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材料力学-能量法

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材料力学第三章 能量法

材料力学第三章 能量法


三、卡氏第二定理（线弹性体）
Di
Vc Fi
在线弹性范围内
余能定理 Vc V
Di
V Fi
卡氏第二定理： 线弹性杆件或杆系的应变能对于 作用在该杆件或杆系上的某一荷 载的变化率，就等于与该荷载相 应的位移。
卡氏第二定理适用于一切受力状态下的线弹性体。
卡氏第二定理公式D及i 含义VF：i
若结构的应变能 V 表示为F1、F2 …Fi …的函数，则应变 能对任一载荷Fi的偏导数等于Fi作用点沿Fi方向位移。
C
与需求位移相应的虚设外力
F。求偏导后令其为零。
（2）列弯矩方程
M
x
F 2
ql 2
x
qx 2 2
0
x
l 2
M
x
F 2
ql 2
x
qx 2 2
0
x
l 2
（3）求梁的应变能
M 2 l/2
x
1
V 2 0
dx
2EI
EI
l/2
0
F 2
ql 2
x
qx 2 2
2 dx
1 EI 1 EI
V W
一、杆件基本变形的应变能
(一)轴向拉伸(压缩)
1、杆的应变能
轴力沿轴线不变的情况:
dW Fd(Dl) W Dl1 Fd(Dl) 0
线弹性范围内 W 1 FDl
1
2
V
F
W
FN
2
F Dl Dl
FNl EA
应变能
V
FN2l 2EA
F
l
Dl
F
Dl d (Dl)
Dl1
Dl
(一)轴向拉伸(压缩)
(材料力学)能量法

(材料力学)能量法

F F
l l1
Dl
Dl
Dl
或
1 Vε W F Dl 2 EA(Dl ) 2 2l
Fl (Dl ) EA
F
F
l l1 Dl Dl
F Dl
应变能密度
vε
——杆件单位体积内的应变能
两端受轴向荷载的等直杆，由于其各横截面上 所有点处的应力均相等，故全杆内的应变能是均匀 分布的。 F l l1 F
1 2 M x1 qx1 2
a 1 2 M x2 qax2 qa x2 qa 2 2
因为：
Vε
a
0
2 a M x M 2 x1 2 dx1 dx2 0 2 EI 2 EI
则有
1 2 1 2 qx1 qa a 2 a 2 dx Vε dx1 2 0 0 2 EI 2 EI
1
m
2m2'
m
1m'1
=
3 m
+
' 3m 3
(a)
(b)
(c)
在m作用下，图b无形状改变，且其体积应变同图a， 而对图c，因为：
2 3 0 1
则体积不变，仅发生形状改变(图c) 。
与此对应，图a的体积改变能密度等于图b的应变能密度，
其转向与Me 相同。
三 弯曲应变能
图示纯弯曲梁，弹性范围内的变形有：
M el EI l


或
EI Me l
Me
Me
l
O

(b)

(a)
可见，满足线性关系。
外力功：
1 W M e 2
材料力学第十三章 能 量 法

材料力学第十三章 能 量 法


单元体上外力作功： W s e1 d e 0
应变能密度：
ve
e1 s d e
0
边长为dx、dy、dz的单元体： dVe ve d x d y d z
杆： Ve dVe V ve dV
线性弹性体：
ve
s e1
0
de
1 2
s
1e1
1 2
Ee12
1 2E
s
2 1
ve
1 d
0
1 2
1
AF
Fl 2 16 EI
应变能：
Vε
1 2
M AM
(1 2
FDCF
M AF )
1
F 2l3 (
M
2l
MFl 2
)
EI 96 6 16
④ M、F 分别单独作用
F
A
DCF
B
A M AM
B
DCF
Fl 3 48 EI
AM
Ml 3EI
应变能之和： VεF VεM
1 2
FDCF
1 2
M AM
1 EI
VεS
l
s
FS2 (x) d x 2GA
s — 剪切形状因数
S
S
通常，梁的剪切应变能远小于弯曲应变能。
杆件发生组合变形
在线弹性、小变形的条件下，每一基本变形的内力仅 在其相应的基本变形上作功，在其他基本变形上不作功。
Vε
l FN2 (x) d x 0 2EA
l T 2 (x) dx
0 2GIp
材料是线弹性的，但变形 D 与力F 不是线性的
几何非线性弹性问题
材料是非线性弹性的
物理非线性弹性问题
材料力学13能量法

材料力学13能量法

1 1 V F2 22 F111 F2 21 2 2
功的互等定理:
F1 12 F2 21
即：F1 力在由F2力引起的位移上所作的功，等于F2 力在由F1力引起的位移上所作的功。
若F1 = F2 ，则得
位移互等定理:
12 21
即： F2引起的F1 作用点沿 F1方向的位移，等于同 样大小的力F1 引起的F2作用点沿 F2方向的位移。
( F1 F2 ) L F1 L F2 L F1F2 L V 2 EA 2 EA 2 EA EA
2
2
2
L
2） F1 单独作用下：
F1 F2
F1 L V 1 2 EA
3）F2 单独作用下：
F22 L V 2 2 EA
2
L F1 F2
L
V1 V 2 V
证毕。
b Px1 l ( 0 ≤x1 ≤ a) a CB段： M(x2 ) = RB x2 = Px2 l ( 0 ≤x2≤ b) 2
AC段：M(x1 ) = RA x1 =


13-3 应变能的普遍表达式
基础知识
广义
线弹性结构上受一个外力作用，任一点的位移与该力成正比。
线弹性结构上任意一点的广义位移与各广义力成线性 齐次关系。 比例加载时，线弹性结构上任一外力作用点沿外力方 向的位移与该点的广义力成正比。
P12 l1 P1作功为 V 3 2 EA
（5）应变能是可逆的。(跳板跳水)
总功仍为上述表达式。
直接利用功能原理求位移的实例
利用能量法求解时，所列 例 求简支梁外力P作用点C的挠度。 弯矩方程应便于求解。
解：
A x1 RA l a
P
材料力学能量法

材料力学能量法


B
2m C
F
30° A
能量法/克拉贝隆原理
•解: 由节点A的平衡条件求得AB杆的内力：
F N1
FN2
A
F
F N 12F115.2kN
AC杆的内力为：
F N 2F N 1c o s3 0 o 9 9 .8k N
杆系的应变能： UFN21LAB FN22LAC 172J 2EA1 2EA2
设节点A的竖直位移 A为
mF
代入应变能的内力表达式：
L
UM 2(x)dxL(F xm )2dx L 2E I 0 2E I
F2L3 FmL2 m2L 6EI 2EI 2EI
能量法/克拉贝隆原理
UF2L3FmL2 m2L 6EI 2EI 2EI
mF L
•从结果中可以看到：第一、三项分别为F和m单独作用时 的 应变能，故F、m同时作用在杆内所引起的应变能不等于各 载荷单独作用时所引起的应变能之和。其原因是这两个载 荷都使梁产生了同一种弯曲变形，彼此都在对方引起的位 移上做了功（结果中的第二项即代表F和m共同作用时在相 互影响下所做的功）。
2、能量法
利用应变能的概念，解决与弹性体系变形有关的问题的 方法。
在求解组合变形、曲杆或杆系以及超静定问题时，能量 法是一种非常有效的方法，是结构分析的基础。
能量法/基本概念
能量法有关的几个基本概念 1、外力功:线弹性体系在外力的作用下产生变形，每个外力
在与它相对应的位移上所作的功 W。
2、应变能:弹性体受外力作用下产生变形而储存了能量，这个
Ub 125 30
US 3(1)
能量法/克拉贝隆原理
二、应变能的普遍表达式(克拉贝隆原理)
基本变形下应变能的一般表达式：
材料力学第12章 能量法

材料力学第12章 能量法


范围内工作时，其轴线弯曲成为一段圆弧，如图12.5（a）所示。两端横截
面有相对转动，其夹角为θ ，由第7章求弯曲变形的方法可以求出
图12.5 与前面的情况相似，在线弹性范围内，当弯曲外力偶矩由零逐渐增加到M0时
，梁两端截面相对于转动产生的夹角也从零逐渐增加到θ ，M0与θ 的关系也
是斜直线，如图12.5（b）所示，所以杆件纯弯曲变形时的应变能为
dW在图12.2（a）中以阴影面积来表示。拉力从零增加到FP的整个加载过程
中所做的总功则为这种单元面积的总和，也就是说是△OAB的面积，即
可以将以上的分析推广到其他受力情况，因而静载荷下外力功的计算式可以
写为 式中的 F是广义力，它可以是集中力或集中力偶；Δ 是与广义力F相对应的
位移，称为广义位移，它可以是线位移或角位移。式（12.2）表明，当外力
在工程实际中，最常遇到的是横力弯曲的梁。这时梁横截面上同时有剪力和
弯矩，所以梁的应变能应包括两部分：弯矩产生的应变能和剪力产生的应变 能。在细长梁的情况下，剪切应变能与弯曲应变能相比，一般很小，可以不
计，常只计算弯曲应变能。另外，此时弯矩通常均随着截面位置的不同而变
化，类似于式（12.5）与式（12.9），梁的弯曲应变能为
表面上的剪力与相应的位移方向垂直，没有做功。因此，单元体各表面上的 剪切力在单元体变形过程中所做的功为
故单元体内积蓄的应变能为
则单元体内积蓄的应变比能为
下
这表明，vε 等于γ 直线
的面积。由剪切胡克定律=Gγ ,比能又可以写成下列形式
（3）扭转 如图12.4（a）所示的受扭圆轴，若扭转力偶矩由零开始缓慢增加到最终值T
，积蓄在弹性体内的应变能Vε 及能量耗损Δ E在数值上应等于载荷所做的功 ，既 如果在加载过程中动能和其他形式的能量耗损不计，应有
材料力学第8章-能量法

材料力学第8章-能量法


能量原理的应用
能量原理可以应用于弯曲、拉伸、压缩等各种不同的力学问题。通过计算系统的势能和应变能，可以分 析材料的应力分布、变形情况和稳定性。
弹性势能和弹性材料的能量原 理
弹性势能是指弹性材料在外力作用下产生的能量。通过应变能和弹性势能之 间的关系，可以推导出弹性材料的力学性质和变形方程。
弹塑性材料的能量原理
材料力学第8章-能量法
材料力学的能量法是研究材料变形和力学行为的重要方法，它具有广泛的应 用。本章将介绍能量法的基本概念和应用，以及弹性和弹塑性材料的能量原 理。
能量法的基本概念
能量法是一种力学分析方法，通过考虑系统的能量变化，推导出材料的力学 性质和变形行为。能量法的基本概念包括势能和应变能的概念，以及能量守 恒定律。
通过能量法，我们可以分析臂梁在外力作用下的弯曲行为。通过计算和优化梁的几何参数和材料性质， 可以设计出更加稳定和高效的悬臂梁结构。
总结和要点
能量法是一种重要的材料力学分析方法，它通过考虑材料的能量变化，分析 材料的力学性质和变形行为。
对于弹塑性材料，除了考虑弹性势能外，还需要考虑应变能和塑性势能的贡献。能量原理可以用来分析 弹塑性材料的强度和变形行为。
能量法在材料力学中的重要性
能量法是材料力学中的一种基本方法，它可以用来分析各种不同类型的力学问题，包括材料的变形、破 坏和失稳行为。掌握能量法对于研究和设计材料结构至关重要。
应用实例：悬臂梁弯曲问题的分析
材料力学第12篇能量方法

材料力学第12篇能量方法


(
2 x
2 xy
2 xz
)dV
V 2E 2G 2G
M T(x) M (x)
FN (x)
MT(x) M (x) F N (x)
dx 图12.9
组合变形时的应变能
M T(x) M (x)
FN (x)
MT(x) M (x) FN (x)
dx
图12.9
dV
dW
1 2
FN (x)d(l)
1 2
M T (x)d
dF1l EA
F 2l 2EA
1 2
Fl
V
1 2
F l
FN2l 2EA
F
(a)
如果杆件的轴力 FN 分段为常量时
V
n FN2i li i 1 2Ei Ai
△l
l
F
F1
dF1
F A
B △l
O
△ l1 d(△ l1)
△l
(b)
图12.1
杆件轴线的轴力为变量 FN (x) 时
V
l
FN2 (x) 2 EA( x)
V
V
v
dV
l
A
1 2G
FbSISzz*图122.d6 A
dx
(d)
γdx
dx
(c) 图12.6
FS( x)
梁的应变能
V
V v dV
{
l
A
[
M 2(x)y
2EI
2 z
2
FS
2
(
x)
S
*2 z
2GI z2b 2
]dA}dx
令
k
A
I
2 z
A
材料力学 能量法

材料力学 能量法

能量法一、变形能（应变能）：变形固体在外力作用下由变形而储存的能量“”。

弹性变形能：变形固体在外力作用下产生的弹性变形而储存的能量1、性变形能具有可逆性。

2、塑性变形能不具有可逆性。

二、变形能的计算：利用能量守恒原理能量守恒原理：变形固体在外力作用下产生的变形而储存的能量，在数值上等于外力所作的外力功。

三、能量法：利用功能原理和功、能的概念进行计算的方法。

常见的能量法——功能原理、单位力（莫尔积分）、卡氏定理等。

在卡氏第二定理中应该注意的问题①、Vε——整体结构在外载作用下的线弹性变形能。

②、F i视为变量，结构反力和变形能等都必须表示为F i的函数②、Δi为F i作用点的、沿F i方向的变形③、Δi处要有相应的荷载，当无与Δi对应的F i时，可采用附加力法进行计算。

既先加一沿Δi方向的F i（在所求位移处沿所求位移的方向加上相对应的附加力），求偏导后，在令其为零，结果即为实际荷载作用的位移⑤、结果为正时，说明Δi与F i的方向相同；结果为负时，说明Δi与的F i方向相反。

单位力载荷法注意问题1、此种方法存在两个力系：一个为实际的力系；另一个为单位力系。

2、单位力必须与所求位移相对应：若求线位移——则单位力必须作用在所求点沿所求位移方向加单位的集中力；若求角位移——则单位力必须作用在所求点沿所求位移方向加单位的集中力偶。

2、内力的坐标系必须一致，每段杆的坐标系可自由建立。

莫尔积分必须遍及整个结构。

4、结果为“+”只说明所加的单位力的方向与实际的位移方向相同；“-”只说明所加的单位力的方向与实际的位移方向相反。

材料力学(能量法)

材料力学(能量法)


弹性变形阶段
01
外力作用下，材料发生弹性变形，此时外力所做的功全部转化
为应变能储存于材料内部。
塑性变形阶段
02
当外力继续增加，材料进入塑性变形阶段，部分应变能转化为
热能散失到环境中。
断裂破坏阶段
03
当材料达到强度极限时发生断裂破坏，此时储存的应变能迅速
释放并转化为断裂表面的新表面能和其他形式的能量。
非圆截面扭转时的能量可以通过实验或数值模拟等方法进 行计算，以获得准确的能量值。
扭转变形过程中能量转化
弹性变形能
在扭转变形过程中，部分能量以弹性变形能的形式储存在材料中。 当外力去除后，这部分能量可以释放并使材料恢复原状。
塑性变形能
当扭转变形超过材料的弹性极限时，部分能量会以塑性变形能的形 式消耗在材料中。这部分能量不可逆转，导致材料产生永久变形。
压缩过程中能量变化
外力做功
在压缩过程中，外力对杆件做 功，使其产生压缩变形和位移 。外力做功的大小与外力的大 小和杆件的位移成正比。
内力耗能
杆件在压缩过程中，材料内部 会产生应力和应变，从而消耗 能量。内力耗能的大小与材料 的应力-应变关系有关。
弹性势能
杆件在压缩过程中，由于材料 的弹性变形，会储存一定的弹 性势能。弹性势能的大小与材 料的弹性模量和变形量有关。
结构稳定性分析方法
能量准则
通过比较结构失稳前后的能量变 化，判断结构的稳定性。若失稳 后能量降低，则结构不稳定。
平衡路径跟踪法
通过逐步增加荷载或位移，跟踪 结构的平衡路径，观察结构从稳 定到不稳定的转变过程。
特征值分析法
基于结构刚度矩阵和质量矩阵， 求解特征值和特征向量，分析结 构的振动特性和稳定性。
材料力学--能量法

材料力学--能量法

1、求内力
F
R
A
FA

R
M n
T
t
弯 矩:M () FR sin
扭矩:T () FR(1 cos) 12
2、变形能：
弯 矩:M () FR sin
扭矩:T () FR(1 cos)
U T 2 (x) dx M 2 (x) dx
l 2GI P
l 2EI
U1 U2
U U1 U2 F1 l2 U1 U2 F2 l1
结论：应变能与加载次序无关。
10
[例11-1-1] 用能量法求C点的挠度。梁为等截面直梁。
F
解：外力功等于应变能
A
C
B
W

1 2
FwC
a
a
U
L
M 2(x) 2EI
dx
利用对称性，得：
M (x)
L 2EA
L 2GIP
L 2EI
注意:应变能是力的二次函数，因此，引起同一 基本变形的一组外力在杆内所产生的应变能，并不等 于各力分别作用时产生的应变能的简单相加。
6
例如： 求图示简支梁的应变能。 解：设F和M同时由零按比 A 例加至终值。
（1）求支反力，列弯矩方程：
x
F
C
l 2
M1(x)

1 2

MFl2 16

M 2l 6

7
U

1 EI

F 2l3 96

MFl2 16

M 2l 6

(a)
A
FM
C
B
变形(a)式得
l
l

材料力学第10章-能量法


10-4 卡氏定理
（2）先加载dFi ，则力 dFi 在其相应的位移 di上做的功为
1
W1 dFi di
2
F1
再加载F1, F2 ,, Fn ，在相应
的位移 i 上所做的功为
1
n1
W2 i1 2 Fi i V
F2
2
dFi Fi
di
i
n
Fn
原来载荷 dFi 对位移i 上所做的功为
W3 dFi i
F A
F
在位移坐标轴上取了一个微段d ，
该微段对应的外力可视为常力。则常力作
功为
dW Fd k d
B
当外载荷和相应的位移由零缓慢增加 O
d
至F 和 时，在这个过程中外力作功
k 2 F
W kd 0
2
2
SOAB
线弹性范围内，外载荷所做的功等于力与位移乘积的一半。
10-2 外载荷做的功
二、多个力作用下的外力功
量的损失），弹性体内部所贮存的应变能，在数
值上等于外力所作的功，即满足：
V W
l
P
利用功和能的概念来求解可变形固体的位移、变形和内力
等的方法，通称为能量方法。
10-2 外载荷做的功
一、单个力作用下的外力功
材料服从胡克定律，即在线弹性范围内，弹性体在外力
作用下位移 与外载荷F 成正比，即
F k
横力弯曲时，弯矩为x的函数，则横力弯曲时的应变能为
M (x)2 dx dV
2EI
M (x)2 dx
V l 2EI
四、用广义力和广义位移表示的应变能
轴向压力
扭转
弯曲
F l V 2
V M e

《材料力学》11-1能量法


F1 dF
0
与外力功
W
1 0
Fd之和等于矩形面积
F1 1
线弹性范围内外力功等
F
F
于余功，能等于余能。
F1
F1
o
1
o
1
例题
试计算图示结构在荷载 F1 作用下的余能，结构中两杆的 长度均为 l，横截面面积均为A材料在单轴拉伸时的应力
—应变曲线如图所示。
B
D
K1nn1 1
C
F1
解：由结点C的平衡方程，可得两杆的轴力为
例题
xy平面内，由k根杆组成的杆系，在结点A处用铰链结 在一起，受到水平荷载和铅垂荷载作用，截面分别 为 A1,A2,Ai,Ak ，试用卡氏第一定理求各杆的轴力。
1
2
i
k
F1 A
F2
这种以位移为基本未知量，把它的求解当作关键性问题的方法称为位移法
本章作业
(II)3－2，
(II)3－4，
(II)3－10，
例题
图示在线弹性范围内工作的一端固定、另一端自由的圆轴，在自由端截面
上承受扭转力偶矩M1。材料的切变模量G和轴的长度 l 以及直径 d 均已知。 试计算轴两端的相对扭转角。
M1
d
A
B
l
四 余功、余能及卡氏第二定理
Wc
F1 dF
0
与余功相应的能称为余能
Vc V vcdV
vc
1 d
0
Vc
Wc
V cvc2Al2A nK lnn1 cF 1 o sn1
卡氏第二定理
F1
F2
F3
Fn
A
B
1
2
3
n

材料力学第十三章__能量方法


解：由节点B的静力平衡 条件求得各杆内力:
NAB5 4P , NBC4 3P
构架的变形能等于 AB和 BC两杆变形能之和:
UUAB UBC N 2A 2ElB AA B N 2B 2ElC BA C
U 1.9P2l 2EA
1.9P2l UWPB
2EA
2
B

1.9Pl EA
的中点挠度 f 5q l 4
。求梁在中点
384 E I
集中力P作用下 (见图)，梁的挠曲线与梁变
形前的轴线所围成的面积 。


q P 5ql4 5Pl4
384E I
384E I
例：长为 l、直径为d的圆杆受一对横向压力
P作用，求此杆长度的伸长量。已知E和μ。
解：由位移互等定 ，理 ①知 杆的伸长量 ②杆直径的减小量
i

U C Pi
性弹性杆件或杆系在 外力Pi作用点处与Pi相 应的位移δi
在线弹性杆件或杆系U=UC
卡氏第二定理 i

U Pi
线弹性杆件或杆系的应变能U对
于作用在该杆件或杆系上的某一
外力之变化率就等于该力作用点
沿作用线方向的位移。
(1)
轴向拉伸和压缩
i

l
N(x)N(x)dx EA P
M2(x) dx
l 2EI(x)
QS Z
bI Z
矩形：
s
6 5
U

l
s Q 2 dx
2 GA
圆形： 薄壁管：
s s

10 9 2 .0
U弯

l
22
1 (Px)2dxP2l3

工学材料力学能量法


第八章 能量法
六、超静定问题 力法
能量法/超静定问题 力法
1、超静定结构 静不定次数 静定基。 一个结构,如果它的支座反力和各截面的内力都可以用静 力平衡条件唯一确定, 就称为静定结构。
能量法/互等定理
上节回顾
由功的互等定理
F
F112 F2 21
A
1
11
2
21
B
当F1=F2=F 时
F
12
A
21
1
12
2
22
B
位移互等定理
注意：1.上述互等定理对于所有的线性结构都适用。 （力与位移成线性关系的结构）
2.力和位移应理解为广义力和广义位移。
能量法/虚功原理 单位力法 图乘法
上节回顾
第八章 能量法
一、杆件的应变能 二、应变能普遍表达式(克拉贝隆原理) 三、卡氏定理 四、互等定理 五、虚功原理 单位力法 图乘法 六、超静定问题 力法 七、冲击应力
能量法/互等定理
功的互等定理
F1
A
1
11
F112 F221
A
1
12
上节回顾
2
21
B
F2
2
22
B
结构的第一力系在第二力系所引起的弹性 位移上所做的功，等于第二力系在第一力系所 引起的弹性位移上所做的功。
例：如图简支梁受均布载荷作用，求跨中C点的挠度。
q
1Байду номын сангаас
A
C
l2
B l2
A
C
l2
B l2
C1
+
C2
ql 2 8 解：先作出外力弯矩图。
+

材料力学 第15章 能量法


Vε
2
a 0
1 2EI
(F 2
x)2 dx
F 2a3 12EI
Q W Vε
Fa3 wC 6EI
思考：可否用此法求C截面的转角？
15.2 杆件弹性变形能
例15.2 试计算图示吊车架的应变能，并应用它求节点A 的竖直位移。已知E=200GPa,F =57.6kN。斜杆AB由两
根50505mm 等边角钢组成，每根角钢的横截面面积 A1 4.8cm2，横杆AC由两根No.10槽钢组成，每根槽钢 的横截面面积 A2 12.74cm2 。设各杆自重可以不计。
Vε ＝W
15.2 杆件弹性变形能
一、线弹性体上的外力作功
作用在弹性杆件上的力，其加力点的位移，随着杆件
受力和变形的增加而增加，在这种情形下，力所作的功
为变力功。
F
0
F
F
Δ
W 1FΔ 2
Δ
O
对于材料满足胡克定律、又在小变形条件下工作的弹 性杆件，作用在杆件上的力与位移成线性关系。
这时，力所作的变力功为
2 a (qax qx2 ) x dx 5qa4
EI 0
2 2 24EI
④ 求转角，建立图示单位力状
态 q
A
B
C
a
a
x1 A
a
x2
M 1 B C
a
AC :
M
( x)
qax1
qx12 2
M (x) x1 2a
BC:
M
(
x)qax2
qx22 2
M (x) x2 2a
15.3 莫尔定理
0
只有当杆件上任一载荷在其他载荷引起的位移上不做功时， 应变能才可叠加。例如：

材料力学 第10章 能量法


§10.3 互等定理
1.先在1点作用F1
A 1 1 U1 F1 11 F2 22 F1 12 2 2
F1 1
11 12
2.先在2点作用F2
21 22 F2
F2 2
B
1 外力功： F2 22 2
再在1点作用F1
A
F1 1
12 11
22 21
F2 2
V W
弹性范围内应变能可逆
第十章 能量法
§10.2 弹性应变能的计算
一、线弹性问题的应变能 线弹性体的应变能等于每一外力 与其相应位移乘积的二分之一的总和 即：
1 3
F1 F2
2
F3
1 1 1 U W F1 1 F2 2 F3 3 2 2 2
变形能是外力或位移的二次函数

例1
求图示简支梁的变形能，并求yC
a A F b C B
解： 1.求支反力 2.列弯矩方程
Fb x1 AC段： M x1 l Fa M x x2 CB段： 2 l
RA = Fb l
x1
x1
l
x2
RB = Fa l
例1
求图示简支梁的变形能，并求fC
a A F b C B
解： 1.求支反力 2.列弯矩方程
3. 梁 应变能
Vε W M e d
ε1 0 0
1
应变能密度 vε d 式中， Me为外力偶矩，为弯曲转角，为正应力， 为线应变。 应变能和应变能密度之间的关系为
Vε vε d x d y d z vε dV
V V
式中，V 为体积。
例 题 3-1
Me
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U
l
N 2( x)dx 2EA
l
M
2 n
(
x
)dx
2GI P
l
M 2( x)dx 2EI
（9-8）
注意：叠加法不能用于计算外力功和变形能。
例1 试分别计算图示各梁的变形能 例1图
解：求各梁的变形能 a b
c
Ua
0l
M 2( x)dx 2EI
0l
(
Px)2 2EI
dx
P 2l3 6EI
Ub
0l
M 2( x)dx 2EI
W 1 P
2
(9-2)
式中： P —— 广义力（力、力偶）
——广义位移（线位移、角位移）
广义力与广义位移相对应。如广义力是力，相应的广义
位移就是线位移（沿力方向的线位移）；如广义力是力偶， 相应的广义位移就是角位移（在力偶作用处的角位移）。
（二）变形能和比能
1. 轴向拉伸与压缩时的变形能
a. 轴力为常量： ( N P,l Nl )
材料力学
能量法
一、外力功与变形能
本章考虑杆件在线弹性范围内的能量法计算问题。
能量法——利用功和能的概念来解决变形体的位移、变 形和内力等计算的方法。
在线弹性范围内，外力功 W 全部转变为变形能 U，不 考虑能量的损耗。因此有
W=U
（一）外力功
1. 常力作功（P 为恒力）
W P
(9-1)
2. 变力作功（P 从0逐渐增加到最终值）
EA
U W 1 Pl N 2l
2
2EA
（9-3）
u
U V
N2 2EA2
2
2E
1
2
u 为比能，即单位体积的变形能。
b.轴力为变量：
dx 段的伸长为：
(dx) N ( x)dx EA
图9-1
dx 段的变形能： dU 1 N ( x) d( x)
2 N 2 ( x)dx
2EA
比能：
u( x)
dU dV
N 2( x)dx 2EA A dx
1 (x)(x)
2
整个杆内的变形能：
U
l dU
l
N 2( x)dx 2EA
（9-4）
2. 杆件受纯剪切时的变形能 比能：u 1 2 1 G 2
2 2G 2
变形能：U uV 1V
2
3. 圆轴扭转时的变形能
a.
扭矩为常量
(Mn
m,
Mnl ) GI P
0l
M12( x)dx 2EI
0l
(
P x)2 dx 2 2EI
P 2l 3 24EI
BC段：
U BC
l
02
M
2 2
(
x
)dx
2EI
l
02
( Px)2dx 2EI
P 2l 3 48EI
总变形能：U
U AB
UBC
UBD
P 2l 3 16EI
3P2l 4EA
（三）利用功和能的原理求位移
U P2l3 3P2l 16EI 4EA
2
只限于单一荷载作用，而且所求位移只是荷载作用点沿着荷 载方向与荷载相对应的位移。
例2 求图示结构荷载作用点C 处的垂直位移 Cy。 例2图
解（一）受力分析
由平衡条件解出：
受力图
N 2P 3
RA
1 2
P
（二）变形能计算
BD杆：
U BD
N2 2l 3
2EA
3P2l 4EA
受力图
AB段：
U AB
若有很多外力（广义力）作用于杆上，则该杆的变形能U 对于任一外力的偏导数，就等于该力作用点沿该力作用方向的 位移（广义位移），表达式可写成
n
U Pn
(n
1, 2,L
L
, n)
（9-10）
（二）卡氏定理的应用
1. 横力弯曲时（不计剪力的影响）
n
U Pn
Pn
(l
M 2 ( x)dx ) 2EI
2GI P
（三）利用功能原理求位移
U
W
1 2
P
Cy
P2l3 3EI
P2l3 2GI P
P 2
Cy
,
Cy
2Pl 3 3EI
Pl 3 GI P
二、求位移的卡氏定理
（一）卡氏定理（推导略）
U
P
（9-9）
变形能对 P 的偏导数等于 P 作用点在 P 作用方向的位移 。
式中： ——广义位移（线位移，角位移） p ——广义力（力、力偶）
U 1 P 1 m Mn2l
2
2
2GI P
图9-2
b. 扭矩为变量：
U
l
M
2 n
(
x
)dx
2GI P
பைடு நூலகம்
（9-5）
4. 杆件受弯曲时的变形能
a.
纯弯曲时：( M
m0 ,
Ml EI
)
U
W
1 P
2
1 2
m0
M 2l 2EI
（9-6）
图9-3
b. 横力弯曲时（剪力 Q 的影响忽略）
M 2( x)dx U l 2EI
U
W
1 2
P
Cy
P2l3 16EI
3P2l 4EA
1 2
P Cy
解得：
Cy
Pl 3 8EI
3Pl 2EA
（与 P 方向一致）
例3 直角水平圆截面折杆 ABC 受力如图示。已知抗弯刚度为 EI，抗扭刚度为 GIp。试求 C 处的垂直位移。
例3图
解（一）内力分析
BC杆： M ( x) Px AB杆： M ( x) Px
（9-7）
一般梁中各段弯矩 M(x) 不同。 则上面积分应分段进行，然后求出 其总和。
5. 组合变形时的变形能
杆件在拉（压）、剪切、扭转和弯曲这些基本变形共同 作用下，杆件内同时有轴力N(x)，扭矩 Mn( x) ，弯矩M(x)和 剪力Q(x)存在。在忽略了剪力Q(x)的影响后，整个杆件的变 形能可表示为：
0l
M02dx 2EI
M02l 2EI
Uc
0l
M 2( x)dx 2EI
0l ( Px
M0 )2 dx 2EI
0l
1 2EI
(
P
2
x2
2PxM0
M
2 0
)dx
P 2l 3 PM0l 2 M02l 6EI 2EI 2EI
从例1 可看出 Uc Ua Ub
（三）利用功能原理计算位移
利用 U W 1 P 可以计算荷载作用点的位移，此方法
l
M(x) EI
M ( x) dx
Pn
（9-11）
2. 对于桁架结构（各杆受拉或压）
U
m
N i2 li
(i 1, 2,L L
,m)
i1 2EAi
n
U Pn
m
N i li
i1 EAi
N i Pn
（9-12）
3. 组合变形（不计剪力的影响）
U
l
N 2( x)dx 2EA
l
M 2( x)dx 2EI
l
M
2 n
(
x)dx
2GI P
n
U Pn
l
N(x) EA
N ( x) Pn
dx
l
M(x). EI
M ( x) Pn
dx
l
Mn ( x). Mn ( x) GIP Pn
dx
(9-13)
例4 求图示梁 B 处的挠度和转角。
Mn Pl
（二）变形能计算
U BC
0l
(
Px)2 2EI
dx
P 2l 3 6EI
U AB
0l
(
Px)2 2EI
dx
(Pl)2 l 2GI P
P 2l 3 6EI
P 2l 3 2GI P
总变形能为：
P2l3 P2l3 P2l3 P2l3 P2l3
U
U BC
U AB
6EI
6EI
2GI P
3EI