材料力学第5章-剪力图与弯矩.ppt
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1、材料力学,(5),2023年10月2日,第5章 梁的剪力图与弯矩图,基础篇之五,材料力学,梁的力学模型与工程中的梁,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,梁横截面上的内力剪力和弯矩,剪力图与弯矩图,第5章 剪力图与弯矩图,结论与讨论(1),应用力系简化方法确定横截面上的剪力和弯矩,剪力方程和弯矩方程,梁的力学模型与工程中的梁,返回,返回总目录,第5章 剪力图与弯矩图,杆件承受垂直于其轴线的外力或位于其轴线所在平面内的力偶作用时,其轴线将弯曲成曲线,这种受力与变形形式称为弯曲(bending)。主要承受弯曲的杆件称为梁(beam)。,第5章 剪力图与弯矩图,
2、梁的力学模型(1),梁的力学模型与工程中梁的模型,悬臂梁,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型(2),梁的力学模型与工程中梁的模型,简支梁,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型(3),梁的力学模型与工程中梁的模型,外伸梁(一端外伸),外伸梁(两端外伸),第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型,梁的力学模型与工程中梁的模型,悬臂梁,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,工程中可以看作梁的杆件很多,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,工程中可以看作梁的杆件很多,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型
3、,工程中可以看作梁的杆件很多,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,架在空中的悬臂梁,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,架在空中的悬臂梁,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,架在空中的悬臂梁,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,“玻璃人行桥”从大峡谷南端的飞鹰峰延伸出来,长约21米,距离谷底约1220米。桥道宽约3米,两边由强化玻璃包围。这座桥是悬臂式设计,即U形一端用钢桩固定在峡谷岩石中,另一端则悬在半空。为了避免“玻璃人行桥”延伸在外的部分发
4、生倾斜下坠,在岩石中的固定端还安放了重达220吨左右的钢管,以保证桥身平衡。,整座“玻璃人行桥”重约485吨,相当于4架波音757喷气式飞机的总重量。尽管如此,由于人行桥底部是钢梁,足以承载两万人的重量,还能承受时速160公里的大风。,工程中的弯曲构件,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,大自然中的悬臂梁,独根草,多年生草本植物,具粗壮的根状茎,生长在山谷和悬崖石缝处,为中国特有属。,梁的力学
5、模型与工程中梁的模型,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,梁的力学模型,简支梁,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,工程中可以看作梁的杆件很多,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型,梁的力学模型与工程中梁的模型,外伸梁(一端外伸),外伸梁(两端外伸),第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,工程中可以看作梁的杆件很多,第5章 剪力图与弯矩图,梁的力学模型与工程中梁的模型,工程中可以看作梁的杆件很多,第5章 剪力图与弯矩图,第5章 剪力图与弯矩图,梁横截面上的内力剪力和弯矩,梁横截面上的内力剪力和弯矩,第5章 剪力图与弯矩图,在外力作用下,梁的横
6、截面上将产生剪力和弯矩两种内力。,梁横截面上的内力剪力和弯矩,第5章 剪力图与弯矩图,第5章 剪力图与弯矩图,梁横截面上的内力剪力和弯矩,总体平衡与局部平衡的概念,第5章 剪力图与弯矩图,梁横截面上的内力剪力和弯矩,第5章 剪力图与弯矩图,梁横截面上的内力剪力和弯矩,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的 两种方法,第5章 剪力图与弯矩图,在很多情形下,剪力和弯矩沿梁长度方向的分布不是均匀的。,对梁进行强度计算,需要知道哪些横截面可能最先发生失效,这些横截面称为危险面。弯矩和剪力最大的横截面就是首先需要考虑的危险面。研究梁的变形和刚度虽然没有危险面的问题,但是也必须知道弯矩沿梁长度方向是怎样变化的。,
7、描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,第5章 剪力图与弯矩图,描述内力变化规律有两种方法:1.数学方程剪力方程与弯矩方程;2.图形剪力图与弯矩图。,两种描述方法都要:1.确定变化区间;2.遵循正负号规则。,第5章 剪力图与弯矩图,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,某一截面上的内力与作用在该截面一侧局部杆件上的外力相平衡;,在载荷无突变的一段杆的各截面上内力按相同的规律变化.,杆件内力变化的一般规律,第5章 剪力图与弯矩图,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,当梁上的外力(包括载荷与约束力)沿杆的轴线方向发生突变时,剪力和弯矩的变化规律也将发生变化。,所谓外力突变,是指有集中力、集中
8、力偶作用,以及分布载荷间断或分布载荷集度发生突变的情形。,第5章 剪力图与弯矩图,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,所谓剪力和弯矩变化规律是指表示剪力和弯矩变化的函数或变化的图线。这表明,如果在两个外力作用点之间的梁上没有其他外力作用,则这一段梁所有横截面上的剪力和弯矩可以用同一个数学方程或者同一图线描述。,第5章 剪力图与弯矩图,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,根据以上分析,在一段杆上,内力按某一种函数规律变化,这一段杆的两个端截面称为控制面(control cross-section)。据此,下列截面均可为控制面:,集中力作用点的两侧截面;集中力偶作用点的两侧截面;均布载荷(
9、集度相同)起点和终点处的截面。,变化区间控制面,第5章 剪力图与弯矩图,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,变化区间控制面,第5章 剪力图与弯矩图,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,第5章 剪力图与弯矩图,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,第5章 剪力图与弯矩图,描述剪力和弯矩沿梁的轴线变化的两种方法,应用力系简化方法确定梁的 剪力和弯矩,第5章 剪力图与弯矩图,应用力系简化方法确定梁的剪力和弯矩,将力系简化方法用于确定控制面上的剪力和弯矩,第5章 剪力图与弯矩图,第5章 剪力图与弯矩图,例 题 1,悬臂梁在B、C两处分别承受集中力FP和集中力偶M2FPl 的作用。梁的全长为2
10、l。,试用力系简化方法确定指定截面上的剪力和弯矩。,应用力系简化方法确定梁的剪力和弯矩,第5章 剪力图与弯矩图,应用力系简化方法确定梁的剪力和弯矩,第5章 剪力图与弯矩图,应用力系简化方法确定梁的剪力和弯矩,剪力方程与弯矩方程,第5章 剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,为了建立剪力方程和弯矩方程,必须首先建立Oxy坐标系,其中O为坐标原点,x坐标轴与梁的轴线一致,坐标原点O一般取在梁的左端,x坐标轴的正方向自左至右,y坐标轴铅垂向上。,建立剪力方程和弯矩方程时,需要根据梁上的外力(包括载荷和约束力)作用状况,确定控制面,从而确定要不要分段,以及分几段建立剪力方程和弯矩方程。,确定了分段之后,
11、首先,在每一段中任意取一横截面,假设这一横截面的坐标为x;然后应用力系简化的方法,即可得到剪力FQ(x)和弯矩M(x)的表达式,这就是所要求的剪力方程FQ(x)和弯矩方程M(x)。,第5章 剪力图与弯矩图,建立剪力方程和弯矩方程的方法与过程,实际上与前面所介绍的确定指定横截面上的剪力和弯矩的方法和过程是相似的,所不同的,现在的指定横截面是坐标为x的横截面。,需要特别注意的是,在剪力方程和弯矩方程中,x是变量,而FQ(x)和M(x)则是x的函数。,第5章 剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,一端为固定铰链支座、另一端为辊轴支座的梁,称为简支梁(simple supported beam)。梁上承
12、受集度为q的均布载荷作用,梁的长度为l。,试写出:该梁的剪力方程和弯矩方程。,例题 2,第5章 剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,解:1确定约束力,因为只有铅垂方向的外力,所以支座A的水平约束力等于零。又因为梁的结构及受力都是对称的,故支座A与支座B处铅垂方向的约束力相同。,于是,根据平衡条件不难求得:,第5章 剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,解:2确定控制面和分段,因为梁上只作用有连续分布载荷(载荷集度没有突变),没有集中力和集中力偶的作用,所以,从A到B梁的横截面上的剪力和弯矩可以分别用一个方程描述,因而无需分段建立剪力方程和弯矩方程。,3建立Oxy坐标系 以梁的左端A为坐标原点,建
13、立Oxy坐标系,,第5章 剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,解:4确定剪力方程和弯矩方程,对于坐标为x的截面,将其左侧的均布载荷和约束力向右侧简化,得到该截面上的剪力方程和弯矩方程:,第5章 剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,载荷集度、剪力、弯矩之间的 微分关系,返回,返回总目录,第5章 剪力图与弯矩图,绘制剪力图和弯矩图有两种方法:第一种方法是:根据剪力方程和弯矩方程,在FQ-x和M-x坐标系中首先标出剪力方程和弯矩方程定义域两个端点的剪力值和弯矩值,得到相应的点;然后按照剪力和弯矩方程的类型,绘制出相应的图线,便得到所需要的剪力图与弯矩图。,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,第5章
14、剪力图与弯矩图,绘制剪力图和弯矩图的第二种方法是:先在FQ-x和M-x坐标系中标出控制面上的剪力和弯矩数值,然后应用载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,确定控制面之间的剪力和弯矩图线的形状,因而无需首先建立剪力方程和弯矩方程。,第5章 剪力图与弯矩图,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,根据相距dx的两个横截面截取微段的平衡,可以得到载荷集度、剪力、弯矩之间存在下列的微分关系:,第5章 剪力图与弯矩图,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,考察微段的受力与平衡,剪力、弯矩与载荷集度之间微分关系的证明,第5章 剪力图与弯矩图,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,C,Fy=0:,MC=0:,考察微段
15、的受力与平衡,第5章 剪力图与弯矩图,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,略去高阶项,得到,此即适用于所有平面载荷作用情形的平衡微分方程。,根据上述微分方程,由载荷变化规律,即可推知内力FQ、M 的变化规律。,第5章 剪力图与弯矩图,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,根据上述微分方程,由载荷变化规律,即可推知内力FQ、M 的变化规律。,例如,如果两个相邻控制面之间没有外部载荷,则有,平行于x轴的直线,斜直线,第5章 剪力图与弯矩图,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,根据上述微分方程,由载荷变化规律,即可推知内力FQ、M 的变化规律。,例如,如果两个相邻控制面之间作用有均匀分布载荷,则有,斜
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