梁的剪力图与弯矩

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,TSINGHUA UNIVERSITY,工程力学,(2)-,材料力学,下一章,返回,总目录,2024年10月8日,第,5,章,梁的弯曲剪力图与弯矩图,庄 茁,蒙民伟科技大楼,N501,室,62783014,，,zhuangz,辅导教师：宇慧平副教授,(62773780),助教博士生：王涛，刘凤仙,(62773780),N504,室,杆件承受垂直于其轴线的外力或位于其轴线所在平面内的力偶作用时，其轴线将弯曲成曲线，这种受力与变形形式称为,弯曲,（,bending,）。主要承受弯曲的杆件称为,梁,（,beam,）。,在外力作用下，梁的横截面上将产生剪力和弯矩两种内力。,在很多情形下，剪力和弯矩沿梁长度方向的分布不是均匀的。,对梁进行强度计算，需要知道哪些横截面可能最先发生失效，这些横截面称为危险面。弯矩和剪力最大的横截面就是首先需要考虑的危险面。研究梁的变形和刚度虽然没有危险面的问题，但是也必须知道弯矩沿梁长度方向是怎样变化的。,第,5,章,梁的剪力图与弯矩图,弯曲时，由于横截面上应力非均匀分布，失效当然最先从应力最大点处发生。因此，进行弯曲强度计算不仅要考虑内力最大的“危险截面”，而且要考虑应力最大的点，这些点称为“危险点”。,绝大多数细长梁的失效，主要与正应力有关，剪应力的影响是次要的。本章将主要确定梁横截面上正应力以及与正应力有关的强度问题。,本章首先介绍如何建立剪力方程和弯矩方程；怎样根据剪力方程和弯矩方程绘制剪力图与弯矩图，讨论载荷、剪力、弯矩之间的微分关系及其在绘制剪力图和弯矩图中的应用；然后应用平衡、变形协调以及物性关系，建立确定弯曲的应力和变形公式；最后介绍弯曲强度设计方法。,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,工程中的弯曲构件,剪力方程与弯矩方程,载荷集度、剪力、弯矩之间的微分关系,梁的内力及其与外力的相互关系,剪力图与弯矩图,刚架的内力与内力图,结论与讨论,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,工程中的弯曲构件,返回,返回总目录,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,工程中可以看作梁的杆件是很多的,:,桥式吊车的大梁可以简化为两端饺支的简支梁。在起吊重量,(,集中力,F,P,),及大梁自身重量,(,均布载荷,q,),的作用下,，,大梁将发生弯曲。,工程中的弯曲构件,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,工程中可以看作梁的杆件是很多的,:,石油、化工设备中各种直立式反应塔，底部与地面固定成一体，因此，可以简化为一端固定的悬臂梁。在风力载荷作用下，反应塔将发生弯曲变形。,工程中的弯曲构件,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,工程中可以看作梁的杆件是很多的,:,火车轮轴支撑在铁轨上，铁轨对车轮的约束，可以看作铰链支座，因此，火车轮轴可以简化为,两端外伸梁,。由于轴自身重量与车厢以及车厢内装载的人与货物的重量相比要小得多，可以忽略不计，因此，火车轮轴将发生弯曲变形。,工程中的弯曲构件,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,屋面梁上的孔为什么开在中间？上、下两边各开一个半圆孔可以吗？,工程中的弯曲构件,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,梁为什么做成变截面的？,孔开在哪里最合理,?,梁为什么可以开孔？,工程中的弯曲构件,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,工程中的弯曲构件,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,工程中的弯曲构件,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,工程中的弯曲构件,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,工程中的弯曲构件,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,梁的内力及其与外力的相互关系,返回,返回总目录,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,梁的内力及其与外力的相互关系,应用平衡的概念和截面法，不仅可以确定梁上任意横截面上的内力,剪力和弯矩，而且可以确定剪力和弯矩沿梁长度方向的变化规律。,平衡包括：整体平衡和局部平衡。,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,刚体平衡概念的扩展和延伸：总体平衡，则其任何局部也必然是平衡的。,总体平衡与局部平衡的概念,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,刚体平衡概念的扩展和延伸：总体平衡，则其任何局部也必然是平衡的。,总体平衡与局部平衡的概念,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,应用截面法可以确定杆件任意横截面上的,内力分量,用假想截面从所要求的截面处将杆截为两部分,考察其中任意一部分的平衡,由平衡方程求得横截面的内力分量,F,Q,M,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,应用截面法和平衡的概念，不难证明：当梁上的外力（包括载荷与约束力）沿杆的轴线方向发生突变时，剪力和弯矩的变化规律也将发生变化。,所谓外力突变，是指有集中力、集中力偶作用，以及分布载荷间断或分布载荷集度发生突变的情形。,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,某一截面上的内力与作用在该截面一侧局部杆件上的外力相平衡；,在载荷无突变的一段杆的各截面上内力按相同的规律变化；,杆件内力变化的一般规律,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,根据以上分析，不难得到结论：,杆件各截面上内力变化规律随着外力的变化而改变。,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,所谓剪力和弯矩变化规律是指表示剪力和弯矩变化的函数或变化的图线。这表明，如果在两个外力作用点之间的梁上没有其他外力作用，则这一段梁所有横截面上的剪力和弯矩可以用同一个数学方程或者同一图线描述。,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,描述内力变化规律有两种方法：,1.,数学方程,剪力方程与弯矩方程；,2.,图形,剪力图与弯矩图。,两种描述方法都要：,1.,确定变化区间；,2.,遵循正负号规则。,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,根据以上分析，在一段杆上，内力按某一种函数规律变化，这一段杆的两个端截面称为控制面（,control cross-section,）。据此，下列截面均可为控制面：,集中力作用点的两侧截面；,集中力偶作用点的两侧截面；,均布载荷（集度相同）起点和终点处的截面。,变化区间,控制面,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,外力规律发生变化截面,集中力、集中力偶作用点、分布荷载的起点和终点处的横截面。,变化区间,控制面,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,剪力与弯矩的正负号规则,剪力,F,Q,(,F,Q,y,或,F,Q,z,),的确定：使截开部分杆件产生顺时针方向转动者为正；逆时针方向转动者为负。,F,Q,F,Q,弯矩,M,(,M,y,或,M,z,),的确定：使梁产生上凹、下凸变形的弯矩为正；反之为负。,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,F,N,F,N,F,Q,F,Q,梁的内力及其与外力的相互关系,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,返回,返回总目录,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,指定横截面上弯矩和剪力的确定,剪力方程和弯矩方程的建立,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,指定横截面上弯矩和剪力的确定,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,应用截面法确定某一指定横截面上的剪力和弯矩，首先，需要用假想横截面从指定横截面处将梁截为两部分。然后，考察其中任意一部分的受力，由平衡条件，即可得到该截面上的剪力和弯矩。,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,F,P,l,l,例 题,1,A,B,C,D,一端固定另一端自由的梁，称为,悬臂梁,(,cantilever beam,),。梁承受集中力,F,P,及集中力偶,M,0,的,作用。,M,0,=,2,F,P,l,试确定,:,截面,C,及截面,D,上的剪力和弯矩。,C,、,D,截面与加力点无限接近。,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,F,P,l,l,A,B,C,D,M,0,=,2,F,P,l,解：,1.,应用静力学平衡方程确定,固定端,的约束力。,2.,应用截面法确定,C,截面上的内力分量,用假想截面将梁,C,截面处截开，以左边部分为平衡对象。,因为外力与梁轴线都在同一平面内，而且没有沿杆件轴线方向的外力作用，所以横截面上没有轴力和扭矩，只有剪力和弯矩两种内力分量。,M,A,0,A,C,l,F,P,M,A,0,F,P,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,F,Q,C,M,C,F,P,M,A,0,l,l,A,B,C,D,M,0,=,2,F,P,l,解：,2.,应用截面法确定,C,截面上的内力分量,C,A,F,P,l,M,A,0,假设截开横截面上的剪力和弯矩均为正方向。根据截开的局部平衡建立平衡方程：,所得结果均为正值，这表明所假设的,C,截面上的剪力和弯矩的正方向是正确的。,F,P,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,F,P,M,A,0,l,l,A,B,C,D,M,0,=,2,F,P,l,解：,3.,应用截面法确定,D,截面上的内力分量,A,F,P,M,A,0,l,l,M,0,=,2,F,P,l,D,用假想截面将梁,D,截面处截开，以左边部分为平衡对象。,F,P,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,F,P,M,A,0,l,l,A,B,C,D,M,0,=,2,F,P,l,解：,3.,应用截面法确定,D,截面上的内力分量,假设截开横截面上的剪力和弯矩均为正方向。根据截开的局部平衡建立平衡方程：,M,D,F,Q,D,A,F,P,M,A,0,l,l,M,0,=,2,F,P,l,D,F,P,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,解：,4.,讨论,本例中所选择的研究对象都是,C,、,D,截面以左部分梁，因而需要首先确定左端的约束力。如果以,C,、,D,截面以右部分梁作为平衡对象，则无需确定约束力，计算过程会更简单。,F,P,M,A,0,F,P,l,l,A,B,C,D,M,0,=,2,F,P,l,例 题,1,剪力方程和弯矩方程的建立,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,为了建立剪力方程和弯矩方程，必须首先建立,Oxy,坐标系，其中,O,为,坐标原点，,x,坐标轴与梁的轴线一致，坐标原点,O,一般取在梁的左端，,x,坐标轴的正方向自左至右，,y,坐标轴铅垂向上。,建立剪力方程和弯矩方程时，需要根据梁上的外力,(,包括载荷和约束力,),作用状况，确定控制面，从而确定要不要分段，以及分几段建立剪力方程和弯矩方程。,确定了分段之后，首先，在每一段中任意取一横截面，假设这一横截面的坐标为,x,；然后从这一横截面处将梁截开，并假设所截开的横截面上的剪力,F,Q,(,x,),和弯矩,M,(,x,),都是正方向；最后分别应用力的平衡方程和力矩的平衡方程，即可得到剪力,F,Q,(,x,),和弯矩,M,(,x,),的表达式，这就是所要求的剪力方程,F,Q,(,x,),和弯矩方程,M,(,x,),。,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,建立剪力方程和弯矩方程,的,方法,与,过程,，,实际上与前面所介绍的确定指定横截面上的剪力和弯矩的方法和过程是相似的，所不同的，现在的指定横截面是坐标为,x,的横截面。,需要特别注意的是，在剪力方程和弯矩方程中,，,x,是变量,，,而,F,Q,(,x,),和,M,(,x,),则是,x,的函数,。,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,剪力方程与弯矩方程,第,5,章 梁的剪力图与弯矩图,例 题,2,悬臂梁在,B,、,C,两处分别承受集中力,F,P,和集中力偶,M,0,2,F,P,l,的,作用。梁的全长为,2,l,。,试写出：,梁的剪力方程和弯矩方程。,F,P,l,l,A,B,C,M,0,=,2,F,P,l,剪