68简支梁受均布载荷作用.docx
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68简支梁受均布载荷作用
§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乂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儿何对称结构，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°,其跨度为/,横截面高度为力（力«/=,单位厚度。
并且设其自重可以忽略不计。
a
山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：
碍=-q
碍二0
叮。
d=0
h
J=_7^
JiL
2
ft
]3二抑
AZ
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，山材料力学分析可知：
弯曲正应力主要是山弯矩引起的；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6为坐标〉，的函数，
£=/V）
因此根据应力函数与应力分虽的关系式，可得
»）
将上式对X积分，可得
卩f（芯刃二］丁（刃十迢0）+力（刃
其中/（＞》曲），/心）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山项都必须为零。
即
上述公式的前两式要求
f（y）=Ay3+By^Cy+Dg{y）=Sy3-^Ey2-^Gy
这里应力函数的线性项已经略去。
而笫三式则要求
AD.
W=/~-74++
106
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
1A召
例（g）=-x2（4r3+砂g+Q）*（莎+^2+Qy）--/--74+^3+歹
2106
将上述应力函数代入应力分量表达式
6二矿叮矿，V莎可得
刁=—（64y+2B）+x（62>+2^）-24y3-2B/+67^+2^2
碍=<妒+勿2+O+Q
咕=-x（34/+2助+0）-（3励S2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眄二旷丿+口,炖
力边界条件备二工产确定待定系数。
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6和5•应该是x的偶函数，而抵应为x的奇函数。
因此
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。
新十牛吟十X
3Aq
-X（_h^-Bh+C）=0
—/22-5/s+C=04
根据上述主要边界的面力边界条件，可得
_邑
2
将上述七个待定系数分别代入应力分量表达式
_沪俗_沪輕_护（Pt
6二茁，丐二時，B一莎，可得
二-將灯十菩才十6珂+2疋
二—空h+塑厂鱼
2『2
_6g2_3q
~VXyIh^
以下考虑简支梁左右两端而的而力边界条件，确怎剩余的两个待泄系数。
由于对称性已经讨论.所以只需要考虑其中的一个端而，比如右端而。
如果右端而的边界条件能满足，左端面的边界条件由对称性自然满足。
在兀=f处=o,
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，只有尸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，
^=0,将应力分量分别代入上述两式，则
综上所述，已经求岀了所有的待定系数。
将上述结论代入应力分量表达式，并作整理，可得
吹-冷谜-%坯塔T）
F面讨论简支梁的应力分布。
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。
在弯曲正应力6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6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这个应力分量的。
而弯曲切应力兔的表达式则和材料力学解答里完全相同。
§6.9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。
注意到楔形体水坝山于底部在无限远，而液体作用至顶部。
山于力学模型的儿何形状不需要长度单位确定，因此问题的应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。
山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°液体的密度为卩，如图所示。
在楔形体内任一点的应力分量都将山两部分组成:
一是山重力引起的，应当与楔形体的单位体积重量pg成正比；
二是山液体压力引起的，其与液体的单位体积重量冷成正比。
当然，上述应力分量还和0X,y等有关。
由于应力分量的量纲是［力］［长度］Jpg和冷的量纲是［力］［长度尸，a是无量纲的数量，而卅V的量纲是［长度］,因此应力分量如果具有多项式的解答,其只能是坐标的池y的一次幕。
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*）二+Bx^y+Cxy^Dy'
对于楔形体水坝，体力分量FbA=0,Fn。
根据应力分量的表达式，可得
=—^=2Cx^6py
二一^二6加+2场
&G2
二-学字-叽-叭=-2B^-2Cy-pgx
上述应力分量是满足平衡微分方程和变形协调方程的，下而考虑而力边界条件以确左各个待定系数。
在水坝左侧，面力边界条件为
%=0二-空5二°
在水坝右侧，边界方程X二ytana,面力边界条件为
'°"亦=7画么+朋厂聲|沪尸1徹么一°
边界法线方向余弦为
I二COS（M,X）二COS
m=cos（?
i?
/）=cos（90°十a）二一§ina
将应力表达式代入上述边界条件，可得
6②=-ygy
2。
二0
（2QytanG+6£^）co$G-[-2C-（25+/^）7tana]sina二0
[-2C-（2B+tan^Jcoscf-（2By46少tana）sina=0联立求解可得
A=—cotter-—cot3a
63
-耀cot匕-坐
22
C二0
C
6
将计算所得的系数代入应力分量表达式，即可得到
6二一型
碍=tecot。
一2空cot'a）x+（ygcot2a一pg）yf二-忍cotG
计算数据如图所示
分析表明:
应力分量6沿水平方向为常数。
对于这个挤压应力，材料力学是不讨论
的。
弯曲应力分量6沿水平方向线性分布，在水坝左右两边分别为
勺|汽二-（昭-搭
%心论二-腥cot匕
对于弯曲应力与材料力学偏心压缩公式所得结果相同。
切应力分量兔也是线性变化，在水坝左右两边分别为
按材料力学解，横截面切应力知是抛物线分布的，这一结论和弹性力学解答是完全不同的。
以上解答称为莱维解，在工程上作为三角形重力坝的基本解答。
§6.10矩形截面梁的级数解法
学习思路：
弹性力学的经典问题具有多项式解，可以通过半逆解法选取所要求的应力函数。
这种方法要求弹性体主要边界作用的载荷必须连续，而且也能表示成代数多项式的形式。
对于任意载荷作用的矩形弹性体问题，可以采用三角级数表示的应力函数求解。
假设应力函数并且通过双调和方程找到应力函数特解，叠加可以确定级数形式应力函数。
对于级数形式应力函数的系数，可以通过面力边界条件，并且应用三角函数的正交性在边界作积分确定。
用级数求解平面问题时，用于求解应力表达式的待定系数的计算工作量相当大。
如果级数的收敛不快，将需要更多的计算工作量。
学习要点：
1.应力函数与双调和方程;
2.应力函数特解；
3.级数形式的应力分量；
4.级数应力函数系数的确定。
对于弹性力学的经典问题，山于问题具有多项式解，因此可以通过半逆解法选取所要求的应力函数，从而求得应力分量和位移分量。
这种方法的局限性是明显的,它要求弹性体主要边界作用的载荷必须连续，而且也能表示成代数多项式的形式。
如果载荷不具备上述特点，甚至是不连续的，则不能构造应力函数。
对于任意载荷作用的矩形弹性体问题，可以采用三角级数表示的应力函数求解。
假设应力函数可以写成如下的形式：
将上述应力函数代入双调和方程，可得
27（4）（x）F（y）+2X^（x）Y
（2）（y）+27（x）K（y）（+）二0
等式两边同时除以X（x）Y（y）后，则
疋心）珥刃
将上式对），求一阶偏导数，得
戏）（x）珥刃⑵珥刃⑴一
2吋兄][W
若要上式成立，则必须有
其中，几为任意常数。
于是可以得到下列方程,
/0严］,_2丹丫（刃
（2）十
0©）+总⑴二。
和I眉莎」sI眉莎z
上述方程的第一式的通解为
T（x）二乙cos>lx十恳2$inXt
这里的Ki，K：
为任意常数。
对于方程的笫二式，它是变形协调方程对），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。
下面釆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
X⑵（戈）二则X⑴〔乂）二-才"牙⑵〔戈）二才乂（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）（刃-2才旷）仞+才珥刃二o
这个方程的通解为
F（y）二?
4cosh/fy+Bsinh>fy+CycoshQ+DysinhJly
将上述关于X（x），丫（），）的公式代入变形协调方程，可以得到方程的一个特解，
二（恳1coszbc+K2sinAx）｛Acosh+BsinhJly+Cycosh2y+②sinh即）
这里Ki,险和儿B,C,D,2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/,髙度为力-苴上下边界分别受有垂直载荷和水平载荷的作用。
设在上表面尸0处，垂直载荷仏二/；&）,水平载荷门二&（力；
在下表面y二力处，垂直载荷q2=f2（x）,水平载荷卩二心（力。
本问题的边界条件可以表示为
二-畑
£円=-f2（兀）,
6|心二°,
厂=一刘（Q%啜=~§2（^）
%二°
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"/处，
将上述解答代入应力函数公式，并令&二1,则可将应力函数表达为级数形式
・mice/imay■口・（mjiy.小（mTiy
SU1—（A"山亍+瓦§inh十+qjco§h十
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Am,Bm,Cm,Dm（〃尸1,2,3,…），使其满足其他边界条件。
根据应力分量表达式，
密二y-Vsin吧（心°sh空盼恥罰空+些％i„h他+
b幺厂J一I<卄I
丝込h翠亠%遇h翠長氏严inh翠）
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9
2»22
仍vmti.mice/况1miw■厂..miw._1miw■厂•1能矽
二尹二-斗〒sm—（4c干十為sinh〒十C肿cosh亍+Dmysmh〒
32佻工m2Jt2mice/n.厂（mmBIC^.mm
一器一若丁遇〒（心《nh于gexh于十孟岭于十
旦dnh竽十力汕翠十％遇h罕■）
miciLL
利用上下边界条件，有
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L從兀・眈亦//、工汕丁二久⑴浴=1〔I
w22?
/-r
Z
冷J7C汎7CXr/-r-..・匕*、/\
「丁[（盼益）二-恥）
g響血平（4cosh讐+恥inh畔+Qcosh竽+%沏翠）=%（巧
吕涨FmiceID•，临血「厂JC、枷—
^―^cos—[（A+^）sinh—+（5W+^）cosh—+討tImnImnI
C/isinh-十巩hcosh二-g2（x）
为了求得待定系数A加BnhCm9Dm（rn=1,2,3,…）,我们在上式的一，三
正交性:
于是得到AnbBnhCm、Dm所满足的方程组。
2/frr、・WJ7CCt
4=卩（曲〒&
.1mi[h■戸.fmuh..muh.?
.imidi21?
广/、■m?
cx.
4cosh——+Sffisinh—+CMftcosh—+Dmhsinti—=-^-yj（^）sin—dr
..mTihmiihImiih.with
Asinh十氏cosh+C护（——cosh+Asinh）+
IImuII
£・miihmTih
以（——sinh4kcosh）=
mnII
21
m27i2
J*旳a）
0
cos
mice
dx
由此可以求出AmbGQm代入应力表达式，可得应力分量。
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肖大。
再加上山于级数的收敛不快,将需要更多的讣算工作量。
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