材料力学能量法互动动画:卡氏第二定理

知识点:由应变能 U 对外力 P 求偏导,得到对应方向位移 δ

上方动画区:悬臂梁受端部集中力作用

P δ 梁长 L 弯矩图 M(x) 最大弯矩 应变能 U

右侧公式区

悬臂梁端部集中力作用时:
M(x)=P(L-x)
弯曲应变能:
U = ∫ M²/(2EI) dx
整理得:
U = P²L³/(6EI)
卡氏第二定理:
δ = ∂U/∂P = PL³/(3EI)
端部挠度 δ 0 mm
弯曲应变能 U 0 kJ
最大弯矩 Mmax 0 kN·m

观察重点:P 增大,挠度增大;L 增大,挠度按三次方快速增大;EI 增大,梁更“硬”,挠度减小。

集中力 P 10 kN
控制外力大小,P 越大,应变能和挠度越大。
梁长 L 3.0 m
L 对挠度影响最明显,因为 δ 与 L³ 成正比。
抗弯刚度 EI 800 kN·m²
EI 越大,构件抵抗弯曲变形能力越强。
结论:卡氏第二定理把“能量”与“位移”联系起来。先写出结构的应变能 U,再对对应外力 P 求偏导,就能得到该力方向上的位移 δ。