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1、材材 料料 力力 学学第1页/共63页第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移5-1 挠度和转角挠度和转角5-2 梁的挠曲线近似微分方程及其积分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按叠加原理计算梁的挠度和转角5-4 梁的刚度校核梁的刚度校核提高梁的刚度的措施提高梁的刚度的措施材材 料料 力力 学学第2页/共63页5-1 梁的位移梁的位移挠度和转角挠度和转角 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位移 称为横截面的转角。第五章第五章 梁弯曲时的
2、位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第3页/共63页 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 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：第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第4页/共63页 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
3、转角则明显不同。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移(a)(b)材材 料料 力力 学学第5页/共63页 在图示坐标系中，挠度w向下为正，向上为负；顺时针转向的转角为正，逆时针转向的转角为负。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第6页/共63页5-2 梁的挠曲线近似微分方程及其积分梁的挠曲线近似微分方程及其积分.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下中性层的曲率为这也是位于中性层内的挠曲线的曲率的表达式。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第7页/共63页 在横力弯曲下，梁的横截面上除弯矩M=M(x
4、)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，而有第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第8页/共63页从几何方面来看，平面曲线的曲率可写作(参见高等数学上册，同济大学，P212）式中，等号右边有正负号是因为曲率1/r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=w 沿x方向的变化率，是有正负的。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第9页/共63页第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移再注意到在图示坐标
5、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材材 料料 力力 学学第10页/共63页.挠曲线近似微分方程的积分及边界条件求等直梁的挠曲线方程时可将上式改写为后进行积分，再利用边界条件确定积分常数。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第11页/共63页 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)有第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移 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。材材 料料 力力 学学第12
6、页/共63页 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。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第13页/共63页 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。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第14页/共63页 例题例题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max。第五章第
7、五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第15页/共63页解：解：该梁的弯矩方程为挠曲线近似微分方程为以x为自变量进行积分得于是得该梁的边界条件为：在 x=0 处 ，w=0第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第16页/共63页从而有转角方程挠曲线方程 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。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第17页/共63页可见该梁的max和wmax均在x=l的自由端处。于是有第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第18页/共63页
8、思考思考: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？第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第19页/共63页 例题例题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max。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第20页/共63页解：解：该梁的弯矩方程为挠曲线近似微分方程为以x为自变量进行积分得：第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第21页/共63页该梁的边界条件为在 x=0 处 w=0，在 x=l 处 w=0于是有即从而有转角方程挠曲线方
9、程第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第22页/共63页 根据对称性可知，两支座处的转角A及B的绝对值相等，且均为最大值，故最大挠度在跨中，其值为第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第23页/共63页 例题例题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max。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第24页/共63页解：解：约束力为两段梁的弯矩方程分别为 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(
10、x)中的项相同。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第25页/共63页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：挠曲线近似微分方程积分得左段梁右段梁第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第26页/共63页 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。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力
11、力 学学第27页/共63页该梁的两类边界条件为支座约束条件：在x=0处 w1=0，在 x=l 处 w2=0连续条件：在x=a处 ，w1=w2第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移由两个连续条件得：由支座约束条件 w1|x=0=0 得从而也有材材 料料 力力 学学第28页/共63页由另一支座约束条件 w2|x=l=0 有即从而也有第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第29页/共63页从而得两段梁的转角方程和挠曲线方程如下：左段梁右段梁第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第30页/共63页左、右两支座处截面的转角分别为当ab时有第五章第五
12、章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第31页/共63页显然，由于现在ab，故上式表明x1a，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 根据图中所示挠曲线的大致形状可知，最大挠度wmax所在 处在现在的情况下应在左段梁内。令左段梁的转角方程 等于零，得第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第32页/共63页 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它发生在 处。而此时 处(跨中点C)的挠度wC为第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第33
13、页/共63页 当集中荷载F作用于简支梁的跨中时(b=l/2)，最大转角max和最大挠度wmax为 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。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第35页/共63页5-3 按叠加原理计算梁的挠度和转角按叠加原理计算梁的挠度和转角 当梁的变形微小，且梁的材料在线弹性范围内工作时，梁的挠度和转角均与梁上的荷载成线性关系。在此情况下，当梁上有若干荷载或若干种荷载作用时，梁的某个截面处的挠度和转角就等于每个荷载或每种荷载单独作用下该
14、截面的挠度和转角的代数和。这就是计算梁的位移时的叠加原理。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第36页/共63页 悬臂梁和简支梁在简单荷载(集中荷载，集中力偶，分布荷载)作用下，悬臂梁自由端的挠度和转角表达式，以及简支梁跨中挠度和支座截面转角的表达式已在本教材的附录中以及一些手册中给出。根据这些资料灵活运用叠加原理，往往可较方便地计算复杂荷载情况下梁的指定截面的挠度和转角。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第42页/共63页5-4 梁的刚度校核梁的刚度校核提高梁的刚度的措施提高梁的刚度的措施.梁的刚度校核 对于产生弯曲变形的杆件，在满足
15、强度条件的同时，为保证其正常工作还需对弯曲位移加以限制，即还应该满足刚度条件：式中，l为跨长，为许可的挠度与跨长之比(简称许可挠跨比)，为许可转角。上列刚度条件常称之为梁的刚度条件。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第43页/共63页 土建工程中通常只限制梁的挠跨比，。在机械工程中，对于主要的轴，；对于传动轴还要求限制在安装齿轮处和轴承处的转角，。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第44页/共63页第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移 例题例题5-8 图a所示简支梁由两根槽钢组成(图b)，试选择既满足强度条件又满足刚度条件的槽钢
16、型号。已知=170 MPa，=100 MPa，E=210 GPa，。材材 料料 力力 学学第45页/共63页 解：一般情况下，选择梁的截面尺寸或选择型钢的型号时，先按正应力强度条件选择截面尺寸或型钢型号，然后按切应力强度条件以及刚度条件进行校核，必要时再作更改。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第46页/共63页1.按正应力强度条件选择槽钢型号 作梁的剪力图和弯矩图如图c和图e。最大弯矩在距左支座0.8 m处，Mmax=62.4 kNm。梁所需的弯曲截面系数为第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第47页/共63页而每根槽钢所需的弯曲截面
17、系数Wz36710-6 m3/2=183.510-6m3。由型钢表查得20a号槽钢其Wz=178 cm3，虽略小于所需的Wz=183.510-6 m3而最大弯曲正应力将略高于许用弯曲正应力，但如超过不到5%，则工程上还是允许的。超过许用弯曲正应力的百分数为(175-170)/1703%，未超过5%，故允许。事实上即使把梁的自重(222.63 kg/m=0.4435 kg/m)考虑进去，超过许用弯曲正应力的百分数仍不到5%。现加以检验：第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第48页/共63页2.按切应力强度条件校核 最大剪力FS,max=138 kN，在左支座以右0.4
18、 m范围内各横截面上。每根槽钢承受的最大剪力为每根20a号槽钢其横截面在中性轴一侧的面积对中性轴的静矩，根据该号槽钢的简化尺寸(图d)可计算如下：第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第49页/共63页其值小于许用切应力=100 MPa，故选用20a号槽钢满足切应力强度条件。当然，的值也可按下式得出：第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移每根20a号槽钢对中性轴的惯性矩由型钢表查得为 Iz=1780 cm4于是材材 料料 力力 学学第50页/共63页3.按刚度条件校核 此简支梁上各集中荷载的指向相同，故可将跨中截面C的挠度wC作为梁的最大挠度wmax。本教材附录序
19、号11中给出了简支梁受单个集中荷载F 时，若荷载离左支座的距离a大于或等于离右支座的距离b，跨中挠度wC的计算公式为可见，对于此梁上的左边两个集中荷载，应为第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第51页/共63页于是由叠加原理可得而许可挠度为由于wmaxw，故选用20a号槽钢满足刚度条件。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第52页/共63页.提高梁的刚度的措施(1)增大梁的弯曲刚度EI 由于不同牌号的钢材它们的弹性模量E大致相同(E210 GPa)，故从增大梁的弯曲刚度来说采用高强度钢并无明显好处。为增大钢梁的弯曲刚度，钢梁的横截面均采用
20、使截面面积尽可能分布在距中性轴较远的形状，以增大截面对于中性轴的惯性矩Iz，例如工字形截面和箱形截面。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第53页/共63页 跨长为l 的简支梁受集度为q的满布均布荷载时，最大弯矩和最大挠度均出现在跨中，它们分别为(2)调整跨长和改变结构的体系第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第54页/共63页 如果将两个铰支座各内移一个距离a而成为如图a所示的外伸梁，且a=0.207l，则不仅最大弯矩减小为而且跨中挠度减小为第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移(a)材材 料料 力力 学学第55页/共63页而此时外伸端D和E的挠度也仅为第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移材材 料料 力力 学学第56页/共63页 所谓改变结构的体系来提高梁的刚度在这里是指增加梁的支座约束使静定梁成为超静定梁，例如在悬臂梁的自由端增加一个铰支座，又例如在简支梁的跨中增加一个铰支座。第五章第五章 梁弯曲时的位移梁弯曲时的位移