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约束的简化及其分类

约束是力学中的重要概念,最先在理论力学中学习,包括柔性约束、光滑接触面约束、光滑圆柱铰链约束、固定铰支座约束、滑动铰支座约束等等。但这些约束的命名,都是从工程角度,按照材料特性(如柔性约束)、运动特性(如固定、滑动铰支座)来命名,这样命名的好处是直观形象,坏处是不利于把握约束的本质与核心。

本质上约束起着对物体运动能力的限制作用,由于描述物体运动能力的力学术语称为自由度,也可以说约束就是对物体自由度的限制。如平面内的小球(视为质点),有x方向和y方向2个自由度;空间中的小球有x,y,z方向共3个自由度。如果把小球换成需要考虑形状的刚体,在平面下除了x,y方向2个自由度之外,还有面内旋转,共3个自由度;在空间状态下,除了沿着x,y,z方向3个自由度外,还可以绕3个坐标轴旋转,共6个自由度。我们所学的各种约束,实际上就是对这些自由度进行部分或全部约束。

举例来说,如图1所示具有3个自由度的平面刚体,当约束对刚体完全约束,即刚体不再具有任何运动可能时成为结构,如果约束对刚体约束不完全,仍具有某种运动能力时,则成为机构。由于机构会发生运动不能作为结构使用。

平面内刚体的运动形式

如只在某点施加x方向、y方向2个约束,刚体仍可以绕该点转动,如果在该点再施加一个旋转约束(像悬臂梁的固定端那样),则成为结构,可以承载。当有效约束个数等于刚体自由度数时,所组成的结构称为静定结构;当约束个数大于刚体自由度数时,称为超静定结构(或静不定结构),并且有效约束数比自由度数多几个就称为几次超静定结构。超静定结构必须考虑变形补充方程,理论力学中均以刚体、质点为研究模型,理论力学中不能求解超静定结构问题。

这里强调有效约束,即约束不在同一自由度下重复施加。如图2所示,虽然该梁有3个约束,但三个约束在y方向重复施加,只限制了y方向和旋转自由度(两个y方向约束可限制y方向和转动自由度),因此其有效约束数只能算2个,有多余约束。由于约束也可以等效为约束反力,每个自由度又可以列一个平衡方程,理论力学中也通过数约束反力数与平衡方程数来定义超静定结构,即约束反力(通常为未知数)数大于可列出的平衡方程数时称为超静定结构。

同一方向下的存在多余约束的例子

对于约束的学习需要注重自然语言、图形语言和符号语言三种语言的综合运用,如固定铰支座,自然语言描述为:在一点处施加x方向、y方向2个约束。其力学简图和受力图(图形语言)如图3(a)和(b)所示

固定铰支座

用数学符号语言描述为:

u表示x方向的位移,v表示y方向的位移。即在该点处不能产生x方向和y方向的位移。

再如滑动铰支座,自然语言描述为:在y方向施加1个约束。力学简图和受力图如图4(a)、(b)所示。

滑动铰支座

写出数学符号描述为:

即在该点处不能产生y方向的位移。

固定端约束在同一个点限制三个自由度的,其画法如图5a,以及约束反力如图5b所示。

5 固定端约束

写出数学符号描述为:

即在该点处不能产生x、y方向的位移,不能产生转动,dv/dx表示固定端处梁的转角为0,即不能发生转动。

需要注意的是,力学中的约束是一种理想化了的“力学模型”,在工程实际中,约束往往与“力学模型”有较大的差异。需要学习者能够分析实际约束、并将其简化为“力学模型”,具体就是要分析实际约束是如何实现对物体自由度的约束的,写出数学表达并画出简图。

例如我们常说的简支梁,在实际中可能就是简单的用两个桥墩支撑一个桥面,如图6(a)所示。通常画出简支梁力学简图如图6(b)所示,一端为固定铰支座、另一端为滑动铰支座。但这里并没有出现“铰”约束,那么为什么会把这样的桥简化为简支梁呢?

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