结构力学 薄壁工程梁理论分解
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薄壁箱梁扭转理论讲解
基于扭转理论的优化设计目标是寻找 最优的梁截面尺寸、材料分布和结构 布局，以实现最小的重量、最大的承 载能力和最佳的稳定性。
03
优化设计的方法
常用的优化设计方法包括有限元法、 有限差分法和离散元素法等。这些方 法可以通过迭代计算，不断调整设计 方案，以实现最优的设计结果。
优化设计的目标与方法
优化设计的目标
转动惯量
薄壁箱梁的转动惯量决定 了其抵抗扭矩变化的稳定 性。
提高抗扭性能的措施
优化截面尺寸
通过调整薄壁箱梁的截面尺寸，提高其抗扭刚 度。
选择高强度材料
使用高强度材料可以降低扭矩作用下梁的变形。
加强连接构造
通过增加连接构造，提高薄壁箱梁的整体稳定性，从而提高其抗扭性能。
抗扭性能的实验研究
实验设备
需要使用专门的实验设备来模拟薄壁箱梁在扭矩作用 下的表现。
02 薄壁箱梁的扭转理论
扭转理论的定义与原理
定义
薄壁箱梁的扭转理论是指研究薄壁箱梁 在扭矩作用下的变形和应力分布的理论 。
VS
原理
薄壁箱梁的扭转理论基于弹性力学的基本 原理，考虑了剪切变形和剪切力的影响， 采用适当的简化假设和数学模型来描述扭 矩作用下薄壁箱梁的力学行为。
扭转理论的计算方法
解析法
优化设计的实践案例
案例一
某大型桥梁的薄壁箱梁设计。通过基于扭转理论的优化设计，成功地减小了梁 的重量，提高了承载能力和稳定性。同时，也降低了材料的消耗和成本。
案例二
某高速列车的车体结构设计。采用薄壁箱梁作为主要承重结构，通过优化设计， 实现了车体的轻量化和高强度。这提高了列车运行的安全性和稳定性。
实验过程
通过观察和记录薄壁箱梁在扭矩作用下的变形情况， 分析其抗扭性能。
薄壁箱梁的扭转和畸变理论-文档资料
自由扭转 约束扭转增量
主广义扇性静矩
4、约束扭转扭角微分方程
根据截面上内外扭矩平衡
根据截面上纵向位移协调
翘曲系数 截面极惯矩
合并两微分方程后得到
约束扭转的弯 扭特性系数
常用边 界条件
箱梁的畸变应力
1、弹性地基梁比拟法基本原理
畸变角微分方程
弹性地基梁微分方程
弹性地基梁与受畸荷载箱梁各物理量 之间相似关系
的 主 弯扭刚度比
要 增大抗扭惯矩可以大大减小扭转变形
因
素 扇性惯矩
曲线桥
平 计算方法综述
面
–杆系结构力学+横向分布
弯
–有限元法
桥
• 梁格法
的
• 板壳单元
设
计
计
算
线桥
平 面 曲 梁 的 变 形 微 分 方 程
混凝土徐变
定义 混凝土在不变荷载长期作用下，其应
变随时间而继续增长的现象称为混凝土的 徐变。 特点
T形梁翼板有效分布宽度
T 梁 有 效 分 布 宽 度
无承托：B=δ+2λ 有承托： B=δ+2λ+承托宽度
曲线桥
漳 龙 高 速 公 路
曲线桥
弯 拱 桥
曲线桥
弯 连 续 刚 构
曲线桥
弯 立 交 桥
曲线桥
弯 立 交 桥
曲线桥
由于曲率的影响，梁截面在发生竖向弯 受 曲时，必然产生扭转，而这种扭转作用又 力 将导致梁的挠曲变形，称之为“弯—扭” 特 耦合作用 点
徐变的发展规律是先快后慢，通常在 最初六个月内可完成最终徐变量的70-80%， 第一年内可完成90%左右，其余部分在以后 几年内逐步完成，经过2-5年徐变基本结束。
西北工业大学航空学院结构力学课后题答案第六章 薄壁工程梁理论
第六章 薄壁工程梁理论6-1 求如图所示剖面的弯曲正应力，设壁板不受正应力，缘条面积都是2200mm ，已知载荷.105,1056mm N M mm N M y x ⋅⨯=⋅=图中尺寸单位为mm.(a)（a ）解：确定形心坐标轴。
()()mm AAy mm AAx 50480120,804160160=+==+=则在形心坐标轴下，1点、2点、3点、4点的坐标分别为()()()()50,80,50,80,30,80,70,80----确定相应于形心坐标轴下的剖面惯性矩，惯性积和总面积。
43442442102.31056.21008.1Amm y x A J Amm x A J Amm y A J i i i xy i i y i i x ∑∑∑⨯-==⨯==⨯==求当量弯矩。
()()()()()-19.230M P a508025.842MPa 5080216MPa103080856MPa 34708045072.004132.0,1021154.0110973560196296.014321662=---=-⋅=⋅=-+-=⨯=⎪⎭⎫⎝⎛⨯+=⨯⋅=⎪⎭⎫⎝⎛⨯+==-=，，，，，，σσσσσy x y x J J M M k M J J M M k M J J J k x xy x y y y xy y x x yx xy(b)（b ）解：确定形心坐标轴。
()()mmAAy x 10042002000mm4AA100100=+==+-=在形心坐标轴下，1点、2点、3点、4点的坐标分别为()()()()100,100,100,0,100,0,100,100---。
确定相应于形心坐标轴下的剖面惯性矩，惯性积和总面积。
224x i 224244100()2100()2100()i y i i xy i i i J A y A mm J A x A mm J A x y A mm ==⨯==⨯==-⨯∑∑∑求当量弯矩。
结构力学 薄壁工程梁理论
使得所有结构元件具有 相同的弹性模量，而剖 面的几何形状不变。 引入减缩因数
E1 , t1
y
E2 , t 2
E3 , t 3
梁腹板
x
E4 , t 4
梁缘条
桁条（筋条）
设所有元件采用相同的弹性模量 E 。
i
Ei E
（1）变形协调：减缩前后元件的应变相等。
zi i
Ei
i
E
则 i i i
2 J xy J xy J xy 1 1 式中，M y M y M x ； M x M x M y ； k 1 k Jx k Jy JxJ y
M x , M y 分别叫做对x轴和y轴的当量弯矩。
6.2.2 减缩因数法
如果所分析的结构 由不同材料构成，前面 的公式就不能直接使用， 这时可把不同材料向同 Mx 一种材料折算；
1 htb 2
1 1 htb th2 2 8
b Qy h(b h / 6)
Qy th 2
2
h b 6
Sx
bh 4 Qy h(b h / 6)
q
Sx
1 htb 2
剪流方向根据其与剪力的 关系确定。 平衡观点
合力观点
合力的观点较合理。
以后的讨论均按合力的观点（和书上不同）。
Sx
Sx
1 bth th2 8
q
b h/8 Qy h(b h / 12)
静矩有继承性，因此剪流有连 续性，流向某点的剪流总和与流出 该点的剪流总和相同。 但在有集中面积之处，由于静 矩突变，剪流连续性不存在。
例6-4 求圆形开剖面结构在剪力Qy作用 下的剪流。设壁厚为t。 解：x、y轴是形心主轴 计算惯性矩： x R3t J 有两种办法计算惯性矩：
E1 , t1
y
E2 , t 2
E3 , t 3
梁腹板
x
E4 , t 4
梁缘条
桁条（筋条）
设所有元件采用相同的弹性模量 E 。
i
Ei E
（1）变形协调：减缩前后元件的应变相等。
zi i
Ei
i
E
则 i i i
2 J xy J xy J xy 1 1 式中，M y M y M x ； M x M x M y ； k 1 k Jx k Jy JxJ y
M x , M y 分别叫做对x轴和y轴的当量弯矩。
6.2.2 减缩因数法
如果所分析的结构 由不同材料构成，前面 的公式就不能直接使用， 这时可把不同材料向同 Mx 一种材料折算；
1 htb 2
1 1 htb th2 2 8
b Qy h(b h / 6)
Qy th 2
2
h b 6
Sx
bh 4 Qy h(b h / 6)
q
Sx
1 htb 2
剪流方向根据其与剪力的 关系确定。 平衡观点
合力观点
合力的观点较合理。
以后的讨论均按合力的观点（和书上不同）。
Sx
Sx
1 bth th2 8
q
b h/8 Qy h(b h / 12)
静矩有继承性，因此剪流有连 续性，流向某点的剪流总和与流出 该点的剪流总和相同。 但在有集中面积之处，由于静 矩突变，剪流连续性不存在。
例6-4 求圆形开剖面结构在剪力Qy作用 下的剪流。设壁厚为t。 解：x、y轴是形心主轴 计算惯性矩： x R3t J 有两种办法计算惯性矩：
薄壁箱梁扭转理论
Mk GI d
曲率
１ M (形式类似弯曲： ＝ ) EI
Mｋ 代入 u ( z ) 表达式，则纵向位移： 将 t ， s ds s u( z) u0 ( z) ( z ) ( z ) ds
ds t
s 0
t
0
u 0 ( z ) ( z )[ ds
( s ) ds
0
s
s
ds
0
/
ds
薄壁箱梁的约束扭转
（1） 基本假定
众所周知，乌曼斯基闭口薄壁直杆约束扭转理论应用以下三个基 本假定： ①横截面的周边不变形； ②横截面上法向应力和剪应力沿壁厚是均匀分布的； ③横截面上纵向位移沿本截面的分布规律与自由扭转时是相同的
令纵向位移为 u ( z , s ) ， z 表示沿跨径， 当闭口截面只发生自由扭转时，有
E w ( Z S ) 2 1
Mk
E dz w E ( z) 2 1 ds u（z） M A u( z) vM u ( z ) ( z ) Z u0 y z s ( z ) ( z ) ] w E[u0 (3 24) ( z )是未定的，我们可以利用平衡条件来消去它，因为箱梁 上式中 u 0 截面上只有扭矩 M k ，其引起翘曲正应力 w 自相平衡，既正应力
s s
q
ds
（阴影部分 ，ds为三角形底边， 为高， 1 ds 为三角形面 2 积） Mk q （ 为周边所围面积的2倍）
qMk t
2. 扭矩M k 、扭率 和纵向位移 u 的关 Mk 系 我们假设 z 为梁 轴方向， u 为纵 向位移，v 为箱 dz 边 s 切线方向的 ds 位移：
飞行器结构力学电子教案6-3
q
Qy Jx
Sx
2、开剖面弯心的计算
现取任意点 A 为力矩中心，则剪 流对该点的力矩应等于其合力对同 一点的力矩，即
Байду номын сангаас
Q y x qds
s
式中，ρ 为微段ds 的剪流合力 ρds 到 力矩中心 A 的垂直距离， Qy x 绕 A
s
以逆时针方向为正， qds 绕 A 以顺 时针方向为正。 将剪流 q 计算公式代入，可得弯心坐标 x 为 同理，可得弯心坐标 y 为
2 3(b2 b12 ) x (b2 b1 ) h 6(b1 b2 )
（1）工字型剖面上、下对成，显 解： 然 x 轴为形心主惯轴，弯心就在 x 轴上。
th 2 Jx [h 6(b1 b2 )] 12
（2）剖面静矩Sx
如图所示。
（3）选取 A 点作为力矩中心，则
1 x Jx 1 S ds s x Jx th 2 2 2 (b1 b2 ) 4
所示的情形。
开剖面薄壁梁的承受扭矩能力 对于壁很薄的薄壁结构，由于壁的厚度与其它尺寸相差很大，实际计算时 忽略开剖面部分的承扭能力，对结构的承扭能力影响不大。
2、开剖面弯心的计算
根据以上的讨论可知，只需找到开剖面剪流的合力作用点，该点就是开剖 面弯心的位置。因为开剖面的剪流是弯曲剪流，只要开剖面的力矩平衡方程满 足，则剪力一定作用在弯心上。这也就是说，若剪力不作用在弯心上，那么， 开剖面的力矩平衡方程就无法满足。因此，可以利用力矩平衡方程求得开剖面 弯心的位置。 如图所示的开剖面。为简单起见， 这里假定 xoy 轴为剖面形心主惯轴。 Qy 将总剪力Q 分解为 和 Q 。 x 先考 Qy 虑只有 作用的情形。 此时，剖面上的剪流等于
薄壁箱梁扭转理论
u(z)u0(z)(z)
u0 (z) ——初始纵向位移，为一积分常数； (z) ——表示截面凹凸程度（翘曲程度）的某个函数
(z)(z)（扭率）为乌曼斯基第一理论（有些时候，误差较大）
(z)是一个待定函数，为乌曼斯基第二理论（按此计算）
二、约束扭转正应力
利用弹性力学中平面应力问题中应力与应变之间的关系式：
二、箱形截面的构造要点
（一）外形：由顶板、底板、腹板及梗胁组成
1、顶板：
除承受结构正负弯矩外，还承受车辆荷载的直接作用。在以负弯矩
为主的悬壁梁及T形刚构桥中，顶板中布置了数量众多的预应力钢束， 要求顶板面积心须满足布置钢束的需要，厚度一般取24—28cm。 2、底板
主要承受正负弯矩。当采用悬臂施工法时，梁下缘承受很大的压应 力，特别是靠近桥墩的截面，要求提供的承压面积更大；同时在施工时 还承受挂篮底模板的吊点反力。在T形刚构桥和连续梁桥中，底板厚度 随梁的负弯矩塔大而逐渐加厚。
因而，综合箱梁在偏心荷载作用下，四种基本变形与位移状态引起的 应力状态为：
在横截面上： 在纵截面上：
纵向正应力 剪应力 横向弯曲应力
(Z) M w dw
M k w dw
(S) c dt
承受偏心荷载的薄壁箱梁，将产生扭矩，此扭矩可分解为刚性扭 转和畸变力
薄壁箱梁的自由扭转简介
横向弯曲应力 c
（按超静定框架计算求得）
四、偏心荷载作用下的截面应力
2.纵向弯曲 纵向弯曲产生竖向变位 ，因而在横截面上引起纵向
正应力及剪应力，见图。图中虚线所示应力分布乃按初 等梁理论计算所得，这对于肋距不大的箱梁无疑是正确 的；但对于肋距较大的箱形梁，由于翼板中剪力滞后的 影响，其应力分布将是不均匀的，即近肋处翼板中产生 应力高峰，而远肋板处则产生应力低谷，如图中实线所 示应力图。这种现象称为“剪力滞效应”。对于肋距较 大的宽箱梁，这种应力高峰可达到相当大比例，必须引 起重视。
飞机结构力学课件6-2
q
Qy Jx
Sx
Qx Jy
Sy
q0
的开剖面剪流与切口处剪流之和， q q0
如图所示。
1、公式推导
为了求出切口处的剪流值q0，可利用对任意一极点O′的力矩 平衡方程，如图所示。设Mz为外力(包括剪力和扭矩)对极点 O′的矩，并规定Mz绕极点O′反时针方向为正，剖面上的剪流 q对极点O′的矩以顺时针方向为正。则有
飞机结构力学
第六章 薄壁工程梁理论
6.4 自由弯曲时单闭室剖面切应力的计算 6.5 开口弯心的计算
6.4 自由弯曲时单闭室剖面切应力的计算
1、公式推导
讨论图示的棱柱形单闭室剖面薄壁梁。在任意横向载荷作 用下，纵向任意剖面上的内力为Qx, Qy, Mx, My, Mz以及Nz。 假设整个剖面都能承受正应力。
q ds 1 Qy c c 2
s
3 5c 2 2
1 2
Qy 5c
Qy c
2c
c 2
2
Qy c
c 2
2 3
Qy 10c
c 2
3 2
c
2
17 6 Qyc
3、例题
s
q ds
17 6
Qyc
2(2c c) 4c2
q0
1
Mz
q ds
s
1
s
q
ds
1 17 4c2 6 Qyc
1、公式推导
现假想由a处沿纵向将剖面切开，在切口处沿纵向应有剪流 存在，该剪流值为q0，由剪应力成对作用定律，在横剖面 上也应有剪流存在，其值等于q0 。显然，q0沿剖面中的闭 合周边为一常数，如图所示。由于点a是任选的，故q0随点 a位置是变化的。
1、公式推导
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J xy J xy 1 1 Mx Mx My My Mx 式中，M y ； k Jy k Jx
； k 1 J J x y
2 J xy
M x , M y 分别叫做对x轴和y轴的当量弯矩。
6.2.2 减缩因数法
如果所分析的结构 由不同材料构成，前面 的公式就不能直接使用， 这时可把不同材料向同 Mx 一种材料折算；
A A A
a xtds b ytds c tds N z
A A A
aJ xy bJ x cS x M x aJ y bJ xy cS y M y aS y bS x cA0 N z
注意：积分 A 是对所有承受正应力的面积进行的。 若oxy坐标系的原点是剖面的形心，则静矩 S x S y 0
A xtds S y
—静矩
A
y 2tds J x
2 x A tds J y —惯性矩
A xytds J xy
—惯性积
a xytds b y 2tds c ytds M x
A A A
a x2tds b xytds c xtds M y
飞行器结构力学基础
李亚智
航空学院·航空结构工程系
第6章 薄壁工程梁理论 6.1 概述
工程梁：梁式薄壁结构，如机翼悬臂梁、机身简支外伸梁， 剖面几何形状复杂，材料性质复杂的薄壁梁。
y
x
z
实际工程梁结构高度静不定，用力法求解很困难，用 有限元法求解也比较麻烦。 可以先对结构进行简化，略去一些对承力作用弱的元 件，并对外载荷的分布和大小形式也作合理简化和调整， 形成适合工程化分析的理想化模型，然后进行计算。这就 是工程梁理论的思路。 6.1.1 简化假设 （1）棱柱壳体。剖面的几何形状及材料性质沿纵向不变。 横剖面可以发生翘曲（ w w( z) 0 ），但在自身平面 内的投影形状不变； （2）剖面上正应力和切应力沿壁厚 均匀分布。切应力τ平行于壁中线的 切线。
a
My Jy Mx b Jx N c z A0
aJ y M y
cA0 N z
ax by c
My Jy
x
Mx N y z Jx A0
当x，y轴是任意形心轴的情况，J xy 0
正应力的计算公式为:
My Jy x Mx N y z Jx A0
Mz
z
My
Qy o
Nz
力）： —正应力
—切应力
正应力方向以拉伸为正，切应力方向根据其与内力合 力的关系而定。 准确地讲，M x , M y , M z , Qx , Qy , N z 是剖面分布内力的合力。
6.2 自由弯曲时正应力的计算
6.2.1 公式推导 剖面上6个内力合力 中， M z 、 Q x 、 Q y 不引起 弯曲正应力。 正应力 壁上一点（x , y）处：M
（2）平衡：减缩前后元件的轴力不变。
Nzi i Ai i Ai 则 Ai i Ai
Ai i Ai ，这时对 也就是说，只需要把元件的面积作减缩， 应的正应力就是 i ，仍可按下式计算应力
i
My Jy x Mx N y z Jx A0
主形心惯性矩和剖面积均应换成面积减缩后的值。
J y 称为主形心惯性矩，且 若x, y是剖面的形心主轴，则 J x ，
J xy xytds 0
A
所以：
aJ xy bJ x cS x M x aJ y bJ xy cS y M y aS y bS x cA0 N z
bJ x M x
6.1.2 剖面坐标系及符号规定
（1）坐标系 x轴和y轴在剖面 内，z轴平行于母线 （展向）， x 、 y 、 z 构 成右手坐标系。 通常坐标原点位 于剖面上全部能够承 受正应力的面积的形 心上。
y
x
z
（2）剖面内力
M x , M y , M z , Qx , Qy , N z
y
矢量正方向与坐标轴正向 一致。
代入平衡方程
a xytds b y 2tds c ytds M x
A A A
a x2tds b xytds c xtds M y
A A A
a xtds b ytds c tds N z
A A A
式中，A tds A0 —剖面面积；A ytds S x
使得所有结构元件具有 相同的弹性模量，而剖 面的几何形状不变。 引入减缩因数
E1 , t1
y
E2 , t2
E3 , t3
梁腹板
E4 , t4
x
梁缘条
桁条（筋条）
设所有元件采用相同的弹性模量 E 。
Ei i E
（1）变形协调：减缩前后元件的应变相等。
zi i
Ei
i
E
则 i i i
n 0
t
自由表面
剪流的概念：
n
q
q q(s) 剪流 q t ，
剪流是单位长度上的剪力，切应力的载荷集度。
（3）应变平面分布
z ax by c
a , b , c —待定常数
则正应力： z E z E(ax by c) ax by c 弯曲和扭转时剖面可以发生翘曲，叫做自由弯曲和 自由扭转。 当翘曲受限时，叫做限制弯曲和限制扭转，产生附 加应力，例如机翼根部。所以自由弯曲和自由扭转的理 论不适用于翼根或梁的固定端。
z
z
y
My
t
Q y ds
Nz
( x, y)
o
Qx
Mx
x
该点处取微段ds 微段面积为 t ds ，微段上正应力的合力为 t ds 。 三个平衡方程：
M x y tds
A
M y x tds
A
N z tds
A
将正应力平面分布的表达式
z E z E(ax by c) ax by c