材料力学-第一章 轴向拉伸和压缩-精品文档整理.ppt
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1、1第一章第一章轴向拉压和压缩轴向拉压和压缩2本章内容本章内容:1 轴向拉伸与压缩的概念和实例轴向拉伸与压缩的概念和实例2 轴向拉(压)时杆横截面上的内力轴向拉(压)时杆横截面上的内力3 轴向拉(压)时杆横截面上的应力轴向拉(压)时杆横截面上的应力4 杆轴向拉伸和压缩时的变形杆轴向拉伸和压缩时的变形5 材料在拉伸时的力学性能材料在拉伸时的力学性能36 杆轴向拉压时的强度计算杆轴向拉压时的强度计算7 应力集中概念应力集中概念41. 1 轴向拉伸与压缩的概念和实例轴向拉伸与压缩的概念和实例工程问题中,有很多杆件是受拉或受压的。工程问题中,有很多杆件是受拉或受压的。5直杆直杆受拉或受压时的受拉或受压时
2、的特点特点:l 受力特点:受力特点:FFFFl 变形特点:变形特点:这样的杆件称为拉(压)杆或轴向承载杆。这样的杆件称为拉(压)杆或轴向承载杆。这样的力称为这样的力称为轴向拉力轴向拉力或或轴向压力轴向压力。外力合力的作用线与杆轴线重合;外力合力的作用线与杆轴线重合;杆件变形主要是沿轴线方向的伸杆件变形主要是沿轴线方向的伸长或缩短。长或缩短。6内力内力 由于变形引起的物体内部的由于变形引起的物体内部的附加力附加力。物体受外力作用后,由于变形,其内部各点均物体受外力作用后,由于变形,其内部各点均会发生相对位移,因而产生相互作用力。会发生相对位移,因而产生相互作用力。1. 2 轴向拉(压)时杆横截面
3、上的内力轴向拉(压)时杆横截面上的内力7截面法截面法为求出内力,采用截面法。为求出内力,采用截面法。(1)(1)连续分布力系;连续分布力系;(2)(2)与外力组成平衡力系。与外力组成平衡力系。8l 内力的主矢和主矩内力的主矢和主矩以后讲内力以后讲内力,就是指内力主矢和主矩就是指内力主矢和主矩: FR,M。一般是向截面的一般是向截面的形心形心简化的主矢和主矩。简化的主矢和主矩。l 内力的分量内力的分量9主矢主矢主矩主矩xyzNTQyQzMyMzl 内力的分量内力的分量N 轴力轴力;T 扭矩扭矩;Qy, Qz 剪力剪力;My, Mz 弯矩弯矩 。10l 截面法的步骤截面法的步骤1 沿截面假想地沿截
4、面假想地,留下一部分作为研究对,留下一部分作为研究对象,弃去另一部分;象,弃去另一部分;2 用作用于截面上的内力用作用于截面上的内力弃去部分对留下部弃去部分对留下部分的作用;分的作用;3 对留下部分,列对留下部分,列方程求出内力。方程求出内力。11l 几点说明几点说明3 对留下部分,列对留下部分,列方程求出内力。方程求出内力。u可任取一部分为研究对象;可任取一部分为研究对象; u截面通常是指截面通常是指横截面横截面;u 用平衡条件求内力时,可以作力系等效;用平衡条件求内力时,可以作力系等效;u 内力的方向可以假设。内力的方向可以假设。 12求内力的方法:求内力的方法: 截面法截面法。例子例子取
5、截面取截面m-m由平衡条件由平衡条件可知:可知:内力的合力内力的合力作用线沿轴线作用线沿轴线拉力为拉力为正正;压力为压力为负负。u 轴力图轴力图 轴力轴力。轴力的轴力的正负号规定正负号规定:130X112233F1F2F3ABCDFN3223NFFF(kN)10u 2-2截面截面, 取右边取右边, 受力如图。受力如图。22F2F3CDFN2u 3-3截面截面, 取右边取右边, 受力如图。受力如图。33F3D0X33NFF (kN)20u 轴力图轴力图xFN (kN)501020150(kN)NF14例例 2 已知已知:F=10kN, 均布均布轴向载荷轴向载荷q =30kN/m,杆长杆长 l =
6、1m。解:解:建立坐标如图,建立坐标如图,求求:杆的轴力图:杆的轴力图。qFAB取取x处截面处截面, 取左边取左边, 受力如图受力如图xxFFNx0XN xFqxF1030N xFxu 轴力图轴力图xFN (kN)102015轴力(图)的简便求法: 自左向右:轴力图的特点:突变值 = 集中载荷遇到向左的P, 轴力N 增量为正;遇到向右的P , 轴力N 增量为负。16为了表示内力在一点处的强度,引入为了表示内力在一点处的强度,引入内力内力集度集度, ,即即应力应力的概念。的概念。 AmPps saAAPp0limC PA C点的点的C应力是应力是矢量矢量。 正正应力应力; 切应力切应力。t tp
7、asinp atcosp1. 3 轴向拉(压)时杆横截面上的应力轴向拉(压)时杆横截面上的应力17 p C点的点的全全应力应力。应力是应力是矢量矢量。s s 正正应力应力;t t 切应力切应力。s saCt tp应力的单位:应力的单位:N/m2,Pa (帕斯卡)MPa ,GPaPa,10MPa16Pa10GPa19工程单位:工程单位:2kg/cm换算关系:换算关系:MPa10.kg/cm1218根据轴力还不能确定杆的根据轴力还不能确定杆的强度强度。为了得到为了得到正应力正应力分布规律,先研究杆件变形。分布规律,先研究杆件变形。l 杆的杆的变形变形变形后变形后a b,c dFFFabdFabcc
8、d变形前变形前为为平面平面的横截面,变形后仍保持为的横截面,变形后仍保持为平面平面,而且仍垂直于轴线。而且仍垂直于轴线。(1) 仍为直线仍为直线;(2) 仍互相平行且垂直于轴线仍互相平行且垂直于轴线;l 平面平面假设假设19Fs sNFabdFabccd由平面假设由平面假设l 平面平面假设假设各纵向纤维各纵向纤维变形变形相同相同各纵向纤维各纵向纤维受力受力相同相同正应力在横截面上正应力在横截面上均匀分布均匀分布横截面上分布的平行力系的合力应为轴力横截面上分布的平行力系的合力应为轴力N 。NF l 正应力公式正应力公式AdsAsANFAs20l 正应力公式正应力公式NFAs说明说明u 此公式对受
9、压的情况也成立;此公式对受压的情况也成立;u 正应力的正负号规定:正应力的正负号规定:横截面上的正应力也近似为均匀横截面上的正应力也近似为均匀分布,可有:分布,可有:u 对变截面杆,对变截面杆,sxsxsxsx( )( )( )NFxxA xs当截面变化缓慢时,当截面变化缓慢时,211. 4 杆轴向拉伸和压缩时的变形杆轴向拉伸和压缩时的变形1. 轴向变形轴向变形l 直杆轴向拉压时变形的特点直杆轴向拉压时变形的特点轴向变形量轴向变形量下面建立下面建立变形变形与与力力之间的关系之间的关系lll1l 应变应变ll22在弹性范围内,有变形在弹性范围内,有变形 x 与外力与外力 F 成正比的弹性定律成正
10、比的弹性定律 应力与应变成的类似关系也被叫着应力与应变成的类似关系也被叫着 Hookes law也应称为也应称为郑玄郑玄- -胡克定律胡克定律 它是由英国力学家它是由英国力学家胡克(胡克(Robert Hooke, 1635-1703) 于于1678年发现的,年发现的,实际上早于他实际上早于他1500年前,东汉的经学年前,东汉的经学家和教育家郑玄(公元家和教育家郑玄(公元127-200)就已经发现)就已经发现 应当叫应当叫 郑玄郑玄- -胡克定律(胡克定律(Zheng-Hookes law )kxF E Ess或232. 横向横向变形变形横向变形量横向变形量bbb1l 横向应变横向应变bbl
11、试验证明试验证明上式也可写成:上式也可写成: 泊松比泊松比或横向变形系数。或横向变形系数。当应力不超过比例极限时,有:当应力不超过比例极限时,有:24几种常用材料的几种常用材料的E和和的约值的约值(表表2. 2)25 轴向轴向变形变形轴向变形量轴向变形量lll1l 应变应变lll 应力应力ANsl 应力应力-应变关系应变关系sEANEANll llEEAPl 胡克定律的胡克定律的另一种形式另一种形式EA 抗拉抗拉(或抗压或抗压)刚度刚度注意注意:上式只在应力不超过比例极限时成立。:上式只在应力不超过比例极限时成立。263. 变截面杆的轴向变形变截面杆的轴向变形取一微段,取一微段, )(dl积分
12、得:积分得:微段的伸长微段的伸长)(d)(xEAxxNlxEAxxNl)(d)(27LxEAxdxNL0)()(niiiiiAELNL13 3、阶段等内力(、阶段等内力(n段中分别为常量)段中分别为常量)EAPLL 拉压杆的刚度条件拉压杆的刚度条件L1 1、等内力等截面、等内力等截面PxN)(拉压杆的纵向线变形拉压杆的纵向线变形2 2、变内力变截面、变内力变截面A=A(x)A=A(x) LEAdxxNL028叠加原理:叠加原理: 几个载荷同时作用产生的效果,等于几个载荷同时作用产生的效果,等于各载荷单独作用产生的效果的总和。各载荷单独作用产生的效果的总和。条件:条件: 材料服从胡克定律和小变形
13、材料服从胡克定律和小变形 挠度和转角均与载荷成线性关系挠度和转角均与载荷成线性关系三三. 叠加法求拉压变形叠加法求拉压变形29已知已知: BD段段A1=2cm2, AD段段 A2=4cm2, P1=5kN,P2=10kN, E=120GPa 。图中尺寸为图中尺寸为cm。求求:AB杆的变形。杆的变形。解:解:(kN)51N(1) 求轴力求轴力BD段段N1(kN)52NCD段段N2(kN)53NAC段段N330(kN)51N(1) 求轴力求轴力BD段段(kN)52NCD段段(kN)53NAC段段(2) 求变形求变形 111EAlNlBD493102101205 . 0105)m(1005. 142
14、22EAlNlCD493104101205 . 0105)m(1052. 04333EAlNlAC493104101205 . 0105)m(1052. 0431(2) 求变形求变形 111EAlNlBD493102101205 . 0105)m(1005. 14222EAlNlCD493104101205 . 0105)m(1052. 04333EAlNlAC493104101205 . 0105)m(1052. 04AB杆的变形杆的变形ACCDBDABllll)m(1005. 14321 1、怎样画小变形节点位移图?、怎样画小变形节点位移图?(2 2)严格画法)严格画法 弧线弧线目的目的
15、求静定桁架节点位移求静定桁架节点位移 (3 3)小变形画法)小变形画法 切线切线ABCL1L2P1L2LCC(1 1)求各杆的变形量)求各杆的变形量Li 331LuB解:变形图如图解:变形图如图2, B点位移至点位移至B点,由图点,由图aasinctg21LLvBABCL1L2a1L2LBuBvB2、怎样计算小变形节点位移?、怎样计算小变形节点位移? 例例 写出图中写出图中B点点 位移与两杆变位移与两杆变 形间的关系形间的关系34已知已知: BC杆杆: d=20mm, BD杆面积杆面积 。s s= 160MPa, E=200GPa, P=60kN。求求:校核强度及:校核强度及B点位移。点位移。
16、(kN)451N取取B点点(kN)752N(拉拉)261m10314ABC杆面积杆面积(压压)(2) 计算应力计算应力262m108 .1024ABD杆面积杆面积621024.8 10 m35261m10314ABC杆面积杆面积(2) 计算应力计算应力262m108 .1024ABD杆面积杆面积应力应力MPa143111ANsMPa160sMPa2 .73222ANsMPa160s11BBl BC杆变形杆变形(3) 计算杆的变形计算杆的变形111EAlNm1086. 033611BBl BC杆变形杆变形(3) 计算杆的变形计算杆的变形111EAlNm1086. 03m22 DBlBD杆变形杆变
17、形222EAlNm10732. 03(4) 计算计算B点位移点位移u 确定变形后确定变形后B点的位置点的位置B322BBl u B点水平位移点水平位移11lBBm1086. 0337(4) 计算计算B点位移点位移u 确定变形后确定变形后B点的位置点的位置B3u B点水平位移点水平位移11lBBm1086. 03u B点垂直位移点垂直位移31BB41BB34BBsin2BBcot42BBsin2lcos(2BB)1BBcotsin2lcos(2l)1lcot, 5/4sin4/3cot, 5/3cos 31BBm1056. 133BBm1078. 13381. 5 材料在材料在拉伸和压缩时的力学
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