平面弯曲梁的强度与刚度计算
梁弯曲时的强度计算
max
2、正应力强度条件
max
M max Wz
3、正应力强度计算 ①强度校核： M
max
max
Wz
②设计截面：
Wz
M max
max
③确定许可荷载：MFra bibliotek Wz
三、正应力强度条件
1、危险点的应力——最大正应力 弯矩绝对值最大的截面称为危险截面，危 险截面上最大正应力的点（截面的上下边缘） 称为危险点。 Iz 令： Wz 则： M
max
Wz ymax 式中 Wz 称为抗弯截面模量，它是一个与截面形状和 3 mm3 尺寸有关的几何量，单位为 m 或
工程中常见弯曲实例
中 性 层 与 中 性 轴 图 示
二、梁横截面上的正应力 梁横截面上任一点处的正应力与该点到中性 轴的垂直距离y成正比。即正应力沿着截面高 度按线性规律分布。中性轴上各点的正应力为 零。上、下边缘正应力最大。
My Iz
——梁横截面上的正应力
y——所求正应力的点到中 性轴的垂直距离 I z ——横截面对中性轴的惯性矩
梁横截面上的正应力y所求正应力的点到中性轴的垂直距离横截面对中性轴的惯性矩三正应力强度条件1危险点的应力最大正应力弯矩绝对值最大的截面称为危险截面危险截面上最大正应力的点截面的上下边缘称为危险点
§6—7 梁弯曲时的强度计算
水利工程系 丁灿辉
一、基本概念
1、纯弯曲与横力弯曲 平面弯曲时，某梁段各横截面上只有弯矩而没有 剪力，这种弯曲称为纯弯曲。如果既有弯矩又有剪 力则称为横力弯曲。 2、中性层与中性轴 假设梁是由无数层纵向纤维组成的，且各层纤维 互不挤压。发生纯弯曲时，上部各层纤维缩短，下 部各层纤维伸长，中间必有一层纤维既不伸长也不 缩短，称为中性层。中性层与横截面的交线称为中 性轴。中性轴将横截面分为受压区和受拉区。
材料力学第四章平面弯曲
得
∫ A ydA =0
M
dA
z
y z ζdA
My
横截面对中性轴 zdA 的面积矩为零， A 中性轴过形心。 E yzdA 0
A
y
Iyz =0——梁发生平面弯曲的条件
E I E 2 ∫ AσdA· z ∫ A y dA = Mz= y = ρ ρ 1 Mz = EIz —— 梁的弯曲刚度 中性层曲率公式 EI ρ z
y
m MB=-40kN· m MD=22.5kN· B M y B截面 上部受拉、下部受压 tBmax B t max 21.4MPa Iz B yt max 100mm B M y I z 186.6 106 m 4 B B c max 38.6MPa B c max yc max 180mm Iz
max
FQ S
* z max
Izd
d FQ 4 FQ 12 4 d 3 A d 64
3
d/2
z
max
四、薄壁圆环截面梁 中性轴处：
r0
z
max 2
FQ A
max
例 如图所示一T形截面。某截面上的剪力FQ=50kN，与y 轴重合。试求腹板的最大切应力，并画出腹板上的切应力分布图。
1
* FQ S z 1
I zd
4.13MPa
例 一矩形截面外伸梁，如图所示。现自梁中1、2、 3、4点处分别取四个单元体，试画出单元体上的应力，并 写出应力的表达式。
q
1 2 h/4 4 3
z l/4 b
l/4
l
解： (1)求支座反力:
FRA
FRB
1 l/4
梁的强度和刚度计算
Sz;
dT 'bdx;
x 0, N1 N2 dT 0;
' dMSz , dM Q, ' ;
dxI zb dx
QS z ;
I zb
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矩形截面剪应力计算公式：
QS
* z
式中:Q—横截面上的剪力；
Izb
Iz—横截面对其中性轴的惯性矩； b—所求剪应力作用点处的截面宽度；
763 5.2
146 .7cm3;W2
z y2
763 8.8
86.7cm3;
(3)C截面的正应力强度校核:
max
W2 Mc
86.7 10
6
310
34.7MPa ; max
W1 MD
146.7 10
6
310
20.5MPa ;
3
3
(4)D截面的正应力强度校核:
max
W1 MD
146.7 10
6
4.810
32.7MPa ; max
W2 MD
86.7 10 6 4.810
55.3MPa ;
3
3
(5)最大拉应力发生在C截面的下边缘处,最大压应力发生在D
截面的下边缘处,其值分别为: max 34.7MPa; max 55.3MPa;
令Wz
Iz ; ymax
Wz ___ 抗弯截面系数（模量），反映截面抵抗弯曲变形的能力；单位：m3, mm3.
矩形截面：Wz
bh2 6
梁的强度与刚度
• 弹性最大弯矩
M e Wn f y
• 塑性铰弯矩
M pn Wpn f y
• 截面形状系数 F WPn /Wn
• 梁的《规范》计算方法
✓ 以部分截面发展塑性（1/4截面）为极限承载力状态
✓ 单向弯曲
M x(y)
f
W x( y) xn( yn)
✓双向弯曲 M x M y f xWxn yWyn
a ——集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，吊车梁可取a
为50mm；
hy ——自吊车梁轨顶或其它梁顶面至腹板计算高度上边
缘的距离。
四、折算应力
• 钢材处于复杂应力状态，应按下式计算折算
应力：
eq
2
2 c
c
3 2
1 f
——
In —— 梁净截面惯性矩；
y1 ——所计算点至梁中和轴的距离； ——计算折算应力的强度设计值增大系数
梁的强度与刚度
一、梁的强度
• 梁在荷载作用下将产生弯应力、剪应力，在集
中荷载作用处还有局部承压应力，故梁的强度 应包括：抗弯强度、抗剪强度、局部成压强度， 在弯应力、剪应力及局部压应力共同作用处还 应验算折算应力。
1、抗弯强度
• 弹性阶段：以边缘屈服为最大承载力
• 弹塑性阶段：以塑性铰弯矩为最大承
✓ 式中：γ为塑性发展系数，按P163，表5.1 • b1/t≥13及直接承受动力荷载时γ=1.0
二、抗剪强度
• 工字形和槽形截面梁中，由于截面的壁厚远
小于截面的高度和宽度，故可假设剪应力的
大小沿壁厚不变；又因壁的两侧表面皆为自 由面，故又可认为剪应力的方向与周边相切。 根据这两个假设可推导得剪应力的计算公式：
VS I xtw
第十章弯曲强度和刚度
截h/面b=设3b/2计应尽可h 能使 h/b=1
b
材料远离中性b 轴。
b
Wz =bh 2/6 =3b 3/8
Wz=b3/6
强度条件：
强度条件：
3 b3 M max
8 [s ]
b3 Mmax
6 [s ]
M
h/b=2/3 h O
sbmax
W z=2b 3/27
强度条件：
2b 3 Mmax
M
o_
x
Fl
弯矩图
3) 画内力图。 悬臂梁在固定端A处弯矩值最大。
5
例2 求外伸梁AB的内力。y F FAy 3F
解：1）求约束反力： 受力如图。
0
A
FAx
aa
FB 45 B x
a
有平衡方程：
SMA(F)=2aFBcos45+Fa-3Fa=0 SFx=FAx-FBsin45=0 SFy=FAy+FBcos45-F-3F=0
d
M
AB aa bb AB
变形后
中性轴
中性层与横截面的交线称为中性
轴。
中性层(面)
15
y
M
z
中性轴 x
smax压
smax拉
横截面上各点的正应力s 的大小与该点到中性
轴的距离y成正比。
中性轴以上，s为负，是压应力，纤维缩短。 中性轴以下， s为正，是拉应力，纤维伸长。
到中性轴距离相同各处，应力相等。
Fa +
M=F(3a-x)
-
x
Fa
8
作梁的内力图的 一般步骤
y F
FAy
3F
0
A
梁的刚度计算
梁得强度与刚度验算
1．如图1所示一根简支梁长m,梁得自重为;钢材得等级与规格(,),，，,均为已知。梁上作用恒荷载,荷载密度为,荷载分项系数为1、2,截面塑性发展系数为,。试验算此梁得正应力及支座处剪应力。
图1
解:
(1）计算作用在梁上得总弯矩
需要计算疲劳得梁，按弹性工作阶段进行计算,宜取。
(2)梁得抗剪强度
一般情况下,梁同时承受弯矩与剪力得共同作用。工字形与槽形截面梁腹板上得剪应力分布如图5-3所示。截面上得最大剪应力发生在腹板中与轴处。在主平面受弯得实腹式梁,以截面上得最大剪应力达到钢材得抗剪屈服点为承载力极限状态。因此,设计得抗剪强度应按下式计算
ﻩﻩﻩﻩ(5-7）
式中:——腹板计算高度边缘同一点上得弯曲正应力、剪应力与局部压应力。按式（5－5)计算，按式(5-6)计算,按下式计算
ﻩﻩﻩﻩﻩﻩﻩﻩ(5-８)
——净截面惯性矩；
y——计算点至中与轴得距离;
均以拉应力为正值,压应力为负值;
——折算应力得强度设计值增大系数。当异号时,取=１、2;当同号或＝0取＝１、1。
ﻩﻩﻩﻩﻩﻩﻩ（5-5）
式中:V——计算截面沿腹板平面作用得剪力设计值;
S——中与轴以上毛截面对中与轴得面积矩；
I——毛截面惯性矩;
tw——腹板厚度;
fv——钢材得抗剪强度设计值。
图５－３腹板剪应力
当梁得抗剪强度不满足设计要求时,最常采用加大腹板厚度得办法来增大梁得抗剪强度。型钢由于腹板较厚,一般均能满足上式要求,因此只在剪力最大截面处有较大削弱时,才需进行剪应力得计算。
梁得强度与刚度计算
１．梁得强度计算
梁得强度包括抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度与折算应力,设计时要求在荷载设计值作用下,均不超过《规范》规定得相应得强度设计值。
梁的变形分析与刚度问题
在Oxw坐标系中，挠度与转角 存在下列关系：
dw tan
dx
在小变形条件下，挠曲线较为
平坦，即很小，因而上式中 tan。于是有
dw
dx
w＝ w（x），称为挠度方程（deflection equation）。
梁的变形分析与刚度问题
wD0,D0
wC wC
光滑条件： C C 或 写C左 成C右
梁的变形分析与刚度问题
小挠度微分方程的积分与积分常数的确定
适用于小变形情况下、线弹性材料、细长构件平面弯曲。 可应用于求解承受各种载荷的等截面或变截面梁的位移。
积分常数由挠曲线变形的几何相容条件（边界条件、连续 条件）确定。
优点：使用范围广，直接求出较精确； 缺点：计算较繁。
梁的变形分析与刚度问题
梁的曲率与位移
根据上一章所得到 的结果，弹性范围内的挠 度曲线在一点的曲率与这 一点处横截面上的弯矩、 弯曲刚度之间存在下列关 系：
1＝ M
EI
梁的变形分析与刚度问题
挠度与转角的相互关系
梁在弯曲变形后，横截面的 位置将发生改变，这种位置的 改 变 称 为 位 移 ( displacement)。 梁的位移包括三个部分：
另一方面，某些机械零件或部件，则要求有较大的 变形，以减少机械运转时所产生的振动。汽车中的钣簧 即为一例。这种情形下也需要研究变形。
此外，求解静不定梁，也必须考虑梁的变形以建立补 充方程。
梁的变形分析与刚度问题
梁的位移分析与刚度问题
本章将在上一章得到的曲率公式的基础上， 建立梁的挠度曲线微分方程；进而利用微分方 程的积分以及相应的边界条件确定挠度曲线方 程。在此基础上，介绍工程上常用的计算梁变 形的叠加法。此外，还将讨论简单的静不定梁 的求解问题。
梁的刚度计算
梁的刚度计算The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020梁的强度和刚度计算1．梁的强度计算梁的强度包括抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度和折算应力，设计时要求在荷载设计值作用下，均不超过《规范》规定的相应的强度设计值。
（1）梁的抗弯强度作用在梁上的荷载不断增加时正应力的发展过程可分为三个阶段，以双轴对称工字形截面为例说明如下：梁的抗弯强度按下列公式计算： 单向弯曲时f W M nxx x≤=γσ（5-3）双向弯曲时f W M W M nyy y nx x x≤+=γγσ（5-4）式中：M x 、M y ——绕x 轴和y 轴的弯矩（对工字形和H 形截面，x 轴为强轴，y 轴为弱轴）；W nx 、W ny ——梁对x 轴和y 轴的净截面模量；y x γγ,——截面塑性发展系数，对工字形截面，20.1,05.1==y x γγ；对箱形截面，05.1==y x γγ；对其他截面，可查表得到；f ——钢材的抗弯强度设计值。
为避免梁失去强度之前受压翼缘局部失稳，当梁受压翼缘的外伸宽度b 与其厚度t 之比大于y f /23513 ，但不超过y f /23515时，应取0.1=x γ。
需要计算疲劳的梁，按弹性工作阶段进行计算，宜取0.1==y x γγ。
（2）梁的抗剪强度一般情况下，梁同时承受弯矩和剪力的共同作用。
工字形和槽形截面梁腹板上的剪应力分布如图5-3所示。
截面上的最大剪应力发生在腹板中和轴处。
在主平面受弯的实腹式梁，以截面上的最大剪应力达到钢材的抗剪屈服点为承载力极限状态。
因此，设计的抗剪强度应按下式计算v wf It VS≤=τ（5-5）式中：V ——计算截面沿腹板平面作用的剪力设计值；S ——中和轴以上毛截面对中和轴的面积矩； I ——毛截面惯性矩； t w ——腹板厚度；f v ——钢材的抗剪强度设计值。
梁应力强度计算
第五章 平面弯曲梁的强度
内容： 梁的应力、强度计算
τ→FS
z
dA
FS y
σ→M
M
z
dA
dA
y
M =∫yσσd
A
§5.1 梁的正应力
一、纯弯曲梁横截面上的正应力
F
F
a
l
a
FS F
M
x
F Fa
x
FS M
纯弯曲梁
Me
l
x
Me
450×0.03 2×45×10－9
=150
MPa
（－）
习题5-13 当20号槽钢受纯弯曲变形时，测出A、B两点间长度
Δl=27×10－3mm，材料的E=200GPa。试求梁截面上的弯矩M。
解：
50
5
M
AB
M
●
●
ε=
Δl l
=
27×10－3 50
=5.4×10－4
σ=Eε=200×109×5.4×10－4=108MPa
BC段： d2 ≥ 3
32×455×103 π140×106
= 321 mm
取: d1=250mm d2=322mm
例11. 已知：[σ]=160MPa，[τ]=100MPa，
试选工字钢梁的型号。
解： Fsmax=6kN
1.σ计算：
σmax =
M max Wz
≤ [σ]
M max = 8 kN • m
=
1 2
qab+
1 8
qb2
=
0.02375q
N
•
m
6第四章平面弯曲3--变形与刚度
EIw M x dx dx Cx D
式中C, D 由梁支座处的已知位移条件即边 界条件确定。
如：
A
F B
边界条件： wA=0
F A
wB=0 边界条件：
wA=0 θA=0 边界条件：
F A C
D a B
△a
l
wA=0
wB=△a
EIw EI M x dx C
Fb( l 2 b2 ) Fb 2 F DB : w2 2 x ( x a )2 6EIl 2EIl 2EI
Fb( l 2 b2 ) Fb 3 F w2 x x ( x a )3 6EIl 6EIl 6EI
当a＞b时
wmax 在AD段。
由w1 0，x0
EIw M x dx dx Cx D
积分常数C,D的几何意义是什么？
EIw'(0)=EIθ0 =C EIw (0)=EIw0 =D
例：一悬臂梁在自由端受集中力作用，求梁的转 角方程和挠度方程。并求最大转角和最大挠度。 设梁的抗弯刚度为EI。
F
A l B
思考题:作出图示梁弯矩图，并根据边界条 件和连续条件画出挠曲线大致形状.
F
Fl A
D
l y l
B
l
C
x
§4－10 奇异函数法计算梁的变形
一、弯矩的通用方程:
Me
A
F
D E
q
G
B
x
FA
am
C
aF aq1
FB
aq2
y
l
Me
A
F
D
E
q
第13讲第7章-直梁的弯曲-
主要内容:
1.直梁平面弯曲的概念 2.梁的类型及计算简图 3.梁弯曲时的内力（剪力和弯矩） 4.梁纯弯曲时的强度条件 5.梁弯曲时的变形和刚度条件梁纯弯曲源自的强度条件1.梁纯弯曲的概念
剪力弯曲 平面弯曲
纯弯曲
剪力FQ≠0 弯矩M ≠ 0
剪力FQ=0 弯矩M ≠ 0
在梁的纵向对称面内，两端施加等值、反 向的一对力偶。在梁的横截面上只有弯矩 而没有剪力，且弯矩为一常数，这种弯曲 为纯弯曲 。
2.梁纯弯曲时横截面上的正应力
1）变形特点 :
横向线仍为直线，只是 相对变形前转过了一个 角度，但仍与纵向线正 交。纵向线弯曲成弧线， 且靠近凹边的线缩短了， 靠近凸边的线伸长了， 而位于中间的一条纵向 线既不缩短，也不伸长。
平面假设：梁弯曲变形后，其横截面仍为平面，并垂 直于梁的轴线，只是绕截面上的某轴转动了一个角度。
由平面假设可知，纯弯 曲时梁横截面上只有正 应力而无切应力。由于 梁横截面保持平面，所 以沿横截面高度方向纵 向纤维从缩短到伸长是 线性变化的，因此横截 面上的正应力沿横截面 高度方向也是线性分布 的。以中性轴为界，凹 边是压应力，使梁缩短， 凸边是拉应力，使梁伸 长，横截面上同一高度 各点的正应力相等，距 中性轴最远点有最大拉 应力和最大压应力，中 性轴上各点正应力为零。
弯矩图的规律
1.梁受集中力或集中力偶作用时，弯矩图 为直线，并且在集中力作用处，弯矩发生转 折；在集中力偶作用处，弯矩发生突变，突 变量为集中力偶的大小。
2.梁受到均布载荷作用时，弯矩图为抛物 线，且抛物线的开口方向与均布载荷的方向 一致。
3.梁的两端点若无集中力偶作用，则端点 处的弯矩为0；若有集中力偶作用时，则弯 矩为集中力偶的大小。
梁的强度和刚度计算.
梁的强度和刚度计算1．梁的强度计算梁的强度包括抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度和折算应力，设计时要求在荷载设计值作用下，均不超过《规范》规定的相应的强度设计值。
（1）梁的抗弯强度作用在梁上的荷载不断增加时正应力的发展过程可分为三个阶段，以双轴对称工字形截面为例说明如下：梁的抗弯强度按下列公式计算：单向弯曲时f W M nx x x ≤=γσ （5-3）双向弯曲时f W M W M ny y y nx x x ≤+=γγσ （5-4）式中：M x 、M y ——绕x 轴和y 轴的弯矩（对工字形和H 形截面，x 轴为强轴，y 轴为弱轴）；W nx 、W ny ——梁对x 轴和y 轴的净截面模量；y x γγ,——截面塑性发展系数，对工字形截面，20.1,05.1==y x γγ；对箱形截面，05.1==y x γγ；对其他截面，可查表得到；f ——钢材的抗弯强度设计值。
为避免梁失去强度之前受压翼缘局部失稳，当梁受压翼缘的外伸宽度b 与其厚度t 之比大于y f /23513 ，但不超过y f /23515时，应取0.1=x γ。
需要计算疲劳的梁，按弹性工作阶段进行计算，宜取0.1==y x γγ。
（2）梁的抗剪强度一般情况下，梁同时承受弯矩和剪力的共同作用。
工字形和槽形截面梁腹板上的剪应力分布如图5-3所示。
截面上的最大剪应力发生在腹板中和轴处。
在主平面受弯的实腹式梁，以截面上的最大剪应力达到钢材的抗剪屈服点为承载力极限状态。
因此，设计的抗剪强度应按下式计算v w f It ≤=τ （5-5）式中：V ——计算截面沿腹板平面作用的剪力设计值；S ——中和轴以上毛截面对中和轴的面积矩；I ——毛截面惯性矩；t w ——腹板厚度；f v ——钢材的抗剪强度设计值。
图5-3 腹板剪应力当梁的抗剪强度不满足设计要求时，最常采用加大腹板厚度的办法来增大梁的抗剪强度。
型钢由于腹板较厚，一般均能满足上式要求，因此只在剪力最大截面处有较大削弱时，才需进行剪应力的计算。
第九章弯曲变形和刚度计算
3. 转角θ：横截面绕中性轴转过的角度，即 y 轴与挠曲线法线 的夹角，或 x 轴与挠曲线切线的夹角。逆时针方 d 向为正。 tan dx d f x 小变形： tan dx 即:截面转角近似等于挠曲线在该截面处的斜率。
M 纯弯曲时曲率与弯矩的关系式为： EI
不可能
A B
不可能
问题讨论：
y
A B
问题的边界条件、连续条件 ？
q c x
O A
边界条件
分几段？ 连续条件
A处： wA=0 B处： wB=0
A处： wA=0， A =0 分OA一段。
AB、BC两段
B处： w1=w2 1 = 2
11
例：图示一抗弯刚度为 EI的悬臂梁, 在自由端受一集 中力 F作用。试求梁的挠度方程和转角方程 , 并确定 其最大挠度wmax和最大转角max 。
(a x l )
17
（2）建立挠曲线近似微分方程并积分来自梁段I ( 0 x a)
挠曲线近似 微分方程
b EIw1 M 1 F x l
梁段II ( a x l)
EIw2 M 2 F b x F ( x a) l
2 积分一次 b x 转角方程 EIw1 F l 2 C1
P x1 a 2 C1 2 P EI1 x1 a 3 6 C1 x1 a D1 EI1
EIw M ( x) Fl Fx
Fx 2 EIw Flx C1 (a) 2 2 Flx Fx3 EIw C1 x C2 (b) 2 6
(3) 由边界条件确定积分常数 在x＝0处: w＝0 θ＝ 0 y
A
强度、刚度、稳定性
x F x EI x O y F M(x)
w w ( x) y O
F 2 k EI
d 2 w( x) 2 k w( x) 0 2 dx
解微分方程得到通解为
w( x) C1 sin kx C2 coskx
C1和C2为待定常数，根据压杆的约束边 界条件来确定，在两端铰支的情况下， 边界条件为
可以通过以下措施提高梁的刚度
提高梁的刚度的措施
Fpl3 挠度wmax 3EI Fpl2 转角 θ max 2 EI
1、减小梁的跨度，当梁的长度无法减小时，增加中间支座； 2、选择合理的截面增加惯性矩I
3、选用弹性模量E较高的材料。
压杆稳定182
概念 临界力和欧拉公式 压杆的稳定计算 提高压杆稳定性的措施
EI '' M ( x )
上式积分一次得转角方程： EI ' EI
M ( x )dx C
再积分一次, 得挠度方程： EI [ M ( x )dx ]dx Cx D C、D ——积分常数；由边界条件和连续性条件确定。
34
梁的变形计算· -----叠加法P133
梁的强度条件115
1、梁的正应力强度条件：
2、梁的切应力强度条件：
max
满足弯曲正应力强度条件的梁，一般都能满足剪应力的强 度条件。因而可不对切应力进行强度校核
必须进行剪应力的强度校核的情况： (1) 梁的跨度较短，或在支座附近作用较大的载荷；以致梁 的弯矩较小，而剪力很大。 (2) 焊接或铆接的工字梁，如果腹板较薄而截面高度很大，
即横截面上、下边缘各点处：
0
y =0，即中性轴上各点处：
max
工程力学 第九章 梁的强度刚度计算
由结果知，梁的强度不满足要求。
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y2
z
例9-6 试为图示钢轨枕木选择矩形截面。已知矩形截面尺寸的比 例为b:h=3:4,枕木的弯曲许用正应力[]=15.6MPa,许用剪应力 P P 0 0 .2 m 1 .6 m []=1.7MPa,钢轨传给枕木的压力P=49KN。 .2 m
a
M D ya Iz
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10.7
第二节 梁横截面上的剪应力
一、矩形截面梁：
矩形截面剪应力计算公式： τ沿截面高度按抛物线规律变化：
2Iz 4
3
QS
* z
I zb
bh
4
τ m ax
2 3
y
h 2
, 0 ; y 0 , max
6 Qh 4 bh
校核梁的正应力强度。
解：(1) 内力及抗弯截面模量计算: MC=3.0KN.m; MD=-4.8KN.m
W1 W2
P1
A
a C a
P2
D
a B
y1
z
763 5 .2
146 . 7 cm
3
y1
z
763 8 .8
86 . 7 cm
3
4 .8 k N m
y2
(2)C截面的正应力强度校核:
4 Q 3 A1
max 2
Q A2
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例9-3 矩形截面简支梁如图,已知：l=2m，h=15cm，b=10cm， h1=3cm，q=3kN/m。试求A支座截面上K点的剪应力及该截面的最 b q 大剪应力。 解：1.求剪力：QA=3kN
材料力学第9章 梁的挠度和刚度计算
x
x
0,
l 2
x
l 2
,
3l 2
EIw1
1 24
qx4
C1x
D1
EIw2
1 48
ql
3l 2
3
x
C2 x
D2
x
0,
l 2
x
l 2
,
3l 2
EIw1
1 6
qx3
C1
EIw2
1 16
ql
3l 2
2
x
C2
x
0,
l 2
x
l 2
,
3l 2
4 边界条件、连续条件 5 梁的转角方程和挠曲线方程
2
2 EIw(l) 0
EIw
1 6
qx3
ql 4
x2
C1
1 24
ql 4
ql 12
l3
C1l
D1
0
EIw
1 24
qx 4
ql 12
x3
C1x
D1
C1
ql 2 24
5 梁的转角方程和挠曲线方程
EIq 1 qx3 ql x2 ql3
6
4 24
EIw 1 qx4 ql x3 ql3 x 24 12 24
[f] L ~ L 500 600
普通机车主轴
[q ] 0.30
3，影响变形的因素
L 10时, Q的影响只有M的3% h
由小变形条件， x不计
4，计算变形的方法
积分法、 叠加法、 能量法、
………
9.2 挠曲线近似微分方程
1、挠曲线近似微分方程
1 M z (x)
EI z
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第八章平面弯曲梁的强度与刚度计算§8-1 纯弯曲时横截面的正应力一．纯弯曲试验：纯弯曲：内力只有弯矩，而无剪力的弯曲变形。
剪切弯曲：既有弯矩，又有剪力的弯曲变形。
为了研究梁横截面上的正应力分布规律，取一矩形截面等直梁，在表面画些平行于梁轴线的纵线和垂直干梁轴线的横线。
在梁的两端施加一对位于梁纵向对称面内的力偶，梁则发生弯曲。
梁发生弯曲变形后，我们可以观察到以下现象：①横向线仍是直线且仍与梁的轴线正交，只是相互倾斜了一个角度；②纵向线（包括轴线）都变成了弧线；③梁横截面的宽度发生了微小变形，在压缩区变宽了些，在拉伸区则变窄了些。
根据上述现象，可对梁的变形提出如下假设：①平面假设：梁弯曲变形时，其横截面仍保持平面，且绕某轴转过了一个微小的角度。
②单向受力假设：设梁由无数纵向纤维组成，则这些纤维处于单向受拉或单向受压状态。
可以看出，梁下部的纵向纤维受拉伸长，上部的纵向纤维受压缩短，其间必有一层纤维既不伸长也木缩短，这层纤维称为中性层。
中性层和横截面的交线称为中性轴，即图中的Z轴。
梁的横截面绕Z 轴转动一个微小角度。
二．梁横截面上的正应力分布：图中梁的两个横截面之间距离为dx，变形后中性层纤维长度仍为dx且dx=ρdθ。
距中性层为y的某一纵向纤维的线应变ε为：对于一个确定的截面来说，其曲率半径ρ是个常数，因此上式说明同一截面处任一点纵向纤维的线应变与该点到中性层的距离成正比。
由单向受力假设，当正应力不超过材料的比例极限时，将虎克定律代入上式，得：由上式可知，横截面上任一点的弯曲正应力与该点到中性轴的距离成正比，即正应力沿截面高度呈线性变化，在中性轴处，y=0，所以正应力也为零。
三．梁的正应力计算：在梁的横截面上任取一微面积dA，作用在这微面积上的微内力为σdA，在整个横截面上有许多这样的微内力。
微面积上的微内力σdA对z轴之矩的总和，组成了截面上的弯矩则式中称为横截面对中性轴的惯性矩，是截面图形的几何性质，仅与截面形状和尺寸有关。
上式是梁纯弯曲时横截面上任一点的正应力计算公式。
应用时M 及y均可用绝对值代入，至于所求点的正应力是拉应力还是压应力，可根据梁的变形情况，由纤维的伸缩来确定，即以中性轴为界，梁变形后靠凸的一侧受拉应力，靠凹的一侧受压应力。
也可根据弯矩的正负来判断，当弯矩为正时，中性轴以下部分受拉应力，以上部分受压应力，弯矩为负时，则相反。
横截面上最大正应力发生在距中性轴最远的各点处。
即令则W Z称为抗弯截面模量，也是衡量截面抗弯强度的一个几何量，其值与横截面的形状和尺寸有关。
弯曲正应力计算公式是梁在纯弯曲的情况下导出来的。
对于一般的梁来说，横截面上除弯矩外还有剪力存在，这样的弯曲称为剪切弯曲。
在剪切弯曲时，横截面将发生翘曲，平截面假设不再成立。
但较精确的分析证明，对于跨度l与截面高度h之比 l/h>5的梁，计算其正应力所得结果误差很小。
在工程上常用的梁，其跨高比远大于5，因此，计算式可足够精确地推广应用于剪切弯曲的情况。
§8-2 常用截面二次矩平行移轴公式一、常用截面二次矩：1、矩形截面：2、圆形截面与圆环形截面：①圆形截面：I Z＝Πd4/64W Z＝Πd3/32⎰=A Z dAy I 2⎰=Ay dA z I 2②圆环形截面： I Z ＝Π（D 4－d 4）/64W Z ＝Πd 3{1-(d/D)4}/323、型钢的截面：查表，见附录。
二．组合截面二次矩 平行移轴公式：计算弯曲正应力时需要截面对中性轴的惯性矩，截面的中性轴又是截面的形心主轴。
在截面上任一点K ，取邻域dA ，K 点到z 轴、y 轴的距离分别为y 、z ，定义y 2dA 、z 2dA 为微元对z 轴、y 轴的惯性矩，分别记作：dI z =y 2dA dI y =z 2dA上式对整个截面积分，得截面对z 轴、y 轴的惯性矩：图所示的截面形心为C ，面积为A ，z c 轴、y c 轴通过截面形心C ，现有不通过形心的z 轴、y 轴分别与z c 轴、y c 轴平行，两轴之间的距离分别为a 、b ，截面对z 轴、z c 轴以及对y 轴、y c 轴的惯性矩有以下关系：I Z =I Zc +a 2A I Y =I Yc +b 2A上式称为惯性矩的平行移轴公式，即截面对任一轴z 的惯性矩等于该截面对过形心而平行于z 轴的z c 轴的惯性矩加上两轴之间的距离的平方与截面面积的乘积 见教材P146例题。
§8-3 弯曲正应力强度计算为保证梁安全地工作，危险点处的正应力必须小于梁的弯曲许用应力[σ]，这是梁的正应力强度条件。
对于塑性材料，其抗拉和抗压ZZIyMIyM1maxmax2maxmax,⋅=⋅=-+σσ强度相同，宜选用中性轴为截面对称轴的梁，其正应力强度条件为：对于脆性材料，其抗拉和抗压强度不同，宜选用中性轴不是截面对称轴梁，并分别对抗拉和抗压应力建立强度条件：对于中性轴不是截面的对称梁，其最大拉应力值与最大压应力值不相等。
如图所示的T形截面梁，最大拉应力和最大压应力分别为：强度条件可解决三类强度计算问题：①强度校核：验算梁的强度是否满足强度条件，判断梁在工作时是否安全。
②截面设计：根据梁的最大载荷和材料的许用应力，确定梁截面的尺寸和形状，或选用合适的标准型钢。
③确定许用载荷：根据梁截面的形状和尺寸及许用应力，确定梁可承受的最大弯矩，再由弯矩和载荷的关系确定梁的许用载荷。
注：对于非对称截面，需按公式分别计算三类问题。
[]++≤σσmax[]--≤σσmax【例】图示T形截面铸铁外伸梁，其许用拉应力[σ]＝30MPa，许用压应力[σ]＝60MPa，截面尺寸如图。
截面对形心轴z的惯性矩Iz ＝763mm4，且y1=52cm。
试校核梁的强度。
解：1、求支座反力：FA= FB=画出弯矩图，最大正弯矩在C点，最大负弯矩在B点，即C点为上压下拉，而B点为上拉下压。
2、求出B截面最大应力：最大拉应力（上边缘）最大压应（下边缘）3、求出C截面最大应力：最大拉应力（下边缘）最大压应力（上边缘）最大拉应力在C点且σCmax=<[σ]＋=30MPa最大压应力在B点且σBmax=<[σ]－＝60MPa故梁强度足够。
见教材P147例题。
师生小结：1、纯弯曲的定义及应用；2、梁的弯曲强度计算；3、应用。
§8-5 梁的弯曲变形概述梁在外载荷作用下将产生变形，梁不但要满足强度条件，还要满足刚度条件，即要求梁在工作时的变形不能超过一定的范围，否则就会影响梁的正常工作。
一、挠曲线方程：悬臂梁在纵向对称面内的外力P的作用下将发生平面弯曲，变形后梁的轴线将变为一条光滑的平面曲线，称为梁的挠曲轴线，也称弹性曲线、挠曲线。
y=f(X)→梁的绕曲线方程。
二、挠度和转角：梁上任一截面C，变形后其形心在C/处，C截面的形心产生线位移CC/。
CC/既有水平分量，也有垂直分量，而水平分量很小，只讨论垂直分量C/C//。
截面形心位移的垂直分量称该截面的挠度，用y表示。
C截面不但产生线位移，还产生了角位移，横截面绕中性轴转动产生了角位移，此角位移称转角，用θ表示。
挠度和转角的正负号作如下规定：挠度与y轴正方向同向为正，反之为负；截面转角以逆时针方向转动为正，反之为负。
只要知道梁的挠曲轴线方程y=f(x)，就可求出挠度和转角。
()()EI x M x =ρ1()()232///11y y x +±=ρ()()EI x M y y ±=+232///1()EIx M y ±=//()EIx M y =//§8-6 用叠加法求梁的变形一、挠曲轴线近似微分方程：梁任一截面的曲率： (1)曲线y=f(x)的曲率： (2)代入（1）式得： (3)式（3）称梁的挠曲轴线微分方程。
由于y /很小，y /2更小，可忽略。
方程的正负号与弯矩M 的正负号的规定以及挠度的正方向规定有关，规定挠度向上为正。
弯矩M 与曲线的二阶导数y //的正负号关系为：1）梁的挠曲轴线是一下凸曲线，梁的下侧纤维受拉，弯矩M>0，曲线的二阶导数y //>0；2）梁的挠曲轴线是一上凸曲线，梁的上侧纤维受拉，弯矩M<0，曲线的二阶导数y //<0。
由此可知，这两种情况下弯矩与曲线的二阶导数均同号，上式应取正号，即：注：书本P153表给出了梁在简单载荷下的挠曲线方程，端截面转角和最大挠度。
二、用叠加法求梁的变形：小变形时梁弯曲挠度的二阶导数与弯矩成正比，而弯矩是载荷的EIqa EI aqa B 2332132-=⨯-=θEI qa a y B C 241-=⋅=θEI qa y C 842-=EIqa EI qa EI qa y y y C C C 858244421-=--=+=线性函数，所以梁的挠度与转角是载荷的线性函数，可以使用叠加法计算梁的转角和挠度，即梁在几个载荷同时作用下产生的挠度和转角等于各个载荷单独作用下梁的挠度和转角的叠加和，这就是计算梁弯曲变形的叠加原理。
举例：外伸梁在外伸段作用有均布载荷q ，梁的抗弯刚度为EI ，求C 截面的挠度。
解：把外伸梁段上的均布载荷向B 截面简化，得集中力qa ，力偶qa 2/2，将使B 截面产生转角θB ，BC 段的实际变形等于固定端产生转角θB 的悬臂梁。
C 截面的挠度由以下两部分构成：悬臂梁由于B 截面产生转角引起的挠度y C1和悬臂梁在载荷下产生的挠度y C2。
首先计算B 截面转角θB ：三、梁的刚度条件：梁除了要满足强度条件外，还要满足刚度条件，即工作中的梁的()m EIPly2893331024.11011100102104886.8102048--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==[]21077.150086.85001-⨯===lf挠度和转角不能太大。
设梁的最大挠度和最大转角分别为y max和θmax，而[y]和[θ]分别为挠度和转角的许用值，则梁的刚度条件为：y max≤[y]θmax≤[θ]举例：简支梁选用32a工字钢，P=20KN，l=8.86m，E=210Gpa，梁的许用挠度[f]=l/500，试校核梁的刚度。
解：查表得：I Z=11100cm4。
查表得梁的跨中挠度为：，；因为y<[f]，所以梁满足刚度条件。
见教材P155例题。
§8-7 提高梁的强度和刚度的措施1、合理安排梁的支承：均布载荷作用在简支梁上时，最大弯矩与跨度的平方成正比，如能减少梁的跨度，将会降低梁的最大弯矩。
举例：h bh bh A W Z 167.062==h h h A W Z 125.0413223==ππ()h AW Z 31.0~27.0=2、合理地布置载荷：（P158图）使梁上载荷分散布置，可以降低最大弯矩。
举例：3、选择梁的合理截面：①根据抗弯截面系数与截面面积比值W z /A 选择截面：抗弯截面系数越大，梁能承受载荷越大；横截面积越小，梁使用的材料越少。