材料力学课件-13-a静不定结构

Chapter14StaticallyIndeterminateStructure第十四章静不定结构10/23/2021材料力学课件 第十四章静不定结构(Chapter14StaticallyIndeterminateStructure)§14-3对称及反对称性质的应用(Applicationaboutsymmetricalandantisymmetricalproperties)§14-1静不定结构概述(Instructionaboutstaticallyindeterminatestructure)§14-2用力法解静不定结构(Solvingstaticallyindeterminatestructurebyforcemethod)10/23/2021材料力学课件 一、静不定结构（Staticallyindeterminatestructure）在静不定结构中,超过维持静力学平衡所必须的约束称为多余约束，多余约束相对应的反力称为多余约束反力,多余约束的数目为结构的静不定次数（degreeofstaticallyindeterminate）.§14-1静不定结构概述（InstructionaboutStaticallyindeterminatestructure）用静力学平衡方程无法确定全部约束力和内力的结构,统称为静不定结构或系统（staticallyindeterminatestructure）,也称为超静定结构或系统.10/23/2021材料力学课件 第三类:在结构外部和内部均存在多余约束,即支反力和内力是静不定的,也称联合静不定结构.二、静不定问题分类（Classificationforstaticallyindeterminate）第一类:仅在结构外部存在多余约束,即支反力是静不定的,可称为外力静不定系统;第二类:仅在结构内部存在多余约束,即内力是静不定的,可称为内力静不定系统;10/23/2021材料力学课件 判断下列结构属于哪类超静定外力超静定外力超静定（d）（a）（b）（c）（e）（f）混合超静定混合超静定内力超静定内力超静定10/23/2021材料力学课件 三、工程中的超静定结构（Staticallyindeterminatestructureinengineering）在机械和工程结构中常采用超静定结构增加系统的刚度，提高构件的承载能力.塔式吊车起重臂可简化为外伸粱结构,当需要延长主臂以增加其回转半径时,如何才能保持原有的承载能力?10/23/2021材料力学课件 辅助支撑跟刀架顶尖在铣床上洗削工件时，为防止工件的移动并减小其变形和振动，需要增加辅助支撑，虎钳和辅助支撑构成系统用车床加工细长轴时，经常采用顶尖和跟刀架等辅助支撑以减少其变形。卡盘和辅助支撑构成超静定系统。10/23/2021材料力学课件 10/23/2021材料力学课件 五、分析方法（Analyticalmethod）1.力法（Forcemethod）:以未知力为基本未知量的求解方法;2.位移法（Displacementmethod）:以未知位移为基本未知量的求解方法.（1）外力超静定次数的判定:根据约束性质确定支反力的个数,根据结构所受力系的类型确定独立平衡方程的个数,二者的差即为结构的超静定次数；（2）内力超静定次数的判定:一个平面封闭框架为三次内力超静定;平面桁架的内力超静定次数等于未知力的个数减去二倍的节点数.四、超静定次数的判定（Determinethedegreeofstaticallyindeterminacy）10/23/2021材料力学课件 §14-2用力法解静不定结构（Solvingstaticallyindeterminatestructurebyforcemethod）一、力法的求解过程（Basicprocedureforforcemethod）1.判定超静定次数解除超静定结构的多余约束，用多余约束力X1,X2,X3···代替多余约束,得到一个几何不变的静定系统,称为原静不定系统的“相当系统”;2.在多余约束处满足“变形几何条件”,得到变形协调方程;3.由补充方程求出多余约束力;4.在相当系统上求解原超静定结构的内力和变形.10/23/2021材料力学课件 ABlX1（1）去掉多余约束代之约束反力,得基本静定系把B支座作为多余约束X1为多余反力AB悬臂梁为基本静定系例题1如图所示,梁EI为常数,试求支座反力.qAqB10/23/2021材料力学课件 变形协调条件：B点的挠度为（2）利用多余约束处的变形情况写出变形协调条件1X1表示由于X1作用在静定基上时,X1作用B点沿X1方向的位移.1F表示荷载F(广义力)作用在静定基上时,X1作用B点沿X1方向的位移.ABlqX1AqB10/23/2021材料力学课件 若用11表示沿X1方向的单位力在其作点引起的X1方向的位移.由于X1作用,B点的沿X1方向位移是11的X1倍利用上式解出X1ABlqX1AqB10/23/2021材料力学课件 1（3）用莫尔定理求Δ1FABlqX1AqBABqABxx10/23/2021材料力学课件 1（4）用莫尔定理求11ABlqX1AqB1ABABxx10/23/2021材料力学课件 代入解得ABlqX1AqB10/23/2021材料力学课件 二、力法正则方程(Generalizedequationsintheforcemethod)上例中以多余力为未知量的变形协调方程可改写成下式X1—多余未知量；变形协调方程的标准形式,即所谓的力法正则方程.d11—在基本静定系上,X1取单位值时引起的在X1作用点X1方向的位移;D1F—在基本静定系上,由原载荷引起的在X1作用点沿X1方向的位移;10/23/2021材料力学课件 X1X2X3这是三次超静定问题对于有多个多余约束反力的静不定系统的正则方程如下：FABFAB10/23/2021材料力学课件 在静定基上,由F,X1,X2,X3单独作用在点引起的水平位移分别记作1F,1X1,1X2,1X31表示B点的水平位移方向B点的水平位移等于零FABX1X2X3FAB10/23/2021材料力学课件 FABFAB111B1B2B3111213FAB10/23/2021材料力学课件 B点的铅垂位移等于零2表示B点的铅垂位移方向FABFABX1X2X310/23/2021材料力学课件 1B3FABFAB1B2212223FAB1B110/23/2021材料力学课件 三次超静定系统的正则方程FABFABX1X2X310/23/2021材料力学课件 正则方程的推广:由位移互等定理知:10/23/2021材料力学课件 例题2刚架的两杆抗弯刚度都是EI,解此刚架.FABCDll/2l/210/23/2021材料力学课件 解:取固定端处的反力偶为多余约束.变形协调条件是:A点的转角等于零.ABCDlFl/2l/2X1ABCDlFl/2l/210/23/2021材料力学课件 11是在A点作用单位力偶时,在A截面引起的转角.1F是力F在A截面引起的转角.ABCDlFl/2l/2ABCDlFl/2l/2X110/23/2021材料力学课件 BC:AC:（1）求11ABCDll/2l/211/l1/lABCDll/2l/211/l1/lxxxx10/23/2021材料力学课件 ABCDll/2l/211/l1/lABCDll/2l/211/l1/lxxxx10/23/2021材料力学课件 BC:CD:AD:（2）求1FxxABCDll/2l/211/l1/lxxxxFABCDll/2l/2FFF/2F/210/23/2021材料力学课件 解得代入10/23/2021材料力学课件 MeABCDa/2a/2a=50mm例题3已知两杆抗弯刚度均为EI.不计剪力和轴力对刚架变形的影响,求支座反力q=10kN/m,Me=50kN·m.q10/23/2021材料力学课件 （1）用单位力法求1FBD:DC:CA:xx1xxxxABCDa/2a/2a=50mmqMeABCa=50mmD10/23/2021材料力学课件 BD:DC:CA:（2）用单位力法求11xxABCDa=50mm1xxABCa=50mmDxx110/23/2021材料力学课件 代入解得MeABCDa/2a/2a=50mmqX1MeABCDa/2a/2a=50mmqX1FRAyFRAxMA()10/23/2021材料力学课件 例题4试求图示刚架的全部约束反力,刚架EI为常数.解：（1）刚架有两个多余约束,为二次静不定结构;（2）选取并去除多余约束,代以多余约束反力;X2X1（3）建立力法正则方程（4）计算系数dij和自由项DiF用莫尔定理求得qaaABqAB10/23/2021材料力学课件 11x1x1x1x2x2x2ABqABAB10/23/2021材料力学课件 （5）求多余约束反力将上述结果代入力法正则方程可得（6）求其它支反力由平衡方程得其它支反力,全部表示于图中.qAB10/23/2021材料力学课件 X1例题5求解静不定结构刚架,设两杆的EI相等.ACBaaX2X3qBACqaa10/23/2021材料力学课件 （1）用单位荷载法求1F,2F,3F111ACBqACBx1x1x2x210/23/2021材料力学课件 ACBACBACBx1x2x1x2x1x2111（2）求ii10/23/2021材料力学课件 （3）求ij111ACBx1x2ACBx1x2ACBx1x210/23/2021材料力学课件 （4）求X1,X2,X3代入正则方程：BX1X2X3ACqaa10/23/2021材料力学课件 化简得:求出:BX1X2X3ACqaa10/23/2021材料力学课件 例题6计算图（a）中所示桁架各杆的内力.设各杆的材料相同,横截面面积相等.解：桁架内部有一个多余约束,所以各杆的内力确是超静定的.以杆件4为多余约束,假想的把它切开,并代之以多余约束力X1,得到图（b）所示的相当系统.a435126aFX1X1(a)435126F(b)10/23/2021材料力学课件 1F表示杆4切口两侧截面因载荷而引起的沿X1方向的相对位移;11表示切口两侧截面因单位力而引起的沿X1方向的相对位移（图d）.力法正则方程11435126435126F(c)(d)10/23/2021材料力学课件 由图（c）求出基本静定系在F作用下各杆的内力FNi由图（d）求出在单位力作用下各杆的内力FNi123456杆件编号-F/2a-Faa1-F-F000111aaa-Fa000aaa-F/2F/2F/210/23/2021材料力学课件 应用莫尔定理代入方程后求得由叠加原理可知桁架内任一杆件的实际内力10/23/2021材料力学课件 例题7轴线为四分之一圆周的曲杆A端固定,B端铰支（图a）.在F作用下,试求曲杆的弯矩图.设曲杆横截面尺寸远小于轴线半径,可以借用计算直杆变形的公式./4/4ABaF解:曲杆为一次超静定,解除多与支座B,得到A端固定,B端为自由端的基本静定系,多余约束力为X1（图b）.(a)/4ABFX1(b)10/23/2021材料力学课件 当基本静定系上只作用外载荷F时（图c）,弯矩为当在B点沿X1方向作用一单位力时（图d）,弯矩方程为1aABF(c)AB(d)10/23/2021材料力学课件 应用莫尔积分,并设曲杆的EI为常量,将1F和11代入解得10/23/2021材料力学课件 曲杆任一横截面上的弯矩/4/4ABaF/4ABaF(e)10/23/2021材料力学课件 一、对称结构的对称变形与反对称变形（Symmetricalandantisymmetricaldeformationinsymmetricalstructure）结构几何尺寸,形状,构件材料及约束条件均对称于某一轴,则称此结构为对称结构.§14-3对称及反对称性质的应用(Applicationaboutsymmetricalandantisymmetricalproperties)10/23/2021材料力学课件 E1I1E1I1EI对称轴E1I1E1I1EI对称轴E1I1E1I1EI对称轴当对称结构受力也对称于结构对称轴,则此结构将产生对称变形;若外力反对称于结构对称轴,则结构将产生反对称变形.10/23/2021材料力学课件 二、结构对称性的利用（Applicationofsymmetricalstructure）对称结构（symmetricalstructure）:若将结构绕对称轴对折后,结构在对称轴两边的部分将完全重合.10/23/2021材料力学课件 对称载荷（symmetricalload）:绕对称轴对折后,结构在对称轴两边的载荷的作用点和作用方向将重合,而且每对力数值相等.F2F2F1F110/23/2021材料力学课件 反对称载荷（Antisymmetricalload）:绕对称轴对折后，结构在对称轴两边的载荷的数值相等,作用点重合而作用方向相反.F2F2F1F110/23/2021材料力学课件 FF/2F/2F/2F/2F10/23/2021材料力学课件 例如：X3X1X1X3X2FX2X2X1X1X2F/2F/2F/2F/2X3X310/23/2021材料力学课件 例题8试求图示刚架的全部约束反力,并作弯矩图,刚架EI为常数.解:图示刚架有三个多余未知力.但由于结构是对称的,而载荷反对称,故对称轴横截面上轴力,弯矩为零,只有一个多余未知力（剪力）,只需列出一个正则方程求解.用莫尔定理求D1F和d11.X1X1BFFFFaaAC10/23/2021材料力学课件 则由平衡方程求得:MBFRBxFRByFFABCMAFRAyFRAx代入正则方程10/23/2021材料力学课件 ACDF(b)例题9在等截面圆环直径AB的两端,沿直径作用方向相反的一对F力（图a）.试求AB直径的长度变化.解:沿水平直径将圆环切开（图b）,由载荷的对称性,截面C和D上的剪力等于零,只有轴力FN和弯矩M0.利用平衡条件求出FN=F/2,只有M0为多余约束力.FFABCDaFNFN(a)M0M010/23/2021材料力学课件 由图（d）和图（e）求出根据对称性,只研究圆环的四分之一（图c）,变形协调条件为FNX1AD(c)F/2AD(d)1AD(e)10/23/2021材料力学课件 将1F和11代入变形协调方程中,解得任意截面上的弯矩10/23/2021材料力学课件 在A,B两点作用单位力（图f）,则单位力作用下圆环内的弯矩为使用莫尔积分求A,B两点的相对位移11AB（f）10/23/2021材料力学课件 例题10求图a所示钢架的反力.解:钢架有4个反力,是一次超静定结构.基本静定系如图b.结构上的载荷是反对称的,C截面只有剪力不为零.钢架的左半部分简化成图（c）所示情况,由平衡方程得到:EIEIqABCqaaFRAxFRAyFRCy(a)CqABEIEIqMC(b)qAC(c)10/23/2021材料力学课件 第十四章结束10/23/2021材料力学课件