第七章杆件的变形与刚度电子教案课件最新版.ppt
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1、第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度第七章 杆件的变形与刚度 返回【内容提要内容提要】 杆件除满足强度要求外,还必须满足刚度要求。本杆件除满足强度要求外,还必须满足刚度要求。本章介绍杆件在拉压、扭转和弯曲时的变形计算,以及圆章介绍杆件在拉压、扭转和弯曲时的变形计算,以及圆轴和梁的刚度计算。轴和梁的刚度计算。【学习要求学习要求】 1. 熟练掌握拉压杆的变形计算。理解胡克定律,了熟练掌握拉压杆的变形计算。理解胡克定律,了解弹性模量、泊松比、拉压刚度的概念。解弹性模量、泊松比、拉压刚度的概念。 2. 掌握圆轴扭转时的变形与刚度计算。掌握圆轴扭转时的变形与刚度计算。 3. 知道如何用积分法求
2、梁弯曲时的变形。知道如何用积分法求梁弯曲时的变形。 4. 熟练掌握用叠加法求梁弯曲时的变形以及进行刚熟练掌握用叠加法求梁弯曲时的变形以及进行刚度计算。度计算。 第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度第七章 杆件的变形与刚度 返回 71 杆件拉(压)时的变形与刚度72 圆轴 扭转时的变形与刚度73 梁弯曲时的变形与刚度目录71 杆件拉(压)时的变形与刚度第七章第七章 杆件的变形与刚杆件的变形与刚度度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度 直杆受轴向拉力作用时,其产生的主要变形是沿轴线直杆受轴向拉力作用时,其产生的主要变形是沿轴线方向的伸长,同时杆的横向尺寸也有所缩小方向的伸
3、长,同时杆的横向尺寸也有所缩小(图图a)。 (a) (b)目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度1. 纵向变形纵向变形 设杆的原长为设杆的原长为l,变形后的长度为,变形后的长度为l1,则杆沿长度方向,则杆沿长度方向的变形为的变形为 l=l1ll称为杆的纵向变形。在拉伸的情况下称为杆的纵向变形。在拉伸的情况下(图图a),l1l,l0;在压缩的情况下;在压缩的情况下(图图b),l1l,l0。 (a) (b)目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度 纵向变形纵向变形l只反映杆
4、在纵向的总变形量,它与杆的原只反映杆在纵向的总变形量,它与杆的原长有关。为了进一步描述杆的变形程度,根据长有关。为了进一步描述杆的变形程度,根据43中线中线应变的概念,在杆的各部分都均匀伸长的情况下,纵向变应变的概念,在杆的各部分都均匀伸长的情况下,纵向变形形l与原长与原长l的比值称为的比值称为纵向线应变纵向线应变,用,用 表示,即表示,即 ll显然,拉伸时显然,拉伸时 0,称为,称为拉应变拉应变;压缩时;压缩时 0,称为,称为压压应变应变。 是一个量纲为是一个量纲为1的量。的量。 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度2. 胡克
5、定律胡克定律 大量试验表明,大量试验表明,当杆件变形在弹性范围内时,杆的纵当杆件变形在弹性范围内时,杆的纵向变形向变形l与杆的轴力与杆的轴力FN、杆长、杆长l成正比,与横截面面积成正比,与横截面面积A成成反比反比,即,即 AFll 引进比例常数引进比例常数E,则有,则有 EAFll 上式也称为上式也称为胡克定律胡克定律。式中。式中E称为材料的称为材料的弹性模量弹性模量,它与材料的性能有关,是衡量材料抵抗弹性变形能力的一它与材料的性能有关,是衡量材料抵抗弹性变形能力的一个指标;个指标;EA称为杆的称为杆的拉压刚度拉压刚度,因而,因而它代表了杆件抵抗它代表了杆件抵抗拉伸(压缩)变形的能力拉伸(压缩
6、)变形的能力。 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度AFNll因因 、 故故 EAlFlN可改写为可改写为 E 上式也称为胡克定律。它表明材料在弹性范围内应力上式也称为胡克定律。它表明材料在弹性范围内应力与应变的物理关系。与应变的物理关系。 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度3. 横向变形横向变形 设图设图a所示拉杆原横向尺所示拉杆原横向尺寸为寸为d,变形后缩小为,变形后缩小为d1、,则、,则其横向变形为其横向变形为 d=d1d相应的相应的横向线应变横向线应变为
7、为 (a)(b)dd 杆件受拉时杆件受拉时(图图a),d0, 0;受压时;受压时(图图b),d0, 0。 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度 大量试验表明,大量试验表明,当杆件变形在弹性范围内时,其横向当杆件变形在弹性范围内时,其横向线应变线应变 与纵向线应变与纵向线应变 之比的绝对值为一常数之比的绝对值为一常数,即,即 称为称为泊松比泊松比或或横向变形因数横向变形因数。它是一个量纲为。它是一个量纲为1的量,的量,其值随材料而异,可由试验测定。考虑到其值随材料而异,可由试验测定。考虑到 与与 的符号恒的符号恒相反,上式也可写为
8、相反,上式也可写为 = 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度 弹性模量弹性模量E和泊松比和泊松比 是材料固有的两个弹性常数是材料固有的两个弹性常数。表表71给出了一些常用材料的给出了一些常用材料的E、 的约值,以供参考。的约值,以供参考。 表表71 常用材料的常用材料的E和和 的约值的约值目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度 例例71 一木方柱(如图)受轴向荷载作用,横截面一木方柱(如图)受轴向荷载作用,横截面边长边长a200 mm,材料的弹性模量,材料的弹性模量
9、E10 GPa,杆的自重,杆的自重不计。试求各段柱的纵向线应变及柱的总变形不计。试求各段柱的纵向线应变及柱的总变形。 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度 解解 由于上下两段柱的轴力不等,故两段柱的变形由于上下两段柱的轴力不等,故两段柱的变形要分别计算。各段柱的轴力为要分别计算。各段柱的轴力为 FNAB100 kN ,FNBC260 kNmm5 . 0m105 . 0(0.2m)Pa10102mN101003293NEAlFlBCBCBCmm975. 0m10975. 0(0.2m)Pa1010m5 . 1N106023293N
10、EAlFlABABAB各段柱的纵向线应变为各段柱的纵向线应变为 4105 . 61500mmmm975. 0ABABABll目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度4105 . 22000mmmm5 . 0BCBCBCll全柱的总变形为两段柱的变形之和,即全柱的总变形为两段柱的变形之和,即 l=lAB+lBC=0.5mm0.975mm=1.475mm 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度 例例72 一直径一直径d10mm的圆截面杆,在轴向拉力的圆截面杆,在轴向拉力F作
11、作用下,直径减小用下,直径减小0.0021mm,设材料的弹性模量,设材料的弹性模量E210GPa,泊松比,泊松比 0.3,试求轴向拉力,试求轴向拉力F。 解解 由于已知杆的直径缩小量,故先求出杆的横向线由于已知杆的直径缩小量,故先求出杆的横向线应变为应变为 4101 . 2mm100.0021mmdd杆的纵向线应变为杆的纵向线应变为 4107根据胡克定律,可得横截面上的正应力为根据胡克定律,可得横截面上的正应力为 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度杆件拉(压)时的变形与刚度 E 210109 Pa710-4147106Pa147 MPa kN54.11
12、N1054.11m01. 04Pa10147326AF故故目录72 圆轴扭转时的变形与刚度第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度72l 圆轴扭转时的圆轴扭转时的变形变形 圆轴扭转时的变形用两个横截面间绕轴线的相对扭转圆轴扭转时的变形用两个横截面间绕轴线的相对扭转角来度量角来度量(如图如图)。 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度 如图所示,相距如图所示,相距dx的两个横截面间的扭转角为的两个横截面间的扭转角为 (推(推导从略)导从略) xGITddp式中,式中,T为横截面上的扭矩,以绝
13、对值代为横截面上的扭矩,以绝对值代入;入;G为材料的切变模量,为材料的切变模量,Ip为横截面对为横截面对圆心的极惯性矩。因此,相距圆心的极惯性矩。因此,相距l的两个横的两个横截面间的扭转角为截面间的扭转角为 llxGITd0pd 若该段轴为同一材料制成的等直圆轴,并且各横截若该段轴为同一材料制成的等直圆轴,并且各横截面上扭矩面上扭矩T的数值相同,则上式中的的数值相同,则上式中的T、G、IP均为常量,均为常量,积分后得积分后得 pGITl扭转角扭转角 的单位为的单位为rad。 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度 由上式可见,扭转角由上式
14、可见,扭转角 与与G IP成反比,即成反比,即G IP越大,轴越大,轴就越不容易发生扭转变形。因此把就越不容易发生扭转变形。因此把G IP称为圆轴的称为圆轴的扭转刚扭转刚度度,用它来表示圆轴抵抗扭转变形的能力用它来表示圆轴抵抗扭转变形的能力。 工程中通常采用单位长度扭转角,即工程中通常采用单位长度扭转角,即 单位长度扭转角单位长度扭转角 的单位为的单位为 /m(度度/米米)。上述公式适用于。上述公式适用于材料在弹性范围内的情况。材料在弹性范围内的情况。 180pGITl目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度722 圆轴的扭转圆轴的扭转刚度
15、计算刚度计算 在设计受扭圆轴时,不仅要使其满足强度条件,还要在设计受扭圆轴时,不仅要使其满足强度条件,还要满足刚度条件,即限制轴的扭转变形在一定的范围之内。满足刚度条件,即限制轴的扭转变形在一定的范围之内。通常规定圆轴的单位长度最大扭转角通常规定圆轴的单位长度最大扭转角 max 不能超过某一规不能超过某一规定的许用值定的许用值 ,即,即 180pmaxmaxGIT该式称为该式称为刚度条件刚度条件。式中的。式中的 称为称为单位长度许用扭转角单位长度许用扭转角。各种轴的单位长度许用扭转角各种轴的单位长度许用扭转角 可在有关手册中查到。可在有关手册中查到。 利用刚度条件,可以解决刚度校核、设计截面和
16、确定利用刚度条件,可以解决刚度校核、设计截面和确定许用荷载等三种类型的刚度计算问题许用荷载等三种类型的刚度计算问题。 目录第七章第七章 杆件的变形与刚度杆件的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度圆周扭转时的变形与刚度 例例73 已知传动轴的直径已知传动轴的直径D = 90 mm,材料的切变模,材料的切变模量量G= 80 103 MPa,单位长度许用扭转角,单位长度许用扭转角 = 1.1 ( )/m 。若轴承受的最大扭矩若轴承受的最大扭矩Tmax=2.86 kNm,试校核该轴的刚度。,试校核该轴的刚度。 解解 截面的极惯性矩为截面的极惯性矩为 4641244pm106.4432m109032DI轴的
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