结构力学-虚功原理、最小势能原理解题示例

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1、最小势能原理、虚功原理解题示例最小势能原理:在给定外载荷的作用下,对于稳定平衡系统,在满足位移边界条件的所有各组位移中,实际位移使弹性系统的总势能最小。例2.1如图2.1所示桁架结构,各杆的横截面积均为A,弹性模量均为E,在节点1处作用水平集中力P,试用最小势能原理求各杆的内力。图2.1解:令在外力作用下,节点1在x向的位移为,在y向的位移为。则有:杆号杆长杆变形1-22.5a1-32.236a1-42.236a杆应变能的表达式为:则系统的总势能为:由最小势能原理可知,当结构处于稳定平衡状态时,有:即:解得:杆的内力可由公式:求得,故各杆的内力为:

2、例2.2如图2.2所示的梁,其上作用有均布载荷q,试用最小势能原理求其挠度曲线。图2.2解:令梁的挠度函数为,它必须满足以下几个条件:1、必须满足几何边界条件,但不一定满足平衡条件和力的边界条件;2、由于有均布载荷q的作用,故应为x的4次多项式。故,考虑到梁左侧为固支,可设:梁右侧需满足:且梁右侧没承受弯矩,有:(力的边界条件)代入边界条件,有:等截面梁的弯曲应变能表达式为:【根据平面假设,梁在受弯曲变形后,其横截面仍保持为平面,它一方面有挠度,一方面横截面在梁变形过程中旋转了一个角度,由于该转角的存在,使得距离中性轴为y处的x方向的位移为,应变,

3、弯曲应力为,因此,等截面梁的弯曲应变能为:】则系统的总势能为:由最小势能原理可知,当结构处于稳定平衡状态时,有:又:【】由于变分可取任意值,故有:所以:虚功原理:当弹性体在外载荷作用下处于平衡状态时,对任意为约束所容许的虚位移,外力虚功等于内力虚功。虚功原理又称为虚位移原理。例2.3试用虚功原理求如图2.3所示梁的位移。图2.3解:令在外载荷P作用下,梁的转角为,则各杆的变形为:给梁施加一个虚位移:则外力虚功为:虚应变能为:由虚功原理,有:,即:故梁的位移为:图2.4【虚功原理的其它例题可参见理论力学(静力学)第四章第7节】例2.2若用虚功原理求解

4、,其步骤如下:解:令梁的挠度函数为,它必须满足以下几个条件:1、必须满足几何边界条件,但不一定满足平衡条件和力的边界条件;2、由于有均布载荷q的作用,故应为x的4次多项式。故,考虑到梁左侧为固支,可设:梁右侧需满足:且梁右侧没承受弯矩,有:代入边界条件,有:等截面梁的弯曲应变能表达式为:给梁施加一个虚位移:则其外力虚功为:虚应变能为:由虚功原理,有:,即:由于虚位移是任意的,故:所以:【由此可以看出,虚位移原理和最小势能原理是一致的,都是从能量的角度来阐述超静定结构在平衡状态所需满足的条件,即用能量方程来替代变形协调条件。在做题时,个人觉得最小势能

5、原理具有更好的操作性。】

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