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第二章作业
一、问题叙述
图(a)是载荷为线性分布的均质梁,如图(b)所示,该梁的挠度曲线方程是
y=(−+2−
其中,=2.5kN/cm,
E=50000kN/为弹性模量,
I=30000为截面惯性矩,
L=600cm为杆长。
请计算出该杆的最大挠度值。(提示:杆最大挠度值在
满足=0的x处达到)
二、问题分析
1.关于挠度
定义:挠度是在受力或非均匀温度变化时,杆件轴线在垂直于轴线方向的线位移或板壳
中面在垂直于中面方向的线位移。
对于本题,由图(b)可知,根据方程所求挠度y为负数,负号表示弯曲方向向下,挠度值
取其绝对值。因此单纯从数学角度求解问题时应取图像上y的最低点,即最小值。
2.问题求解
对于此问题,求解方法可以大致分为两类:
1)直接求解:将所给参数值代入方程,利用MATLAB画图作出y-x曲线,通过曲线确定
y的最大值即为所求最大挠度值。
2)求导后求根:对曲线方程两边同时求导,有
f==−(5−6+)
120
则导数方程=0的根所对应的y值即为所求最大挠度值。则原问题变为求解方程f(x)=0
的根,即求方程5
−6+=0的根。由于方程为高次,所以存在四个根,将各个根分
别代入原方程中,比较所求y值,取其中的最小值的绝对值作为该杆的最大挠度值。
关于上述四次方程的求根方法,可以采用直接调用函数法、二分法、试位法、不动点迭代法、
Newton-Raphson法以及割,具体每种方法的求解思路以及具体实现见下文。
三、问题求解
1.图解法
1.1解题思路
直接利用MATLAB作出挠度曲线方程,寻找y的最小值,其绝对值即为最大挠度值。
1.2源程序
1.3输出结果
通过观察可知,在x=268附近y取到最小值-0.515189,通过图像反映如下:
所以,在杆长268cm处挠度值最大,最大值约为0.515189cm。使用图解法不精确,但
可以提供初始猜测值,在求得近似根的情况下,下面将运用其他数值计算的方法求解方程的
精确根,并且比较不同方法的迭代次数和收敛性。为了对不同方法进行比较,取迭代终止条
件为=5×10.
2.使用solve()函数直接求根
由题意,s=120*5^(1/2)≈268.328,将此结果代入原方程可得最果为-
0.515190062015952,精确度较高。
3.二分法
3.1解题思路
(1)确定初始的有根区间。在MATLAB中先作出f-x的图像来确定根的大致范围:
观察图像可知,该方程有2个解:
①x=600可能是其中的一个解。带入验证得f(x)=0.说明x=600确实为方程的一个解。但
根据挠度的含义,x=600时,由于该点被固定,所以弯曲变形时横截面形心沿与
轴线垂直方向的线位移即挠度为0,因此这个解应舍去。
②由图可知,另一个解在x∈(200,300),因此可令初始的有根区间为[a,b]=[200,300];
(2)计算中间点x=;
(3)根据情况确定根所在区间,由上图可知在x∈(200,300)内f(x)为减函数,因此有以下判
断:
a.若f(x)0,则根落在右边区间,取a=x,返回步骤(2);
b.若f(x)0,则根落在左边区间,取b=x,返回步骤(2);
c.若f(x)=0,则x即为所要求的根,算法终止;
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