悬链线方程的推导
系泊系统悬链线方程
系泊系统悬链线方程引言系泊系统是一个用于固定船只或其他浮动物体的装置。
在海洋工程中，悬链线常被用作系泊系统的一部分，用于支撑和固定船只。
了解悬链线方程可以帮助工程师更好地设计和计算系泊系统，以确保船只的安全。
本文将介绍悬链线的概念以及如何推导悬链线的方程。
我将向您解释悬链线的基本原理，并提供一个简单的数学推导，从而得出悬链线的方程。
悬链线的基本原理悬链线是指在自由悬挂的条件下所呈现的线形。
当在自由空间中的两个点之间拉起悬链线时，其形状与悬链线的长度和两个拉力有关。
悬链线形成的原因是张力与重力在平衡状态下相互作用。
在船只的系泊系统中，悬链线呈现出类似于倒钟的形状。
这是因为船只的重力在悬链线上形成一个上向的张力，而风力和浪力则在悬链线上形成一个下向的张力。
这种平衡状态使船只能够固定在一个位置，并抵抗外部的力量。
推导悬链线的方程为了推导悬链线的方程，我们可以使用悬链线微元的分析方法。
假设有一段长度为ds的悬链线，在这段悬链线上的张力为T，重力为dF。
考虑到悬链线的长度非常小，我们可以使用近似的方法进行推导。
首先，我们可以将悬链线微元的受力分解为水平方向和垂直方向的分量。
垂直方向的受力平衡可以表示为：T * cosθ = dF其中，θ表示悬链线微元的倾角。
我们可以将dF表示为悬链线微元的重力分量dm乘以重力加速度g，即dF = dm * g。
然后，我们可以将水平方向的受力平衡表示为：T * sinθ = T * dθ悬链线微元的弧长长度可以表示为：ds = R * dθ其中，R表示悬链线微元与悬链线中心线的距离，也就是悬链线的半径。
将上述方程联立解得：T * cosθ = dm * gT * sinθ = R * dθ我们可以进一步将cosθ与sinθ之间的关系表示为：sinθ = √(1 - cos²θ)将这个关系带入前面的方程，我们可以得到：dm * g = R * dθ * √(1 - cos²θ)对上述方程进行微分运算，并将dm表示为dM/dθ：g * dM/dθ = R * dθ * √(1 - cos²θ)将上述方程进行变量分离和积分运算，得到：∫dθ/√(1 - cos²θ) = ∫g * R / M dM其中，M表示总质量等效值。
悬链线方程
之阳早格格创做常常所有资料包罗导线正在内，皆具备一定的刚刚性，但是由于悬挂正在杆塔上的一档导线相对付较少，果此导线资料的刚刚性对付其几许形状的效率很小，故正在估计中假定：（1）导线为理念的柔索.果此，导线只启受轴背弛力（或者推力），任性一面的直矩为整.那样导线力教估计可应用表里力教中的柔索表里举止估计.（2）效率正在导线上的荷载均指共一目标，且沿导线匀称分散.一、悬链线圆程及直线弧少为了分解便当，咱们先从悬挂面等下，即相邻杆塔导线悬挂面无下好的情况计划导线的应力及几许闭系.本量上，导线悬正在空中的直线形态，从数教角度用什么圆程去形貌是举止导线力教分解的前题.由于假定视导线为柔索，则可依照表里力教中的悬链线闭系去举止分解，将要导线架设正在空中的几许形态视为悬链形态，而由此导出的圆程式为悬链线圆程.如图2－5所示，给出了悬挂于A、B二面间的一档导线，假定为悬挂面等下的孤坐档，设以导线的最矮面O面为本面修坐直角坐标系.图2-5导线悬链线及坐标系共时假定导线牢固正在导线地圆的仄里，可随导线所有晃动，隐然那是一个仄里力系.根据那个坐标举止导线的受力分解，可修坐导线的悬链线圆程.咱们先从局部受力分解启初，再找出其普遍顺序.最先正在导线上任与一面D（x,y），而后分解OD段导线的受力闭系，由图2－5所示，此OD段导线受三个力而脆持仄稳，其中D面启受推力为T x=σx S，它与导线直线相切，与x轴夹角为α； O面启受推力为T0=σ0S，T0为导线O面的切线目标，恰与x轴仄止，故又称火仄弛力；别的另有OD 段导线自己的荷载为G=gSL x，其中L x为OD段导线的弧少.将OD段导线的受力闭系绘为一个三角形表示，如图2－6所示，图2-6导线受力情况由静力教仄稳条件可知，正在仄里坐标系中，其火仄分力，笔直分力的代数战分别等于整.或者沿x轴或者y轴上分力代数战分别等于整.笔直目标分力G=T x sinα=gSL x;火仄目标分为T0=T x cosα=σ0S.其中σ0、T0为导线最矮面的应力战弛力，σx、T x为导线任一面的应力战弛力，S、g为导线截里战比载.将上述二式相比，则可供得导线任性一面D的斜率为：(2-10)由微分教知识可知，直线上任一面的导数即为切线的斜率.式（2－10）是悬链直线的微分圆程.咱们要用坐标闭系表示出导线受力的普遍顺序，还需要将没有定量L x消去，果此，将式对付x微分得：（微分教中弧少微分公式为dS2=(dx)2+(dy)2）将上式移项整治后，二端举止积分那是个隐函数，果此，再举止分散变量积分，查积分公式有：（2－11）再举止分散变量积分，有于是，导线任一面D的纵坐标为：（2－12）式（2－12）是悬链圆程的一般形式，其中C1战C2为积分常数，其值可根据与坐标本面的位子及初初条件而定.如果将坐标本面于导线最矮面处，则有下述初初条件：x=0, dy/dx=tgα=0代进式（2－11）则C1＝0，将x=0,y=0,C1＝ 0 代进式（2－12），，如许，供得坐标本面最矮面O处的悬链圆程为：（2－13）式中σ0—火仄应力(即导线最矮面应力)，MPa;2.当坐标本面选正在其余面（比圆选正在悬挂面处）时，悬链线圆程的常数项将有所分歧，不妨得到分歧的公式.若式（2－13）中x代表档距的时间，则y即为导线的弧垂，果此悬链线圆程形貌了导线弧垂与应力、比载及档距之间的基础闭系，此式称为透彻式.本量上导线的悬链线圆程还不妨从另一种办法举止推导,底下介绍如下：由式,对付其供导得：变更为,为找本函数举止积分,由积分式二边积分，则有：形成指数形式为那是个隐函数，为解出，对付应有式：将二式相减则有：果为单直正弦函数为：单直余弦函数为：又果为：末尾积分有：定积分常数,果正在坐标本面则，其截止是一般的，即正在线路安排中，为了估计上的便当，普遍没有使用透彻式圆程，而是将其展启为泰勒级数形式.将悬链线圆程式（2－13）展启成无贫级数（正在x=0面），可得：（2－14）2．直线弧少（或者弧少圆程）导线最矮面O至任一面的直线少度喊干弧少，用Lx表示.将式（2－11）代进式（2－10）中，且积分常数C1＝0，得导线的弧少圆程为（2－15）根据式（2－15）不妨估计一个档距内导线的直线少度（也喊一档线少）将弧少圆程式（2－15）展启成无贫级数可得：（2－16）一品量匀称分散的绳二端悬挂时绳子所表示的直线为悬链线.闭于悬链线剖析圆程的供解，尔很早便知讲其圆程为单直余弦函数.然而当时数教火仄尚已谦脚央供.厥后教会闭于单直函数的相闭真量后，又由于脆疑绳中弛力到处相等而推出悖论，本钻研便此停顿.直到7月初，尔又念起了该直线的圆程供解问题.需要证明的一面是，绳中弛力到处相等央供绳子无品量、绷紧，对付于悬链隐然没有适用.但是受力目标沿着绳是透彻的，所以必须分散力的目标去供解.假设一个无限少的品量匀称分散的绳子正在沉力效率下自然下垂.设绳底端受到推力为T0，线稀度为ρ，沉力加速度g.如图所示修坐直角坐标系，设绳对付应的函数为y=f(x)对付于横坐标从0至x那一段的绳，设品量为m，少度L，受沉力为G，受顶端推力大小为T，该力倾斜角为θ该段绳受三力仄稳：T、G、T0，绘出受力示企图，有G/T0=tanθ由导数的几许意思，tanθ=dy/dx，而G=mg=ρgL，故ρgL/T0=dy/dx，ρgL=T0*dy/dx对付上式与微分，得ρg*dL=T0*d2y/dx，而dL=(dx2+dy2)1/2=[1+(dy/dx)2]1/2*dx，代进得ρg[1+(dy/dx)2]1/2=T0*d2y/dx2=T0*d(dy/dx)/dx，令dy/dx=P，则ρg(1+P2)1/2=T0*dP/dx，ρg/T0*dx=dP/(1+P2)1/2对付二侧与积分得∫ρg/T0*dx=∫dP/(1+P2)1/2ρgx/T0=sinh-1P+C1，P=sinh(ρgx/T0-C1)，dy/dx=sinh(ρgx/T0-C1)当x=0时，dy/dx=0，代进得sinh(-C1)=0,C1=0，故dy=sinh(ρgx/T0)*dx再次积分，得y=T0/ρg*cosh(ρgx/T0)+C2当x=0时，y=0，故0=T0/ρg*cosh0+C2,C2=-T0/ρg设k=T0/ρg，则y=kcosh(x/k)-k，若只思量其形状可忽略常数项，故悬链线圆程为y=kcosh(x/k)-k，其中k=T0/ρg闭于单直函数的一些证明：单直正弦函数sinhx=(e x-e-x)/2，单直余弦函数coshx=(e x+e-x)/2由其定义可得d(sinhx)/dx=coshx，d(coshx)/dx=sinhx，cosh2x-sinh2x=1其反函数分别为反单直正弦函数sinh-1x=ln[x+(x2+1)1/2]，反单直余弦函数cosh-1x=ln[x+(x2-1)1/2]波及的一步积分：正在∫dP/(1+P2)1/2中，令P=sinht∫dP/(1+P2)1/2=∫d(sinht)/(1+sinh2t)1/2=∫cosht*dt/cosht=∫dt=t+C=si nh-1P+C。
悬链线方程的推导
悬链线方程的推导一根无比柔软的绳子，两固定，自然静止状态下，它的形状是悬链线。
其实曲线是以绳子命名的。
如何根据绳子的受力来推导出悬链线方程呢？用高等数学所学的知识就够了。
第一步：背景知识 ㈠我们熟悉如何将)2sin(πα⋅+n 转化成余弦的形式，口诀是奇变偶不变，符号看象限。
现在扩展一下，研究正切、余切，正割、余割的转化口诀。
tanx cotx 转换：奇变号变偶不变。
也就是说，n 为奇数时，要转化成相反形式，且要补一个负号，n 为偶数时就不用变了。
secx cscx 转换：奇变偶不变，符号看象限。
我正弦、余弦非常相似。
㈡不定积分C x x C x x x x d x dx xdx C x x C x x x d x x d x x x dx x dx xdx ++=++-+=++==+-=+=====⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰tan sec ln )2cot()2csc(ln )2sin()2(cos sec cot csc ln 2tan ln 2tan 2tan 2tan 22sec 2cos 2sin 2sin csc 2ππππ求⎰+22ax dx，令t a x tan =，22ππ<<-t aC C C a x x C ax a a x C t t tdt a t a tdt a ln )ln(ln tan sec ln sec tan sec 1122222222-=+++=+++=++==+=⎰⎰㈢双曲余弦 chx e e y x x =+=-2 双曲正弦 shx e e y xx =-=-2反双曲余弦 x>0时，archy y y x =-+=)1ln(2； 反双曲正弦 arshy y y x =++=)1ln(2； 求导：shxchx chx shx ='=')()( 第二步：微分方程平衡方程：,0cos ,0sin =-⋅=-⋅H T gs T θρθ 解得：gH a dx y a y a s H gsx ρρθ='+='===⎰,11tan 02 边界条件：x=0 y=a ； x=0 y'=0。
悬链线方程的推导过程
悬链线方程的推导过程嘿，朋友们！今天咱就来聊聊悬链线方程的推导过程，这可有意思啦！咱先来说说啥是悬链线。
你看那悬挂起来的链条，它自然下垂形成的那个曲线，就是悬链线啦。
就好像咱平时看到的晾衣绳，或者那种古老的吊桥的铁链，它们垂下来的样子。
那为啥要研究它的方程推导呢？这可重要啦！它在好多地方都有用武之地呢，比如建筑设计呀，桥梁工程呀。
要是咱能搞清楚它，那不是能让好多东西建得更漂亮更稳固嘛！那怎么推导呢？咱先从最基本的开始。
想象一下，把这个悬链分成一小段一小段的。
每一小段都受到重力的作用，对吧？然后呢，再考虑这些小段之间的相互关系。
这就好像拼图一样，一块一块地拼起来，慢慢地就能看出整个图案啦。
咱再深入一点。
这些小段之间的力呀，得平衡才行。
这就好比拔河比赛，两边的力量得差不多，不然不就被拉跑啦。
通过研究这些力的平衡，就能找到一些规律。
然后呢，咱就可以用一些数学知识啦。
什么微积分呀，函数呀，都可以派上用场。
就好像是给这个悬链线穿上了一件数学的外衣，让它变得更加清晰明了。
你说这是不是很神奇？从一个看起来普普通通的链条，通过一点点的分析和推导，就能得出一个那么复杂又那么有用的方程。
这就好比是从一粒小小的种子，最后长成了一棵参天大树。
而且啊，这个推导过程可不是一帆风顺的哟！有时候会遇到难题，就好像爬山的时候遇到了陡峭的山坡。
但咱可不能退缩呀，得鼓起勇气往上爬。
当我们终于推导出来的时候，那种成就感呀，简直无与伦比！就好像是解开了一道超级难的谜题，心里那叫一个痛快！所以说呀，悬链线方程的推导过程虽然有点复杂，但真的很值得我们去研究。
它让我们看到了数学和现实世界的紧密联系，也让我们感受到了探索的乐趣和成就感。
大家不妨也去试试，说不定你也能发现其中的奥秘呢！。
悬链线公式范文
悬链线公式范文悬链线曲线可以通过悬链线公式来描述，该公式是一种二次积分方程。
悬链线公式的推导可以追溯到17世纪，最早由数学家伽利略提出。
早期的研究主要关注两个重要参数，悬链线的弧长和张力。
在此基础上，经过长期的发展和改进，悬链线公式逐渐完善起来。
y = a * cosh(x/a)其中，y表示曲线上其中一点的纵坐标，x表示该点距离对称轴的横坐标，a是曲线的挂链长度。
这个公式可以用来计算悬链线上任意一点的位置。
在特定的条件下，可以通过解析法或数值计算的方法，确定悬链线上任意一点的坐标。
首先，我们考虑悬链线上其中一点的切线斜率。
根据物理学知识，悬链线上任意一点处切线的斜率等于该点处曲线的斜率。
而曲线的斜率可以通过曲线的微分方程来表示。
因此，我们可以通过微分方程计算出悬链线上其中一点的切线斜率。
接下来，我们将斜率表示为dy/dx的形式，并对其进行积分得到y关于x的函数表达式。
为了求解这个积分方程，我们使用变量代换来简化计算。
最后，我们对积分方程进行求解，得到了悬链线公式。
悬链线公式的应用非常广泛。
在物理学中，它可以用来描述悬链线的形状和张力分布。
在工程学中，悬链线公式可以应用于吊桥、电线杆、挂钟和索道等结构设计。
悬链线的形状对于这些结构的稳定性和载荷分布具有重要影响。
总之，悬链线公式是一种描述悬链线形状的数学公式。
它的推导过程比较复杂，需要运用高等数学知识。
悬链线公式的应用涵盖了物理学和工程学等领域，对于研究结构的稳定性和计算载荷分布非常重要。
架空线悬挂曲线方程
架空线悬挂曲线方程
架空线悬挂的曲线可以用悬链线方程来描述。
悬链线是指在两个固定点上悬挂的弦线，其线的形状是悬链曲线。
悬链线方程可以通过如下形式来表示：
y = a·cosh(x/a)
其中，a代表常数，cosh(x)是双曲余弦函数。
这个方程描述了悬挂线在横坐标轴上(x轴)的坐标x处的纵坐标y的位置。
悬链线有许多有趣的性质，例如，在两个固定点上的张力相等，斜率最大处的张力最大等等。
这些性质使得悬链线在实际中具有广泛的应用，例如电线悬挂、桥梁设计等。
悬链线方程的推导过程
悬链线方程的推导过程悬链线是一种曲线，其形状类似于悬链。
悬链线最早由德国数学家焦若贝利在1725年所提出，也被称为Catenary（猫enary）曲线。
这条曲线具有许多独特的性质和应用领域，因此悬链线的推导过程也非常有趣。
悬链线的推导涉及到一些微积分和几何的知识。
在这里，我将尽量简明扼要地介绍悬链线方程的推导过程。
第一步：设定问题和坐标系我们假设有一根不可伸长、重力平均作用于其上的悬链线。
我们希望找到这条悬链线的方程。
为此，我们首先将悬链线放在一个笛卡尔坐标系中。
设悬链线的轴线为x轴，y轴垂直于轴线。
第二步：表示悬链线的参数方程为了表示悬链线，我们引入参数t，表示悬链线上任意一点的位置。
我们假设悬链线的最低点为原点O(0, 0)，则悬链线的参数方程可以表示为：x = at， y = bch(a)，其中a和b是任意的正数，c是一个常数，表示悬链线的形状。
第三步：应用欧拉－积分方程为了求解悬链线的参数方程，我们需要应用欧拉－积分方程。
欧拉－积分方程是描述弹性形体的自平衡状态的一个重要方程。
我们令L表示悬链线的弧长，则有：L = ∫√(1 + (dy/dx)²)dx将悬链线的参数方程带入上式，可以得到：L = ∫√(1 + (a² + b²ch²(a)²)dt第四步：求解悬链线弧长的积分通过对上式中的积分进行变量替换和一些微积分的技巧可以求得L的积分形式。
最终我们得到：L = ∫csch(a)da，其中csch(a)是双曲正弦函数的倒数，定义为csch(a) = 1/sinh(a) = (2e^a)/(e^2a - 1)第五步：应用数值积分方法由于上述积分无法通过标准的解析方法求解，我们可以应用数值积分方法来计算L。
一种常用的数值积分方法是龙格－库塔法则，它可以在较高精度下计算复杂的积分。
第六步：求解悬链线方程通过数值积分得到L后，我们可以尝试通过方程L=c来求解a。
第3讲 主缆计算
8n 2 32n 4 S = l (1 + + ...) 3 5
S即为抛物线线型的长度.
三,主缆长度计算 2,主缆轴力与无应力长度 同跨主缆任意截面轴力:
H N= = H 1 + y′2 cos φ
下面以中跨为例分析,见图. 当 ,即主缆在塔侧,轴力达到最大,即 x =l/2
N max = H 1 + 16 f 2 / l 2 = H 1 + 16n 2
已知一单跨悬索桥的加劲梁(包括所有二 横),主缆(1根)和吊杆沿跨长方向上单位 长度的重量分别为q1,q2和q3悬索桥中跨垂度 和跨度分别是f,L,边跨跨度为L1,边缆锚固点 与塔顶的高差为C,主缆抗拉刚度为EA, 试确 定中跨和边跨抛物线主缆的无应力长度. 如果是三跨悬索桥,结果会有何不同?
提示:计算边跨时,中跨主缆的水平力和边跨主缆的水平力相等
计算主缆在轴力N下的弹性伸长量:
s = 2 ∫
s/2
0
2H l / 2 1 N '2 ds = ∫0 cos 1 + y dx EA EA
l/2 2 2
2H 16n f 2 Hl = ∫0 (1 + 64 l 4 x )dx = EA (1 + 3 ) EA
主缆的无应力长度为:
~ S = S s
当坐标原点沿x轴平移到 x = l / 2 ,主缆线型方程可简化为:
相应的,
4 fx2 y= f 2 l y' =8 fx l2
三,主缆长度计算
悬索桥主缆从架设丝股到建成运营各阶段分别为悬 链线和抛物线-悬链线.明确了以上计算,对各个 阶段 索长计算,线形控制,索夹定位,吊索长度确定均有用 处.
dv =q ds dx dx
悬链线一般方程
悬链线一般方程悬链线是一种特殊的曲线，它的形状像一条被吊起的链子。
如果你在两个固定的点之间悬挂一根均质无弹力的链子，那么它所形成的曲线就是悬链线。
为了方便研究，我们通常把链子的质量看成无限小，而且只考虑在两个挂点处的张力作用。
下面我将为你介绍悬链线的方程和一些应用。
一、悬链线的方程悬链线的方程有多种推导方法，其中最常见的方法是利用牛顿-莱布尼茨公式和能量守恒定律。
经过推导，我们可以得到悬链线的一般方程如下：y = a * cosh(x/a)其中，y代表链子所在的位置的高度，x代表链子的长度，a则是一个常数，它与链子的张力、重力和挂点的距离有关。
二、悬链线的性质悬链线有一些特殊的性质：1. 它是对称的：悬链线在对称轴处呈现出对称性，即左右两侧的曲线完全相同。
2. 它是单峰的：悬链线的几何形状是单峰的，即它在中心位置最高，在两端位置最低。
3. 它是无穷光滑的：悬链线是无穷光滑的曲线，它不断变化，凸度不断改变。
三、悬链线的应用悬链线不仅仅是一个美妙的几何曲线，它还有一些重要的应用：1. 悬链桥的设计：悬链线的特殊性质使得它成为设计悬链桥的理想曲线。
悬链桥的主要结构是悬链线和桥塔，它可以承载大量的荷载和扭矩。
2. 物理学问题的解决：悬链线被广泛应用于物理学的许多问题中，如质点沿着悬链线的运动问题、悬链线的频率问题等等。
3. 工程结构的应用：悬链线的应用不仅限于桥梁和物理学问题，它还可以应用于建筑结构、电力电线杆、运动设备等领域中。
总之，悬链线是一条美妙的曲线，具有独特的性质和广泛的应用价值。
通过对悬链线的深入研究，我们可以更好地理解物理学问题，设计出更加牢固、高效的工程结构，创造出更加美好的未来。
悬链线方程的推导
1 悬链线方程的推导 锚链一端受到水平预张力()0T KN ，并在其均匀分布的自重力作用下产生下垂。
设锚链水中单位重力为()/W KN m ，建立如图1所示的直角坐标系，并设锚链曲线对应的函数为()y f x =。
对于横坐标上0至x 这段锚链，长度为L ，则G wL =，顶端拉力为T ，该力倾角为θ，水平张力0T ,根据力学原理可知，T ，G 和0T 三力平衡。
可知0tan /G T θ=(图2).dy dx θ=，dy 10y T ⎝⎭查积分公式可得：0120T w y ch x c c w T ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭（6） 式（6）即为锚链悬链线的一般方程。
假设锚链末端拖地，并设拖地点为原点，则对于拖地点有，0,0,tan 0x y θ===，代入式（3）和（6），联立方程后，可解得：10c =，2T c w=,代入式（6）得: 001T w y ch x w T ⎛⎫=- ⎪⎝⎭（7） 式（5）即为拖地点为原点的悬链线一般方程。
而对于悬挂点为原点的悬链线方程，仅系数有所变化，如下式表示，推导过程不再叙述。
该方程对于有悬锤的悬链线更适用。
0,0,tan wL x yθ===，代入式（3）,（6）可解得： c L 度L 21c 和2c 3式中；C G 为悬锤水下重力，实际重力应作换算。
()()1212000000cosh sinh sinh C C w L L G w L L G T a T a T T T w y ch x w T w w ++⎡⎤⎧⎫++⎡⎤⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎢⎥=--⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭（10） 以悬挂点为原点建立的悬链线方程，同样适用于锚链不拖地的情况，但悬链线方程式应通过试算来确定。
式（10）即为锚链悬挂点至悬锤处的悬链线方程：悬挂点坐标为,x a y b ==则悬挂点以下悬链线方程为：11000000cosh sinh sinh wL wL T a T a T T T w y ch x a b w T w w ⎧⎫⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪⎪⎢⎥ ⎪⎢⎥ ⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎢⎥=---+⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎣⎦⎩⎭（11） 根据式（10）和（11），对于任意给定的x 坐标，可求出y 值，即可知任意位置的水深值。
悬链线方程
15
【属于1-1-2】
【模块编号】MU-06-03
y h
f
1
(chk 1) 1
0
2
s
2 k d
s m 1
h 1 1
2
s
2 k d
0
f
1
弹性中心坐标系数，与拱轴系数m有关 1
～可根据拱轴系数，查设计手册； ～对变截面悬链线，还与拱厚系数n有关；
【模块编号】MU-06-03
◎确定m的原则
恒载压力线不是一条平滑的曲线，拱轴线采用悬链 线，应尽可能使拱轴线与恒载压力线偏离较小， 采用“五点重合法”使悬链线拱轴与恒载压力线 重合。
10
【属于1-1-2】 空腹拱－确定 m的方法
1）根据拱轴线上“重合五点” 与其三铰拱恒载压力线重 合（五点弯矩为零）的条 件确定m值；根据拱脚、拱 跨1/4截面得：
3）当m=1,曲线即为二次抛物线；
7
【属于1-1】
• 任意截面的拱轴线水平倾角：
【模块编号】MU-06-03
tg
d
y 1
2k
f
shk
dx l(m 1)
8
1-2 拱轴系数m的确定 1-2-1、实腹拱拱轴系数m的确定
【模块编号】MU-06-03
g h
d
d
1d
2
g
j
【模块编号】MU-06-03
◎将拱圈换算为相当长度的压杆，按平均轴向力计算； 验算公式：
◎当主拱的长细比大于规范规定的数值时，按临界力
控制稳定；
临界平均轴向力
K1
NL Nj
4
悬链线
悬链线科技名词定义中文名称：悬链线英文名称：catenary定义：两端悬挂的理想柔性软索的曲线。
工程计算中，可近似用抛物线计算。
应用学科：电力（一级学科）；输电线路（二级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布目录悬链线等高悬链线数学表达式的证明工程中的应用悬链线悬链线(Catenary) 是一种曲线，它的形状因与悬在两端的绳子因均匀引力作用下掉下来之形相似而名。
适当选择坐标系后，悬链线的方程是一个双曲余弦函数，其公式为：y = a*cosh(x/a) 其中a 是一个常数。
等高悬链线数学表达式的证明注释如右图，设最低点A处受水平向左的拉力H，右悬挂点处表示为C点，在AC弧线区段任意取一段设为B点，则B受一个斜向上的拉力T，设T 和水平方向夹角为θ，绳子的质量为m,受力分析有：Tsinθ=mg；Tcosθ=H，tanθ=dy/dx=mg/H，mg=ρs，，其中s是右段AB 绳子的长度，ρ是绳子线重量密度，代入得微分方程dy/dx=ρs/H;利用弧长公式ds=√(1+dy^2/dx^2)*dx;所以s=∫√(1+dy^2/dx^2)*dx; 所以把s 带入微分方程得dy/dx=ρ∫√(1+dy^2/dx^2)*dx/H;.....(1) 对于(1)设p=dy/dx微分处理得p'=ρ/H*√(1+p^2)......(2) p'=dp/dx; 对（2）分离常量求积分∫dp/√(1+p^2)=∫ρ/H*dx 得ln[p+√(1+p^2)]=ρx/H+C，即asinhp（反双曲正弦）=ρx/H+C 当x=0时，dy/dx=p=0；带入得C=0；整理得asinhp=ρx/H 另祥解：（ln[p+√(1+p^2)]=ρx/H）；p=sh(ρx/H) （1+p^2=e^(2ρx/H)-2pe^(ρx/H)+p^2）；(p=[e^(ρx/H)-e^(-ρx/H)]/2=dy/dx)；y=ch (ρx/H)* H / ρ（y=H/(2ρ)*[e^(ρx/H)+e^(-ρx/H)] ）；令a=H/ρ：y=a*cosh (x/a) (y=a[e^(x/a)+e^(-x/a)]/(2)= a*cosh(x/a))。
悬链线方程的推导过程
悬链线方程的推导过程悬链线 (Catenary) 是一种曲线，它的形状因与悬在两端的绳子因均匀引力作用下掉下来之形相似而名。
适当选择坐标系后，悬链线的方程是一个双曲余弦函数，其公式为：y = a*cosh(x/a)其中 a 是一个常数。
最低点处受水平向左的拉力H ，右悬挂点处受一个斜向上的拉力T ，设T 和水平方向夹角为θ，绳子一半的质量为m,受力分析有：T sin T co s θθ=m g ,=H并且对于绳上任意一点有tan θ=d y /d x =m g /H ，ρm g =s其中s 是右半段绳子的长度, ρ是绳子密度,认为绳子截面积是1,带入得微分方程ρd y /d x =s /H利用弧长公式d s x所以有，实际上就是弧长积分公式：⎰s =x所以把s 带入微分方程得ρ⎰d y /d x =d x /H （1）对于(1)设p =d y /d x 并做微分处理可得：ρ=d pp '=/H d x （2）对（2）分离常量求积分p ρ=⎰⎰1/H d x（3）得：ln (p x ρ+=/H +C边界条件：x =0，d y /d x =0，代入后可得C0=，整理后为：ln (p x ρ+=/H （4）由1ln )ln ln )p p xρ+==-=/H （5）即得x x ρρ⎡⎤⎣⎦p =e ^(/H )-e ^(-/H )/2=d y /d x （6）x x ρρρ⎡⎤⎣⎦ y =p =H /2e ^(/H )+e ^(-/H ) （7）如果令ρa =H /的话，则有/(2)co sh (/)x a x a a a x a =⎡⎤⎣⎦ y =p =e ^(/)+e ^(-/) （8） 即为双曲函数。
有限到无限基于离散静力平衡推导悬链线方程和梁位移方程
第42卷第1期力学与实践2020年2月有限到无限:基于离散静力平衡推导悬链线方程和梁位移方程罗雯瑛(清华大学航天航空学院，北京100084)摘要悬链线问题是一类非常经典的力学问题，推导出悬链线方程的方法从静力平衡到变分原理，非常之多。
本文基于离散的静力平衡模型，采用从有限到无限的求解方法，建立并求解了悬链线方程。
在此 基础上，本文进一步建立了含有扭簧作用的离散静力平衡模型，推导并求解梁位移方程。
最后在不同参数 下求解梁位移方程得到其渐变解，并分析了多种平衡状态的存在情况。
关键词静力平衡,悬链线，梁中图分类号:0312文献标识码:Adoi ： 10.6052/1000-0879-19-176FR O M FIN ITE N E SS TO IN FIN IT Y : D E R IV IN G T H E CATENARY EQUATION AND T H E BEAM D ISPLA C EM EN T EQUA TIO N BASED ONTH E D ISC R ET E STATIC EQ U ILIB R IU M MODELLUO Wenying ”(School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)A bstract The catenary problem is a very classical mechanical problem . There are many methods to derive the catenary equation from static equilibrium methods to variational principles . This paper estab lishes and solves the catenary equation based on the discrete static equilibrium model . Furthermore , this paper establishes a discrete static equilibrium model with torsion spring , then derives and solves the beam displacement equation . In the end , the beam displacement equations with different parameters are solved to obtain the gradual solution , and the existence of various equilibrium states is analyzed .K ey words static equilibrium , catenary curve , beami问题引入问题：有2n = 100颗，质量为m 的小球等距串在无质量细绳上，绳长为2L ，悬挂于A 、B 点，A B 距 离为L ,如图1所示。
悬链线方程——数学史上的难题之一，伽利略没能求出，难在哪里？
悬链线方程——数学史上的难题之一，伽利略没能求出，难在哪里？一个完美均匀且灵活的平衡链被它的两端悬挂，并只受重力的影响，这个链子形成的曲线形状被称为悬链线。
1690年，荷兰物理学家、数学家、天文学家、发明家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）在给德国著名博学家戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）的一封信中创造了这个名字。
悬链线与抛物线相似。
意大利伟大的天文学家、物理学家和工程师伽利略是第一个研究悬链线的人，并错误地将其形状认定为抛物线。
1691年，莱布尼茨、惠根斯和瑞士数学家约翰·伯努利分别得出了正确的形状。
他们都是为了响应瑞士数学家雅各布·伯努利（约翰的哥哥）提出的一项挑战，即得到“悬链线”方程。
•图1：从左到右分别是雅各布·伯努利，戈特弗里德·莱布尼茨，克里斯蒂安·惠更斯和约翰·伯努利莱布尼茨和惠更斯发给雅各布·伯努利的图如下所示。
他们发表在《博学学报》上，这是欧洲德语国家的第一份科学期刊。
•图1：莱布尼茨和惠更斯提交给雅各布·伯努利的答案。
约翰·伯努利很高兴，他成功地解决了他哥哥雅各布没能解决的问题。
27年后，他在一封信中写道：我哥哥的努力没有成功。
就我而言，我更幸运，因为我发现了这个问题的答案。
对于我当时的年龄和经验来说，这是一个巨大的成就。
……我满心欢喜地跑到哥哥那里，他一直在苦苦地与这个难题作斗争，却没有任何进展，总是像伽利略一样认为这个链线是一个抛物线。
我对他说，不要再折磨自己了，不要再试图用抛物线来寻求悬链的方程了，因为那是完全错误的。
——约翰·伯努利求悬链线方程为求悬链线方程，作以下假设：•悬链悬挂在两点之间，靠自身重量悬挂。
•悬链是灵活的，有一个统一的线性重量密度（等于w_0）。
为了简化代数上的繁琐，我们让y轴通过曲线的最小值。
悬链线方程
通常任何材料包括导线在内，都具有一定的刚性，但由于悬挂在杆塔上的一档导线相对较长，因此导线材料的刚性对其几何形状的影响很小，故在计算中假定：（1）导线为理想的柔索。
因此，导线只承受轴向张力（或拉力），任意一点的弯矩为零。
这样导线力学计算可应用理论力学中的柔索理论进行计算。
（2）作用在导线上的荷载均指同一方向，且沿导线均匀分布。
一、悬链线方程及曲线弧长1.悬链线方程为了分析方便，我们先从悬挂点等高，即相邻杆塔导线悬挂点无高差的情况讨论导线的应力及几何关系。
实际上，导线悬在空中的曲线形态，从数学角度用什么方程来描述是进行导线力学分析的前题。
由于假定视导线为柔索，则可按照理论力学中的悬链线关系来进行分析，即将导线架设在空中的几何形态视为悬链形态，而由此导出的方程式为悬链线方程。
如图2－5所示，给出了悬挂于A、B两点间的一档导线，假定为悬挂点等高的孤立档，设以导线的最低点O点为原点建立直角坐标系。
图2-5导线悬链线及坐标系同时假定导线固定在导线所在的平面，可随导线一起摆动，显然这是一个平面力系。
根据这个坐标进行导线的受力分析，可建立导线的悬链线方程。
我们先从局部受力分析开始，再找出其一般规律。
首先在导线上任取一点D（x,y），然后分析OD段导线的受力关系，由图2－5所示，此OD段导线受三个力而保持平衡，其中D点承受拉力为T x=σx S，它与导线曲线相切，与x轴夹角为α；O点承受拉力为T0=σ0S，T0为导线O点的切线方向，恰与x轴平行，故又称水平张力；此外还有OD段导线自身的荷载为G=gSL x，其中L x为OD段导线的弧长。
将OD段导线的受力关系画为一个三角形表示，如图2－6所示，图2-6导线受力情况由静力学平衡条件可知，在平面坐标系中，其水平分力，垂直分力的代数和分别等于零。
或沿x轴或y轴上分力代数和分别等于零。
垂直方向分力G=T x sinα=gSL x;水平方向分为T0=T x cosα=σ0S。
悬链线长度计算
悬链线长度计算（实用版）目录1.引言2.悬链线的定义和性质3.悬链线长度计算的公式推导4.悬链线长度计算的实际应用5.总结正文1.引言悬链线，又称为悬链曲线，是一种常见的数学曲线，其形状由一条水平直线和一条垂直直线构成，形状类似于一个倒挂着的链条。
悬链线在数学中有着广泛的应用，其中一个重要的应用就是计算其长度。
本文将介绍悬链线的定义和性质，并详细推导悬链线长度计算的公式，最后将讨论悬链线长度计算在实际应用中的价值。
2.悬链线的定义和性质悬链线可以定义为垂直于一个固定轴的直线上的一个点，以固定轴为圆心，作等速圆周运动，其轨迹形成的曲线。
悬链线具有以下性质：（1）悬链线关于垂直于轴线的平面对称。
（2）悬链线上任意一点的切线与轴线垂直。
（3）悬链线的长度等于圆周运动的半径与圆周运动所对应的圆心角的弧长。
3.悬链线长度计算的公式推导为了计算悬链线的长度，我们需要先推导出悬链线长度计算的公式。
假设悬链线长度为 L，圆周运动的半径为 r，圆心角为θ，则根据圆的性质，有：θ = 2πr / L解得：L = 2πr / θ这就是悬链线长度计算的公式。
4.悬链线长度计算的实际应用悬链线长度计算在实际中有很多应用，例如在建筑结构分析中，可以用悬链线长度计算来分析悬链式桥梁的稳定性；在机械工程中，可以用悬链线长度计算来设计摆线针轮等传动装置。
通过悬链线长度计算，可以更好地理解和优化这些实际问题。
5.总结悬链线是一种重要的数学曲线，其在实际中有着广泛的应用。
通过推导悬链线长度计算的公式，我们可以更好地理解和优化实际问题。
悬链线方程
通常任何材料包括导线在内,都具有一定得刚性,但由于悬挂在杆塔上得一档导线相对较长,因此导线材料得刚性对其几何形状得影响很小,故在计算中假定:ﻫ(１)导线为理想得柔索。
因此,导线只承受轴向张力(或拉力),任意一点得弯矩为ﻫ零。
这样导线力学计算可应用理论力学中得柔索理论进行计算。
ﻫ(2)作用在导线上得荷载均指同一方向,且沿导线均匀分布。
一、悬链线方程及曲线弧长1。
悬链线方程为了分析方便,我们先从悬挂点等高,即相邻杆塔导线悬挂点无高差得情况讨论导线得应力及几何关系。
实际上,导线悬在空中得曲线形态,从数学角度用什么方程来描述就是进行导线力学分析得前题、由于假定视导线为柔索,则可按照理论力学中得悬链线关系来进行分析,即将导线架设在空中得几何形态视为悬链形态,而由此导出得方程式为悬链线方程。
如图2－5所示,给出了悬挂于A、B两点间得一档导线,假定为悬挂点等高得孤立档,设以导线得最低点Ｏ点为原点建立直角坐标系。
ﻫ图２—5导线悬链线及坐标系同时假定导线固定在导线所在得平面,可随导线一起摆动,显然这就是一个平面力系。
根据这个坐标进行导线得受力分析,可建立导线得悬链线方程、ﻫ我们先从局部受力分析开始,再找出其一般规律、首先在导线上任取一点D(x,y),然后分析ＯD段导线得受力关系,由图2—5所示,此OD段导线受三个力而保持平衡,其中D点承受拉力为T x=σｘS,它与导线曲线相切,与x轴夹角为α; O点承受拉力为Ｔ０=σ0Ｓ,T0为导线O点得切线方向,恰与x轴平行,故又称水平张力;此外还有OD段导线自身得荷载为G＝gSL x, 其中L x为OＤ段导线得弧长。
ﻫ将OD段导线得受力关系画为一个三角形表示,如图2－6所示,ﻫﻫ图2-６导线受力情况ﻫ由静力学平衡条件可知,在平面坐标系中,其水平分力,垂直分力得代数与分别等于零。
或沿x 轴或y轴上分力代数与分别等于零。
垂直方向分力G＝T x siｎα=gSLｘ;水平方向分为Ｔ0=T xｃosα=σ0Ｓ、其中σ0、T0为导线最低点得应力与张力,σx、T x为导线任一点得应力与张力,S、g为导线截面与比载。
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1 悬链线方程的推导 锚链一端受到水平预张力()0T KN ，并在其均匀分布的自重力作用下产生下垂。
设锚链水中 单位重力为()/W KN m ，建立如图1所示的直角坐标系，并设锚链曲线对应的函数为()y f x =。
对于横坐标上0至x 这段锚链，长度为L ，则G wL =，顶端拉力为T ，该力倾角为θ，水平张力0T ,根据力学原理可知，T ，G 和0T 三力平衡。
可知0tan /G T θ=(图2). 图1图2
假定该水平张力在锚链上处处相等，对于任意一段锚链L ，该平衡均成立，0tan wL T θ=，而tan dy dx
θ=，对该式取微分，则有()()
00tan x w d d L T θ===（1） 弧长微分ds
=1
）分离变量后并积分： 0
tan d w dx T =⎰（2） 对式（2）积分后得到：
10tan w sh x c T θ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭（3）
对式（3）再次分离变量后，得
10w dy sh x c dx T ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭
（4）
并积分，
10w y sh x c dx T ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰（5）
查积分公式可得：
0120T w y ch x c c w T ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭
（6） 式（6）即为锚链悬链线的一般方程。
假设锚链末端拖地，并设拖地点为原点，则
对于拖地点有，0,0,tan 0x y θ===，代入式（3）和（6），联立方程后，可解得：10c =，2T c w
=,代入式（6）得: 001T w y ch x w T ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
（7） 式（5）即为拖地点为原点的悬链线一般方程。
而对于悬挂点为原点的悬链线方程，仅系数有所变化，如下式表示，推导过程不再叙述。
该方程对于有悬锤的悬链线更适用。
0,0,tan wL x y T
θ===
，代入式（3）,（6）可解得： 002cosh sinh wL T a T c w
⎡⎤⎛⎫⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦=（8） 式（8）即是以悬挂点为原点的悬链线一般方程。
L 为悬链线长度，在y 已知的情况下，根据式（7）可求出x 值，并对曲线积分，即可求出悬链线长度L 。
2 带悬锤的悬链线方程
有悬锤的悬链线，受力模式和求解过程均与一般悬链线相似。
区别的是其初值不同,因此只是1c 和2c 不同而已。
从图3可以看出，以悬锤点为界，上段悬链线中的竖向力多了悬锤重C G 和2L ，水平力均相同，悬锤以下段，悬链线与一般悬链线相同。
图
3
带悬锤的悬链线受力图
悬挂点处初始值：0,0x y ==，且
()120
tan C w L L G T θ++=（9） 式中；C G 为悬锤水下重力，实际重力应作换算。
()()1212000000cosh sinh sinh C C w L L G w L L G T a T a T T T w y ch x w T w w ++⎡⎤⎧⎫++⎡⎤⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎢⎥=--⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭
（10）
以悬挂点为原点建立的悬链线方程，同样适用于锚链不拖地的情况，但悬链线方程式应通过试算来确定。
式（10）即为锚链悬挂点至悬锤处的悬链线方程：
悬挂点坐标为,x a y b ==则悬挂点以下悬链线方程为：
11000000cosh sinh sinh wL wL T a T a T T T w y ch x a b w T w w ⎧⎫⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪⎪⎢⎥ ⎪⎢⎥ ⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎢⎥=---+⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎣⎦⎩⎭
（11） 根据式（10）和（11），对于任意给定的x 坐标，可求出y 值，即可知任意位置的水深值。