当前课程知识点:材料力学 > 第4章 弯曲内力 > 4-3 积分法求剪力和弯矩,利用q(x)、FS、M微分关系画剪力图和弯矩图 > 积分法求剪力和弯矩,利用q(x)、FS、M微分关系画剪力图和弯矩图
各位同学大家好
现在我们继续来学习用积分法
求梁的剪力和弯矩
我们来看下面的这个例题
现在我们有一个梁
两端我们可以看到它是属于简支的
是一个简支梁
但是这个梁出去一个歪把子
载荷作用在这个地方
水平的一个P力
让我们来画这个梁水平段
ABC上的弯矩图
好
根据平衡条件
我们很快的能够求出
这个地方的约束反力
P/6
是向下的
这个地方约束反力是向上的P/6
这边还有水平的
当然跟P是一样的
现在我们就根据它所受到的所有的外力
我们来画它的这个剪力图
由于这个梁段上没有分布载荷
所以它的这个剪力图就应该是一条水平线
在这个地方
我们可以看到最左端的这个面上
有向下的这个力
左上右下为正
这里向下就说明是负的
而且一直到这可以看看是向上的
也是负的
所以这个时候
它的剪力图很快可以画出来
是负的六分之P这样一条水平线
那如果我们现在按照
积分的几何意义来画这个弯矩图的话
我们说这边的是一个铰支的
没有一个集中力偶的作用
所以那里的弯矩就应该是多少
是0
那么这个时候我们来看看这边呢
是多少啊
也应该是0
如果我们就从零开始来画这个弯矩图的话
这个地方零开始
我们来看
从这儿到这儿
那它是一条水平线过来的
按照
这个弯矩
我们说
它应该等于
Fs沿着梁段进行积分的话
就是Fs这条线包围的面积
就觉得它应该是一条什么
有一条斜线
这个斜线呢
我们说是Fs来决定它的斜率
它是负的话
所以斜率应该是怎么样
从零开始
应该是这样
到哪里呀
到这边
好像一个斜率过来
对吧
那这个值是多少啊
我们说就应该包围的这个面积
包围的面积是多少
-P/6
长是多少啊
我们可以看到是6a
所以好像是应该到这儿
负的p/6乘以6a所以就是-pa
那我们来看看这样画对不对呢
我们来看这个地方
它也是一个滚动铰支座
那里也没有集中的外力偶
当然那里的弯矩是多少
是0
可是这么画出来
有问题了
那问题出在了哪儿呢
它的真实的弯矩图应该是怎样的
我们说它真实的弯矩图应该是这样的
到这儿有一个突变
这个斜率
我们可以看到跟这是一样的
它们是平行的
这边是零
应该是这样
为什么
我们来看一下
实际问题就出在这儿
这个力是作用在这个位置
我们说
对于这个梁段而言
它相当于怎样的外力呢
我们按照力线平移定理
我们把这个力平行的移动到B这个位置的话
那就应该附加一个力偶
所以这样一来的话
我们就看出来问题出在哪儿了
对吧
这样子画过来
到这个位置的时候
我们看到它应该怎么样
有突变
突变的值是多少啊
Pa
所以这样过来
再这样画就对了
因此这边那是多少
Pa/3
正的
这边呢
应该是到了
这是4a
P/6×4a就是2/3 Pa
这样一来
这个弯矩图才是正确的
所以
不能单纯的按照这个图说几何意义
没有考虑这个突变的话
那么画出来的结果可能就是错误的
这个就是我们讲这道题的意义
那我们来看一下
在B截面
这个B-截面和B+截面
它的内力是怎样的
这时候我们可以看到
在B-截面的时候
我们看到它的弯矩是弧箭头向下的
-2/3 Pa
那么在B+截面
在这个面的时候
这M是多少呢
要考虑它
所以对它取矩的话
我们可以看到
P×a-2/3Pa
所以这里就是1/3Pa
就和刚才是一样的了
这是我们讲的这个例子
接下来我们再来看一个
相对的受力比较复杂的一点的一个梁
我们来看看它的剪力图和弯矩图
借助积分过程来画
这时我们看到
约束在这个地方是简支的
但是呢
伸出去的梁段都有载荷作用
所以它是一个外伸梁
我们就按照它的内力
和分布载荷之间的这种微积分关系
来画剪力图和弯矩图
这个时候我们看到在这一段上有向下的
分布的这样的线性的载荷
在这个地方有斜着的一个集中力
在这个部分梁段作用有均匀分布的
向下的载荷
根据平衡条件
我们很快的可以求出这个地方的约束反力
这个地方的约束反力
27.5kN
37.5kN
很容易求出来
好啦
所有的外力都已经知道了
那么我们需要根据这些所有的外力作用的情况
来画剪力图
弯矩图
首先
我们来看
轴力图很简单
我们可以看到在这一段上
它是有轴力的
显然
它是受压
所以这个轴力很快可以算出来
受压
是负的30kN
这个大家没什么问题
我们也不必多讨论
我们关键是画剪力图和弯矩图
要画剪力图了
大家来看这个载荷
分布载荷它是一个变化的
它不是一个常量
所以
剪力图在这儿就应该是一个曲线
那这个曲线我们要确定它的什么
开口朝向问题
这个时候
剪力图在这儿到底是这个方向的
还是这个方向的
所以我们要看分布载荷q
它到底是递增的
还是递减的
如果它是递增的话
那就意味着
剪力它的二次导数是大于零的
如果它是递减的话
那么就是二次倒数就是小于零的
那你来看看这个q这样的分布
它是递增还是递减的
有同学说是递减的
好好想想是递减的吗
我们来看一下
它呢
都是箭头向下
都是负的
这个地方负的要多一点
是-2
到这个地方变成多少了
是0
所以随着x的增加
它从-2到了多少
到了0
所以它是一个
对了
应该是一个递增的
因此剪力图应该是什么样的
开口朝上
那么这个时候开口朝上
我们到底应该是怎么样画呢
我们画出x轴
那它到底开口朝上
是这样子的呢
还是这样子的呢
那么我们就要加以判断了
我们求求这个截面的
它的剪力是大于零的还是小于零的
我们在这个地方的
这个15-这个面上
我们用截面法截一下
研究左半段的话
那么它属于右端面
左上右下为正
所以右下
应该是正的
如果是这样的话
我们可以看到在载荷向下
那你要剪力也向下的话
那显然就平衡不了了
所以这个面上的剪力应该是什么样的
向上
向上就是什么
就是负的
根据平衡条件
跟这边儿的和应该是一样的
所以15×2再乘以二分之一三角形的面积
那它就应该是多少呢
-15
既然是-15的话
显然这一条
我们就毙掉了
应该是这样的一条曲线
好
我们再看
这地方就有了集中的外力作用
向上的27.5
所以剪力图就该有突变了
突变的值就是这个集中力的值
27.5
刚才我们求这是-15
这个时候向上应该有突变
突变27.5
所以到了这边就应该是多少啦
12.5了
没有分布载荷
所以它是一条什么
水平线
过来
然后到这儿
我们可以看到
又有向下的
集中力的作用
所以它会又有突变
突变了多少
突变了40
所以往下就变成多少了
应该是40-12.5
我们就可以看到这27.5
到了这一段
分布载荷又是零
没有分布载荷
所以它又是一条水平线
水平线过来
然后到这儿了
又有约束力
集中的外力作用
37.5
所以突变37.5
到上面是多少呢
就变成了10
从这儿到这儿没有分布载荷
所以又是一条水平线
现在
有了均布载荷了
那这个时候
剪力图应该是一条斜线
那这个斜线就要看q是正是负
来决定剪力图的它的斜率
向下显然是什么
应该是负的
所以斜线应该是这样子
是负的
应该是递减的
那到这里呢
我们看到在这边这一段
F到G这一段没有外力作用了
所以它的剪力是零
我们就可以画出来这样一条斜线
好
这就是我们画出来的什么
剪力图
看到了
就是这样
大家来把这个数再加上去
是吧
-1乘以这一段是多长
我们可以看到是10
刚好抵消了
这就是我们画出来的这个剪力图
接下来我们要来画弯矩图
我们来看一下这个弯矩的情况
q向下
毫无疑问
这意味着q是小于零的
因此M曲线的开口问题马上就决定了
q它小于零
开口向下
那么这个时候的弯矩图开口向下
这头(C点)我们看到没有一个集中力偶作用
所以从零开始画
开口朝下
那么我们开口朝下
既可以是一个这样的
也可以是一个这样的
一条曲线
那我们怎么来决定呢
我们就要来看这个截面上的
15-的那个截面上的弯矩应该是多少
所以我们看这力向下
是应该这样弯的
显然这个弯矩应该是负的
那这个值是多少呢
我们就看这些力对于这个截面的矩是多少
2×15再乘1/2
刚才看到了啊
应该是多少
是15
作用的位置呢
应该距这边1/3距这边2/3
所以这个距离
力臂是10
因此我们可以看到
求出来结果
-150
那么
我们就可以画出来
它这点的
开口朝下的
到这个值是150
就求出来了
而后
在这一段上q是等于0
所以剪力图是一条水平线
我们可以按照累加的这个面积
积分的几何意义吗
是面积
所以我们在这个基础上来累加这个面积
到这个位置
那是多少呢
12.5乘以这一段的长度
我们可以看到
187.5累加出来37.5
所以到这个截面的地方
它就变成37.5
是一条斜线
就画过来了
然后我们再来看后面这一段
没有分布的载荷
它是一条水平线
那弯矩图就应是一条斜线
所以我们再把这块面积继续累加
这是-27.5
乘以这一点儿的长度是它的面积
因此-27.5乘以5
-137.5
累加出来
-100
所以下来-100两点连线
是一条斜线
我们来看
从这儿到这个地方
又是没有分布载荷
所以弯矩图还是一条斜线
累加面积就从这儿到这儿
是多少的
是10
距离是多少
是5
所以10×5是50
累加起来
-50
因此我们可以看到
从-100到-50
画一条斜线
然后再往后就是有分布载荷了
均匀分布的
那么它q呢是向下
因此M曲线
它的开口呢
又是朝下
一直到这个地方就变成多少了呢
我们看到从这开始向右边没有外力的作用
当然内力就是零了
所以我们可以画出
从这儿到这儿
画一条
开口朝下的这样的一条曲线
那如果要累加
那也没问题
看看这块面积是多少啊
1/2底乘以高
所以我们可以看到1/2×10×10
50
累加起来零
没错
就是这样
这样一来
我们这个弯距图就画出来了
那如果我们要考虑到这个梁的变形的情况呢
如果弯矩是正的
它就这样变形
弯矩是负了它这样变形
所以我们可以看到这一块儿弯矩都是负的
所以它是怎么变形的
这样变形的
到了这个地方呢
弯矩是大于零的
所以它变形应该是这样的
这边那负的它这样变形
显然在等于0的地方
这个挠曲线就要出现拐点
如果我们考虑这个问题的话
我们就要看一看这些出现拐点的位置是在哪里
那么出现拐点的位置
我们看到就是弯矩等于0的地方
我们来算一下
假如说
在第一个拐点出现的地方
我们设它到这个地方的距离是x1的话
要让它弯矩等于0
我们可以看到这边的和
刚才已经看到了
是15
作用在这儿
那么
对这个x1截面如果取矩的话
就应该是多少呢
我们可以看到
距离这儿
从这儿到这是10
再加上x1
所以
这个地方我们可以看到15×(10+x1)
还有
这是x1
这个27.5对它也会有矩的作用
一个是向下对它取矩
是逆时针的
而这个27.5对它取矩是顺时针的
所以两个叠加起来要等于0
算出来x1=12
距离这个支座的这个距离是多少
是12米
那么第二个拐点的地方
这个地方
我们假设它到A的这个距离是多少呢
我们假设是x2
类似的
我们说这个时候弯矩应该等于0
所以我们可以看到
这边向下的-15要对这个x2截面
应该取矩了
而距离呢
这边是10
再加上x2
27.5对x2也是有矩的
27.5x2跟这方向相反
这是负的话
这个就是正的
然后这个时候谁进来了
集中力向下的40进来了
那么对它取矩呢
又是这个方向的
跟它方向一样
所以-40乘以多少
x2
还要减去多少呢
我们可以看到这个距离
要刨掉这个距离是多少
是15
所以乘以x2-15等于0
我们算出来
x2是16.36
也就说这个拐点距离这个位置是16.36
这样一来
我们就可以看出
大概的这个挠曲线的形状是怎样的
那你这一段弯矩是负的
所以它变形是这样子的
然后到这儿出现拐点
这一段弯矩是正的
它挠曲线应该是这样的
而后这边弯矩又是负的
所以看到挠曲线这个开口是向下的
我们又做了一点锦上添花的事情
这个就是我们继续介绍的
如何利用积分的方法来求解
剪力和弯矩
来画剪力图和弯矩图
谢谢大家
-1-1 材料力学的任务
--材料力学的任务
--第1-1节作业
-1-2 基本假设、内力、杆的基本变形
--第1-2节作业
-1-3 弹性杆受力的普遍情况与课程内容简介
-2-1 应力,轴力与轴力图,杆横截面上的正应力
--第2-1节作业
- 2-2 应变,杆斜截面上的应力
--第2-2节作业
- 2-3-1 材料的力学性能(一)
--第 2-3-1作业
- 2-3-2 材料的力学性能(二)
--第 2-3-2作业
-2-4-1 胡克定律、轴向变形和泊桑比
--第 2-4-1作业
-2-4-2 安全系数,许用应力,许用载荷
--第 2-4-2作业
-2-5-1 静不定(超静定)系统
--第 2-5-1作业
-2-5-2 静不定(超静定)系统(续)
--第 2-5-2节作业
-2-6 热应力和变形
--热应力和变形
--第 2-6节作业
-2-7 剪切和挤压
--剪切和挤压
--第 2-7节作业
-3-1 扭转,扭矩
--扭转,扭矩
--第 3-1节作业
- 3-2 剪应变,剪应力互等,剪切胡克定律
--第 3-2节作业
-3-3 受扭转构件横截面上的剪应力
--第 3-3节作业
- 3-4 扭转变形
--扭转变形
--第 3-4节作业
-3-5 扭转构件的设计 扭转静不定
--第 3-5节作业
-4-1 梁,平面弯曲,直接求解梁的内力
-4-2 剪力图和弯矩图及一些规律
--第 4-2节作业
-4-3 积分法求剪力和弯矩,利用q(x)、FS、M微分关系画剪力图和弯矩图
--积分法求剪力和弯矩,利用q(x)、FS、M微分关系画剪力图和弯矩图
--积分法求剪力和弯矩,利用q(x)、FS、M微分关系画剪力图和弯矩图
--第 4-3 节作业
-5-1 弯曲正应力
--弯曲正应力
--第 5-1节作业
-5-2 横截面关于中性轴的惯性矩
--第 5-2节作业
-5-3 梁的设计
--梁的设计
--第 5-3节作业
-5-4 弯曲剪应力
--弯曲剪应力
--第 5-4节作业
- 6-1 挠曲微分方程,边界条件
--第 6-1节作业
-6-2 积分法
--积分法
--第 6-2节作业
-6-3 静不定
--静不定
--第 6-3 节作业
-6-4 叠加法
--叠加法
--第 6-4节作业
-6-5 简单静不定梁
--简单静不定梁
--第 6-5节作业
- 7-1 二向应力状态(薄壁压力容器)、三向应力状态
--第 7-1节作业
-7-2 平面应力变换
--平面应力变换
--7-2 节作业
- 7-3 图解法-莫尔圆 广义胡克定律
--第 7-3节作业
-7-4 强度理论概述 断裂准则
--第 7-4节作业
-7-5 屈服准则
--屈服准则
--第 7-5节作业
-7-6 莫尔强度理论
--莫尔强度理论
--第 7-6节作业
- 8-1 关于两个主轴的弯曲
--第 8-1节作业
-8-2 拉压与弯曲的组合变形,直接剪力与扭转剪切的组合
--第 8-2节作业
-8-3 弹性设计
--弹性设计
--第 8-3节作业
-8-4 梁的弹性设计
--梁的弹性设计
--第 8-4节作业
-8-5 轴的强度设计(弯扭组合)
--轴的强度设计
--第 8-5节作业
-8-6 提高梁抗弯能力的措施
--第 8-6节作业
-9-1 屈曲 细长压杆的临界压力
--第 9-1节作业
-9-2 欧拉公式的适用范围,临界应力与长细比,经验公式
--第 9-2节作业
-9-3 提高压杆稳定性的措施
--第 9-3节作业
-10-1. 冲击,动荷系数
--冲击,动荷系数
--第 10-1节作业
-10-2. 用动静法求应力和变形 冲击韧性
--第 10-2节作业
- 11-1 交变应力、持久极限
--第 11-1节作业
-11-2 影响持久极限的因素
--第 11-2节作业
-11-3 疲劳强度
--疲劳强度
--第 11-3节作业
-12-1 应变能
--应变能
--第 12-1节作业
-12-2 互换定理
--互换定理
--第 12-2节作业
-12-3 卡氏定理,应用
--卡氏定理,应用
--第 12-3节作业
- 12-4 卡氏定理应用:虚构载荷法
--第 12-4节作业
- 12-5 虚功原理,单位载荷法,莫尔积分
--第 12-5节作业
-12-6 图乘法
--图乘法
--第12-6节作业
- 13-1 静不定结构、正则方程(一次静不定)
--第 13-1节作业
- 13-2 正则方程(高次静不定系统)
--第 13-3 节作业
-13-3 利用对称性与反对称性分析静不定结构
--第 13-4节作业