex stress state; 3. Engineering application subjects enabling students with the ability of analysis from materials to structures, including super-static structural analysis, fatigue analysis, buckling analysis of pressurized bar, and deformation analysis of structures
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
材料力学第26讲 Chapter3-1第三章 能量法(应变能 余能)
i
Ti 2li 2Gi I pi
变截面直杆
V
l
T2
dx
0 2G(x)I p (x)
变截面且变外力直杆
V
l T (x)2 dx
0 2G(x)I p (x)
11
3. 弯曲变形杆件应变能的计算
W
1 2
M e
l Mel
W M e2l 2EI
Me
EI
W V
V
M e2l 2EI
Me W
O
12
V W
7
一、 线弹性问题
1. 轴向拉压杆件应变能的计算
W 1 Fl
2
l Fl
W F 2l 2EA
F
EA
W=V 功能原理
V
EAl 2
2l
F 2l V 2EA
O
F
l
F W
l l
8
其它情形轴向拉压变形时杆件应变能的计算
分段直杆 变截面直杆
V
i
FNi 2li 2Ei Ai
V
l
FN2
dx
BA
EA1 lBC EA1
A2 , E, l
C
解法二:
将力作用到B点, 求A点的位移
A
lAC lBC
B
lAC lBC
Fl EA1
29
二、非线性弹性问题
应变能的计算(利用计算功的形式):
V W
1 Pd
0
P-广义力(力,力偶)
-广义位移(线位移,角位移)
30
1. 几何非线性问题
P
P
P1 W
O
其它情形弯曲变形时杆件应变能的计算
分段直杆
《材料力学》第十二章-求变形的能量法
3 虚功的计算 外力:P1, P2,……, 虚位移:a1, a2,……., 外力虚功: 内力:N, M,… 虚变形:
We=P1a1+P2a2+……..
内力虚功:
由 We=Wi
虚功原理是最一般的功能原理
对于梁,施加单位力P=1, 力P产生的内力 则有:
莫尔定理
小结: 1 变形位能的概念 2 卡氏定理 3 莫尔定理 4 互等定理 5 虚功原理 作业:12.19, 12.20
2 ( x)
2G
L
dv
2 w ( x)
L
2E
dv
内力表达的变形位能
应力表达的变形位能
结
论
1. 变形位能是状态函数 (同最终的力和变形有关)
11
2. 变形位能的计算不能用叠加原理
如何解释交叉项? 单独作用时 则 交叉项是两个载荷相互作用的外力功
〈解释1〉
载荷
在载荷
引起的位移上做的功
⑤ 莫尔积分必须遍及整个结构
例
A
求等截面直梁C点的挠度和转角(例 12.3 [P356])
q B x a C
A
P0 =1
B
a
a
C
a
解:①画单位载荷图 ②求内力
qx2 M ( x ) aqx 2
③变形
q A x a C B A P0 =1 B
a
a
C
a
对称性
④求转角,重建坐标系(如图)
q
A
§12–3 莫尔定理 Mohr Theory
q(x)
A
在实载荷下得到
相应内力如弯矩为M(x) 如何计算任一点A的位移? 1、 在A点加虚单位力
材料力学 第11章 能量法讲解
x Me
A
l FAy
B FBy
(1) 应变能计算
梁的约束力
FA
FB
Me l
梁的弯矩方程
代入应变能公式
M (x)
FA x M e
x Me(l
1)
Vε
M 2(x) dx
l 2EI
1 2EI
l 0
M
2 e
(
x l
1)2 dx
M e2l 6EI
15/65
11.1 外力功与应变能 【例11-1】解
10/65
11.1 外力功与应变能
11.1.3 克拉贝依隆原理
F1Δ12 F2 Δ21
W
1 2
F1 Δ11
1 2
F2 Δ22
F1 Δ12
上式可推广到有多个广义力共同作用于线性弹性体的情况 Vε W
Vε
W
1 2
Fi Δi
上式称为克拉贝依隆原理。
式中为全部外力(F1,F2,…,Fi,…,Fn)在广义力Fi处
l GI p
M xdq
2
w M EI
12/65
11.1 外力功与应变能
M(x)
T(x) FN(x) FN(x)
11.1.4 杆件的应变能
dq
T(x) M(x)
dj
dx
dx dd
dx
dx
dVε
FN2 (x)dx 2EA
T 2 (x)dx 2GIp
M 2 (x)dx 2EI
则整个圆截面杆的应变能 Vε
FN2 (x) dx l 2EA
A
l FAy
B FBy
(1) 应变能计算
梁的约束力
FA
FB
Me l
梁的弯矩方程
代入应变能公式
M (x)
FA x M e
x Me(l
1)
Vε
M 2(x) dx
l 2EI
1 2EI
l 0
M
2 e
(
x l
1)2 dx
M e2l 6EI
15/65
11.1 外力功与应变能 【例11-1】解
10/65
11.1 外力功与应变能
11.1.3 克拉贝依隆原理
F1Δ12 F2 Δ21
W
1 2
F1 Δ11
1 2
F2 Δ22
F1 Δ12
上式可推广到有多个广义力共同作用于线性弹性体的情况 Vε W
Vε
W
1 2
Fi Δi
上式称为克拉贝依隆原理。
式中为全部外力(F1,F2,…,Fi,…,Fn)在广义力Fi处
l GI p
M xdq
2
w M EI
12/65
11.1 外力功与应变能
M(x)
T(x) FN(x) FN(x)
11.1.4 杆件的应变能
dq
T(x) M(x)
dj
dx
dx dd
dx
dx
dVε
FN2 (x)dx 2EA
T 2 (x)dx 2GIp
M 2 (x)dx 2EI
则整个圆截面杆的应变能 Vε
FN2 (x) dx l 2EA
《材料力学》11-1能量法
F1 dF
0
与外力功
W
1 0
Fd之和等于矩形面积
F1 1
线弹性范围内外力功等
F
F
于余功,能等于余能。
F1
F1
o
1
o
1
例题
试计算图示结构在荷载 F1 作用下的余能,结构中两杆的 长度均为 l,横截面面积均为A材料在单轴拉伸时的应力
—应变曲线如图所示。
B
D
K1nn1 1
C
F1
解:由结点C的平衡方程,可得两杆的轴力为
例题
xy平面内,由k根杆组成的杆系,在结点A处用铰链结 在一起,受到水平荷载和铅垂荷载作用,截面分别 为 A1,A2,Ai,Ak ,试用卡氏第一定理求各杆的轴力。
1
2
i
k
F1 A
F2
这种以位移为基本未知量,把它的求解当作关键性问题的方法称为位移法
本章作业
(II)3-2,
(II)3-4,
(II)3-10,
例题
图示在线弹性范围内工作的一端固定、另一端自由的圆轴,在自由端截面
上承受扭转力偶矩M1。材料的切变模量G和轴的长度 l 以及直径 d 均已知。 试计算轴两端的相对扭转角。
M1
d
A
B
l
四 余功、余能及卡氏第二定理
Wc
F1 dF
0
与余功相应的能称为余能
Vc V vcdV
vc
1 d
0
Vc
Wc
V cvc2Al2A nK lnn1 cF 1 o sn1
卡氏第二定理
F1
F2
F3
Fn
A
B
1
2
3
n
材料力学第十三章__能量方法
解:由节点B的静力平衡 条件求得各杆内力:
NAB5 4P , NBC4 3P
构架的变形能等于 AB和 BC两杆变形能之和:
UUAB UBC N 2A 2ElB AA B N 2B 2ElC BA C
U 1.9P2l 2EA
1.9P2l UWPB
2EA
2
B
1.9Pl EA
的中点挠度 f 5q l 4
。求梁在中点
384 E I
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 。
q P 5ql4 5Pl4
384E I
384E I
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μ。
解:由位移互等定 ,理 ①知 杆的伸长量 ②杆直径的减小量
i
U C Pi
性弹性杆件或杆系在 外力Pi作用点处与Pi相 应的位移δi
在线弹性杆件或杆系U=UC
卡氏第二定理 i
U Pi
线弹性杆件或杆系的应变能U对
于作用在该杆件或杆系上的某一
外力之变化率就等于该力作用点
沿作用线方向的位移。
(1)
轴向拉伸和压缩
i
l
N(x)N(x)dx EA P
M2(x) dx
l 2EI(x)
QS Z
bI Z
矩形:
s
6 5
U
l
s Q 2 dx
2 GA
圆形: 薄壁管:
s s
10 9 2 .0
U弯
l
22
1 (Px)2dxP2l3
考研讲义材料力学
2 梅花香自苦寒来,岁月共理想,人生齐高飞!
《材料力学》
1 基础课程学习缘由
1.1 这门课程适合什么院校和专业
材料力学适合 0802 机械工程、0805 材料科学与工程、0807 动力工程、0814 土木工程、 0815 水利工程、0830 环境科学与工程等专业,在推荐的院校当中,材料力学适合如下院校, 也就是说考生可以根据自己学习状况选择这些专业和院校:
初试科目
832 工程力学(理力、材力) 813 材料力学 C 867 材料力学(需携带计算器) 816 材料力学 830 材料力学 812 材料力学 801 材料力学 832 工程力学(理力、材力) 807 材料力学 867 材料力学(需携带计算器) 802 材料力学 812 材料力学 I 801 材料力学 801 材料力学 831 理论与材料力学
初试科目
952 热工基础 830 材料力学 816 材料力学(I) 824 材料力学 840 工程力学 867 材料力学
0814 土木工程专业之 33 所高校
序列
1
大学名称
北京航空航天大学
初试科目
831 工程力学
3 梅花香自苦寒来,岁月共理想,人生齐高飞!
《材料力学》 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 华北水利水电学院 华东交通大学 天津大学 同济大学 同济大学 西安建筑科技大学 西南交通大学 北京交通大学 大连海事大学 大连理工大学 东北电力大学 福州大学 哈尔滨工业大学 河海大学 华中科技大学 暨南大学 山东大学 上海交通大学 沈阳建筑大学 西北农林科技大学 厦门大学 浙江大学 中国矿业大学 中国农业大学 北方工业大学 西南科技大学 哈尔滨工程大学 河北工业大学 南京工业大学 南京航空航天大学 浙江工业大学 中南大学 重庆大学 905 材料力学 801 材料力学 802 工程力学 808 材料力学与结构力学 831 理论与材料力学 801 材料力学 923 材料力学 950 材料力学 817 材料力学 829 材料力学(土) 861 材料力学 829 材料力学(土木) 871 材料力学(B) 813 材料力学 841 工程力学 447 材料力学 850 材料力学 804 材料力学 801 材料力学 802 材料力学 855 材料力学 835 材料力学(乙) 807 材料力 832 工程力学(理力、材力) 872 材料力学 814 材料力学 805 材料力学 860 材料力学 831 材料力学(土) 816 材料力学 854 材料力学(II) 948 材料力学 846 材料力学一
材料力学第13章(能量方法)
M 2 ( x) [ M ( x ) M ( x )]2 M 2 ( x) dx L 2 EI dx L 2 EI dx 1 f A L 2 EI
M ( x)M ( x) 1 f A dx L EI
M ( x)M ( x) fA dx L EI
莫尔定理或莫尔积分 (单位载荷法)
先加单位力,再加原载荷:
外力作功:W1 W W 1 f A 应变能:
图b F0 =1
A
q(x) 图c
fA
[ M ( x ) M ( x )]2 V 1 L dx 2 EI
W1 Vε1
[ M ( x ) M ( x )]2 W W 1 f A L dx 2 EI
和转角。 q
A
1
x
l
B
A
B
x l
解: (1)垂直位移
qx 2 M ( x) 2
M ( x)M ( x) dB dx L EI
M ( x) x
1 l qx2 ql 4 0( 2 )( x )dx 8 EI ( EI
)
q
A
1
x
l
B
A
l
x
B
(2)转角
qx 2 M ( x) 2
[例2] 已知:梁的抗弯刚度EI,用莫尔积分法求B点的垂直
位移和转角。
q
A
1
B
A B
l
l
FNi FNi l i T ( x )T ( x ) dx L GI P E i Ai
M ( x)M ( x) L EI dx
M ( x)M ( x) dB dx L EI
[例3] 已知:梁的抗弯刚度EI,用能量法求B点的垂直位移
M ( x)M ( x) 1 f A dx L EI
M ( x)M ( x) fA dx L EI
莫尔定理或莫尔积分 (单位载荷法)
先加单位力,再加原载荷:
外力作功:W1 W W 1 f A 应变能:
图b F0 =1
A
q(x) 图c
fA
[ M ( x ) M ( x )]2 V 1 L dx 2 EI
W1 Vε1
[ M ( x ) M ( x )]2 W W 1 f A L dx 2 EI
和转角。 q
A
1
x
l
B
A
B
x l
解: (1)垂直位移
qx 2 M ( x) 2
M ( x)M ( x) dB dx L EI
M ( x) x
1 l qx2 ql 4 0( 2 )( x )dx 8 EI ( EI
)
q
A
1
x
l
B
A
l
x
B
(2)转角
qx 2 M ( x) 2
[例2] 已知:梁的抗弯刚度EI,用莫尔积分法求B点的垂直
位移和转角。
q
A
1
B
A B
l
l
FNi FNi l i T ( x )T ( x ) dx L GI P E i Ai
M ( x)M ( x) L EI dx
M ( x)M ( x) dB dx L EI
[例3] 已知:梁的抗弯刚度EI,用能量法求B点的垂直位移
秦飞编著《材料力学》第11章 组合变形
当中性轴不穿过横截面时,可以确保横截面上只有压应力。
当载荷作用点位于截面形心附近某一个区域内时,就可保 证中性轴不穿过横截面,这个区域称为截面核心 (core of section)。
秦飞 编著《材料力学》 第11章 组合变形 26
11.1 轴向拉压与弯曲的组合变形
(3)*截面核心的概念
截面核心的确定
该截面惯性半径的平方为
Iy
2 I b iz2 z A 12
28
秦飞 编著《材料力学》 第11章 组合变形
11.1 轴向拉压与弯曲的组合变形
(3)*截面核心的概念
中性轴①对应的核心边界上点1的坐标为
2 iy iz2 h e y1 * 0 e z 1 * 6 z y
例题11-3
切口的许可最大深度y由杆的强度条件确定。 强度条件为
ma x
FN M A Wz
式中切口截面的面积 抗弯截面模量
A b ( h y)
b ( h y) 2 Wz 6
ma x
代入强度条件得 解方程得:
F 3Fy 2 b ( h y) b ( h y)
秦飞 编著《材料力学》PPT 讲义
第11章 组合变形
Combined Deformation
本章主要内容
11.1 轴向拉压与弯曲的组合变形
11.2 轴向拉压与扭转的组合变形
11.3 斜弯曲
11.4 扭转与弯曲的组合变形 11.5 薄壁压力容器的组合变形
秦飞 编著《材料力学》 第11章 组合变形 2
图示为任意形状截面,将与截面周边 相切的任一直线 ①看作是中性轴,它 在y、z两个形心主惯性轴上的截距分别 为y*、z*。算出与该中性轴对应的载荷 作用点的坐标
材料力学课件10(新)
2) FL EA
FN FN dx
FN2 1 dx
L F EA
L F 2EA
V F
例10-8. 题同例10-4,求梁自由端的挠度与转角。
解: 实际外力F相应的内力
M Fx
(1)挠度
1
加铅直单位力,相应内力 A
B
M x M F
(注意:内力正负规定应一致)
F B
AB
V F
或 V ? (2F )
F1 A
B
F2
AB
V F1
或 V F2
或?
q
AB
C
虚加一对力偶MB
B
V M B
M B 0
B ?
B MB
思考: P. 833-1,2,3,4,习题3-8(c),9,14
练习: P. 86习题3-7(c),8(a),15
2a F 2a 2 dx 0 2EI
2a F 2 dx 0 2EA
位移
Ay
V F
7Fa 3 3EI
2Fa EA
思考:在D处也作用有水平力F,
V ? F
如何求A或D处的位移?
F
B
A
F D
C
例10-6. 试分析下列结构的位移
A
B
F
AB
B
V F
F A
单位力法
B
M
L
M dx FL2 (顺时针)
EI
2EI
思考:两个单位力能否同时加,一次得到两个位
移?相对位移单位力如何加?(如前例10-6)
思考: P. 843-6,7,8,9,习题3-19,21,22*
材料力学第11章能量方法
M 2 ( x) M 2 ( x) M ( x) M ( x) dx dx dx l 2 EI l 2 EI l EI
M ( x) M ( x) U P0 U P x) dx l EI
莫尔积分
其中:M(x):只在实际载荷作用下的弯矩方程 : )x ( M 只在在单位力作用下的弯矩方程
单独产生的变形
1 1 1 dU N ( x)d (l ) M ( x)d T ( x)d 2 2 2
N 2 ( x)dx M 2 ( x)dx T 2 ( x)dx U l l l 2GI 2EA 2EI P
计算变形能的方法:(1)求内力
例题
(2)利用公式
21
§11.4 互等定理
例:轴向拉压杆 外力作的功:
dw=P· d(Δl)
W P d (l )
0
l
4
W P d (l )
1 P l 2
在线弹性范围内
0
l
1 U W P l 2
当:
Pl l EA
2
N l U 2 EA
5 变形比能:
dU u dV 1 dU u d 0 dV
63 例:用能量法的方法求图示刚架B点水平位移。EI=常 数,略去轴力、剪力对变形的影响。 解: ⑴在真实载荷作用下 求支反力
R A RB
列内力方程:
m a
BC:
AC:
m M ( x1 ) x1 a
M ( x2 ) 0
64 ⑵B点加一水平单位力 求支反力 R A RB 3 2 列内力方程:
n
2 i i
变形比能
1 u 2 2.剪切:
变形比能
M ( x) M ( x) U P0 U P x) dx l EI
莫尔积分
其中:M(x):只在实际载荷作用下的弯矩方程 : )x ( M 只在在单位力作用下的弯矩方程
单独产生的变形
1 1 1 dU N ( x)d (l ) M ( x)d T ( x)d 2 2 2
N 2 ( x)dx M 2 ( x)dx T 2 ( x)dx U l l l 2GI 2EA 2EI P
计算变形能的方法:(1)求内力
例题
(2)利用公式
21
§11.4 互等定理
例:轴向拉压杆 外力作的功:
dw=P· d(Δl)
W P d (l )
0
l
4
W P d (l )
1 P l 2
在线弹性范围内
0
l
1 U W P l 2
当:
Pl l EA
2
N l U 2 EA
5 变形比能:
dU u dV 1 dU u d 0 dV
63 例:用能量法的方法求图示刚架B点水平位移。EI=常 数,略去轴力、剪力对变形的影响。 解: ⑴在真实载荷作用下 求支反力
R A RB
列内力方程:
m a
BC:
AC:
m M ( x1 ) x1 a
M ( x2 ) 0
64 ⑵B点加一水平单位力 求支反力 R A RB 3 2 列内力方程:
n
2 i i
变形比能
1 u 2 2.剪切:
变形比能
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• The energy per unit volume required to cause the material to rupture is related to its ductility as well as its ultimate strength. • If the stress remains within the proportional limit,
2 2 E1 1 u E1 d x 2 2E 0
1
• The strain energy density resulting from setting 1 Y is the modulus of resilience.
uY
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Strain Energy For Shearing Stresses
Beer • Johnston • DeWolf
• For a shaft subjected to a torsional load,
U
2 xy
2G
dV
T 2 2 2GJ
2
dV
• Setting dV = dA dx,
• In an element with a nonuniform stress distribution,
u lim U u dV total strain energy
• For values of u < uY , i.e., below the proportional limit,
2 Y
2E
modulus of resilience
11 - 5
Third Edition
MECHANICS OF MATERIALS
Elastic Strain Energy for Normal Stresses
U dU dV V 0 V
Beer • Johnston • DeWolf
T2 2 U dA dx dA dx 2 2 2GJ 2GJ A 0A 0
L
T 2 2
L
xy
T J
T2 dx 2GJ
0
L
• In the case of a uniform shaft,
T 2L U 2GJ
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Energy Methods
© 2002 The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.
Third Edition
MECHANICS OF MATERIALS
Energy Methods
Strain Energy Strain Energy Density Elastic Strain Energy for Normal Stresses Strain Energy For Shearing Stresses Sample Problem 11.2 Strain Energy for a General State of Stress Impact Loading Example 11.06 Example 11.07 Design for Impact Loads Work and Energy Under a Single Load Deflection Under a Single Load
U 2E dV 2 EI
2
dV
• Setting dV = dA dx,
x
My I
M2 2 U dA dx y dA dx 2 2 2 EI 2 EI A 0 A 0
L
M 2 y2
L
0
L
M2 dx 2 EI
• For an end-loaded cantilever beam,
• Remainder of the energy spent in deforming the material is dissipated as heat.
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11 - 4
Third Edition
Beer • Johnston • DeWolf
• For a material subjected to plane shearing stresses,
xy
u
xy d xy
0
• For values of xy within the proportional limit,
2 xy 2 1 u1 G xy 2 2 xy xy 2G
MECHANICS OF MATERIALS
Strain-Energy Density
Beer • Johnston • DeWolf
• The strain energy density resulting from setting 1 R is the modulus of toughness.
11 - 6
Third Edition
MECHANICS OF MATERIALS
Elastic Strain Energy for Normal Stresses
Beer • Johnston • DeWolf
• For a beam subjected to a bending load, 2 x M 2 y2
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11 - 2
Third Edition
MECHANICS OF MATERIALS
Strain Energy
Beer • Johnston • DeWolf
• A uniform rod is subjected to a slowly increasing load • The elementary work done by the load P as the rod elongates by a small dx is
11 - 9
Third Edition
MECHANICS OF MATERIALS
Sample Problem 11.2
SOLUTION:
Beer • Johnston • DeWolf
• Determine the reactions at A and B from a free-body diagram of the complete beam. • Develop a diagram of the bending moment distribution. a) Taking into account only the normal stresses due to bending, determine the strain energy of the beam for the loading shown. b) Evaluate the strain energy knowing that the beam is a W10x45, P = 40 kips, L = 12 ft, a = 3 ft, b = 9 ft, and E = 29x106 psi.
M Px P2 x2 P 2 L3 U dx 2 EI 6 EI
0
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11 - 7
L
Third Edition
MECHANICS OF MATERIALS
Strain Energy For Shearing Stresses
U V
x1 0
P dx A L
u x d strain energy density
0
1
• The total strain energy density resulting from the deformation is equal to the area under the curve to 1.
dU P dx elementary work
which is equal to the area of width dx under the loaddeformation diagram. • The total work done by the load for a deformation x1,
• The total strain energy is found from
U u dV
2 xy
2G
dV
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11 - 8
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MECHANICS OF MATERIALS
Beer • Johnston • DeWolf
Sample Problem 11.4 Work and Energy Under Several Loads Castigliano’s Theorem Deflections by Castigliano’s Theorem Sample Problem 11.5
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11 - 3
x1
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2 2 E1 1 u E1 d x 2 2E 0
1
• The strain energy density resulting from setting 1 Y is the modulus of resilience.
uY
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Strain Energy For Shearing Stresses
Beer • Johnston • DeWolf
• For a shaft subjected to a torsional load,
U
2 xy
2G
dV
T 2 2 2GJ
2
dV
• Setting dV = dA dx,
• In an element with a nonuniform stress distribution,
u lim U u dV total strain energy
• For values of u < uY , i.e., below the proportional limit,
2 Y
2E
modulus of resilience
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Elastic Strain Energy for Normal Stresses
U dU dV V 0 V
Beer • Johnston • DeWolf
T2 2 U dA dx dA dx 2 2 2GJ 2GJ A 0A 0
L
T 2 2
L
xy
T J
T2 dx 2GJ
0
L
• In the case of a uniform shaft,
T 2L U 2GJ
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Energy Methods
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Energy Methods
Strain Energy Strain Energy Density Elastic Strain Energy for Normal Stresses Strain Energy For Shearing Stresses Sample Problem 11.2 Strain Energy for a General State of Stress Impact Loading Example 11.06 Example 11.07 Design for Impact Loads Work and Energy Under a Single Load Deflection Under a Single Load
U 2E dV 2 EI
2
dV
• Setting dV = dA dx,
x
My I
M2 2 U dA dx y dA dx 2 2 2 EI 2 EI A 0 A 0
L
M 2 y2
L
0
L
M2 dx 2 EI
• For an end-loaded cantilever beam,
• Remainder of the energy spent in deforming the material is dissipated as heat.
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• For a material subjected to plane shearing stresses,
xy
u
xy d xy
0
• For values of xy within the proportional limit,
2 xy 2 1 u1 G xy 2 2 xy xy 2G
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Strain-Energy Density
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• The strain energy density resulting from setting 1 R is the modulus of toughness.
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Beer • Johnston • DeWolf
• For a beam subjected to a bending load, 2 x M 2 y2
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Strain Energy
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• A uniform rod is subjected to a slowly increasing load • The elementary work done by the load P as the rod elongates by a small dx is
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Sample Problem 11.2
SOLUTION:
Beer • Johnston • DeWolf
• Determine the reactions at A and B from a free-body diagram of the complete beam. • Develop a diagram of the bending moment distribution. a) Taking into account only the normal stresses due to bending, determine the strain energy of the beam for the loading shown. b) Evaluate the strain energy knowing that the beam is a W10x45, P = 40 kips, L = 12 ft, a = 3 ft, b = 9 ft, and E = 29x106 psi.
M Px P2 x2 P 2 L3 U dx 2 EI 6 EI
0
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Strain Energy For Shearing Stresses
U V
x1 0
P dx A L
u x d strain energy density
0
1
• The total strain energy density resulting from the deformation is equal to the area under the curve to 1.
dU P dx elementary work
which is equal to the area of width dx under the loaddeformation diagram. • The total work done by the load for a deformation x1,
• The total strain energy is found from
U u dV
2 xy
2G
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Sample Problem 11.4 Work and Energy Under Several Loads Castigliano’s Theorem Deflections by Castigliano’s Theorem Sample Problem 11.5
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11 - 3
x1
Third Edition