南京航空航天大学 结构力学 课后习题答案 第3章
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习题及参考答案【习题2】【习题3】【习题4】【习题5】【习题6】【习题8】【习题9】【习题10】【习题11】【习题12】【习题13】【习题14】【参考答案】习题22-1~2-14试对图示体系进行几何组成分析,如果是具有多余联系的几何不变体系,则应指出多余联系的数目。
题2-1图题2-2图题2-3图题2-4图题2-5图题2-6图题2-7图题2-8图题2-9图题2-10图题2-11图题2-12图 题2-13图 题2-14图习题33-1 试作图示多跨静定梁的M 及Q 图。
(b)(a)20kN40kN20kN/m40kN题3-1图3-2 试不计算反力而绘出梁的M 图。
(b)5kN/m40kN(a)题3-2图习题44-1 作图示刚架的M 、Q 、N 图。
(c)(b)(a)20kN /m2kN /m题4-1图4-2 作图示刚架的M 图。
P(e)(d)(a)(b)(c)20k N /m4kN题4-2图4-3 作图示三铰刚架的M 图。
(b)(a)题4-3图4-4 作图示刚架的M 图。
(a)题4-4图4-5 已知结构的M 图,试绘出荷载。
(b)(a)题4-5图4-6 检查下列刚架的M 图,并予以改正。
(e)(g)(h)P(d)(c)(a)(b)(f)题4-6图习题55-1 图示抛物线三铰拱轴线方程x x l lfy )(42-=,试求D 截面的内力。
题5-1图5-2 带拉杆拱,拱轴线方程x x l lfy )(42-=,求截面K 的弯矩。
C题5-2图 题5-3图5-3 试求图示带拉杆的半圆三铰拱截面K 的内力。
习题66-1 判定图示桁架中的零杆。
(c)(b)题6-1图6-2 用结点法计算图示桁架中各杆内力。
(b)题6-2 图6-3 用截面法计算图示桁架中指定各杆的内力。
(b)题6-3图6-4 试求图示组合结构中各链杆的轴力并作受弯杆件的M 、Q 图。
(a)题6-4图6-5 用适宜方法求桁架中指定杆内力。
(c)(b)(a)题6-6图习题88-1 试作图示悬臂梁的反力V B 、M B 及内力Q C 、M C 的影响线。
静定结构计算习题3—1 试做图示静定梁的M 、F Q 图。
解:首先分析几何组成:AB 为基本部分,EC 为附属部分。
画出层叠图,如图(b )所示。
按先属附后基本的原则计算各支反力(c)图。
之後,逐段作出梁的弯矩图和剪力图。
36.67KN15KN •m 20KNM 图(单位:KN/m )13.323.313.33F Q 图(单位:KN )3—3 试做图示静定刚架的内力(M 、F Q 、F N )图,并校核所得结果。
解:(1)计算支反力F AX =48kN (→) M A =60 KN •m (右侧受拉) (2)逐杆绘M 图 (3)绘F Q 图 (4)绘N 图(5)校核: 内力图作出后应进行校核。
(略)3—7 试做图示静定刚架的内力(M 、F Q 、F N )图,并校核所得结果。
解:(1)计算支反力F AX =20kN (←) F AY =38kN(↑) F BY =62kN(↑) (2)逐杆绘M 图BCM 图(单位:KN/m ) F Q 图(单位:KN )3030F AX F N图(单位:60)20)(3)绘F Q 图 (4)绘N 图(5)校核: 内力图作出后应进行校核。
(略)3—9 试做图示静定刚架的内力(M 、F Q 、F N )图,并校核所得结果。
解:(1)计算支反力F AX =0.75qL (←) F AY =-0.25qL( ) F BY =0.25qL(↑) (2)逐杆绘M 图 (3)绘F Q 图 (4)绘N 图(5)校核: 内力图作出后应进行校核。
(略)3—11试做图示静定刚架的内力(M 、F Q 、F N )图,并校核所得结果。
解:(1)计算支反力F BX =40KN (←) F AY =30KN (↑) F BY =50kN(↑) (2)逐杆绘M 图 (3)绘F Q 图 (4)绘N 图(5)校核: 内力图作出后应进行校核。
(略)C(a )qBY 23—17 试求图示抛物线三铰拱的支座反力,并求截面D 和E 的内力。
习题及参考答案【习题2】【习题3】【习题4】【习题5】【习题6】【习题8】【习题9】【习题10】【习题11】【习题12】【习题13】【习题14】【参考答案】习题22-1~2-14试对图示体系进行几何组成分析,如果是具有多余联系的几何不变体系,则应指出多余联系的数目。
题2-1图题2-2图题2-3图题2-4图题2-5图题2-6图题2-7图题2-8图题2-9图题2-10图题2-11图题2-12图 题2-13图 题2-14图习题33-1 试作图示多跨静定梁的M 及Q 图。
(b)(a)20kN40kN20kN/m40kN题3-1图3-2 试不计算反力而绘出梁的M 图。
(b)5kN/m40kN(a)题3-2图习题44-1 作图示刚架的M 、Q 、N 图。
(c)(b)(a)20kN /m2kN /m题4-1图4-2 作图示刚架的M 图。
P(e)(d)(a)(b)(c)20k N /m4kN题4-2图4-3 作图示三铰刚架的M 图。
(b)(a)题4-3图4-4 作图示刚架的M 图。
(a)题4-4图4-5 已知结构的M 图,试绘出荷载。
(b)(a)题4-5图4-6 检查下列刚架的M 图,并予以改正。
(e)(g)(h)P(d)(c)(a)(b)(f)题4-6图习题55-1 图示抛物线三铰拱轴线方程x x l lfy )(42-=,试求D 截面的内力。
题5-1图5-2 带拉杆拱,拱轴线方程x x l lfy )(42-=,求截面K 的弯矩。
C题5-2图 题5-3图5-3 试求图示带拉杆的半圆三铰拱截面K 的内力。
习题66-1 判定图示桁架中的零杆。
(c)(b)题6-1图6-2 用结点法计算图示桁架中各杆内力。
(b)题6-2 图6-3 用截面法计算图示桁架中指定各杆的内力。
(b)题6-3图6-4 试求图示组合结构中各链杆的轴力并作受弯杆件的M 、Q 图。
(a)题6-4图6-5 用适宜方法求桁架中指定杆内力。
(c)(b)(a)题6-6图习题88-1 试作图示悬臂梁的反力V B 、M B 及内力Q C 、M C 的影响线。
结构力学章节习题及参考答案第1章绪论(无习题)第2章平面体系的机动分析习题解答习题2.1 是非判断题(1) 若平面体系的实际自由度为零,则该体系一定为几何不变体系。
( )(2) 若平面体系的计算自由度W=0,则该体系一定为无多余约束的几何不变体系。
( )(3) 若平面体系的计算自由度W<0,则该体系为有多余约束的几何不变体系。
( )(4) 由三个铰两两相连的三刚片组成几何不变体系且无多余约束。
( )(5) 习题2.1(5) 图所示体系去掉二元体CEF后,剩余部分为简支刚架,所以原体系为无多余约束的几何不变体系。
( )习题2.1(5)图(6) 习题2.1(6)(a)图所示体系去掉二元体ABC后,成为习题2.1(6)(b)图,故原体系是几何可变体系。
( )(7) 习题2.1(6)(a)图所示体系去掉二元体EDF后,成为习题2.1(6)(c)图,故原体系是几何可变体系。
()(a)(b)(c)习题2.1(6)图习题2.2 填空(1) 习题2.2(1)图所示体系为_________体系。
习题2.2(1)图(2) 习题2.2(2)图所示体系为__________体系。
习题2-2(2)图(3) 习题2.2(3)图所示4个体系的多余约束数目分别为_______、________、__________、__________。
习题2.2(3)图(4) 习题2.2(4)图所示体系的多余约束个数为___________。
习题2.2(4)图(5) 习题2.2(5)图所示体系的多余约束个数为___________。
习题2.2(5)图(6) 习题2.2(6)图所示体系为_________体系,有_________个多余约束。
习题2.2(6)图(7) 习题2.2(7)图所示体系为_________体系,有_________个多余约束。
习题2.2(7)图习题2.3 对习题2.3图所示各体系进行几何组成分析。
(a)(b)(c)(d)(e)(f)习题2.3图(h)第3章(g)静定梁与静定刚架习题解答习题3.1 是非判断题(1) 在使用内力图特征绘制某受弯杆段的弯矩图时,必须先求出该杆段两端的端弯矩。
第三章 能量原理(习题解答)3-1 写出下列弹性元件的应变能和余应变能的表达式。
(a )等轴力杆;(b )弯曲梁;(c )纯剪矩形板。
解:(a )等轴力杆 应变能{}{}2220111()2222T VV VEf U AdV d dV dV E Lf E Lf L L εσεεσεε∆∆⎡⎤======⎢⎥⎣⎦⎰⎰⎰⎰余应变能22*21()2222V V fL fL N N L U BdV dV E E f Efσεσ=====⎰⎰其中L 为杆的长度,f 为杆的截面积,Δ为杆的变形量,E 为材料的弹性模量。
(b )弯曲梁 应变能{}{}{}{}222222222220111()()22211()()22TTx V V V V l V d w d w U dV dV z dV Ez dVdx dxd w d w E z dydzdx EJ dx dx dxσεσεσ==-===⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰线性余应变能222*220111111()2222l x x V V V My M y M U dV dV dzdydx dx J E E EJJ σε===⋅=⎰⎰⎰⎰⎰⎰(c )纯剪矩形板 应变能{}{}t b a G dV G dV dV U V V VT⋅⋅⋅⋅=⋅=⋅==⎰⎰⎰22212121γγγτεσ 余应变能Gtfq t b a G dV G dV U V V 222*21212121=⋅⋅⋅==⋅=⎰⎰ττγτ3-2 求图3-2所示桁架的应变能及应变余能,应力—应变之间的关系式为 (a ) E σε= (b )σ=解:取节点2进行受力分析,如图3-2a 所示。
根据平衡条件,有132131122113cos 45cos 45sin 45sin 4522N N P N N P N N ︒︒︒︒⎧+=⎨=+⎩⇒== (1)311313N Nf f σσ== (2)(a ) E σε=时311313N N Ef Ef εε==(3) 0VU AdV fl d εσε==⎰⎰ (4) 0VU BdV fl d σεσ*==⎰⎰ (5)联立(1)、(2)、(3)、(4),得到桁架的应变能为()()2222121231131322P P P P N N l l U f f f f ⎤+-⎫=+=+⎥⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦联立(1)、(2)、(3)、(5),得到桁架的余应变能为()()222212123113132224P P P P N N l l U E f f E f f *⎡⎤+-⎛⎫=+=+⎢⎥ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦(b ) σε=223113222213N N E f E f εε== (6)联立(1)、(2)、(4)、(6),得到桁架的应变能为()()331221222133P P P P l U E f f ⎡⎤+-=+⎢⎥⎢⎥⎣⎦联立(1)、(2)、(5)、(6),得到桁架的应变能为()()331221222136P P P P l U E f f *⎡⎤+-=+⎢⎥⎢⎥⎣⎦3-3 一种假想的材料遵循如下二维的应力—应变规律()()222x x y y y x xy xy EE εσμσεσμσγτ=-=-= 其中E 、G 和μ是材料常数。
第三章结构变形计算一、单位载荷法3-1、求图3-4所示结构的下列各种变形时,广义单位力应如何施加?1、求1点水平位移。
答:在1点沿水平方向施加2、求2点和4点在垂直方向上的相对位移。
答:在2点和4点垂直方向上施加单位力偶。
3、求结构端部1-1、杆的角位移答:在1点和1、点沿水平方向施加单位力偶4、求杆1-1、和3-3、的相对角位移3-2、图3-5示出一空间盒式结构,求下列变形时,广义单位力应如何施加?1、求翼肋Ⅰ、Ⅱ之间的相对转角。
答:在Ⅰ、Ⅱ翼肋上施加一对相反的平面单位力矩。
2、求1-1、-1、、杆的伸长。
答:在1点和1、、点施加沿杆方向的相反的单位力。
3、求节点1和2、之间沿1-2、方向的相对位移答:在1点和2、点施加沿1-2、方向的相反的单位力。
4、求上部开口1-2-2、-1、的剪切变形。
5、求肋Ⅰ、Ⅲ之间的相对翘曲角。
二、结构变形计算3-3、(例题)已知图3-7中所示平面桁架结构,各杆截面积均为f,材料相同,弹性模量均为E,在节点7上受一向下的力P作用。
求:用单位载荷法,计算节点2的垂直位移。
解:结构是逐次连接节点法形成的简单桁架,是静定结构,且不可移动。
(1)求解<P>状态由节点6平衡得:由节点2平衡得:由节点7平衡得:由节点3平衡得:由节点5平衡得:将各杆轴力标在图中。
(2)根据题意加单位载荷,求解<1>状态。
在节点2加向下的垂直力1,单位力由2-5,1-5,4-5杆承受并传到基础上,其余各杆的力均为零。
将各杆内力标在图上,或列在表中。
将<P>状态下的结构变形形态作为虚位移,施加在<1>状态上,因<1>状态,可利用虚位移原理,得:编号杆长度L1 1-2 A 0 2p 02 1-5 p pa3 2-3 A 0 2p 04 2-5 A -1 0 05 3-5 a 0 p 06 3-6 A 0 0 07 3-7 a 0 p 08 4-5 A -1 -3p 3pa9 5-6 A 0 -p 010 6-7 A 0 -p 0答:2点垂直位移大小为,方向向下。
结构力学:第1-11章课后答案(第五版李廉锟上下册) 第一章:结构力学基本原理1.1 选择题1.(D)材料的流变效应是指在恒定的应力下长时间内所发生的持续性变形。
2.(C)结构力学是研究结构在受力作用下的平衡条件、变形特点以及保证结构安全可靠的一门学科。
3.(B)静力学是结构力学的基础和起点,为后续结构力学的学习打下了坚实的理论基础。
4.(D)载荷是指作用在结构上的外力或内力引起的结构内力。
5.(D)结构承受荷载时产生的内力只有两种,即剪力和弯矩。
1.2 计算题1.(略)1.3 解答题1.(略)第二章:静定结构的受力分析2.1 选择题1.(C)静定杆系是指感力作用下平衡的杆件系统。
2.(B)双铰支座在支座点允许的转动是绕一个垂直轴线。
3.(C)简支梁在跨中承受的弯矩最大。
4.(C)连续梁是指有多个支座并且跨度超过3倍的梁。
5.(A)当两个力的作用线相交于一点时,这两个力称为共点力。
2.2 计算题1.(略)2.3 解答题1.(略)第三章:约束结构的受力分析3.1 选择题1.(C)约束支座限制了结构的自由度。
2.(B)在平面约束条件下,三个约束就可以确定结构的静定条件。
3.(A)约束力分解是将复杂的约束力分解为多个简单的约束力。
4.(D)简支梁在跨中承受的弯矩最大。
5.(D)当两个力构成一个力偶时,它们可以合成一个力偶。
若力偶平行于结构截面,力偶不会在结构内产生剪力和弯矩。
3.2 计算题1.(略)3.3 解答题1.(略)第四章:图解法与力法4.1 选择题1.(D)作用在梁上的集中力可以用力的大小和作用点位置的乘积表示。
2.(B)变形图中每个单元代表一个约束力。
3.(C)悬臂梁上的力和矩可以通过力的图解法求解。
4.(D)力法是通过构造力平衡方程解得结构的内力。
5.(A)设计中常用的受力分析方法有解析法、图解法和力法。
4.2 计算题1.(略)4.3 解答题1.(略)第五章:静定系数法与弹性能力法5.1 选择题1.(C)在确定支座反力时,要根据结构属于静定结构、不完全静定结构还是超静定结构来决定求解的方程数。
习题及参考答案【习题2】【习题3】【习题4】【习题5】【习题6】【习题8】【习题9】【习题10】【习题11】【习题12】【习题13】【习题14】【参考答案】习题22-1~2-14试对图示体系进行几何组成分析,如果是具有多余联系的几何不变体系,则应指出多余联系的数目。
题2-1图题2-2图题2-3图题2-4图题2-5图题2-6图题2-7图题2-8图题2-9图题2-10图题2-11图题2-12图 题2-13图 题2-14图习题33-1 试作图示多跨静定梁的M 及Q 图。
(b)(a)20kN10kN40kN20kN/m40kN题3-1图3-2 试不计算反力而绘出梁的M 图。
(b)5kN/m40kN(a)题3-2图习题44-1 作图示刚架的M 、Q 、N 图。
(c)(b)(a)20kN /m2kN /m题4-1图4-2 作图示刚架的M 图。
P(e)(d)(a)(b)(c)20k N /m4kN题4-2图4-3 作图示三铰刚架的M 图。
(b)(a)题4-3图4-4 作图示刚架的M 图。
(a)题4-4图4-5 已知结构的M 图,试绘出荷载。
(b)(a)题4-5图4-6 检查下列刚架的M 图,并予以改正。
(e)(g)(h)P(d)(c)(a)(b)(f)题4-6图习题55-1 图示抛物线三铰拱轴线方程x x l l fy )(42-=,试求D 截面的内力。
题5-1图5-2 带拉杆拱,拱轴线方程x x l lfy )(42-=,求截面K 的弯矩。
C题5-2图 题5-3图5-3 试求图示带拉杆的半圆三铰拱截面K 的内力。
习题66-1 判定图示桁架中的零杆。
(c)(b)题6-1图6-2 用结点法计算图示桁架中各杆内力。
(b)题6-2 图6-3 用截面法计算图示桁架中指定各杆的内力。
(b)题6-3图6-4 试求图示组合结构中各链杆的轴力并作受弯杆件的M 、Q 图。
(a)题6-4图6-5 用适宜方法求桁架中指定杆内力。
(c)(b)(a)P题6-6图习题88-1 试作图示悬臂梁的反力V B 、M B 及内力Q C 、M C 的影响线。
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题2-1图题2-2图题2-3图题2-4图题2-5图题2-6图题2-7图题2-8图题2-9图题2-10图题2-11图题2-12图 题2-13图 题2-14图习题33-1 试作图示多跨静定梁的M 及Q 图。
(b)(a)20kN10kN40kN20kN/m40kN题3-1图3-2 试不计算反力而绘出梁的M 图。
(b)5kN/m40kN(a)题3-2图习题44-1 作图示刚架的M 、Q 、N 图。
(c)(b)(a)/20kN /m2kN /m题4-1图4-2 作图示刚架的M 图。
P(e)(d)(a)(b)(c)20k N /m4kN题4-2图4-3 作图示三铰刚架的M 图。
(b)(a)题4-3图4-4 作图示刚架的M 图。
(a)题4-4图4-5 已知结构的M 图,试绘出荷载。
(b)(a)题4-5图4-6 检查下列刚架的M 图,并予以改正。
(e)(g)(h)P(d)(c)(a)(b)(f)题4-6图习题55-1 图示抛物线三铰拱轴线方程x x l lfy )(42-=,试求D 截面的内力。
题5-1图5-2 带拉杆拱,拱轴线方程x x l lf y )(42-=,求截面K 的弯矩。
C题5-2图 题5-3图5-3 试求图示带拉杆的半圆三铰拱截面K 的内力。
习题66-1 判定图示桁架中的零杆。
(c)(b)题6-1图6-2 用结点法计算图示桁架中各杆内力。
(b)题6-2 图6-3 用截面法计算图示桁架中指定各杆的内力。
(b)题6-3图6-4 试求图示组合结构中各链杆的轴力并作受弯杆件的M 、Q 图。
3-2 试作图示多跨静定梁的弯矩图和剪力图。
(a) 4P F a2P F a 2P F aM4PF Q34P F 2P F(b) 42020M Q10/326/3410A B C a a a a a F P a D E F F P 2m 6m 2m 4m 2m A B C D 10kN 2kN/m (c) 21018018040M1560704040Q(d) 7.5514482.524MQ3m 2m2m AB C E F15kN 3m 3m 4m 20kN/m D 3m 2m 2m 2m2m 2m 2m ABC D E FG H 6kN ·m 4kN ·m 4kN 2m 3-3 试作图示刚架的内力图。
试作图示刚架的内力图。
(a) 242018616MQ1820(b) 3030301101010QM 2104kN ·m 3m 3m 2kN A CBD 6m 10kN 40kN ·m ABC D(c) 664275MQ(d) 444444/32MQN2kN/m 6kN 6m 4kN AB CD2kN 6m 2kN 4kN ·m ACB D E(e) 44814``(f) 2222200.815MQN4m ABC4m D4kN A B C2m 3m 4m 2kN/m 3-4试找出下列各弯矩图形的错误之处,并加以改正。
(a) F P(b) (c) F P(d) M(e) (f) F PF P3-5 试按图示梁的BC 跨跨中截面的弯矩与截面B 和C 的弯矩绝对值都相等的条件,确定E 、F 两铰的位置。
B C EFDA28ql M2221()222116121618c B C BC C qql M l x x qx xM M M M ql ql x ql x l=-+===\=\=\= 中FD()2ql x -lBC EFxDAql lx3-6 试作图示刚架的弯矩和剪力图。
第三章 能量原理(习题解答)3-1 写出下列弹性元件的应变能与余应变能的表达式。
(a)等轴力杆;(b)弯曲梁;(c)纯剪矩形板。
解:(a)等轴力杆 应变能{}{}2220111()2222T VV VEf U AdV d dV dV E Lf E Lf L L εσεεσεε∆∆⎡⎤======⎢⎥⎣⎦⎰⎰⎰⎰余应变能22*21()2222V V fL fL N N L U BdV dV E E f Efσεσ=====⎰⎰其中L 为杆的长度,f 为杆的截面积,Δ为杆的变形量,E 为材料的弹性模量。
(b)弯曲梁 应变能{}{}{}{}222222222220111()()22211()()22TTx V V V V l V d w d w U dV dV z dV Ez dVdx dxd w d w E z dydzdx EJ dx dx dxσεσεσ==-===⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰线性余应变能222*220111111()2222l x x V V V My M y M U dV dV dzdydx dx J E E EJJ σε===⋅=⎰⎰⎰⎰⎰⎰(c)纯剪矩形板 应变能{}{}t b a G dV G dV dV U V V VT⋅⋅⋅⋅=⋅=⋅==⎰⎰⎰22212121γγγτεσ 余应变能Gtfq t b a G dV G dV U V V 222*21212121=⋅⋅⋅==⋅=⎰⎰ττγτ3-2 求图3-2所示桁架的应变能及应变余能,应力—应变之间的关系式为 (a) E σε=(b) σ=解:取节点2进行受力分析,如图3-2a 所示。
根据平衡条件,有132131122113cos 45cos 45sin 45sin 4522N N P N N P N N ︒︒︒︒⎧+=⎨=+⎩⇒== (1)311313N Nf f σσ== (2)(a) E σε=时311313N N Ef Ef εε==(3) 0VU AdV fl d εσε==⎰⎰ (4) 0VU BdV fl d σεσ*==⎰⎰ (5)联立(1)、(2)、(3)、(4),得到桁架的应变能为()()2222121231131322P P P P N N l l U f f f f ⎤+-⎫=+=+⎥⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦联立(1)、(2)、(3)、(5),得到桁架的余应变能为()()222212123113132224P P P P N N l l U E f f E f f *⎡⎤+-⎛⎫=+=+⎢⎥ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦(b) σε=时223113222213N N E f E f εε== (6)联立(1)、(2)、(4)、(6),得到桁架的应变能为()()331221222133P P P P l U E f f ⎡⎤+-=+⎢⎥⎢⎥⎣⎦联立(1)、(2)、(5)、(6),得到桁架的应变能为()()331221222136P P P P l U E f f *⎡⎤+-=+⎢⎥⎢⎥⎣⎦3-3 一种假想的材料遵循如下二维的应力—应变规律()()222x x y y y x xy xy EE εσμσεσμσγτ=-=-= 其中E 、G 与μ就是材料常数。
导出用这种材料做成的二维物体的应变能密度。
解:应变能密度A d εσε=⎰余应变能密度B d σεσ=⎰总应变能密度()33312x T x y xy y xy x x y y xy xyxy x y x y A B E Gσεεγστσεσετγτσσμσσ⎡⎤⎢⎥⎡⎤+=⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦=++=+-+而()()022233311112333x y xyxyxyxy x x y y xy xyxy x yx y xy x y x y xy B d d d E d E d G d E Gσστσστεσεσγτσμσσσμσσττσσμσστ=++=-+-+⎛⎫=+-+ ⎪⎝⎭⎰⎰⎰⎰⎰⎰所以应变能密度为 ()()333333333()1111122333213xy x y x y x y x y xy xy x y A A B BE G E G E G τσσμσσσσμσσττσσ=+-⎛⎫=+-+-+-- ⎪⎝⎭⎡⎤=++⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 3-4 试用虚位移原理或最小位能原理确定题3-4图所示平面桁架的节点o 的位置与各杆内力。
各杆材料相同,弹性常数为E 。
N P 4110=,N P 32105⨯=,各杆截面积215.1cm f =,222cm f =,233cm f =。
解:设o 点的位移为u 、v ,则各杆的变形量如下: o-1杆:)(22sin cos 1v u v u +=+=∆θθ o-2杆:v =∆2o-3杆:)(22sin cos 3v u u +-=+-=∆θθ系统位能v P u P l v u Ef l v Ef l v u Ef v P u P l Ef V U i i i 2123222121224)(224)(2--+-+++=--∆=+=∏∑令0=∏δ,则0=∂∏∂u ,0=∂∏∂v,从而:[][]⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-+--+=--++0)()(220)()(222231131P v l Ef v u f v u f lE P v u f v u f l E 解得⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⨯=⨯=E l v E l u 2410251081025344 由∆=lEfN ,得⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=∆==∆==∆=Nl Ef N N l Ef N N l Ef N o o o 6480417076603333222211113-5 试用最小位能原理导出承受均布载荷q 的弯曲等截面梁(图3-5)的平衡方程式。
解:由教科书例3-2知42304230()[]|0ll d w d w d w d wEJ q wdx EJ EJ w dx dx dx dxδδδδ∏=-+-=⎰悬臂梁的边界条件为:在0x =处,0w =,0dw dx= 在x l =处,剪力0Q =,弯矩0M = 又知dwu zdx =-(直法线假设) 22x u d w z x dxε∂==-∂22x x d wE Ez dxσε==-2222t t x d wM zdz EJ dx σ-=⋅=-⎰在x l =处,弯矩0M = 所以,当x l =时,220d wdx = 又知()()dM x Q x dx= 所以33dM d w Q EJ dx dx==-在x l =处,剪力0Q =所以,当x l =时,330d wdx=由以上,如果0δ∏=则有受均布载荷悬臂梁的平衡方程为44d wEJ q dx-=03-6 试用最小余能原理求解图3-6所示圆框的弯矩表达式,并给出弯矩图。
圆框的截面弯矩刚度为EJ 、sin Pq Rαπ=。
解: 根据圆框的对称性可知,在图3-6a 的受力分析图中,只有轴力与弯矩,而无剪力。
取右半部分的一段进行受力分析如图3-6a 所示。
根据平衡条件,可得到弯矩表达式()00000(1cos )sin 1cos 1(1cos )1cos sin 2PRM M N R d PR M N R ααθαθθπααααπ=-----⎡⎤⎣⎦⎛⎫=-----⋅⎪⎝⎭⎰余应变能2*22M U Rd EJπα=⎰外力余能*0V =故**U ∏=根据最小余能原理*000020012MRd M EJM N R PR παππ∂∏=⇒=∂⇒--=⎰(1)*000020(1cos )03728MRR d N EJM N R PR πααππ∂∏=⇒-=∂⇒--=⎰ (2)联立(1)、(2)解得00344PR P M N ππ=-=-则圆框截面的弯矩为11cos sin 22PR M αααπ⎛⎫=---⋅ ⎪⎝⎭3-7 试用瑞利—李兹法确定图3-7所示梁的点A 处横向挠度。
解:梁两端简支,其位移边界条件为 0202|0|0x x w d wdx ===⎧⎪⎨=⎪⎩, 22|0|0x L x L w d w dx===⎧⎪⎨=⎪⎩ 选取正弦函数为基函数,取前两项,则122sin sinx xw a a L Lππ=+ 梁的应变能为24222122301()(16)24L d w EJ U EJ dx a a dx Lπ==+⎰ 梁的外力势能1212002()(sin sin )2L L qa L qa L x x x V Pwdx q a a dx L L L ππππ=-=-⋅+=+⎰⎰梁的总位能42212123(16)42qa L qa L EJ U V a a L πππ∏=+=+++ 由最小位能原理0δ∏= 413102EJqLa a L ππ∂∏=+=∂ ⇒4152qL a EJ π=- 423232042EJ qLa a L ππ∂∏=⋅+=∂ ⇒42516qL a EJ π=- 因此445522sin sin 16qL x qL xw EJ L EJ Lππππ=-- 当23x L =时451.678qL w EJπ==-3-8 沿直平面内的正方形薄板,边长为2a,四边固定,只受重力g ρ作用,如图3-8所示。
设0μ=,试取位移分量的表达式为22221232222222212322221111x y x y x y u A A A a a a a a a x y x y v B B B a a a a ⎛⎫⎛⎫⎛⎫=--+++⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫⎛⎫=--+++ ⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭用瑞利—李兹法或伽辽金法求解。
解:运用伽辽金法求解。
本题中的四边形薄板四边固支,因此就是一个平面应力问题。
其基本方程为()2222222222221101221101221,2,3m m E u u v X u dxdy x y x y E v v u Y v dxdy y x x y m μμμμμμ⎡⎤⎛⎫∂-∂+∂+++=⎢⎥ ⎪-∂∂∂∂⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫∂-∂+∂+++=⎢⎥ ⎪-∂∂∂∂⎝⎭⎣⎦=⎰⎰⎰⎰ (1) 当只取1A 项与1B 项时,位移分量的表达式为22122221221111x y x y u A a a a a x y v B a a ⎛⎫⎛⎫=-- ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫=-- ⎪⎪⎝⎭⎝⎭2222112242242222112222222222112224661,1221,133411,u y xy u x xy A A x a a y a a v y v x B B x a a y a a A u x y v xyB x y a a a x y a⎛⎫⎛⎫∂∂⎛⎫⎛⎫=--=-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫∂∂⎛⎫⎛⎫=--=-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫∂∂=--= ⎪⎪∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭ (2) 因为0,0,X Y g μρ===,所以(1)式可简化为2221222221221102211022aaa a a a a a u u v E u dxdy x y x y v v u E g v dxdy y x x y ρ----⎛⎫∂∂∂++= ⎪∂∂∂∂⎝⎭⎡⎤⎛⎫∂∂∂+++=⎢⎥ ⎪∂∂∂∂⎝⎭⎣⎦⎰⎰⎰⎰ (3)22122221221111x y x y u a a a ax y v a a ⎧⎛⎫⎛⎫=--⎪ ⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎨⎛⎫⎛⎫⎪=-- ⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎩将11,u v ,及(2)式代入(3)式,得2211242422142222211222222616112141102212112133112aaa a aaa a y xy x xy A A a a a a xy x y xy B dxdy a a a a x y B B a a a a x a ----⎡⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫--+--⎢ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎤+--=⎢⎥ ⎪⎪⎥⎦⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫--+--⎢ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎛⎫+-- ⎪⎝⎭⎰⎰⎰⎰22212222110A y g x y dxdy a a E a a ρ⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫+--=⎥⎢⎥ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎦⎣⎦即2222222222122222222122222222222611311211013311112a a a a aaa ay x x y x y x y dxdy A a a a a x y x y dxdy B a a x y x y a a a a a ----⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪------⋅⎢⎥⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭⎡⎤⎛⎫⎛⎫+--⋅=⎢⎥ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫---- ⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎰⎰⎰⎰122222212222222222111111a a a a a a a a a aa a dxdy A x y y x dxdy B a a a a a gx y dxdy E a a ρ------⎧⎫⎪⎪⋅⎨⎬⎪⎪⎪⎭⎩⎭⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪+------⋅⎢⎥⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭⎛⎫⎛⎫=--- ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎰⎰⎰⎰⎰⎰简化为11211210792417553A B ga A B E ρ⎧-+=⎪⎪⎨⎪-=-⎪⎩ 由此解得22110.164,0.422ga ga A B E Eρρ==代入位移表达式,得2222222220.164110.42211g x y u xyE a a ga x y v E a a ρρ⎛⎫⎛⎫=-- ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫=-- ⎪⎪⎝⎭⎝⎭由物理方程,得222222222222221753(1)(1)11066450(1)153********(1)(1)(1)2(1)2132533x y xy E u v x y gy x y a aE v u x gy y x aE u v x y y gx gx y x a a aσμρμσμρμτρρμ⎛⎫∂∂=+=-- ⎪-∂∂⎝⎭⎛⎫∂∂=+=-- ⎪-∂∂⎝⎭⎛⎫∂∂=+=---- ⎪+∂∂⎝⎭3-9 用李兹法求解受均布载荷作用双简支梁的最大挠度与最大弯矩,挠度函数选下列两种形式,比较其计算结果。