《材料力学I第六章》课件2.ppt
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- 材料力学I第六章 材料力学 第六 课件
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1、1第第 6 6 章章 简单的超静定问题简单的超静定问题6-1 超静定问题及其解法超静定问题及其解法6-2 拉压超静定问题拉压超静定问题6-3 扭转超静定问题扭转超静定问题6-4 简单超静定梁简单超静定梁26-1 6-1 超静定问题及其解法超静定问题及其解法.关于超静定问题的概述关于超静定问题的概述(b)3 图图a a所示静定杆系为减小杆所示静定杆系为减小杆1,21,2中的内力或节点中的内力或节点A A的位移的位移(如图如图b)b)而增加了杆而增加了杆3 3。此时有三个未知内力此时有三个未知内力F FN1 N1,F,FN2 N2,F,FN3N3,但只有二个独立的平衡方程,但只有二个独立的平衡方程
2、 一次超静定一次超静定问题。问题。(b)4 图图a a所示简支梁为减小内力和位移而如图所示简支梁为减小内力和位移而如图b b增加了中间支座增加了中间支座C C成为连续梁。成为连续梁。此时有四个未知约束力此时有四个未知约束力F FAxAx,F FA A,F FB B,F FC C,但只有三个独立的静力平衡方程,但只有三个独立的静力平衡方程 一次超静定问题。一次超静定问题。超静定问题超静定问题(statically indeterminate problem)(statically indeterminate problem):单凭静力平衡方程不:单凭静力平衡方程不能求解约束力或构件内力的问题。能
3、求解约束力或构件内力的问题。FAFBl(a)FAxABq q(b)l/2l/2CFCFAxABFBFA5.解超静定问题的基本思路解超静定问题的基本思路基本静定系基本静定系(primary statically determinate system)解除解除“多余多余”约束约束(例如杆例如杆3与与接点接点A的连接的连接)例例1 16在基本静定系上加在基本静定系上加上原有荷载及上原有荷载及“多多余余”未知力未知力并使并使“多余多余”约束约束处满足变形处满足变形(位移位移)相容条件相容条件相当系统相当系统 (equivalent system)12BCAF AFN3AA FN3ADA 7 331N3
4、2111N3coscos2AElFAElFF 于是可求出多余未知力于是可求出多余未知力F FN3 N3。由位移相容条由位移相容条件件 ,利用物理关系利用物理关系(位移或变形计算公式位移或变形计算公式)可得可得补充方程:补充方程:AA 12BCAF AFN3AA FN3ADA 8基本静定系统基本静定系统ABl补充方程为补充方程为048384534 EIlFEIqlC于是可求出多余未知力于是可求出多余未知力F FC C。FC位移相容条件位移相容条件Cq+CFc=0相相当系统当系统ABl/2ql例例2 2超静定梁超静定梁yxl/2l/2CABq9.注意事项注意事项 (1)(1)超静定次数超静定次数=
5、“=“多余多余”约束数约束数=“=“多余多余”未知力未知力=位移相容条件数位移相容条件数=补补充方程数,因而任何超静定问题都是可以求解的。充方程数,因而任何超静定问题都是可以求解的。(2)(2)求出求出“多余多余”未知力后,超静定结构的内力和位移等均可利用相当未知力后,超静定结构的内力和位移等均可利用相当系统进行计算。系统进行计算。(3)(3)无论怎样选择无论怎样选择“多余多余”约束,只要相当系统的受力情况和约束条件确约束,只要相当系统的受力情况和约束条件确实与原超静定系统相同,则所得最终结果是一样的。实与原超静定系统相同,则所得最终结果是一样的。10 (4)“(4)“多余多余”约束的选择虽然
6、是任意的,但应以计算方便为原则。约束的选择虽然是任意的,但应以计算方便为原则。如上所示连续梁若取如上所示连续梁若取B B处铰支座为处铰支座为“多余多余”约束,则求解比较复杂。约束,则求解比较复杂。xl/2l/2CABqFByxl/2l/2CABq116-2 6-2 拉压超静定问题拉压超静定问题.拉压超静定基本问题拉压超静定基本问题举例说明拉压超静定问题的解法。举例说明拉压超静定问题的解法。12 求图求图a a所示等直杆所示等直杆ABAB的约束力,并求的约束力,并求C C截面的截面的位移。杆的拉压刚度为位移。杆的拉压刚度为EAEA。例题例题 6-16-1131.1.有两个未知约束力有两个未知约束
7、力F FA A ,F FB B(图(图a a),但只有一个独),但只有一个独立的平衡方程立的平衡方程 F FA AF FB BF F=0=0故为一次静不定问题。故为一次静不定问题。例题例题 6-16-114 2.2.取固定端取固定端B B为为“多余多余”约束,约束,F FB B为为多余未知力。相当系统如图多余未知力。相当系统如图b b所示,它应所示,它应满足相容条件为满足相容条件为D DB B0 0,利用叠加法得,利用叠加法得D DBFBF+D DBBBB=0=0,参见图,参见图c c,d d。例题例题 6-16-115 3.3.利用胡克定律后可得补充方利用胡克定律后可得补充方程为程为 0 E
8、AlFEAFaBlFaFB 由此求得由此求得所得所得F FB B为正值,表示为正值,表示F FB B的指向与假设的指的指向与假设的指向相符,即向上。向相符,即向上。例题例题 6-16-116得得 F FA A=F F-FaFa/l l=FbFb/l l。4.4.由平衡方程由平衡方程 F FA A+F FB B-F F=0=0例题例题 6-16-15.5.利用相当系统(图利用相当系统(图b b)求得)求得D DC C。lEAFabEAalFbEAaFAC171.1.拉压超静定问题的相当系统应满足变形的相容条件,本例的相容条件为拉压超静定问题的相当系统应满足变形的相容条件,本例的相容条件为D Dl
9、 lACAC+D+Dl lBCBC0 0。因为变形和位移在数值上密切相关,可用已知的位移条件。因为变形和位移在数值上密切相关,可用已知的位移条件D DB B0 0代替相容条件。代替相容条件。2.2.小变形的情况下,利用叠加法求位移时,均是利用构件的原始尺寸进行计小变形的情况下,利用叠加法求位移时,均是利用构件的原始尺寸进行计算的,所以算的,所以D DBBBBF FB Bl l/EAEA,而不用,而不用D DBBBBF FB B(l l+D DBFBF)/)/EAEA ,A A 为在为在F F力作用下变力作用下变形后横截面的面积。形后横截面的面积。例题例题 6-16-118 求图求图a a所示结
10、构中所示结构中1,2,31,2,3杆的内力杆的内力F FN1 N1,F,FN2 N2,F,FN3N3。ABAB杆为刚性杆,杆为刚性杆,1,1,2,32,3杆的拉压刚度均为杆的拉压刚度均为EAEA。aaaACDB132EFF(a)a例题例题 6-26-2191.1.共有五个未知力,如图共有五个未知力,如图b b所示,但只有三个独立的静力平衡方程,故为二所示,但只有三个独立的静力平衡方程,故为二次静不定问题。次静不定问题。FN245oFFAyFAxFN1FN3(b)aaaACBD例题例题 6-26-2解:解:20 2.2.取取1 1杆和杆和2 2杆为杆为ABAB杆的多余约束,杆的多余约束,F FN
11、1N1和和F FN2N2为多余未知力。得基本为多余未知力。得基本静定系如图静定系如图c c。CF3(c)AB例题例题 6-26-2213.3.由变形图(图由变形图(图d d)可得变形相容条件为)可得变形相容条件为FN2DD Dl2F(d)FN1CD Dl1EFCAD Dl1D Dl3D Dl2FBFN2DFN13CD45oC1123122llll (2)(1)例题例题 6-26-2224.4.利用胡克定律,由利用胡克定律,由(1)(2)(1)(2)式可得补充方程:式可得补充方程:EAaFEAaFEAaFEAaFN12NN31N2 22 ,解得解得 F FN1N1=2=2F FN3N3,(3),
12、(3)F FN2N2=2=2F FN1N1=4=4F FN3 N3 (4)(4)例题例题 6-26-2FN2DD Dl2F(d)FN1CD Dl1EFCAD Dl1D Dl3D Dl2FBFN2DFN13CD45oC123 5.5.ABAB杆受力如图杆受力如图b b所示,所示,M MA A=0=0得得)5(0)3()2(212N3N1N aFaFaFaF联立求解得联立求解得)(12.121012124)(56.02101262)(28.02101233N2N3N1NN3拉拉拉拉拉拉FFFFFFFFFFF FN245oFFAyFAxFN1FN3(b)aaaACBD例题例题 6-26-224II.
13、II.装配应力和温度应力装配应力和温度应力(1)(1)装配应力装配应力 超静定杆系超静定杆系(结构结构)由于存在由于存在“多多余余”约束,因此如果各杆件在制造时约束,因此如果各杆件在制造时长度不相匹配,则组装后各杆中将产长度不相匹配,则组装后各杆中将产生附加内力生附加内力装配内力,以及相应装配内力,以及相应的装配应力。的装配应力。25 图图a a中所示杆系中所示杆系(E E1 1A A1 1=E=E2 2A A2 2)中杆中杆3 3的长度较应有长度短了的长度较应有长度短了D De e,装配后各杆,装配后各杆的位置将如图中虚线所示。此时,杆的位置将如图中虚线所示。此时,杆3 3在结点在结点 AA
14、 处受到装配力处受到装配力F FN3N3作用作用(图图b)b),而杆,而杆1,21,2在汇交点在汇交点AA 处共同承受与杆处共同承受与杆3 3相同的装配力相同的装配力F FN3N3作用作用(图图b)b)。(a)26求算求算F FN3N3需利用位移需利用位移(变形变形)相容条件相容条件(图图a)a)列出补充方程列出补充方程由此可得装配力由此可得装配力F FN3N3,亦即杆,亦即杆3 3中的装配内力为中的装配内力为eAAAAD D eAElFAElFD D 21113N333N3cos2 D D21113333Ncos2AElAEleF (拉力)拉力)(a)27 至于各杆横截面上的装配应力只需将装
15、配内力至于各杆横截面上的装配应力只需将装配内力(轴力轴力)除以杆的横截面面除以杆的横截面面积即得。积即得。由此可见,计算超静定杆系由此可见,计算超静定杆系(结构结构)中的装配力和装配应力的关键中的装配力和装配应力的关键,仍在于仍在于根据位移根据位移(变形变形)相容条件并利用物理关系列出补充方程。相容条件并利用物理关系列出补充方程。而杆而杆1 1和杆和杆2 2中的装配内力利用图中的装配内力利用图b b中右侧的图可知为中右侧的图可知为 压力压力 D D 21113333N2N1Ncos2cos2cos2AElAEleFFF28 两根相同的钢杆两根相同的钢杆1 1、2 2,其长度,其长度l l=20
16、0 mm=200 mm,直径直径d d=10 mm=10 mm。两端用刚性块连接在一起如图。两端用刚性块连接在一起如图a a所示。将长度为所示。将长度为200.11 mm200.11 mm,亦即,亦即D De=e=0.11 mm0.11 mm的的铜杆铜杆3 3(图(图b b)装配在与杆)装配在与杆1 1和杆和杆2 2对称的位置对称的位置(图图c)c),求各杆横截面上的应力。已知:铜杆,求各杆横截面上的应力。已知:铜杆3 3的横的横截面为截面为20 mm20 mm30 mm30 mm的矩形,钢的弹性模量的矩形,钢的弹性模量E E=210 GPa=210 GPa,铜的弹性模量,铜的弹性模量E E3
17、 3=100 GPa=100 GPa。例题例题 6-36-3291.1.装配后有三个未知的装配内力装配后有三个未知的装配内力F FN1N1,F FN2 N2,F FN3N3,如图,如图d d所示。但平行力系只有二所示。但平行力系只有二个独立的平衡方程,故为一次静不定问题。也许有人认为,根据对称关系可判个独立的平衡方程,故为一次静不定问题。也许有人认为,根据对称关系可判明明F FN1N1=F=FN2N2,故未知内力只有二个,但要注意此时就只能利用一个独立的静力平衡,故未知内力只有二个,但要注意此时就只能利用一个独立的静力平衡方程:方程:)1(0201NN3 FFFx(d)所以这仍然是一次静不定问
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