






为扭角沿着薄壁杆件轴向的变化率,而
为主扇性坐标(截面几何属性)。可见,当
沿着梁轴向不是一个常数时,翘曲w沿着轴向亦不同。即约束扭转是更为普遍的(自由扭转时,翘曲w沿着轴向是不变的)。
, h为计算点到转动点的距离。
所用到旋转点取在扭心处,并且称满足条件
的扇形坐标
为“主扇性坐标”(即整个截面关于主扇性坐标的静矩为0)。需要注意的是,扭心的位置和主扇形坐标都是剖面的固有几何属性。
来确定。有了
,就可以定义剖面的扇性惯性矩:
。对于薄壁结构,面积微元dA = t ∙ ds。扇性惯性矩亦称为翘曲常数Cw。
的点)


,且该应力的在剖面上分布取决于主扇性坐标 
,该剪力在剖面上形成一个附加二次扭矩
。这个二次扭矩将和杆件自由扭转产生的扭矩一起抵抗外力扭矩。
是怎么回事搞清楚。我们还是以工字钢为例,下图左侧是其剖面的主扇型坐标
分布,右侧的扇性正应力
分布与其一致。可以看到这个
仅在两个翼板上线性分布,且从两个翼板各自的角度可以理解成两个大小相同,方向相反的弯矩M1=M和M2=-M,它们相距腹板高度H。
的大小和B有关,其关系有如下公式表达:
为上面提到的扇性惯性矩(剖面的几何属性)。这个公式直观地表达了扇性正应力
在剖面的分布取决于剖面的主扇性坐标
,大小取决于双力矩B和扇性惯性矩
之比。
”。我们也可以从局部微元的角度来理解(教科书的套路),即正应力沿着轴向的变化是靠剪应力平衡的。这里,扇性正应力
沿着轴向的变化将产生上文提到的“二次剪应力
”。而
的积分效果就是
。
和二次剪应力
的存在,杆件即使仅受外扭矩作用也会发生一定的“弯曲”(如工字钢的两个翼板)。直观来看,杆件通过这种弯曲来产生二次扭矩
来帮助整个剖面抵抗外扭矩。
分布,约束端面上所有的节点,单元数和节点数将大幅增加。Dlubal RSTAB在梁分析时,软件可以考虑剖面的翘曲自由度(即第7自由度)。将翘曲自由度也约束后,梁发生发生约束扭转,从图11可见,约束扭转下的扭角将大大小于自由扭转。

图12. 翘曲正应力
分布

分布
的分布,可以看到它与剖面扇性坐标
分布一致。从轴向看,
在翘曲约束处最大,到自由端为0。
的积分效果为上下翼板形成一对方向相反的弯矩,即双力矩B,B也是翘曲约束处最大,到自由端为0。
的分布,可以看到它与剖面扇性静矩分布一致。从轴向看,
在翘曲约束处最大,距离越远越小。
的积分效果为上下翼板形成一对方向相反的剪力,这个对剪力形成附加二次扭矩
,
也是翘曲约束处最大,距离越远越小。
、
、B、
都是因为翘曲被约束形成的,而在自由端,工字钢杆件是接近自由扭转状态的,即圣维南扭转。可以把B、
、自由扭转形成的扭矩和总扭矩以梁内力的形式画出来,如图14。
图14. B、
、自由扭转扭矩和总扭矩图
附加二次扭矩是微积分相关的,B的导数就是
。附加二次扭矩
和自由扭转形成的扭矩之和等于总扭矩。在这个例子中,总扭矩即自由端施加的扭矩(5.00 kNm)。
总是在抵抗外力扭矩的。
图15. 等效应力云图
的微积分关系,可以隐约感到薄壁分析和传统的弯矩剪力分析存在一定的联系,现今的教材没有对此展开讨论。笔者偶然在图书馆发现一本1965年出版的《开口薄壁杆件的弯曲、扭转与稳定性》一书,书中对此做了比较详尽的讨论,相当经典。这里要向前辈们致敬,更要推荐给大家参考。笔者觉得理解其内容可以帮忙我们进阶简单梁分析的能力。
薄壁杆件的约束扭转问题中的扭角
与梁复杂弯曲中的挠度V对应;
双力矩B与弯矩M对应(扇性正应力和弯曲正应力对应);
总扭矩
与总剪力N对应;
附加二次扭矩
与由横向分布载荷
引起的剪力
对应;
抗扭刚度GT与轴向载荷T对应;
扇性抗扭刚度
与弯曲刚度
对应;
与剖面局部坐标y对应。
,于是在杆长及结构形式不变的情况下,计算梁的复杂弯曲所得到的挠度v加以负号就等于约束扭转的转角
,即:
。按照结构力学所述,一个复杂弯曲梁,如果轴向载荷的数值T不大,梁又有足够的弯曲刚度,则此轴向力对弯曲要素的影响可以略去不计,即当T较小时,可以把复杂弯曲梁当作只受横向载荷的梁来计算其弯曲要素,而不致有很大的误差。这一特点在开口薄壁杆件的约束扭转中也存在。对于所讨论的薄壁构件,如果它的抗扭刚度GJ(相当于复杂弯曲中的轴向力T)很小,则可以将它忽略,即不计扭角微分方程中的
项,而把微分方程近似的变为:
来计算。这时薄壁杆件的约束扭转就可以与一般的梁的横向弯曲问题相比拟。书中证明,当参数
较小时,忽略GJ项所引起的误差亦将很小。
《薄壁结构力学》是对《材料力学》和《结构力学》一个很好的补充。运用“比拟”的方法,结合现代梁系工具计算薄壁剖面的扇性特性,可以快速估算应力中的翘曲应力成分,让简单梁分析更进一步,同样也可以让有限元分析更有针对性。薄壁问题在船舶和海洋工程的规范中也有所涉及,限于本文篇幅,笔者计划下一次再做一期关于薄壁力学的专题,展开讨论。以下是笔者原创的海洋平台强度分析工程师实践进阶课,欢迎订阅和交流。
海洋平台强度分析工程师实践进阶课11讲-掌握海工结构分析 “老法理”和现代规范精髓

1.《开口薄壁杆件的弯曲、扭转与稳定性》陈铁云、陈伯真
2.《薄壁结构力学》陈伯真、胡毓仁
3.《Torsion and Shear Stresses in Ships》Mohamed Shama
(完)