第五章杆扭转杆件的强度和刚度计算精选文档.ppt

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1、第五章杆扭转杆件的强度和刚度计算本讲稿第一页，共四十页5.1 圆轴扭转时的应力和变形计算一、描述变形的指标二、薄壁圆筒的扭转三、等直圆杆扭转的应力返返 回回本讲稿第二页，共四十页*扭转角（扭转角（）：）：任意两截面绕轴线转动的相对角位移。*剪应变（剪应变（）：直角的改变量一、描述变形的指标返返 回回本讲稿第三页，共四十页*平面假设 横截面象刚性平面一样绕轴线转过一个角度。本讲稿第四页，共四十页薄壁圆筒：薄壁圆筒：壁厚（r0：为平均半径）1、实验：、实验：*实验前：实验前：绘绘纵向线，圆周线纵向线，圆周线二、薄壁圆筒的扭转返返 回回本讲稿第五页，共四十页*实验后：实验后：圆周线不变；圆周线不变；

2、纵向线变成斜直线纵向线变成斜直线。*结论结论各圆周线的形状、大小和间距均未改变，只是各圆周线的形状、大小和间距均未改变，只是 绕绕轴线作了相对转动轴线作了相对转动各纵向线均倾斜了同一微小角度各纵向线均倾斜了同一微小角度 所有矩形网格均歪斜成同样的平行四边形。所有矩形网格均歪斜成同样的平行四边形。本讲稿第六页，共四十页 acddxbdy 无正应力 横截面上各点，只产生垂直于半径的均布的剪应力，沿周向大小不变*微小矩形单元体微小矩形单元体：本讲稿第七页，共四十页2、薄壁圆筒剪应力：、薄壁圆筒剪应力：A0：平均半径所作圆的面积。本讲稿第八页，共四十页3、剪应力互等定理剪应力互等定理acddxb dy

3、 tz纯剪切应力状态纯剪切应力状态本讲稿第九页，共四十页4、剪切虎克定律：、剪切虎克定律：=m本讲稿第十页，共四十页 剪切弹性模量G、弹性模量E和泊松比是表明材料弹性性质的三个常数。对各向同性材料：*重要关系本讲稿第十一页，共四十页三、等直圆杆扭转的应力1 1、实验观察：、实验观察：横截面仍为平面；横截面仍为平面；轴向无伸缩；轴向无伸缩；纵向线变形后仍为平行。纵向线变形后仍为平行。返返 回回本讲稿第十二页，共四十页2、横截面上的应力：、横截面上的应力：1）.变形几何关系：变形几何关系：距圆心为距圆心为 任一点处的任一点处的 与到圆心的距与到圆心的距离离 成正比。成正比。扭转角沿长度方向变化率。

4、本讲稿第十三页，共四十页2）.物理关系物理关系代入上式得：虎克定律：本讲稿第十四页，共四十页3）.静力学关系静力学关系令代入物理关系 得：OdA本讲稿第十五页，共四十页*讨论：仅适用各向同性、线弹性材料，小变形仅适用各向同性、线弹性材料，小变形 的圆的圆截面等直杆。截面等直杆。Mn横截面上的扭矩，由横截面上的扭矩，由平衡方程求得。平衡方程求得。该点到圆心的距离该点到圆心的距离Ip极惯性矩，纯几何量极惯性矩，纯几何量本讲稿第十六页，共四十页 Ip的计算的计算单位：单位：mm4，m4对于实心圆截面：DdO本讲稿第十七页，共四十页对于空心圆截面：dDOd本讲稿第十八页，共四十页 应力分布应力分布（实

5、心截面）（空心截面）工程上采用空心截面构件：提高强度，节约材料，结构轻便，应用广泛。本讲稿第十九页，共四十页 确定最大剪应力确定最大剪应力Wp 抗扭截面系数（抗扭截面模量）mm3或m3本讲稿第二十页，共四十页对于实心圆截面：对于空心圆截面：本讲稿第二十一页，共四十页5.2 圆轴扭转时的强度和刚度计算5.2.1 圆轴扭转时的强度计算圆轴扭转时的强度计算5.2.2 圆轴扭转时的刚度计算5.2.3 圆轴扭转时斜截面上的应力圆轴扭转时斜截面上的应力返返 回回本讲稿第二十二页，共四十页5.2.1 圆轴扭转时的强度计算圆轴扭转时的强度计算强度条件：强度条件：对于等截面圆轴：对于等截面圆轴：(：许用剪应力)

6、*强度的三种计算：强度的三种计算：校核强度：设计截面：求许可载荷：返返 回回本讲稿第二十三页，共四十页 功率为150kW，转速为15.4转/秒的电动机转子轴，=30M Pa,试校核其强度。解：作扭矩图，确定危 险截面此轴满足强度要求D3=135D2=75 D1=70ABCmmMnmx本讲稿第二十四页，共四十页（1）本讲稿第二十五页，共四十页（2）强度相同（3）比较重量本讲稿第二十六页，共四十页5.2.2 圆轴扭转时的刚度计算1、扭转时的变形、扭转时的变形由公式长为长为 l 的两截面间相对扭转角的两截面间相对扭转角 为（当M为常量时）返返 回回本讲稿第二十七页，共四十页2、单位长扭转角、单位长扭

7、转角 3、刚度条件、刚度条件本讲稿第二十八页，共四十页4、刚度的三种计算、刚度的三种计算 校核刚度：设计截面 求许可载荷：本讲稿第二十九页，共四十页 传动轴，n=500 r/min，输入N1=500 马力，输出 N2=200马力及 N3=300马力，G=80GPa，=70M Pa，=1/m，试确定：AB 段直径 d1和 BC 段直径 d2？若全轴选同一直径，应为多少？主动轮与从动轮如何安排合理？解：作内力图 500400N1N3N2ACB Mnx7.024 4.21(kNm)本讲稿第三十页，共四十页500400N1N3N2ACBxMn7.0244.21(kNm)*由强度条件本讲稿第三十一页，共

8、四十页500400N1N3N2ACBMn7.0244.21(kNm)*由刚度条件本讲稿第三十二页，共四十页(2),全轴选同一直径时Mnx 4.21(kNm)2.814本讲稿第三十三页，共四十页5.2.3 圆轴扭转时斜截面上的应力圆轴扭转时斜截面上的应力低碳钢试件：沿横截面断开。铸铁试件：沿与轴线约成45的螺旋线断开。分析原因返返 回回本讲稿第三十四页，共四十页(a)M1.点M的应力单元体(b)(c)(d)x2.斜截面上的应力；本讲稿第三十五页，共四十页(d)xnt转角规定：本讲稿第三十六页，共四十页分析：当=0时，当=45时，当=45时，当=90时，45 在横截面和纵截面上的剪应力为最大值；在=45的斜截面上作用有最大压应力和最大拉应力。本讲稿第三十七页，共四十页*平面假设不成立*各截面发生翘曲不保持平面*等直圆杆扭转的应力、变形公式不适用5.3 非圆截面杆的自由扭转简介返返 回回本讲稿第三十八页，共四十页*矩形杆横截面上的剪应力分布矩形杆横截面上的剪应力分布 bh 1Mn max 注意:本讲稿第三十九页，共四十页本讲稿第四十页，共四十页