彎曲內(nèi)力圖教學方法探討

【摘 要】材料力學中彎曲內(nèi)力是重要的內(nèi)容。通過繪制彎曲內(nèi)力圖可以確定梁的危險截面，是對彎曲梁進行強度校核的關鍵。學生在求解彎曲內(nèi)力時，常常會遇到不少問題。簡易法繪制彎曲內(nèi)力圖簡單且容易操作，需要有一些方法和技巧，如何在教學中教會學生靈活應用，提出了一些想法進行探討。

【關鍵詞】彎曲內(nèi)力；剪力；彎矩

一、引言

材料力學中求桿件內(nèi)力，是最基本的內(nèi)容。內(nèi)力的求解主要包含三種：軸向拉壓桿軸力、扭轉(zhuǎn)軸的扭矩、彎曲梁的剪力和彎矩。其中梁的剪力和彎矩的求解較復雜些。繪制剪力圖和彎矩圖有兩個方法，第一是根據(jù)剪力方程和彎矩方程來繪制剪力圖和彎矩圖；第二是只需求出關鍵截面的內(nèi)力，根據(jù)總結(jié)的規(guī)律繪制內(nèi)力圖，也稱為簡易法。由于簡易法繪制內(nèi)力圖簡單，基本上在教學過程中會用較多的課時教授簡易法。熟練掌握簡易法，就能快速簡便地繪制內(nèi)力圖，但教學的過程中不少學生還是不能很好地掌握。通過教學中不斷總結(jié)經(jīng)驗，對簡易法的教學提出了一些想法。

二、如何在教學中引入簡易法

做截面列剪力方程和彎矩方程繪制內(nèi)力圖雖然比較繁瑣，卻是引入簡易法的基礎。在教學過程中要首先要詳細講解該方法。在該方法的基礎上引入簡易法，很自然，也容易接受。

講解根據(jù)內(nèi)力方程繪制內(nèi)力圖時，首先要強調(diào)步驟，使學生有明確的繪制內(nèi)力圖思路。該方法首先要對梁進行分段，這一步驟和簡易法一致。分段點是：桿的端點、集中力作用點、分布力的起點和終點。在講解的過程中，由于反復使用，學生的腦中會有比較深的印象；分段后，在每一段內(nèi)任做一截面，將桿件一分為二，任取一局部，假設截面上的內(nèi)力，根據(jù)局部的受力圖列平衡方程求解內(nèi)力方程；最后根據(jù)內(nèi)力方程，繪制內(nèi)力圖。

為了總結(jié)不同載荷作用下內(nèi)力圖的形狀及特點，在講解根據(jù)內(nèi)力方程繪制內(nèi)力圖時，要選擇合適的例題。例題最好不要太復雜，就采用單跨的梁，如：簡支梁、懸臂梁。載荷也比較簡單，比如只有均勻分布載荷，繪制內(nèi)力圖（如圖1）。通過該例題繪制梁AB梁的內(nèi)力圖，可以知道均勻分布載荷作用的一段，剪力圖是斜直線，彎矩圖是拋物線。除了強調(diào)拋物線開口向下，還要明確繪制拋物線的幾個點。如果拋物線有極值點，繪制拋物線就需要三個點。這一段的兩個端點和極值點的彎矩值，繪制成彎矩圖，極值點為最高或最低點。如圖1中的彎矩圖，繪制AB段的彎矩圖需要端點A、端點B和極值點C點的彎矩值連接而成。

再如，簡支梁在載荷為集中力偶（圖2）作用下的內(nèi)力圖。剪力圖為直線，彎矩圖為斜直線，且彎矩圖在集中力偶作用點發(fā)生突變。可以在C截面的左右兩側(cè)各做一截面，取局部求截面的彎矩。C截面兩側(cè)彎矩的突變值為力偶矩的大小。

通過類似的一些簡單的例題，可以把各種載荷作用下，內(nèi)力圖的形狀和特點展示給學生，讓學生對例題進行比較和總結(jié)。加深學生對簡易法來源的理解。對于常見的載荷、剪力圖和彎矩圖之間的相互關系，可得出如下一些規(guī)律：

（一）在沒有均布載荷作用的一段梁上，，即，。此段梁的剪力圖為必為平行于軸的直線；彎矩圖則為斜直線。

（二）在有均布載荷作用的一段梁上，為常數(shù)，即和均為常數(shù)，此段梁的剪力圖和彎矩圖必分別為斜直線和二次拋物線。

（三）還可從剪力圖確定彎矩圖中極值點的位置：當不為零時，如果梁在某截面上的剪力為零，則彎矩圖在相應點出的切線平行于軸，該截面上的彎矩必為極值。

（四）在集中力作用處，剪力圖發(fā)生突變，突變幅度為集中力的大小。彎矩圖在該處為尖點。 在集中力偶作用處，彎矩圖發(fā)生突變，突變值等于力偶矩。剪力圖在該點沒有變化。

利用上述規(guī)律，可以校核剪力圖和彎矩圖的正確性。

三、應用簡易法的要點

簡易法應用時，常常會碰到多種載荷作用下求梁的內(nèi)力圖，如圖3是一個非常典型的彎曲內(nèi)力圖繪制題目，其上載荷包含了常見的三種載荷，集中力、集中力偶和均勻分布載荷。求解時有幾個要點：

（一）要把內(nèi)力圖和梁的受力圖上下對齊（如圖3），這樣每一段的載荷和內(nèi)力圖形狀很清晰，在繪制的過程中不容易出錯。

（二）注意每一段分布載荷的集度，剪力，彎矩的微分關系。在內(nèi)力圖中，就體現(xiàn)在內(nèi)力圖線形。如圖3中，CA段，那么剪力方程應該是常數(shù)，為水平直線，那么彎矩方程更高一階，是一次函數(shù)，為斜直線。按照受力圖放在最上方，剪力圖第二，彎矩圖第三，它們的線形也是滿足下面的內(nèi)力圖線形要比上方圖形的高一階。解題時可以關注，來驗證內(nèi)力圖是否正確。

（三）注意內(nèi)力圖發(fā)生突變的截面，如集中力作用截面、集中力偶作用截面。如圖3中的A截面和C截面。

如果熟練掌握簡易法，那繪制梁的彎曲內(nèi)力圖就不需要太多繁瑣的計算過程，繪制時比較容易，也不易出錯。

四、結(jié)論

簡易法需要在理解的基礎上，通過一些練習才能熟練掌握。在講解該方法時，要讓學生在課堂上做一些練習，做完練習及時地講解，可以加深印象。可以讓學生做一些找出內(nèi)力圖錯誤的習題，或根據(jù)內(nèi)力圖畫受力圖的習題，不僅可以提升課堂的趣味性，而且可以突出重點，如內(nèi)力圖會在什么情況下突變等。

參考文獻：

[1]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]單輝祖.材料力學教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

作者簡介：

范志毅（1978-），女，福建人，固體力學，講師。