悬臂代换横充直装直杆受力变形的置换法_[中国]喻晓今_9787113258191

本书主要论述了置换法应用于直杆组成的各种梁以及简单结构的情况。共六章内容：直杆受力变形及其一种方法进展；速求简支梁位移的置换法；悬臂梁位移的置换解法；外伸梁位移的置换；连续梁的置换法延续；简单结构肢体的置换。本书以诙谐的笔调、插图的表现形式将一些晦涩的理论用轻松的文字表达出来，既调和了科技阅读的乏味，又拉近了抽象与具体的距离，反映出倾情演示置换法的良苦用心。本书适合作为高等院校理工科读者的教辅性和科普性读物。

从学科层面观，固体力学牵涉范围包括土木、机械、交通、航空、动力、水利、冶金、化工等领域，具体地说是涉及这些行业的装备、物件或其产物。本书的研究对象即是所述物件中的长形构件及其简单组合，主要内容是对受荷载作用后，对象的弹性变形的计算。众所周知，《理论力学》是经典力学传承的第一门理论，亦是力学基础课程，同时，其也是可变形固体构件科学研究的先导理论，而杆的受力变形研讨则依赖于两本基本著述——《材料力学》和《结构力学》。若细处着眼，在材料力学的范畴，前人使用多种计算方法及计算工具进行了研究，抽其精髓，保留下当前广为流行的版本，理论框架、计算公式很少采用一个世纪以来的成果，称为“经典”恰如其分。反向观，此状况是否表示偌长的时间里无重要成果？无论如何，此状况却引导作者进行了探索。在计算工具方面，本书建立新的梁位移计算模式，使得一般需用积分方法计算的问题，改换为只用算术四则运算法计算的问题；在设计方法方面，本书另辟蹊径，一定程度地贯通了材料力学和结构力学。换言之，本书试图用理论力学和材料力学中的梁位移相关理论，一并加上本书著者对梁内容的一个方向的拓展，便能进行部分简单结构的计算而毋庸学习结构力学知识，故而，对于一些没有专业结构设计任务但又需面对简单结构的工科行业、部分专业人员，这样做是适宜的。探知收益下面阐述著者对梁的位移内容进行深入发掘的经历，或许可给人们以启发。2000年，著者在《华东交通大学学报》发表了关于置换法的第一篇论文，当时此方法的基本实例呈现为各种梁的大挠度统一于它们各自对应的一根悬臂梁，故在论文的题目里用上了“同一性”一词。无疑，它提振了人们寻找简单梁替代复杂梁进行分析的信心。2002年，著者第一次用置换法的简支梁位移方程求解了任意简支梁的位移，当时称为“比拟梁法”，此名词源于力学工作者都较为熟悉的“扭转问题的薄膜比拟”，依问题的操作方式而借用于梁分析。2003年著者又探索了将悬臂梁挠曲线整体通过线位移和角位移恰当的适配后，可以变化成研究对象梁的挠曲线的事实。2004年著者给出置换法的图像证明。这样，梁位移内容研究推进到以悬臂梁位移的简单结果，搭建了一个求解简单梁位移的平台。2006年著者参加在河南理工大学召开的第15届全国结构工程学术会议，会上宣读了置换法求解简单超静定梁的论文。鉴于“比拟”的名称较容易与诸如“比拟连续梁法”等相混淆，在此后发表的论文中将其改为“置换法”字样，该方法实质未变。对于连续梁求解，本法省略了结构力学中的渐近法包含的转动刚度、传递系数和分配系数等必备概念。2007年至2008年间，著者分门别类地研究了简单刚架的置换法解法，例如，铰接型钢架、固端型钢架，静定钢架、超静定钢架，无侧移Γ形门形刚架、有侧移的Γ形门形刚架等，扩大了置换法的运用范围。自2011年始，著者向更广阔的外界介绍置换法，参加有关国际学术会议并宣读论文，分别解决了单墩桥梁、无侧移简单刚架、简单对称刚架的置换法求解问题，提出分段刚化法结合置换法和截断-置换法等以往不曾有过的方法，旨在提升置换法的水平。2014年《力学与实践》杂志刊登了著者置换法解外伸梁问题的论文；随后，2015年著者又证明了置换法位移方程的自身关系，得出结论：以该法位移方程表示的挠度与转角严格符合一阶导数关系，置换法位移方程在数理上成立。简言之，置换法就是利用悬臂梁的挠曲线相对容易把控，其大转角、大挠度结果简单这一特点，针对简支梁、悬臂梁和外伸梁分别搭建“置换法位移方程”这个平台，在计算了任意梁对应的悬臂梁的位移后，通过这个平台就能求解出原梁位移，“置换”的道理即是此意。本书相关研究曾获得华东交通大学首届科学技术奖励大会的奖项（喻晓今，静定梁位移计算的新方法——比拟梁法，获“自然科学三等奖”，2004年9月10日，证书号：kjcg2004133D00）；获得第15届全国结构工程学术会议“中青年优秀论文奖”。此方面的研究，以著者主持并结题的江西省教育厅教改项目“结构中力与位移关系内容的适应削减课时的置换法建造（课题编号：JXJG14531）”而告一段落。宣开初衷下面讲述在相关领域的材料力学教育中集中推广置换法的理由。现在的工科，由于增加课种、缩减学时等原因，材料力学中梁的位移内容只介绍积分法和叠加法，历史上所出现的其他方法，由于一些不便，诸如需另开一个知识体系、需要记忆较多系数或是掌握其算法需要耗时日等，就不再在本书采用了。即便是叠加法，每每计算都得查用相应的位移结果图表等，效率很低。而置换法却与众不同，在操作层面，只要记忆少量系数、公式等，便能较好地手算梁的位移，甚至分析简单结构，结果还是解析解，有鉴于此，该方法有推广使用的现实需求。为将已经获得方法的优势广泛地、迅速有效地告知科技青年、业内师生，著者一直在力行。2017年在贵州凯里学院承办的第四届全国力学实验教学学术会议暨第五届西南东北华东三地区力学教学暨学术交流会上，著者的置换法报告引起不少青年学者、教师的兴趣，这更坚定了作者的信心——出版专著介绍该成果。淬炼经历写作中以何种形式、风格来传达科学内容而又不失阅读味道，如何点缀、描绘甚至渲染呢？著者忆起自己认识事物、汲取知识养分并成就一些实绩的历程。20世纪60年代初期，著者被祖母带到赣江边的船上，望着中流风帆纵横游走，一幅风樯动景象，奇怪，旋风？后来从科普图书中得到了分力、合力的概念。20世纪60年代中期，邻居伙伴的小人书引来作者好奇心：加加林上天了，好高，那里没有重量，人们在飞船里走路要用脚背勾着像轮船上的爬梯一样的脚套，好玩！这就是简单结构。筒子楼里渐有战斗气息了，比有枪的伙伴还牛的是他对面住的中学生，他从裤兜里掏出一个木柄手榴弹，拧开后盖，露出白色引线，告诉大家：这是拉环，一拉就投出去。伙伴居然伸手就要拉！差一点就要“翻了兜”，伙伴们都为“真家伙”所迷。在八一桥头，作者见到支左部队浩浩荡荡列队环城游行，那高射炮直指苍穹、颤颤巍巍，又是何等气宇轩昂。后来知道，德国法西斯军队曾用高炮平射来当反坦克炮使。不久后，一辆解放牌卡车将作者一家人载往“广阔的天地”，作者便将车描绘了下来。20世纪60年代末，著者在田埂上见到了人力水车，见到了这种木制简单结构的受力变形，吱吱嘎嘎、晃晃悠悠，并有幸见证了其被抽水机完全替换的过程。在兴修水利的赣江大堤上，作者见到了人民战争式的壮观场景：风雷动，旌旗奋，银锄落，铁臂摇。一些场景被作者用粉笔反映在了班级的黑板报上。20世纪70年代前期，夜里刚躺下的作者被人叫起：“快来看卫星！”厉害了，赶上苏联了，怎么上去的？小人书中的事在中国也实现了！夏夜星空竹床上，父亲给著者讲述“动者恒动，静者恒静”的物理，这是空中物体的平衡原理。刚下农村时是在祠堂里上课，后来“五七中学”建设新校舍，著者见识了支架圆木房梁、三角形屋架等过程，大家也自己动手打坯烧砖。“双抢”时学生也要放假以支援抢收抢种，著者也见多了田间地头的青年们的扁担角力运动游戏；挑选扁担时的按压试力等，都是长形物的力与变形的实例。70年代中期，著者体验了多种劳动，在青云谱苗圃学习园艺时，对多种树木写生画画。在揭露法西斯的集中营罪恶的书里，有成堆的人发工艺品照片及其他相片，著者临摹了几张，其中有一张名为“捷克南部风光”，内有连续梁例型。就这样，著者学绘画，玩乐器，买元器件组装矿石收音机等，“蹉跎”了一段岁月，其实也就在不经意之间，成就了一类青年的好事——能够在停招后第一次全国统一高考招生中踏入大学校门。高考时著者所在地的做法是先填志愿后考试，著者不假思索地便填写了首都的一所国防工业院校，当时脑海里满是电影《长城新曲》中那辗转腾跃的坦克，总在想象北方那一排白杨树下的一排战车是怎样的风光。大学毕业后，著者也果真奔赴了国家第一个五年计划中建设的156个苏援项目之一的央企，并且参加了国防科工委十大重点项目之一的研制工作。在同一专业前辈的带领下，完成了任务，参与研制的武器在天安门国庆阅兵中得以展示。后来，著者的那只“看不见的手”又指使作者冥冥之中在部队里拿到了一个防护工程的课题合作项目。醉味画风上面所述的一些阅历就组成了著者的基本素材库，著者会把经历中有趣或“有戏”的部分写入本书，以供大家“好玩”，也存“玩物开智”的欲念。前有榜样，力学里的一些成果是一位叫作达·芬奇的欧洲艺术家“玩”出来的，故也想以轻松活泼的形式来普及一点力学知识。如此考量，采用何样体裁，作者便有路数在心——既严谨，又耐看。有一种夸张的说法：欧美的青少年是玩大的，或许这就是其创造力的本源。好莱坞会玩，且玩出了科技意义，一些系列大片不仅在中国切走一块蛋糕，而且暗中助推投入世界各地战场的美军士兵，为美国建功立业。“在商言商”，我们何不如法炮制呢？因此，作者想做一点科普的事儿，作者受科普益，何不益科普？这也是教育本分。深层思量，颇有道理，若学科没有情感，谁会去直面学科的苍白？若科学没有温度，谁又会去拥抱科学的春天呢？此理念推着著者向释缚释惑方向使力，并在亦庄亦谐中展开。以积累多年教学经验，并迎合大众口味来铺陈，希望能开启青少年的科技感觉。在读过梁的弯曲位移内容后，著者便发现，此置换法是新法，是教科书中不曾见过的解法，而通过置换法就能够解决结构师的一些问题，这是期盼。新特色本书在材料力学关于变形方面的新表述、新方式和新过程等，有以下数项：“置换法”、“分段刚化-置换法”、“截断-置换法”，为解法。“相对变形（位移）”、“牵连位移”和“绝对变形（位移）”概念，利用运动学概念的延伸，借鸡生蛋。“力元素分布表”是在联立求解多元一次方程时，分析未知力因素分布情况的列表。“消元步骤进行图”是确立力元素替代解算具体步骤的路线图。为了体现通俗性、趣味性，全书在有关段落处的正文外，会用生动的短句提示读者，起到解释、引人入胜的作用，有时是点题，有时是顿悟，几处还出现小插曲等。节后每每也会给出口诀、诗文或对联式的结语。著者认为这不是一般的课本，通过这些手段，能较为充分地展示置换法良好的亲和力。本书的插图均由著者本人绘制，一些图案是现场速写而显示了真实性，因此，也具有了一定的史料性质。近贸易摩擦不断，它与“专利”相关，“专利”与“创造力”相关，“创造力”又与“科技素养”相关，因而“贸易摩擦”与“科普读物”相关，那就让此书为提升民众力学素质出力吧。鸣谢同仁置换法的成书要感谢帮助作者申报各级课题的华东交通大学的同事——余学文、胡淑兰、肖挺松和梁平英等老师，并向激励作者探索的诸多同行致谢！一并对编审人士的慧眼灵犀深表谢忱！文思看山峥嵘，一波三折为猎奇，理念削峰填谷，三教九流盼归一。高楼攀云破雾，似昔日烟囱电柱，长桥越水过隧，如当今芯片网路。摩天鳞次栉比，当比土地爷伸臂？天堑车水马龙，合龙凭悬臂对齐？簧片婀娜多姿，可以悬臂梁比拟，跳板弹飞冠军，已然置换梁托举。著者二零一九年三月于南昌赣江之滨从学科层面观，固体力学牵涉范围包括土木、机械、交通、航空、动力、水利、冶金、化工等领域，具体地说是涉及这些行业的装备、物件或其产物。本书的研究对象即是所述物件中的长形构件及其简单组合，主要内容是对受荷载作用后，对象的弹性变形的计算。众所周知，《理论力学》是经典力学传承的第一门理论，亦是力学基础课程，同时，其也是可变形固体构件科学研究的先导理论，而杆的受力变形研讨则依赖于两本基本著述——《材料力学》和《结构力学》。若细处着眼，在材料力学的范畴，前人使用多种计算方法及计算工具进行了研究，抽其精髓，保留下当前广为流行的版本，理论框架、计算公式很少采用一个世纪以来的成果，称为“经典”恰如其分。反向观，此状况是否表示偌长的时间里无重要成果？无论如何，此状况却引导作者进行了探索。在计算工具方面，本书建立新的梁位移计算模式，使得一般需用积分方法计算的问题，改换为只用算术四则运算法计算的问题；在设计方法方面，本书另辟蹊径，一定程度地贯通了材料力学和结构力学。换言之，本书试图用理论力学和材料力学中的梁位移相关理论，一并加上本书著者对梁内容的一个方向的拓展，便能进行部分简单结构的计算而毋庸学习结构力学知识，故而，对于一些没有专业结构设计任务但又需面对简单结构的工科行业、部分专业人员，这样做是适宜的。探知收益下面阐述著者对梁的位移内容进行深入发掘的经历，或许可给人们以启发。2000年，著者在《华东交通大学学报》发表了关于置换法的第一篇论文，当时此方法的基本实例呈现为各种梁的大挠度统一于它们各自对应的一根悬臂梁，故在论文的题目里用上了“同一性”一词。无疑，它提振了人们寻找简单梁替代复杂梁进行分析的信心。2002年，著者第一次用置换法的简支梁位移方程求解了任意简支梁的位移，当时称为“比拟梁法”，此名词源于力学工作者都较为熟悉的“扭转问题的薄膜比拟”，依问题的操作方式而借用于梁分析。2003年著者又探索了将悬臂梁挠曲线整体通过线位移和角位移恰当的适配后，可以变化成研究对象梁的挠曲线的事实。2004年著者给出置换法的图像证明。这样，梁位移内容研究推进到以悬臂梁位移的简单结果，搭建了一个求解简单梁位移的平台。2006年著者参加在河南理工大学召开的第15届全国结构工程学术会议，会上宣读了置换法求解简单超静定梁的论文。鉴于“比拟”的名称较容易与诸如“比拟连续梁法”等相混淆，在此后发表的论文中将其改为“置换法”字样，该方法实质未变。对于连续梁求解，本法省略了结构力学中的渐近法包含的转动刚度、传递系数和分配系数等必备概念。2007年至2008年间，著者分门别类地研究了简单刚架的置换法解法，例如，铰接型钢架、固端型钢架，静定钢架、超静定钢架，无侧移Γ形门形刚架、有侧移的Γ形门形刚架等，扩大了置换法的运用范围。自2011年始，著者向更广阔的外界介绍置换法，参加有关国际学术会议并宣读论文，分别解决了单墩桥梁、无侧移简单刚架、简单对称刚架的置换法求解问题，提出分段刚化法结合置换法和截断-置换法等以往不曾有过的方法，旨在提升置换法的水平。2014年《力学与实践》杂志刊登了著者置换法解外伸梁问题的论文；随后，2015年著者又证明了置换法位移方程的自身关系，得出结论：以该法位移方程表示的挠度与转角严格符合一阶导数关系，置换法位移方程在数理上成立。简言之，置换法就是利用悬臂梁的挠曲线相对容易把控，其大转角、大挠度结果简单这一特点，针对简支梁、悬臂梁和外伸梁分别搭建“置换法位移方程”这个平台，在计算了任意梁对应的悬臂梁的位移后，通过这个平台就能求解出原梁位移，“置换”的道理即是此意。本书相关研究曾获得华东交通大学首届科学技术奖励大会的奖项（喻晓今，静定梁位移计算的新方法——比拟梁法，获“自然科学三等奖”，2004年9月10日，证书号：kjcg2004133D00）；获得第15届全国结构工程学术会议“中青年优秀论文奖”。此方面的研究，以著者主持并结题的江西省教育厅教改项目“结构中力与位移关系内容的适应削减课时的置换法建造（课题编号：JXJG14531）”而告一段落。宣开初衷下面讲述在相关领域的材料力学教育中集中推广置换法的理由。现在的工科，由于增加课种、缩减学时等原因，材料力学中梁的位移内容只介绍积分法和叠加法，历史上所出现的其他方法，由于一些不便，诸如需另开一个知识体系、需要记忆较多系数或是掌握其算法需要耗时日等，就不再在本书采用了。即便是叠加法，每每计算都得查用相应的位移结果图表等，效率很低。而置换法却与众不同，在操作层面，只要记忆少量系数、公式等，便能较好地手算梁的位移，甚至分析简单结构，结果还是解析解，有鉴于此，该方法有推广使用的现实需求。为将已经获得方法的优势广泛地、迅速有效地告知科技青年、业内师生，著者一直在力行。2017年在贵州凯里学院承办的第四届全国力学实验教学学术会议暨第五届西南东北华东三地区力学教学暨学术交流会上，著者的置换法报告引起不少青年学者、教师的兴趣，这更坚定了作者的信心——出版专著介绍该成果。淬炼经历写作中以何种形式、风格来传达科学内容而又不失阅读味道，如何点缀、描绘甚至渲染呢？著者忆起自己认识事物、汲取知识养分并成就一些实绩的历程。20世纪60年代初期，著者被祖母带到赣江边的船上，望着中流风帆纵横游走，一幅风樯动景象，奇怪，旋风？后来从科普图书中得到了分力、合力的概念。20世纪60年代中期，邻居伙伴的小人书引来作者好奇心：加加林上天了，好高，那里没有重量，人们在飞船里走路要用脚背勾着像轮船上的爬梯一样的脚套，好玩！这就是简单结构。筒子楼里渐有战斗气息了，比有枪的伙伴还牛的是他对面住的中学生，他从裤兜里掏出一个木柄手榴弹，拧开后盖，露出白色引线，告诉大家：这是拉环，一拉就投出去。伙伴居然伸手就要拉！差一点就要“翻了兜”，伙伴们都为“真家伙”所迷。在八一桥头，作者见到支左部队浩浩荡荡列队环城游行，那高射炮直指苍穹、颤颤巍巍，又是何等气宇轩昂。后来知道，德国法西斯军队曾用高炮平射来当反坦克炮使。不久后，一辆解放牌卡车将作者一家人载往“广阔的天地”，作者便将车描绘了下来。20世纪60年代末，著者在田埂上见到了人力水车，见到了这种木制简单结构的受力变形，吱吱嘎嘎、晃晃悠悠，并有幸见证了其被抽水机完全替换的过程。在兴修水利的赣江大堤上，作者见到了人民战争式的壮观场景：风雷动，旌旗奋，银锄落，铁臂摇。一些场景被作者用粉笔反映在了班级的黑板报上。20世纪70年代前期，夜里刚躺下的作者被人叫起：“快来看卫星！”厉害了，赶上苏联了，怎么上去的？小人书中的事在中国也实现了！夏夜星空竹床上，父亲给著者讲述“动者恒动，静者恒静”的物理，这是空中物体的平衡原理。刚下农村时是在祠堂里上课，后来“五七中学”建设新校舍，著者见识了支架圆木房梁、三角形屋架等过程，大家也自己动手打坯烧砖。“双抢”时学生也要放假以支援抢收抢种，著者也见多了田间地头的青年们的扁担角力运动游戏；挑选扁担时的按压试力等，都是长形物的力与变形的实例。70年代中期，著者体验了多种劳动，在青云谱苗圃学习园艺时，对多种树木写生画画。在揭露法西斯的集中营罪恶的书里，有成堆的人发工艺品照片及其他相片，著者临摹了几张，其中有一张名为“捷克南部风光”，内有连续梁例型。就这样，著者学绘画，玩乐器，买元器件组装矿石收音机等，“蹉跎”了一段岁月，其实也就在不经意之间，成就了一类青年的好事——能够在停招后第一次全国统一高考招生中踏入大学校门。高考时著者所在地的做法是先填志愿后考试，著者不假思索地便填写了首都的一所国防工业院校，当时脑海里满是电影《长城新曲》中那辗转腾跃的坦克，总在想象北方那一排白杨树下的一排战车是怎样的风光。大学毕业后，著者也果真奔赴了国家第一个五年计划中建设的156个苏援项目之一的央企，并且参加了国防科工委十大重点项目之一的研制工作。在同一专业前辈的带领下，完成了任务，参与研制的武器在天安门国庆阅兵中得以展示。后来，著者的那只“看不见的手”又指使作者冥冥之中在部队里拿到了一个防护工程的课题合作项目。醉味画风上面所述的一些阅历就组成了著者的基本素材库，著者会把经历中有趣或“有戏”的部分写入本书，以供大家“好玩”，也存“玩物开智”的欲念。前有榜样，力学里的一些成果是一位叫作达·芬奇的欧洲艺术家“玩”出来的，故也想以轻松活泼的形式来普及一点力学知识。如此考量，采用何样体裁，作者便有路数在心——既严谨，又耐看。有一种夸张的说法：欧美的青少年是玩大的，或许这就是其创造力的本源。好莱坞会玩，且玩出了科技意义，一些系列大片不仅在中国切走一块蛋糕，而且暗中助推投入世界各地战场的美军士兵，为美国建功立业。“在商言商”，我们何不如法炮制呢？因此，作者想做一点科普的事儿，作者受科普益，何不益科普？这也是教育本分。深层思量，颇有道理，若学科没有情感，谁会去直面学科的苍白？若科学没有温度，谁又会去拥抱科学的春天呢？此理念推着著者向释缚释惑方向使力，并在亦庄亦谐中展开。以积累多年教学经验，并迎合大众口味来铺陈，希望能开启青少年的科技感觉。在读过梁的弯曲位移内容后，著者便发现，此置换法是新法，是教科书中不曾见过的解法，而通过置换法就能够解决结构师的一些问题，这是期盼。新特色本书在材料力学关于变形方面的新表述、新方式和新过程等，有以下数项：“置换法”、“分段刚化-置换法”、“截断-置换法”，为解法。“相对变形（位移）”、“牵连位移”和“绝对变形（位移）”概念，利用运动学概念的延伸，借鸡生蛋。“力元素分布表”是在联立求解多元一次方程时，分析未知力因素分布情况的列表。“消元步骤进行图”是确立力元素替代解算具体步骤的路线图。为了体现通俗性、趣味性，全书在有关段落处的正文外，会用生动的短句提示读者，起到解释、引人入胜的作用，有时是点题，有时是顿悟，几处还出现小插曲等。节后每每也会给出口诀、诗文或对联式的结语。著者认为这不是一般的课本，通过这些手段，能较为充分地展示置换法良好的亲和力。本书的插图均由著者本人绘制，一些图案是现场速写而显示了真实性，因此，也具有了一定的史料性质。近贸易摩擦不断，它与“专利”相关，“专利”与“创造力”相关，“创造力”又与“科技素养”相关，因而“贸易摩擦”与“科普读物”相关，那就让此书为提升民众力学素质出力吧。鸣谢同仁置换法的成书要感谢帮助作者申报各级课题的华东交通大学的同事——余学文、胡淑兰、肖挺松和梁平英等老师，并向激励作者探索的诸多同行致谢！一并对编审人士的慧眼灵犀深表谢忱！文思看山峥嵘，一波三折为猎奇，理念削峰填谷，三教九流盼归一。高楼攀云破雾，似昔日烟囱电柱，长桥越水过隧，如当今芯片网路。摩天鳞次栉比，当比土地爷伸臂？天堑车水马龙，合龙凭悬臂对齐？簧片婀娜多姿，可以悬臂梁比拟，跳板弹飞冠军，已然置换梁托举。著者二零一九年三月于南昌赣江之滨

你还可能感兴趣

我要评论