第6节(弯曲变形)

第6章 弹性薄板小挠度弯曲问题的基础变分原理平分板厚度的平面称为板的中面，一般地，当板的厚度t 不大于板中面最小尺寸的5/1时的板称为薄板，薄板的中面是一个平面。

薄板在垂直于中面的载荷作用下发生弯曲时，中面变形所形成的曲面称为弹性曲面或挠度面，中面内各点在未变形中面垂直方向的位移称为板的挠度。

薄板弯曲的精确理论应是满足弹性力学的全部基本方程，但这在数学上将会遇到很大的困难。

1850年，G.R.基尔霍夫（Kirchhoff Gustav Robert ，基尔霍夫 古斯塔夫·罗伯特，德国物理学家，1824-1887年）除采用弹性力学的基本假设外，还提出了一些补充的假设，从而建立起了薄板小挠度弯曲的近似理论。

这些假设是：第一，变形前垂直于板中面的直线，在板变形后仍为直线，并垂直于变形后的中面，而且不经受伸缩；第二，与中面平行的各面上的正应力z σ与应力x σ,y σ和xy τ相比属于小量；第三，在横向载荷作用下板发生弯曲时，板的中面并不伸长，这也就是说，薄板中面内各点都没有平行于中面的位移分量。

用变分法可以导出薄板弯曲问题的平衡微分方程和边界条件。

当板的形状和边界条件较复杂时，直接求解偏微分方程时比较困难的，以变分法为基础的各种近似解是求解这类问题的一个重要途径。

本章讨论了用于薄板小挠度弯曲问题的一些基础变分原理，这包括虚功原理、最小位能原理、最小余能原理、两类自变量广义变分原理并推广到三类自变量广义变分原理。

§6.1 基本方程与边界条件回顾取坐标平面oxy 与中面重合，z 轴垂直于中面，x ,y 和z 轴构成一个右手直角笛卡儿坐标系。

变形后的板内各点沿x ,y 和z 轴方向的位移分别用u ,v 和w 表示。

由Kirchhoff 假设，可以得到xwzz y x u ∂∂-=),,(，y w z z y x v ∂∂-=),,(，),(),,(y x w z y x w = （6-1）并利用弹性力学中位移与应变之间的关系式，可以得到薄板中任意点的应变分量为22x w z x ∂∂-=ε，22ywz y ∂∂-=ε，y x w z xy ∂∂∂-=γ22 （6-2）其余3个应变分量z ε,xz γ和yz γ根据假设都等于零，即0=εz ，0=γxz ，0=γyz （6-3）由薄板的平衡关系，可以确定板的横向分布载荷),(y x q 与剪力x Q ,y Q 以及弯矩x M ,y M 和扭矩xy M （x M ,y M ,xy M 统称为内力矩）与x Q ,y Q 之间的关系式。

材料力学弯曲变形
材料力学中的弯曲变形是指物体在受到外力作用下发生的一种变形形式。

当材料受到垂直于其长度方向的外力时，会产生弯矩，使得物体产生弯曲变形。

弯曲变形的原理可以通过材料力学中的悬臂梁模型进行解释。

在悬臂梁中，一个固定的端点支撑着一根梁，梁的另一端受到外力作用，使得梁产生弯曲。

在悬臂梁的弯曲变形中，梁上部的纤维受到拉力，而下部的纤维受到压力。

由于力的作用，纤维之间会相互滑动，从而产生弯曲变形。

弯曲变形可以通过材料的弹性性质进行描述。

弯曲变形的程度取决于材料的弯曲刚度，即弹性模量，以及外力的大小和作用点的位置。

与拉伸变形不同，弯曲变形的应变分布不是均匀的，而是随着离中轴线的距离而变化。

中轴线上的纤维经历的应变为零，而离中轴线较远的纤维经历的应变较大。

弯曲变形是材料工程中常见的一种变形形式，它在很多结构中都会发挥作用。

例如，在桥梁和楼板等结构中，弯曲变形可以帮助承受外部荷载并保持结构的稳定性。

在材料设计和工程应用中，科学家和工程师常常要考虑材料的弯曲性能，以确保结构的强度和稳定性。

第一章 绪论第一节 材料力学的任务1、组成机械与结构的各组成部分，统称为构件。

2、保证构件正常或安全工作的基本要求：a)强度，即抵抗破坏的能力；b)刚度，即抵抗变形的能力；c)稳定性，即保持原有平衡状态的能力。

3、材料力学的任务：研究构件在外力作用下的变形与破坏的规律，为合理设计构件提供强度、刚度和稳定性分析的基本理论与计算方法。

第二节 材料力学的基本假设1、连续性假设：材料无空隙地充满整个构件。

2、均匀性假设：构件内每一处的力学性能都相同3、各向同性假设：构件某一处材料沿各个方向的力学性能相同。

木材是各向异性材料。

第三节 内力1、内力：构件内部各部分之间因受力后变形而引起的相互作用力。

2、截面法：用假想的截面把构件分成两部分，以显示并确定内力的方法。

3、截面法求内力的步骤：①用假想截面将杆件切开，一分为二；②取一部分，得到分离体；③对分离体建立平衡方程，求得内力。

4、内力的分类：轴力N F ；剪力S F ；扭矩T ；弯矩M第四节 应力1、一点的应力： 一点处内力的集（中程）度。

全应力0limA Fp A∆→∆=∆；正应力σ；切应力τ；p =2、应力单位：Pa （1Pa=1N/m 2，1MPa=1×106 Pa ，1GPa=1×109 Pa ）第五节 变形与应变1、变形：构件尺寸与形状的变化称为变形。

除特别声明的以外，材料力学所研究的对象均为变形体。

2、弹性变形：外力解除后能消失的变形成为弹性变形。

3、塑性变形：外力解除后不能消失的变形，称为塑性变形或残余变形。

4、小变形条件：材料力学研究的问题限于小变形的情况，其变形和位移远小于构件的最小尺寸。

对构件进行受力分析时可忽略其变形。

5、线应变：ll ∆=ε。

线应变是无量纲量，在同一点不同方向线应变一般不同。

6、切应变：tan γγ≈。

切应变为无量纲量，切应变单位为rad 。

第六节 杆件变形的基本形式1、材料力学的研究对象：等截面直杆。

§6-3 梁弯曲时的变形和刚度条件课时计划：讲授3学时教学目标：1．理解梁弯曲变形时挠度和转角的概念；2．掌握梁的刚度计算方法及刚度条件。

教材分析:1．重点为梁弯曲变形时挠度和转角的概念；2．难点为梁的刚度计算方法及刚度条件。

教学设计：本节课的主要内容是讲解梁弯曲变形时挠度和转角的概念以及梁的刚度计算方法。

重点为梁弯曲变形时挠度和转角的概念，在此基础上进一步掌握梁的刚度计算方法并建立梁弯曲时的刚度条件。

通过对教材例题的讲解，使学生在此过程中进一步理解弯曲变形，进而学会利用弯曲梁的刚度条件解决工程实际问题。

第1学时教学内容：一、挠度和转角本节课的主要内容是讲解梁弯曲变形时挠度和转角的概念。

因为材料力学研究强度与刚度，强度问题要计算应力，刚度问题要计算变形，本节讲梁的弯曲变形。

图示为简支梁弯曲变形时，变形前梁轴线是直线，受力F 弯曲变形后轴线是光滑平面曲线，变形前后梁轴线简化如下图所示。

横截面nn 移''n n ，形心C 到'C 点。

横截面形心在垂直于原轴线方向的位移，称为截面的挠度，用ω表示；横截面相对于原来位置转过的角度，称为该截面的转角，用θ表示。

截面形心轴线方向位移很小,高阶微量,可省略不计。

弯曲变形后梁的轴线变成一条连续而光滑的平面曲线，称为挠度曲线，简称挠曲线。

在图示的Oxw 坐标系中，表示挠曲线的方程为w ＝w(x)称为挠度方程。

由于轴线是各截面形心的连线，故该方程中的x 为变形前截面位置的横坐标，ω为变形后该截面的挠度。

由于截面转角等于挠度曲线在该截面的切线与x 轴的夹角，小变形有：()x w x w '==≈d d θθtan即任一截面转角近似等于挠度方程对x 的一阶导数。

所以挠度和转角的数值都可以由挠度方程及其一阶导数确定，只要有了挠度方程，就可以计算挠度和转角。

公式中挠度向上为正值,向下为负值；转角逆时针方向为正值,顺时针方向为负值。

由表可知，在一定外力作用下，梁的挠度、转角都和材料的弹性模量E 与截面惯性矩z I 的乘积z EI 成反比。

简述杆件的四种基本变形杆件变形是指在应用力量的作用下，以一定的频率、幅度和持续时间，杆件的形状和长度发生变形的现象。

在这种变形的作用下，杆件的固有振荡特性和结构强度会发生变化，从而影响其性能。

因此，杆件变形的研究，对杆件的结构设计、寿命分析以及新型杆件的开发都具有重要意义。

一般来说，杆件变形主要分为四类：径向变形、轴向变形、折线变形、弯曲变形。

（一）径向变形径向变形是指外力作用于杆件上，从而形成有限半径的圆形变形。

径向变形又可分为拉伸变形和压缩变形。

拉伸变形是指外力的作用结果，杆件的截面面积得到增大；而压缩变形则是指外力的作用结果，杆件的截面面积变小。

（二）轴向变形轴向变形是指杆件受到外力作用产生一定程度的纵向形变。

当杆件轴向变形时，杆件的长度会发生变化，其变形形式也可分为拉伸变形和紧束变形。

拉伸变形是指杆件受到外力作用，形成线性形变，使杆件的部发生延伸；而紧束变形则是指杆件受外力作用，形成弯曲形变，使杆件的端部发生收缩。

（三）折线变形折线变形是指杆件受到外力作用，形成有限折线形变。

折线变形常见的有简单折线变形、自由折线变形和折现折线变形。

简单折线变形是指杆件受外力作用，形成有限折线形变，其各节点为同一个平面内的不同位置；而自由折线变形则是指杆件受外力作用，形成有限折线形变，其各节点为同一个平面外的不同位置。

（四）弯曲变形弯曲变形是指受外力作用的杆件，形成有限的弯曲变形。

弯曲变形又可分为单层弯曲变形、多层弯曲变形和颠簸弯曲变形。

单层弯曲变形是指外力作用于杆件，从而形成单个弯曲圆环；多层弯曲变形是指外力作用于杆件，从而形成连续多圆环；而颠簸弯曲变形则是指外力作用于杆件，从而形成有一定深度的颠簸弯曲变形。

综上所述，杆件变形包括径向变形、轴向变形、折线变形和弯曲变形四类。

但实际应用中，还会有其他的复杂变形，比如螺旋变形、振荡变形等，其形式更为复杂，但是也是受外力作用而发生变形的现象。

在机械运动学中，对杆件的变形分析具有重要的意义。

第六章直梁弯曲弯曲变形是杆件比较常见的基本变形形式。

通常把以发生弯曲变形为主的杆件称为梁。

本章主要讨论直梁的平面弯曲问题，内容包括：弯曲概念和静定梁的力学简图；弯曲内力及内力图；弯曲应力和强度计算；弯曲变形和刚度计算。

其中，梁的内力分析和画弯矩图是本章的重点。

第一节平面弯曲的概念和力学简图一、弯曲概念和受力特点当杆件受到垂直于杆轴的外力作用或在纵向平面内受到力偶作用(图6-1)时，杆轴由直线弯成曲线，这种在外力作用下其轴线变成了一条曲线。

这种形式的变形称为弯曲变形。

工程上通常把以弯曲变形为主的杆件称为梁。

图 6-1 弯曲变形是工程中最常见的一种基本变形。

例如房屋建筑中的楼面梁和阳台挑梁，受到楼面荷载和梁自重的作用，将发生弯曲变形，如图6-2所示。

一些杆件在荷载作用下不仅发生弯曲变形，还发生扭转等变形，当讨论其弯曲变形时，仍然把这些杆件看做梁。

图6-2工程实际中常见到的直梁，其横截面大多有一根纵向对称轴，如图6-3所示。

梁的无数个横截面的纵向对称轴构成了梁的纵向对称平面，如图6-4所示。

图 6-3 图6-4若梁上的所有外力（包括力偶）作用在梁的纵向对称平面内，梁的轴线将在其纵向对称平面内弯成一条平面曲线，梁的这种弯曲称为平面弯曲，它是最常见、最基本的弯曲变形。

本章主要讨论直梁的平面弯曲变形。

从以上工程实例中可以得出，直梁平面弯曲的受力与变形特点是：外力作用于梁的纵向对称平面内，梁的轴线在此纵向对称面内弯成一条平面曲线。

二、梁的受力简图为了便于分析和计算直梁平面弯曲时的强度和刚度，需建立梁的力学简图。

梁的力学简图（力学模型）包括梁的简化、荷载的简化和支座的简化。

1、梁的简化由前述平面弯曲的概念可知，载荷作用在梁的纵向对称平面内，梁的轴线弯成一条平面曲线。

因此，无论梁的外形尺寸如何复杂，用梁的轴线来代替梁可以使问题得到简化。

例如，图6-1a和图6-2a所示的火车轮轴和桥式起重机大梁，可分别用梁的轴线AB代替梁进行简化（图6-1b和图6-2b）。