当前课程知识点:材料力学 > 第六章 弯曲变形 > 6-1 挠曲微分方程,边界条件 > 挠曲微分方程,边界条件
各位同学大家好
我们来学习梁变形的相关分析计算
首先我们要来推导梁它的挠曲微分方程
而后我们来看直接的求解的方法
在这里我们还是来研究所谓的平面弯曲的情况
也就是说这个梁它具有纵向的对称面
而载荷
或者讲所有的力也都是作用在这个
纵向对称面里边的情况
这个时候我们讲它的这个轴线
这条直线就会产生弯曲变形
形成一条曲线
这个曲线我们说
还是依然落在了这个纵向对称面里边
这个就叫平面弯曲
那么梁上某一个位置
也就是说距离啊这端好比说X位置的截面上
它轴线上一点产生的横向的位移
我们定义为梁在这个位置时候的挠度
它的正方向就与Y方向的正方向是一致的
或者讲和这个地方
作用的分布载荷的正方向是一致的
也就是说位移向上为正
挠度向上为正
反之为负
梁变形以后
它的轴线
那个曲线我们就称之为挠曲线
因为什么我们讲横向位移是什么是挠度
所以我们管它叫做
挠曲线
接下来我们要看看怎么样来对它进行求解
说我们说可以用积分的方法
来直接进行求解
我们来看一下
也就是这个时候我们得到的
挠度的它的方程是一个微分方程
我们用积分法可以对它进行求解
我们来看一下
有关梁受了力以后
可以看到它的弯矩和它的曲率之间
有这样的一个关系
这时候我们说那时候我们分析出来的
是对应的纯弯曲的情况
我们能不能用到一般的这个有横向力
也就有剪力的时候
剪力弯曲的情况
一般情况下这个剪力引起来的这个弯曲也是有的
但是它相对于弯矩引起来的那个变形通常是小的
除非这个梁它的跨度是比较小
而截面又比较窄又比较高的时候
那么剪力引起的弯曲我们才要予以考察
通常情况我们说它相对于弯矩引起来的
它是小量我们可以给它忽略掉
因此纯弯曲时候的这个公式
我们依然可以使用
只不过现在这个弯距由于有剪力的存在
所以M它是截面X的一个函数
这里我们把M按照Mx代进去
就可以了
好了
有了这个关系说
现在还没有看到它们之间是一个
和挠度有关的一个微分关系
不着急我们来看一下
在数学上
我们讲一点的
它的曲率实际上是可以用这个公式来表示的
这里我们讲挠度是用W来表示
这个W它是一个什么
我们讲是挠曲线吗它显然是X的函数
这一条曲线它的曲率
按照数学的定义就应该是W的二次导数
看到啦 与谁的比
1加上它关于x的一次导数的平方
在整个3/2次方这两者的比
显然我们可以看到它是怎么样
由于这二又3/2次方又平方可以看到它是一个什么
非线性的
说那怎么求解呀
求解起来岂不是很麻烦吗
注意了
我们现在材料力学研究的是什么
构件是小变形的情况
所以对一个梁
比如说我们看到的这种简支梁
如果它受有载荷的话
那它是一个什么小变形的情况
所以它的这个变形都是很小的
都是很小的
变形很小的话大家来看它在一个位置的它的什么
这条挠曲线它的斜率也就很小
它的斜率是什么
我们讲就是什么
关于X的一次导数
所以它的平方相对于一而言就是一个小量
相对一而言是小量的话
因此这一项就可以怎么样
给它忽略不计了
这个时候我们看到就从非线性变成什么
变成线性的了
这就是我们要推导出来的那个叫什么
挠曲线微分方程
现在我们看到还有一个问题是什么
说这还有一个什么正负的问题
到底是取正还是取负
我们还看这个挠曲线的情况
如果这个时候我们对梁的作用
发现它的横截面上的弯距是什么是正的话
它应该是这样子的变形
是吧
是这样子的变形
在X位置的时候我们看到它的挠度是这么大
这个时候挠曲线的斜率我们看到应该是这个
是吧
这时候我们可以看到
我们给它记成θ就是dw dx
我们再来看
随着X的增加
到了这个地方以后
那它的这个斜率变成什么样
我们可以看到变成了这样
是吧
所以它跟X轴之间的夹角
也就是说它的斜率了
那是应该怎么样我们看到它是增加的
所以这个W一撇一次导数
它是随着X是怎么样
是递增的
因此这个二次导数我们可以看到M是正的话
那它递增的话
显然这时候应该取什么
应该取正号
因此我们可以得到了
d^2w/ dx^2=M(x)/EI
对于一个梁而言
它受了怎样的力
我们讲截面上的弯矩我们是可以求出来的
一个确定的梁
它的材料也是确定的
它的截面尺寸也是确定的
因此它的弯曲刚度也是确定的
产生了怎样的变形就是确定的
所以我们可以求得它的变形的情况
这是我们讲的挠曲微分方程
注意它是以弯矩的形式来表示的
那现在我们来看看
刚才说了这是它曲线的斜率
我们给它记成了θ这个θ表示这一点
它的切线和X轴之间的夹角
我们说它也是这个梁横截面
随着梁的变形
轻轻的发生了转动
转动了多少角
为什么
我们来看这条线这条线是什么
是开始梁的轴线在这个地方
那么它这是横截面的位置跟它是垂直的
现在这个轴线变成了这样的挠曲线
轴线的方向现在是这个切线的方向
横截面跟它垂直
因此我们可以看到就是这个斜率
就表现了什么
截面
转动了多少角
所以有关梁横截面
它的转角是多少
我们可以看到就是θ
就是挠度关于X的一次导数
好了
除此之外
如果我们注意到弯矩和剪力以及和分布载荷的
它们之间的这个
微分关系的话
我们还可以得到其它形式的挠曲线微分方程
弯矩关于X的一次导数就应该等于剪力是吧
而剪力关于X的一次导数
我们说等于分布载荷
也就是说弯矩关于X的二次导数
就是等于分布载荷
我们把这个关系带到刚才的
这个挠曲微分方程的话
因此就可以得到了剪力
等于弯矩关于x的导数就应该等于什么
等于EIW"整个再关于X再求一次导
同样道理 q(x)也就等于EIW两次导数
而后整体再二次导数
这是一般的情况
也就是说这个梁它的弹性模量
可能是这一段是一种弹性模量
那一段是另外一种材料
就是另外一个弹性模量
是吧
那么这个时候它的梁可能这边粗那边细
因此这个I也是随着X在变化
所以这是最一般的情况
如果我们碰到那个梁
它是一个等直的
又是同一种材料制成的话
所谓的它的弯曲刚度是EI是一个常数的话
那么它EI就跟X是无关了
这个时候挠曲微分方程我们就可以写成这样
写成这样
我们分别管它叫做什么
这是
二次导数的是吧
这是什么
三次四次的
我们说它在这个力学上
它们的价值应该是相同的
地位是相同的
我们用任何一个方程求解都是OK的
都是可以的
只不过我们用的更多的是哪个是二阶的这个
和四阶的这个
因为弯矩求起来也方便
分布载荷也知道一眼就看到了
是吧
所以用这两个是比较多的
那接下来这个微分方程的求解
大家都应该知道了
数学上都学过了
我们可以直接用积分的方法对它进行分析求解
积分一次出现一个什么积分常数
再积分一次又出现一个积分常数
那这两个积分常数我们说
就要有相应的这个梁
它受了怎样的约束
所以就是所谓的边界条件来确定
那下面我们就来看看
经常见到的一些边界条件
比如说我们看到这种边界条件
大家都知道了它是什么
对了
固定端约束
也就是说在X=a的时候
这个地方
它固定住了
所谓的固定住意味着什么
它这儿上下能动吗
不能动
它能这个截面能这样来回转动
也不能固定住了
你就老老实实呆在那不能动
所以我们可以看到它的边界条件就是什么
上下不能动也就这一点的挠度是多少
是0
x=a的时候挠度等于0
这个截面固定住了不能这样来回转动
所以也就是什么
我们讲的θ=0
θ=0是什么
就是挠度在这的一次导数等于0
再比如说这个经常见到的边界条件是什么
铰支
那么在这儿铰支的话
我们可以看到这上下是不能动的
所以在x=a的时候挠度等于0
由于是铰支在这里的转动是不受限制的
不受限制我们可以看到
也就说这里边有什么有弯矩吗
没有
所以边界条件我们可以看到就应该是
挠度等于0
在这里的弯距等于0
弯矩等于0又意味着什么
实际上就是指的挠度
在这的二次导数应该等于0
这是我们所说的铰支约束
再来看
自由端
x=a的时候它是自由的不受任何限制
不受任何限制那它有约束力吗
没有
没有约束力意味着什么
在这里可以看到这儿
你上下
随便动
所以这个时候我们可以看到这里的
这个方向的约束力是为0
这个方向
对于梁而言是什么内力
对了剪力得0
在这截面你要看它受力
以后随便这个转
随着力的大小转
这里边不受限制你可以这样的随便转
那这个时候这个截面的什么
它的弯距也应该等于0
所以我们可以看到弯距等于0
剪力等于0这个(EIW'')'=0
这个EIW"等于0
这就是我们所说的自由端约束
前面那个是我们经常可以看到的约束类型
我们现在再看一个这个 这是什么
我们叫导轨
导轨这时候我们可以看到这个梁在这一端
和它是焊死的
这个导轨在这儿上下是可以动的
滚子是吧
上下可以动
但是它跟这不能分开焊死了
因此上下可以自由的动
上下没有力的约束
因此在这个地方它的剪力就应该等于0
但是由于焊死了它这直直的
所以这个截面你不可以转来转去
所以这个时候它截面的转角等于0
w'=0
剪力等于0
(EIw")'=0
这是我们介绍的一些常见的
这样的一个约束的情况
所写出来的边界条件
下面大家回去去看一下
想一下
我们经常看到的这个支撑
它是一种弹性支撑
比如说梁在这个地方弹性支撑
那么这个弹性支撑的刚度
我们可以给它写成什么
可以写成K那你说这点的边界条件
应该怎么写是吧
它能不能有挠度
你想想弹性支撑这点是可以有变形的
是吧
那它有了挠度它会受怎样的力
这个力跟这个什么关系
同时你要注意一下这个方向
注意一下正负
应该是怎样的挠度
如果是正的话它受什么力
是吧
这样子来想的话你就可以写出它的什么
它的边界条件了
这个留给大家课后思考
这些就是我们今天给大家介绍的挠曲微分方程
以及要求解挠曲微分方程
所需要的我们常见的这些边界
对应的边界条件是怎样的
这就是我们这一讲的内容
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