工程力学第12章弯曲变形
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《工程力学Ⅰ》课程教学大纲课程编号:125111 学分: 4 (4学时/周) 总学时:68大纲执笔人:陈洁大纲审核人:王斌耀一、课程性质与目的工程力学(Ⅰ)(包括静力学、材料力学两部分)是土木工程专业的一门重要的技术基础课,它是各门后续课程的基础,并在许多工程技术领域中有着广泛的应用。
本课程的目的是使学生掌握静力学中一般力系的简化与平衡问题的分析介绍方法;掌握材料力学中构件在拉、压、剪切、扭转和弯曲时的强度与刚度问题的分析计算方法,构件在组合变形时的强度与刚度问题的分析计算方法,以及构件在受压时稳定性问题的分析计算方法等;掌握材料的基本力学性能和基本的材料力学实验方法;初步学会应用基本概念、基本理论和基本分析方法去分析问题和解决问题,为学习一系列后继课程打好必要的基础。
同时结合本课程的特点培养学生分析、解决工程实际问题的能力,提高学生的综合素质。
二、课程基本要求1、掌握力的概念、力的投影和力矩的计算;2、掌握力系简化的方法和一般的简化结果;3、掌握刚体静力学的平衡条件和平衡方程;4、对材料力学的基本概念和基本的分析方法有明确的认识。
5、具有将简单受力杆件简化为力学简图的初步能力,具有力学建模的初步概念与能力。
6、能熟练地做出杆件在基本变形下的内力图、计算其应力和位移、并进行强度和刚度计算。
7、对应力状态理论和强度理论有明确的认识,并能将其应用于组合变形下杆件的强度计算。
8、理解掌握简单超静定问题的求解方法。
9、对能量法的有关基本原理有明确认识,并熟练地掌握一种计算位移的能量方法。
10、对压杆的稳定性概念有明确的认识,能熟练计算轴向受压杆的临界载荷与临界应力,并进行稳定性校核等计算。
11、掌握质点系的质心、刚体的转动惯量、惯性积、惯性主轴和惯性积的平行移轴公式;掌握截面的静矩,形心的位置,惯性矩和惯性积及它们的平行移轴公式,转轴公式。
组合截面的惯性矩、惯性积计算,截面的形心主惯性轴和形心主惯性矩的计算11、对于常用材料在常温下的基本力学性能及其测试方法有初步认识。
教学设计三杆件弯曲受力分析计算在学习绘制杆件弯曲受力分析图后,我们来学习一下杆件的弯曲受力分析计算,即我们杆件弯曲时在横截面上产生的弯曲正应力和弯曲剪应力的计算。
问题一,杆件弯曲横截面正应力计算问题梁在弯曲变形时,梁轴线方向截面纤维曲线,下部拉伸变长,上部压缩变短。
我们选取杆件的某段横截面,其截面上某处的微分段面积dA如图8.2所示。
由该截面的积分得到,截面为弯矩M大小为公式8.1。
(公式8.1)根据广义胡可定律得到公式8.2与弯曲应变几何条件分析公式8.3得到公式8.4。
(公式8.2)(公式8.3)(公式8.4)其中,ρ为梁弯曲的曲率半径。
将公式8.4和8.1合并得到公式8.5。
(公式8.5)分析公式8.5,其中:为截面绕Z轴的惯性矩。
公式8.5变形为8.6。
ρρρρρεyydxdx==-+=∆=dθdθdθdθy)dθ(⎰⋅=AyM dAσεσ⋅=EρεσyEE==⎰⎰⎰=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⋅=AA AyEyyEyM dAdAdA2ρρσZAIy=⎰dA2(公式8.6)将公式8.6与公式8.4合并,得到公式8.7(公式8.7)公式8.7为杆件弯曲截面上弯曲正应力一般计算公式。
如图8.2所示,y 为惯性轴到所计算应力位置的距离,分析公式我们发现当y 为0时,截面正应力为零,当y 等于截面高度一半时,截面正应力最大,说明在杆件中间有一条纤维线在受力弯曲时既不拉伸变长也不压缩变短,我们称这条纤维曲线为杆件的中性轴,此轴所在的水平层称为中性层,而在杆件截面上下边缘处,存在最大弯曲拉应力和最大弯曲压应力,也就是极值问题的出现。
我们引入新的物理量W ,抗弯截面模量,它的计算式为8.8。
(公式8.8)公式8.7可以化简为极值公式8.9。
(公式8.9)例题分析讲解 【例1】图8.3所示,悬臂矩形截面杆件,截面O 1上有A 、B 、C 、D 点,求它们的弯曲正应力。
【解】计算悬臂梁的弯矩计算梁截面的惯性矩计算抗弯截面模量 计算各点的正应力yIW Z=m kN 6.488.130212⋅=⨯⨯=M 001067.0124.02.01233=⨯==bh I 00533.0124.02.0622=⨯==bh W Z WM Z =σZZ I E M ⋅=ρ1y I M ZZ=σ(拉)MPa 12.900533.06.48===Z Z a W M σ(压)m 9.12kN a d ⋅=-=σσ0b =σ(压)4.55MPa 0.1106700.06.48b c =⨯==y I M Z Z σ问题二,杆件弯曲横截面剪应力计算问题与弯曲正应力不同,在截面上各点的弯曲剪应力指向相同,不论是否在中性层的上侧还是下侧;在同一剪力段,同一层的各点剪应力大小相同。
一、单选题1、研究梁的变形的目的是()。
A.进行梁的正应力计算B.进行梁的刚度计算C.进行梁的稳定性计算D.进行梁的剪应力计算正确答案:B2、图示圆截面悬臂梁,若直径d增大1倍(其它条件不变),则梁的最大正应力、最大挠度分别降至原来的()。
A.1/2 1/4B.1/4 1/8C.1/8 1/8D.1/8 1/16正确答案:D3、下面关于梁、挠度和转角的讨论中,正确的结论是()。
A.挠度最大的截面转角为零B.挠度最大的截面转角最大C.转角为零的截面挠度最大D.挠度的一阶导数等于转角正确答案:D4、已知两悬臂梁的抗弯截面刚度EI相同,长度分别为l和2l,在自由端各作用F1和F2,若二者自由端的挠度相等,则F1/F2=()。
A.2B.4C.6D.8正确答案:D5、梁上弯矩为零处()。
A.梁的转角一定为零B.梁的挠度一定为零C.挠度一定为零,转角不一定为零D.梁的挠曲线的曲率一定为零正确答案:D6、已知等直梁在某段上的挠曲轴方程w(x)=–Cx4,C为常量,则在该段梁上()。
A.分布载荷是x的一次函数B.分布载荷是x的二次函数C.无分布载荷作用D.有均匀分布载荷作用正确答案:D7、在等直梁弯曲变形中,挠曲线曲率最大值发生在()。
A.剪力最大处B.转角最大处C.弯矩最大处D.挠度最大处正确答案:C8、材料相同的(a)悬臂梁和(b)悬臂梁,长度也相同,在自由端各作用2P和P,截面形状分别是b(宽)×2b(高)、b×b。
关于它们的最大挠度正确的是()。
A.(a)梁最大挠度是(b)梁的1/4倍B.(a)梁最大挠度是(b)梁的1/2倍C.(a)梁最大挠度与(b)梁的相等D.(a)梁最大挠度是(b)梁的2倍正确答案:A9、已知简支梁的EI为常数,在梁的左端和右端分别作用一力偶m1和m2今欲使梁的挠曲线在x=l/3处出现一拐点,则比值m1/m2为()。
A.2B.3C.1/2D.1/3正确答案:C10、两根梁尺寸,受力和支承情况完全相同,但材料不同,弹性模量分别为E1和E2,且E1=7E2,则两根梁的挠度之比y1/y2为()。
班级:学号:姓名:《工程力学》弯曲变形测试题一、判断题(每小题2分,共20分)1、梁弯曲变形后,最大转角和最大挠度是同一截面。
(×)2、不同材料制成的梁,若截面尺寸和形状完全相同,长度及受力情况也相同,那么这两根梁弯曲变形时,最大挠度值相同。
(×)3、EI是梁的抗弯刚度,提高它的最有效、最合理的方法是改用更好的材料。
(×)4、梁的挠曲线方程随弯矩方程的分段而分段,只要梁不具有中间铰,则梁的挠曲线仍然是一条光滑、连续的曲线。
(√)5、梁弯曲后,梁某点的曲率半径和该点所在横截面位置无关。
(×)6、梁上有两个载荷,梁的变形与两个载荷加载次序无关。
(√ )7、一般情况下,梁的挠度和转角都要求不超过许用值。
(√ )8、在铰支座处,挠度和转角均等于零。
(×)9、绘制挠曲线的大致形状,既要根据梁的弯矩图,也要考虑梁的支撑条件。
(√ )10、弯矩突变的截面转角也有突变。
(×)二、单项选择题(每小题2分,共20分)1、梁的挠度是(B )。
A. 横截面上任一点沿梁轴方向的位移B. 横截面形心沿垂直梁轴方向的位移C. 横截面形心沿梁轴方向的线位移D. 横截面形心的位移2、在下列关于挠度、转角正负号的概念中,(C)是正确的。
A. 转角的正负号与坐标系有关,挠度的正负号与坐标系无关B. 转角的正负号与坐标系无关,挠度的正负号与坐标系有关C. 转角和挠度的正负号均与坐标系有关D. 转角和挠度的正负号均与坐标系无关3、挠曲线近似微分方程在(D )条件下成立。
A. 梁的变形属于小变形 B .材料服从胡克定律C. 挠曲线在xoy平面内D. 同时满足A、B、C4、等截面直梁在弯曲变形时,挠曲线的最大曲率发生在(D )处。
A. 挠度最大B. 转角最大C. 剪力最大D. 弯矩最大5、应用叠加原理求梁横截面的挠度、转角时,需要满足的条件有(C )A. 梁必须是等截面的B. 梁必须是静定的C. 变形必须是小变形;D. 梁的弯曲必须是平面弯曲6、两简支梁,一根为钢、一根为铜,已知它们的抗弯刚度相同。
第8章 弯曲变形本章要点【概念】平面弯曲,剪力、弯矩符号规定,纯弯曲,中性轴,曲率,挠度,转角。
剪力、弯矩与荷载集度的关系;弯曲正应力的适用条件;提高梁的弯曲强度的措施;运用叠加法求弯曲变形的前提条件;截面上正应力分布规律、切应力分布规律。
【公式】 1. 弯曲正应力 变形几何关系:yερ=物理关系:Ey σρ=静力关系:0N AF dA σ==⎰,0y AM z dA σ==⎰,2zz AAEI EM y dA y dA σρρ===⎰⎰中性层曲率:1MEIρ=弯曲正应力应力:,My Iσ=,max max z M W σ=弯曲变形的正应力强度条件:[]maxmax zM W σσ=≤ 2. 弯曲切应力矩形截面梁弯曲切应力:bI S F y z z S ⋅⋅=*)(τ,A F bh F S S 2323max ==τ工字形梁弯曲切应力:dI S F y z z S ⋅⋅=*)(τ,A F dh F S S ==max τ圆形截面梁弯曲切应力:bI S F y z z S ⋅⋅=*)(τ,A F S 34max =τ弯曲切应力强度条件:[]ττ≤max3. 梁的弯曲变形梁的挠曲线近似微分方程:()''EIw M x =-梁的转角方程:1()dwM x dx C dx EIθ==-+⎰ 梁的挠度方程:12()Z M x w dx dx C x C EI ⎛⎫=-++ ⎪⎝⎭⎰⎰ 练习题一. 单选题1、 建立平面弯曲正应力公式zI My /=σ,需要考虑的关系有()。
查看答案A 、平衡关系,物理关系,变形几何关系B 、变形几何关系,物理关系,静力关系;C 、变形几何关系,平衡关系,静力关系D 、平衡关系, 物理关系,静力关系;2、 利用积分法求梁的变形,不需要用到下面那类条件()来确定积分常数。
查看答案A 、平衡条件B 、边界条件C 、连续性条件D 、光滑性条件3、 在图1悬臂梁的AC 段上,各个截面上的()。
工程力学中的弯曲应力和弯曲变形问题的探究与解决方案引言:工程力学是研究物体受力和变形规律的学科,其中弯曲应力和弯曲变形问题是工程力学中的重要内容。
本文将探讨弯曲应力和弯曲变形问题的原因、计算方法以及解决方案,旨在帮助读者更好地理解和应对这一问题。
一、弯曲应力的原因在工程实践中,当梁、梁柱等结构承受外力作用时,由于结构的几何形状和材料的力学性质不同,会导致结构发生弯曲变形。
弯曲应力的产生主要有以下几个原因:1. 外力作用:外力作用是导致结构弯曲的主要原因之一。
例如,悬臂梁受到集中力的作用,会导致梁的一侧拉伸,另一侧压缩,从而产生弯曲应力。
2. 结构几何形状:结构的几何形状对弯曲应力有直接影响。
例如,梁的截面形状不均匀或不对称,会导致弯曲应力的分布不均匀,从而引起结构的弯曲变形。
3. 材料力学性质:材料的力学性质也是导致弯曲应力的重要因素。
不同材料的弹性模量、屈服强度等参数不同,会导致结构在受力时产生不同的弯曲应力。
二、弯曲应力的计算方法为了准确计算弯曲应力,工程力学中提出了一系列的计算方法。
其中最常用的方法是梁的弯曲方程和梁的截面应力分析。
1. 梁的弯曲方程:梁的弯曲方程是描述梁在弯曲过程中受力和变形的重要方程。
根据梁的几何形状和受力情况,可以得到梁的弯曲方程,并通过求解该方程,计算出梁在不同位置的弯曲应力。
2. 梁的截面应力分析:梁的截面应力分析是通过分析梁截面上的应力分布情况,计算出梁在不同位置的弯曲应力。
该方法根据梁的几何形状和材料的力学性质,采用静力学平衡和弹性力学理论,计算出梁截面上的应力分布,并进一步得到梁的弯曲应力。
三、弯曲变形问题的解决方案针对弯曲变形问题,工程力学提出了一系列的解决方案,包括结构改进、材料选择和加固措施等。
1. 结构改进:对于存在弯曲变形问题的结构,可以通过改进结构的几何形状,增加结构的刚度,从而减小结构的弯曲变形。
例如,在梁的设计中,可以增加梁的截面尺寸或改变梁的截面形状,以增加梁的抗弯刚度。
工程力学中的悬臂梁受力和弯曲变形问题的分析与计算方法总结和应用悬臂梁是工程力学中常见的结构,广泛应用于桥梁、楼房等建筑物中。
在设计和施工过程中,了解悬臂梁的受力和弯曲变形问题是非常重要的。
本文将对悬臂梁的受力和弯曲变形进行分析,并总结计算方法的应用。
首先,我们来看悬臂梁的受力问题。
悬臂梁在受到外力作用时,会产生弯矩和剪力。
弯矩是指梁上各截面的内力矩,剪力则是指梁上各截面的内力。
悬臂梁的受力分析可以通过力的平衡条件和应力应变关系来进行。
在计算弯矩时,可以采用弯矩图的方法。
首先,根据悬臂梁的几何形状和受力情况,确定悬臂梁上各截面的受力状态。
然后,根据悬臂梁的几何形状和受力情况,绘制出悬臂梁的弯矩图。
弯矩图可以直观地反映出悬臂梁上各截面的弯矩大小和分布情况。
通过弯矩图,可以计算出悬臂梁上任意一点的弯矩值。
在计算剪力时,可以采用剪力图的方法。
剪力图是指悬臂梁上各截面的剪力大小和分布情况。
通过剪力图,可以计算出悬臂梁上任意一点的剪力值。
剪力图的绘制方法与弯矩图类似,只需要将受力状态和几何形状绘制在图上即可。
其次,我们来看悬臂梁的弯曲变形问题。
悬臂梁在受到外力作用时,会发生弯曲变形。
弯曲变形是指悬臂梁在受力作用下,横截面发生的变形。
悬臂梁的弯曲变形可以通过应力应变关系和位移分析来进行。
在计算弯曲变形时,可以采用弹性力学理论中的梁的弯曲理论。
根据梁的弯曲理论,可以得到悬臂梁上各截面的弯曲曲率和弯曲角。
通过弯曲曲率和弯曲角,可以计算出悬臂梁上任意一点的位移值。
位移值可以用来评估悬臂梁在受力作用下的变形情况。
除了受力和弯曲变形问题的分析,我们还可以应用计算方法来解决实际工程问题。
例如,在桥梁设计中,我们可以通过计算方法来确定悬臂梁的截面尺寸和材料选择。
在楼房设计中,我们可以通过计算方法来评估悬臂梁的受力和变形情况,从而确定合适的结构方案。
总之,悬臂梁的受力和弯曲变形问题是工程力学中的重要内容。
通过分析和计算方法的应用,我们可以更好地理解悬臂梁的受力和变形规律,为实际工程问题的解决提供理论依据和技术支持。
工程力学中的弯曲与扭转弯曲与扭转是工程力学中的两个重要概念,它们在实际工程中具有广泛的应用。
本文将从弯曲和扭转的基本原理、力的作用形式以及应用案例等方面进行详细的论述。
一、弯曲的基本原理弯曲是指在外力作用下,构件产生曲率变形的现象。
在弯曲过程中,构件的上部受拉,下部受压。
弯曲力会使构件的曲率发生变化,从而引起构件的弯曲变形。
弯曲力可以分为集中力和分布力两种形式。
集中力是指作用在构件的一个或多个离散点上的力,而分布力是指作用在构件的一段或整个长度上的力。
在计算弯曲力和弯曲变形时,需要根据具体情况选择适合的计算方法。
二、扭转的基本原理扭转是指在外力作用下,构件沿其纵轴线方向发生旋转的现象。
扭转力作用在构件的横截面上,使构件发生扭转变形。
扭转力的作用形式包括集中力和分布力两种。
集中力是指作用在构件的一个或多个离散点上的力,而分布力是指作用在构件的一段或整个长度上的力。
在计算扭转力和扭转变形时,需要考虑力的大小和作用位置等因素。
三、弯曲与扭转的应用案例在实际的工程应用中,弯曲与扭转经常同时出现,且相互影响。
下面将介绍一些常见的应用案例。
1. 梁的弯曲与扭转在建筑和桥梁工程中,梁是经常用到的结构构件。
在悬臂梁和连续梁等结构中,梁的自重和集中荷载都会对构件产生弯曲和扭转变形。
因此,在设计梁的时候,需要考虑弯曲和扭转对构件的影响,确保结构的安全性和稳定性。
2. 轴的弯曲与扭转轴是一种常见的旋转运动传动元件,其内部承受扭矩和弯矩的作用。
当轴承受到扭矩时,会发生扭转变形;当轴受到弯矩时,会发生弯曲变形。
因此,在轴的设计和选材时,需要充分考虑扭转和弯曲对轴的影响,以保证轴的工作性能和寿命。
3. 圆柱壳的弯曲与扭转圆柱壳是一种常见的结构形式,例如压力容器和管道等。
在受到内外压力和温度变化等作用下,圆柱壳会发生弯曲和扭转变形。
因此,在圆柱壳的设计和制造过程中,需要综合考虑弯曲和扭转对结构的影响,确保其安全可靠。
四、总结弯曲和扭转是工程力学中重要的概念,对于工程结构的设计和分析具有重要意义。