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材料力学

挠度是曲率 M/EI 积分两次

曲率 = M/EI,EI·y″ = M 积分两次,边界条件,叠加求和

到目前为止,你问的是梁断不断,也就是强度。可不断并不是全部。跳水板晃得太厉害,或楼面梁明显下垂,即使不断也没法用。所以还得问梁实际弯多少,也就是刚度。那个弯曲的形状就是挠曲线,求它的路出乎意料地简单。正如 B3 里看到的,梁弯曲的程度,即曲率,与该处的弯矩成正比,与抗弯刚度成反比:曲率 = MEI。曲率是挠度求两次导,反过来,把 MEI 积分两次就得到挠度。每积分一次会出现一个常数,由支座给的边界条件确定。而当多个荷载同时作用,只需各自分别求解再相加。

先看挠度本身。压一压一端固定的悬臂梁的端头。梁向下弯成一条光滑的曲线。这就是挠曲线 y(x),表示各位置从原来的地方下降了多少。压得越用力,垂得越深。在弹性范围内,挠度也与荷载成正比,胡克定律一路跟到这里。悬臂梁端部荷载时,端部挠度是 δ = PL³(3EI)。要留意的是 L³。长度翻倍,挠度涨八倍。所以越长的梁垂得越多,在挠度问题里长度是最可怕的变量。

把挠度的真面目揭开一层。取弯曲梁的一小片,它像一小段圆弧一样弯着。弯得多厉害叫曲率 κ,是半径 R 的倒数。核心关系就在这里:κ = MEI。该处弯矩 M 越大越弯,抗弯刚度 EI 越大越不弯。拖动 M 看看。弯矩一大,小片就卷成更紧的弧。EI 随截面越深、材料越硬而越大,同样的弯矩下 EI 大就几乎不弯。强度里主角是截面模量 S,刚度里主角是 EI。而曲率正是挠度的种子:每个位置定下的这些小弯,累积起来就成了整条挠曲线。

现在把这些小曲率累成挠度。在数学上,曲率是挠度 y 求两次导:EI·y″ = M。那就反过来走。把 MEI 积分一次,得到梁的斜率 y′;再积分一次,得到挠度 y。对悬臂梁端部荷载,弯矩沿位置线性,所以 MEI 线性,积分一次的斜率是抛物线,再积分的挠度是三次曲线。拖动 P,三条曲线一起长大。你能看到每积分一次次数升一阶。这两次积分就是挠度分析的引擎。只要有弯矩图,两次积分就把梁弯成什么形状整个交给你。

积分有一个陷阱。每积分一次就附带一个未知常数,积两次就有两个。不把它们定下来,挠曲线就会上下漂移,或整条倾斜。把这些常数钉死的,就是边界条件,是支座给你的事实。悬臂梁的话,固定端处挠度为 0、斜率也为 0,因为它被牢牢嵌进墙里,那两个条件正好定下两个常数。简支梁的话,则是两端挠度为 0。用按钮换支座看看。同样的荷载,挠曲形状却完全不同。即便曲率分布相同,边界条件不同,结果就不同。所以在梁的问题里,支座是什么,占了一半。

最后,有一份让实务变得很轻松的礼物。因为一切都是线性的,挠度也能相加。梁上若有多个荷载,把每个荷载单独造成的挠度分别求出来,再相加就行。这叫叠加。用按钮在只有荷载 A、只有 B、两个都有之间切换。两个都加时的挠度,正好等于 A 单独的挠度加 B 单独的挠度。所以复杂的荷载也不用怕。教科书后面用表格整理了悬臂端部荷载、均布荷载、中央集中荷载等基本情形的挠度公式,实际问题只要查表相加就解出来了。挠度分析说到底,就靠两次积分加上相加来运转。

实际应用总结一下:梁的挠度由曲率积分两次得到。核心是曲率 = MEI,即 EI·y″ = M。积一次得斜率,积两次得挠度 y(x)。两个积分常数由支座的边界条件确定(悬臂梁在固定端 y=0、斜率=0;简支梁两端 y=0)。挠度对长度极敏感,按 L³ 增长,如悬臂端部荷载 δ = PL³3EI、简支中央荷载 δ = PL³48EI。由于一切线性,叠加成立:多个荷载分别求解再相加。在工程里强度和刚度都要:不断(σmax ≤ 许用),也不过度下垂(δ ≤ 限值)。到此 C 梁分析这条线就讲完了。下一讲起,我们看一点的应力如何随观察方向而变,进入平面应力变换。
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