机械基础第三章.ppt

机机械械基基础础第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析零件抵抗破坏的能力，称为零件抵抗破坏的能力，称为强度。强度。零件抵抗变形的能力，称为零件抵抗变形的能力，称为刚度。刚度。受压的细长杆和薄壁构件，当所受载荷增加时，受压的细长杆和薄壁构件，当所受载荷增加时，可能失去平衡形态，这种现象称为可能失去平衡形态，这种现象称为丧失稳定丧失稳定。实例见后 提要提要湖南平江普降特大暴雨，一座120米长的三孔石拱桥突然垮塌。目击者称：一声巨响后桥就塌了，桥上的摩托车和人全部掉下去了，一眨眼就看不到了。湖南省公路管理局养护处相关负责人介绍，13日8时50分左右，上游一艘被洪水冲下的沙船撞到桥墩，桥随后垮塌。据初步排查有9人落水，其中3人获救，至今仍有6人下落不明。强度问题：强度问题：具有足够的强度具有足够的强度规定荷载作用下不应破坏。规定荷载作用下不应破坏。2012年05月14日04:05来源：新京报湖南平江一大桥垮塌致湖南平江一大桥垮塌致6人失踪人失踪过程仅几秒过程仅几秒(图图)2012年年08月月24日日08:28来源：来源：新华社新华社哈尔滨阳明滩大桥发生断裂哈尔滨阳明滩大桥发生断裂哈尔滨阳明滩大桥发哈尔滨阳明滩大桥发生断裂生断裂4车坠桥车坠桥已致已致3死死5伤。伤。当日当日5时时30分左右，分左右，通车不到通车不到1年的年的哈尔滨阳明滩大桥哈尔滨阳明滩大桥发生断裂，发生断裂，致使致使4辆大货车坠桥。辆大货车坠桥。据消防部门消息，据消防部门消息，目前已造成目前已造成3人死亡、人死亡、5人受伤。人受伤。8月24日拍摄的发生断裂的大桥和坠落车辆新华社发第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析强度不够发生断裂（如暖气管爆裂等）刚度问题：刚度问题：具有足够的刚度荷载作用下的弹性变形不超过工程允许范围。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析刚度-抵抗变形8-26特大交通事故致特大交通事故致36死死国务院成立事故调查组国务院成立事故调查组新华网西安8月26日电（记者陶明石志勇）记者26日10时从事故现场了解到，陕西省延安市境内凌晨发生的特大交通事故确认共有36人死亡记者了解到，发生事故的客车核载39人，实载39人。事故发生后有3人逃生。2012年08月26日12:24来源：中国新闻网满足稳定性要求荷载作用下杆件能保持原有形态的平衡。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析在建高架桥发生倒塌铁架倒塌第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析作用于构件上的外力形式不同，构件产生的变形也不同。把构件的变形简化为四种基本变形。拉压、剪切、扭转、弯曲。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析第一节第一节直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析一拉伸与压缩时的变形特点一拉伸与压缩时的变形特点杆件受拉伸与压缩时必定产生伸长或缩短的变形。如教材图37所示。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析二内力与应力二内力与应力内力：在外力作用下，构件产生变形，杆件材料内部产生内力：在外力作用下，构件产生变形，杆件材料内部产生阻止变形的抗力，这种抗力称为内力。阻止变形的抗力，这种抗力称为内力。内力是由外力引起的构件内部一部分对另一部分的作用力。截面法截面法将受外力作用的杆件假想地切开，用以显示内力将受外力作用的杆件假想地切开，用以显示内力的大小，并以平衡条件确定其合力的方法，称为截面法的大小，并以平衡条件确定其合力的方法，称为截面法。求内力的过程为：切、取、代、平。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.1直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析应力应力用内力除以杆件的截面积，即得到用内力除以杆件的截面积，即得到单单位面积上的内力称为应力。位面积上的内力称为应力。见教材P53下部，单位换算应力的单位为应力的单位为Pa（帕），（帕），1Pa=1N/m2。在工程实际中，通常用通常用MPa（兆帕），（兆帕），1MPa=106Pa=1N/mm2。拉伸应力为正，拉伸应力为正，压缩应力为负。压缩应力为负。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.2拉伸与压缩时材料的力学性能拉伸与压缩时材料的力学性能受力特点：沿轴向作用一对等值、反向的拉力或压受力特点：沿轴向作用一对等值、反向的拉力或压力。力。变形特点：杆件沿轴向伸长或缩短。这种变形称为变形特点：杆件沿轴向伸长或缩短。这种变形称为拉伸或压缩。拉伸或压缩。见下页图第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.2拉伸与压缩时材料的力学性能拉伸与压缩时材料的力学性能轴向拉伸与压缩第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.2拉伸与压缩时材料的力学性能拉伸与压缩时材料的力学性能一低碳钢拉伸与压缩时的力学性能一低碳钢拉伸与压缩时的力学性能1、低碳钢拉伸时的力学性能、低碳钢拉伸时的力学性能如如P55图图311所示，所示，为低碳钢拉伸时的为低碳钢拉伸时的应力与应变曲线图。应力与应变曲线图。分为几个阶段，分为几个阶段，即弹性变形阶段、即弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段。缩颈阶段。得出相应的得出相应的材料比例极限、弹性极限、材料比例极限、弹性极限、屈服极限和抗拉强度。屈服极限和抗拉强度。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.2拉伸与压缩时材料的力学性能拉伸与压缩时材料的力学性能拉力伸长曲线第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.2拉伸与压缩时材料的力学性能拉伸与压缩时材料的力学性能2、低碳钢压缩时的力学性能、低碳钢压缩时的力学性能如如P56图图313所示，为低碳钢压缩时的应力与应变曲线图。所示，为低碳钢压缩时的应力与应变曲线图。也有相应的比例极限、弹性极限、屈服极限，与拉伸的应力与应变也有相应的比例极限、弹性极限、屈服极限，与拉伸的应力与应变曲线图相似。曲线图相似。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.2拉伸与压缩时材料的力学性能拉伸与压缩时材料的力学性能三塑性与冷作硬化三塑性与冷作硬化1、塑性、塑性塑性是指材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂的能力。塑性是指材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂的能力。用伸长率和断面收缩率表示。用伸长率和断面收缩率表示。算式见教材P57(3-4)（3-5）2、冷作硬化、冷作硬化在制造零件的过程中，对零件施加载荷使其产生塑性变形，则材料在制造零件的过程中，对零件施加载荷使其产生塑性变形，则材料的比例极限和屈服极限有所提高，但塑性下降的现象称为冷作硬的比例极限和屈服极限有所提高，但塑性下降的现象称为冷作硬化。化。如P57图315所示。冷作硬化不利于机械零件的再加工。工程中，常用冷作硬化来提高某些结构件的承载能力，如钢筋、链条、冷轧钢板、钢缆绳等。（生活中与此类似：馒头等食物放置时间长皮硬）第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.4连接件的剪切与挤压连接件的剪切与挤压一、剪切一、剪切例：剪切钢板；在钢板上冲圆孔；两块钢板用铆钉相连接；两块钢例：剪切钢板；在钢板上冲圆孔；两块钢板用铆钉相连接；两块钢板用焊缝相连接。板用焊缝相连接。螺栓螺栓螺栓螺栓连接连接连接连接铆钉连接铆钉连接铆钉连接铆钉连接销钉连接销钉连接销钉连接销钉连接平键连接平键连接平键连接平键连接工程实例工程实例剪切钢板剪切钢板钢板钢板刀刃刀刃第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.4连接件的剪切与挤压连接件的剪切与挤压1.剪切的概念剪切的概念受力特点：作用于构件两侧面上的外力合力大小相等，受力特点：作用于构件两侧面上的外力合力大小相等，方向相反，且作用线相距很近。方向相反，且作用线相距很近。变形特点：截面沿外力方向产生相对错动。变形特点：截面沿外力方向产生相对错动。剪切面：相对错动的面。剪切面：相对错动的面。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.4连接件的剪切与挤压连接件的剪切与挤压2.剪切和切应力：钢板在外力作用下发生剪切变形，在钢板在外力作用下发生剪切变形，在零件内部产生一个抵抗变形的力，称为剪力。零件内部产生一个抵抗变形的力，称为剪力。剪力的单位是剪力的单位是N(牛牛)或或kN(千牛千牛)。剪力常用FQ表示。切应力切应力表示沿剪切面上应力分布的程度，即单位面积上所受到的剪力。切应力切应力的单位是Pa（帕）或（帕）或MPa（兆帕）。（兆帕）。dabcF FFabFcdFmm剪切面剪切面FFmmmmFF Fs sF FF Fs s假设剪切面上的应力是假设剪切面上的应力是假设剪切面上的应力是假设剪切面上的应力是均匀分布均匀分布均匀分布均匀分布的，其方向与剪切力相同：的，其方向与剪切力相同：的，其方向与剪切力相同：的，其方向与剪切力相同：剪切面剪切面剪力剪力第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.4连接件的剪切与挤压连接件的剪切与挤压二、挤压二、挤压FF挤压面挤压面挤压面挤压面剪切面剪切面剪切面剪切面在零件发生剪切变形的同时，往往伴随着挤压变形在零件发生剪切变形的同时，往往伴随着挤压变形。如果互相挤压的材料不同，强度低的材料更容易挤压破坏。如果互相挤压的材料不同，强度低的材料更容易挤压破坏。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.4连接件的剪切与挤压连接件的剪切与挤压1.挤压的概念：构件之间相互接触表面产生的一种相互挤压的概念：构件之间相互接触表面产生的一种相互压紧的现象。压紧的现象。见教材P62图3-21挤压面挤压面相互压紧的表面。其面积用相互压紧的表面。其面积用Ap表示。表示。挤压力挤压力挤压面上的力。用挤压面上的力。用Fp表示。表示。挤压应力挤压应力挤压面上的压强。用挤压面上的压强。用p表示。表示。2.挤压应力挤压应力挤压面上单位面积所受到的挤压力，称为挤压应力。挤压面上单位面积所受到的挤压力，称为挤压应力。螺栓下半部螺栓下半部螺栓下半部螺栓下半部挤压破坏有两种形式：挤压破坏有两种形式：（1 1）螺栓被压扁；）螺栓被压扁；（2 2）钢板在孔缘压皱。）钢板在孔缘压皱。假设挤压面上的应力是假设挤压面上的应力是假设挤压面上的应力是假设挤压面上的应力是均匀分布均匀分布均匀分布均匀分布的，见教材的，见教材的，见教材的，见教材P62P62P62P62公式公式公式公式3-103-103-103-10：上边钢板上边钢板上边钢板上边钢板F F螺栓上半部分螺栓上半部分螺栓上半部分螺栓上半部分F FF FF Fp pF Fs sp=第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.4连接件的剪切与挤压连接件的剪切与挤压工程或生活中的剪切、挤压实例。螺栓构件剪切的工程实例剪切的工程实例第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.5圆轴的扭转圆轴的扭转1.扭转的概念机械装置中的轴类零件大都承受扭转的作用。扭转变形的特点是：构件受到扭转变形的特点是：构件受到大小相等、方向相反大小相等、方向相反且且作用平面垂直于轴线的力偶作用作用平面垂直于轴线的力偶作用,截面之间绕截面之间绕轴线发生相对转动。轴线发生相对转动。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.5圆轴的扭转圆轴的扭转一、圆轴扭转的变形与应力分布一、圆轴扭转的变形与应力分布汽车传动轴汽车传动轴第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.5圆轴的扭转圆轴的扭转汽车方向盘汽车方向盘第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.5圆轴的扭转圆轴的扭转第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.5圆轴的扭转圆轴的扭转2.圆轴扭转外力偶矩圆轴扭转外力偶矩（见教材P64公式3-12）式中式中P圆轴传递的功率，圆轴传递的功率，kWn圆轴的转速，圆轴的转速，r/minM作用在圆轴上的外力偶矩。作用在圆轴上的外力偶矩。M M=95509550P P(kW)n n(r/min)(N.mN.m)第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.5圆轴的扭转圆轴的扭转3.3.圆轴圆轴扭转扭转变形变形MeMe为观察变形规律，取一等直径圆轴，在其表面画出一组等距的圆周线和平行于轴线的纵向线，形成大小相等的矩形方格。对其施加扭转作用，产生下列变形现象：1)1)圆周圆周线线的形状、大小及相互距离的形状、大小及相互距离均均无变化，只是绕无变化，只是绕轴线轴线转动了不同的角度。转动了不同的角度。2)2)纵向线均倾斜了一个小角度，矩形变成平行四边形。纵向线均倾斜了一个小角度，矩形变成平行四边形。第三章第三章直杆的基本变形直杆的基本变形3.5圆轴的扭转圆轴的扭转三、工程中提高抗扭能力采取的措施三、工程中提高抗扭能力采取的措施1.选用合理的截面选用合理的截面1）增大轴的直径；）增大轴的直径；2）在载荷相同的情况下，采用空心轴，节省）在载荷相同的情况下，采用空心轴，节省材料，减轻自重，提高承载能力。材料，减轻自重，提高承载能力。2.合理改善受力情况，降低最大扭矩。合理改善受力情况，降低最大扭矩。第三章小结强度强度是零件抵抗破坏的能力。是零件抵抗破坏的能力。刚度刚度是零件抵抗变形的能是零件抵抗变形的能力。力。稳定性稳定性是零件保持原有平衡状态的能力。是零件保持原有平衡状态的能力。当外力以不同方式作用于零件时，可以使零件产生不同的变形。基本的受力和变形有轴向拉伸（或压缩）、剪基本的受力和变形有轴向拉伸（或压缩）、剪切、扭转、弯曲，切、扭转、弯曲，以及由两种或两种以上基本变形形式叠加而成的组合变形。在外力作用下，构件产生变形，杆件材料内部产生阻止在外力作用下，构件产生变形，杆件材料内部产生阻止变形的抗力，这种抗力称为内力。变形的抗力，这种抗力称为内力。内力是由外力的作用而引起的，内力随外力增大而增大。构件在外力作用下，单位面积上的内力称为应力。单位面积上的内力称为应力。正应力垂直于杆件截面，切应力正应力垂直于杆件截面，切应力作用于杆件截面。作用于杆件截面。材材料丧失其正常工作能力时的应力称为极限应力。塑性材料丧失其正常工作能力时的应力称为极限应力。塑性材料的极限应力是其屈服点应力，脆性材料的极限应力是料的极限应力是其屈服点应力，脆性材料的极限应力是其强度极限。其强度极限。许用应力许用应力和和是为确保构件安全可是为确保构件安全可靠地工作，给构件留有足够强度储备的应力靠地工作，给构件留有足够强度储备的应力为了确保构件具有足够的强度，要求构件工作时危险截为了确保构件具有足够的强度，要求构件工作时危险截面产生的最大应力面产生的最大应力max不超过材料的许用正应力不超过材料的许用正应力，最大切应力，最大切应力max不超过材料的许用切应力不超过材料的许用切应力。