第14讲简支梁受均布载荷作用

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1、6.8 简支梁受均布载荷作用学习思路:简支梁作用均匀分布力问题是又一个经典弹性力学平面问题解。 采用应力解法的关键是确定应力函数，首先根据边界条件，确定应力函数 的基本形式。将待定的应力函数代入双调和方程得到多项式表达的函数形式。对于待定系数的确定，需要再次应用面力边界条件。应该注意的是简支梁是几何对称结构，对称载荷作用时应力分量也是对 称的。对称条件的应用将简化问题的求解难度。学习要点：1. 简支梁及其边界条件； 2. 应力函数分析；3. 应力函数； 4. 待定系数确定；5. 端面边界条件简化； 6. 简支梁应力分析。试考察一个承受均匀分布载荷的简支梁q，其跨度为l，横截面高度为h (h V

2、V l二，单位厚度。并且设其自重可以忽略不计。由于简支梁是外力静定的，两端的支座反力是已知的。因此在求解时，不妨将支座看作外力已知的边界，于是可写出下列边界条件:= -|二g S = 0= y,二 0 S = 0J今 1工二兀6 二0 j= _2 = -|= 0暮舉加二扌祁上述条件中，上下表面的边界条件是主要的，必须精确满足。至于两端的边界条 件可以根据圣维南原理放松为合力满足。采用半逆解法求解。首先对应力状态做一个基本分析，由材料力学分析 可知：弯曲正应力主要是由弯矩引起的；弯曲切应力主要由剪力引起的；而挤压 应力应由分布载荷引起的。根据上述分析，因此假设挤压应力不随坐标x而改变，即y为坐标

3、y的函数,5 = f(y)因此根据应力函数与应力分量的关系式，可得ox将上式对 x 积分，可得二)+旳)其中f(y)，g(y)，h(y)均为任意待定函数。对于上述应力函数还需要考察其是否满足变形协调方程，代入变形协调 方程，则上式为关于 x 的二次方程。对于变形协调方程，要求在弹性体的任意点 满足。因此要求所有的 x 均满足，所以这个二次方程的系数和自由项都必须为零。 即上述公式的前两式要求fy) = Ay3+By2 + Cy + D g(y)= Ey3+ Fy2 +Gy这里应力函数的线性项已经略去。而第三式则要求即M)=嶋才-彳才+时+审其中线性项已被忽略不计。将上述各式代入应力函数公式，则

4、他 3)=卜 W +站+ +功+如 +跻+ ) -磊才一 #八驸+勺将上述应力函数代入应力分量表达式沪佻_沪佻_沪佻k矿円二話 =_W，可得才却+2时如y + 2F)_2济一2珊+ 6砌+ .=Ay3-By2 + Cy + D=一兀(34 + 2助 + O) -(3 / + 2 妙 + G)上述应力分量已经满足平衡微分方程和变形协调方程，现在的问题是根据面豊二疔宀严力边界条件嘉二卯+ b严确定待定系数。在考虑边界条件之前，首先讨论一下问题的对称性，这样往往可以减少 计算工作。由于y轴是结构和载荷的对称轴，所以应力分量也应该对称于y轴， 因此和应该是X的偶函数，而T应为X的奇函数。因此x yxy

5、E = F = G = 0对于细长梁，由于梁的高度远小于跨度，所以上下边界为主要边界，其 边界条件必须精确满足，我们首先考虑上下两边的边界条件。押+新+争+。-Ah3+-h2 -h + D = -q 842一疋(乎血2 +Bh+C) = O2 + Bh + C = 0 -x(h2 -Bh+C) = O2 Bh + C = 0根据上述主要边界的面力边界条件，可得将上述七个待定系数分别代入应力分量表达式dxdy?可得以下考虑简支梁左右两端面的面力边界条件，确定剩余的两个待定系数。由于对称性已 经讨论，所以只需要考虑其中的一个端面，比如右端面。如果右端面的边界条件能满足，左 端面的边界条件由对称性自

6、然满足。在疋=丄处,耳=0,首先，在梁的右端面没有水平面力，这要求 2根据应力分量计算公式，如果该条件满足，只有q=0。但是这与问题是矛盾的，因此这个 边界条件只能利用圣维南原理，放松为合力边界条件，K = 0, 将应力分量分别代入上述两式，则另外在梁的右边，j 6加二_扣弓，切应力的合力应等于支反力。将切应力计算公式代入，积分可见这个条件已经满足。综上所述，已经求出了所有的待定系数。将上述结论代入应力分量表达 式，并作整理，可得下面讨论简支梁的应力分布。I = hS=-h2-y2,注意到梁的惯性矩为 12 静矩为 &2而梁的弯曲内力为，则应力分量表达式可以改写为让我们将上述应力分量，即弹性力

7、学解答结果与材料力学的结果作一比较。首先考虑横截面，即沿铅垂方向的应力分布,如图所示。应力扌齐压应力 切应力弯曲应力修正项在弯曲正应力的表达式中，第一项是主要项，与材料力学的解完全相 同，而第二项是弹性力学提出的修正项。对于细长梁，这个修正项很小，可以忽 略不计。应力分量是梁的各纤维之间的挤压应力，在材料力学中一般是不考虑 y这个应力分量的。而弯曲切应力T的表达式则和材料力学解答里完全相同。xy6.9 楔形体水坝学习思路:楔形体水坝受重力和液体压力作用问题是弹性力学平面问题的另一个应用。注意到楔形体水坝由于底部在无限远，而液体作用至顶部。由于力学模 型的几何形状不需要长度单位确定，因此问题的应

8、力函数可以采用量纲分析方法 确定。量纲分析得到楔形体水坝的应力函数是纯三次函数。应用面力边界条件 可以确定待定系数。由于水坝的侧边界是斜边界，应该注意边界法线方向余弦的 确定。最后分析楔形体水坝应力，并且与材料力学解答作比较。学习要点：1. 楔形体水坝应力函数；2. 面力边界条件；3. 水坝应力分析。楔形体水坝左边铅垂，右边与铅直面夹a角度，下端伸向无限长。水坝承受重力 和液体压力作用，楔形体的密度为p，液体的密度为Y，如图所示。在楔形体内任一点的应力分量都将由两部分组成：一是由重力引起的，应当与楔形体的单位体积重量pg成正比;二是由液体压力引起的，其与液体的单位体积重量Yg成正比。当然，上述

9、应力分量还和 x，y等有关。由于应力分量的量纲是力长度-2，pg和Yg的量纲是力长度-3，a是 无量纲的数量，而 x， y 的量纲是长度，因此应力分量如果具有多项式的解答， 其只能是坐标的 x， y 的一次幂。即各个应力分量的表达式为 x， y 的纯一次式， 而其应力函数应当是x，y的纯三次式。因此可以假设輕(x.y) = At3 + Bx2y + Cxy2 + Dy3对于楔形体水坝，体力分量Fbx=0，Fby=pg。根据应力分量的表达式，可上述应力分量是满足平衡微分方程和变形协调方程的，下面考虑面力边界条件以确定各个待 定系数。在水坝左侧，面力边界条件为叫;=0二妙在水坝右侧，边界方程x=y

10、tana，面力边界条件为边界法线方向余弦为I - cos(fi?x)二 cos am - cos(fiy)二 cos(90 + ct) = - sin ct将应力表达式代入上述边界条件，可得= -财2Cy=0(2Cy tanu + 6少)cosu -2C -(2E +惩)y tancrjsina: = 0-2C -(2B+ pg)y tancrjcoscr- (2By + 64/tancr)sincr 二 0 联立求解可得将计算所得的系数代入应力分量表达式，即可得到6 二= (pg cotct - cot3 a)x + cot2 a - pg)yB =-cot3ff计算数据如图所示分析表明：的

11、。应力分量 x 沿水平方向为常数。对于这个挤压应力，材料力学是不讨论X弯曲应力分量沿水平方向线性分布，在水坝左右两边分别为碍鬥二-（惩-腥臨严匚）碍|心论=-cot2ff对于弯曲应力与材料力学偏心压缩公式所得结果相同。切应力分量T也是线性变化，在水坝左右两边分别为xy=0辽伸卄心=-ycotff按材料力学解，横截面切应力T是抛物线分布的，这一结论和弹性力学解答是xy完全不同的。以上解答称为莱维解，在工程上作为三角形重力坝的基本解答。6.10 矩形截面梁的级数解法学习思路:弹性力学的经典问题具有多项式解，可以通过半逆解法选取所要求的应 力函数。这种方法要求弹性体主要边界作用的载荷必须连续，而且也

12、能表示成代 数多项式的形式。对于任意载荷作用的矩形弹性体问题，可以采用三角级数表示的应力函 数求解。假设应力函数并且通过双调和方程找到应力函数特解，叠加可以确定级 数形式应力函数。对于级数形式应力函数的系数，可以通过面力边界条件，并且应用三角 函数的正交性在边界作积分确定。用级数求解平面问题时，用于求解应力表达式的待定系数的计算工作量 相当大。如果级数的收敛不快，将需要更多的计算工作量。学习要点：1. 应力函数与双调和方程；2. 应力函数特解；3. 级数形式的应力分量；4. 级数应力函数系数的确定。对于弹性力学的经典问题，由于问题具有多项式解，因此可以通过半逆解法选取 所要求的应力函数，从而求

13、得应力分量和位移分量。这种方法的局限性是明显的， 它要求弹性体主要边界作用的载荷必须连续，而且也能表示成代数多项式的形 式。如果载荷不具备上述特点，甚至是不连续的，则不能构造应力函数。对于任意载荷作用的矩形弹性体问题，可以采用三角级数表示的应力函 数求解。假设应力函数可以写成如下的形式：(x,y) = X(x)Y(y)将上述应力函数代入双调和方程，可得X(x)Y(y) + 2 産()F 0) + X(x)Y(y = 0等式两边同时除以X (x) Y (y)后，则炉)(X)T炉匕)严心)丄nyr _oX(G X(x)Y(y) Y(y)将上式对 y 求一阶偏导数，得2rwr iw若要上式成立，则必

14、须有rWlp炉攵)F(y)_ JX(x) 2W其中， 为任意常数。于是可以得到下列方程，産+尤産二0和上述方程的第一式的通解为X(x)二 芨、cosZx + sin这里的K , K为任意常数。12对于方程的第二式，它是变形协调方程对 y 求一阶偏导数得到的，求解 是没有意义的，因此它的解未必是变形协调方程的解。下面采用另一种方法简化 变形协调方程。仍然根据方程的第一式，由于X (X)= -22 XC2)(x) = X X(x)将上述结果回代变形协调方程，于是得到Y (y)所满足的方程,严4心)-加严刃十才F()二0这个方程的通解为F(y)=山cosh妙 + Esinh 妙 + Cy coshA

15、y + Dy sinhAy将上述关于X(x), Y (y)的公式代入变形协调方程，可以得到方程的一个特解，缪 (尤)二(疋cosAx + K2 sin /bc)(j4cosh2y + 5sinh2y + Cy cosh2y + Dy sinh 2y)这里冬，K2和A，B，C, D,久均为任意常数，如果取不同的值，就可以得到任意多个 特解。另外，基本方程关于这些任意常数是线性的，所以这些解的和也是它的解答。如果在 这些解中取足够多的项数，就可以适当的选择这些常数，以尽可能满足问题的边界条件。 设细长简支梁的长度为1,高度为h。其上下边界分别受有垂直载荷和水平载荷的作用。设在上表面 y=0 处，垂

16、直载荷 q = f (x) ，水平载荷 p = g (x)；在下表面 y=h 处，垂直载荷 q = f (x) ，水平载荷 p = g (x)。本问题的边界条件可以表示为二呂 10）円二一 （工）现在将上述边界条件应用于应力函数表达式，首先由上述边界条件的最 后两个条件，即 x = 0 和 x = l 处，穿可得3mu（朋二 1,2,?）将上述解答代入应力函数公式，并令K2=1,则可将应力函数表达为级数形式co饨 S）二書 血学& cosh罕 +艮sinh罕+ggh罕 +久严inh 罕）显然该应力函数是满足双调和方程和边界条件的后两式，现在需要适当选取待定系数A ,B ,C ,D （m=l,2

17、,3,），使其满足其他边界条件。m m m m根据应力分量表达式，利用上下边界条件，有二 m 7T . mitx .盟T CE害如竽（瓦+乙）二-引（X）討 IImu岁 J竽血cosh竽+恥讪甞+ %csh罟+響=訣） Vcos（A +纠讪四+ （瓦 +E）cosh四 +IImjtImuI我们在上式的一，三q肚inh 学 + Dfflftcosh）= -虽（兀）为了求得待定系数A ,B , C ,D (m =1,2,3,),m m m m.mice 才mice然后从 0 到 l 积分，并利用三角函数的sin利 cos和二，四分别乘以正交性：于是得到A ,B ,C ,D所满足的方程组。m m m m由此可以求出A ,B ,C ,D代入应力表达式，可得应力分量。m m m m由本节讨论的简支梁问题可以看出，用级数求解平面问题时，仅用于求 解应力表达式的待定系数的计算工作量就相当大。再加上由于级数的收敛不快， 将需要更多的计算工作量。