第五章 弯曲应力PPT讲稿.ppt
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1、第五章 弯曲应力第1页,共55页,编辑于2022年,星期三 51 引言引言 (Introduction)52 纯弯曲时的正应力纯弯曲时的正应力 (Normal stresses in pure beams)53 横力弯曲时的正应力横力弯曲时的正应力(Normal stresses in transverse bending )54 梁的切应力及强度条件梁的切应力及强度条件(Shear stresses in beams and strength condition)第五章第五章第五章第五章 弯曲应力弯曲应力弯曲应力弯曲应力 (Stresses in beams)(Stresses in bea
2、ms)55 提高梁强度的主要措施提高梁强度的主要措施(Measures to strengthen the strength of beams)第2页,共55页,编辑于2022年,星期三mmF FS SM一一一一、弯曲构件横截面上的应力弯曲构件横截面上的应力弯曲构件横截面上的应力弯曲构件横截面上的应力 (Stresses in flexural members)(Stresses in flexural members)当梁上有横向外力作用时当梁上有横向外力作用时当梁上有横向外力作用时当梁上有横向外力作用时,一般情况下一般情况下一般情况下一般情况下,梁的横梁的横梁的横梁的横截面上既又弯矩截面上
3、既又弯矩截面上既又弯矩截面上既又弯矩MM,又有剪力又有剪力又有剪力又有剪力F FS S .51 引言引言 (Introduction)mmF FS S mmM 弯矩弯矩弯矩弯矩MM 正应力正应力正应力正应力 只有与正应力有关的法向内力元素只有与正应力有关的法向内力元素只有与正应力有关的法向内力元素只有与正应力有关的法向内力元素 d dF FN N=d dA A 才能合成弯矩才能合成弯矩才能合成弯矩才能合成弯矩剪力剪力剪力剪力F FS S 切应力切应力切应力切应力 内力内力内力内力只有与切应力有关的切向内力元素只有与切应力有关的切向内力元素只有与切应力有关的切向内力元素只有与切应力有关的切向内力
4、元素 d dF FS S=d dA A 才能合成才能合成才能合成才能合成剪力剪力剪力剪力所以所以所以所以,在梁的横截面上一般既有在梁的横截面上一般既有在梁的横截面上一般既有在梁的横截面上一般既有正应力正应力正应力正应力(Normal stresses)(Normal stresses),又有又有又有又有切应力切应力切应力切应力(Shear stresses)(Shear stresses)第3页,共55页,编辑于2022年,星期三三、分析方法三、分析方法三、分析方法三、分析方法 (Analysis method)(Analysis method)平面弯曲时横截面平面弯曲时横截面平面弯曲时横截面
5、平面弯曲时横截面 纯弯曲梁纯弯曲梁纯弯曲梁纯弯曲梁(横截面上只有横截面上只有横截面上只有横截面上只有MM而无而无而无而无F FS S的情况的情况的情况的情况)平面弯曲时横截面平面弯曲时横截面平面弯曲时横截面平面弯曲时横截面 横力横力横力横力 弯曲弯曲弯曲弯曲(横截面上既有横截面上既有横截面上既有横截面上既有F FS S又有又有又有又有MM的情况的情况的情况的情况)简支梁简支梁简支梁简支梁CDCD段任一横截面上段任一横截面上段任一横截面上段任一横截面上,剪力等于零剪力等于零剪力等于零剪力等于零,而弯矩为常量而弯矩为常量而弯矩为常量而弯矩为常量,所以该段梁的弯曲就是所以该段梁的弯曲就是所以该段梁的
6、弯曲就是所以该段梁的弯曲就是纯弯曲纯弯曲纯弯曲纯弯曲;ACAC、DBDB段横力弯曲。段横力弯曲。段横力弯曲。段横力弯曲。若梁在某段内各横截面的弯矩为常若梁在某段内各横截面的弯矩为常若梁在某段内各横截面的弯矩为常若梁在某段内各横截面的弯矩为常量量量量,剪力为零剪力为零剪力为零剪力为零,则该段梁的弯曲就称为则该段梁的弯曲就称为则该段梁的弯曲就称为则该段梁的弯曲就称为纯纯纯纯弯曲弯曲弯曲弯曲(Pure bending)(Pure bending).既有剪力又有弯既有剪力又有弯既有剪力又有弯既有剪力又有弯矩就是横力弯曲。矩就是横力弯曲。矩就是横力弯曲。矩就是横力弯曲。二、纯弯曲二、纯弯曲二、纯弯曲二、
7、纯弯曲(Pure bending)Pure bending)与与与与横力弯曲(横力弯曲(横力弯曲(横力弯曲(nonuniform bending)nonuniform bending)FFaaCD+FF+F.a图图 5-1AB第4页,共55页,编辑于2022年,星期三 as shown in Fig 5-1 as shown in Fig 5-1 The central region of this The central region of this beam has nobeam has no shear force shear force(剪力(剪力(剪力(剪力 )and is subj
8、ected toand is subjected to a constanta constant bending moment bending moment(弯矩)(弯矩)(弯矩)(弯矩)equal to equal to F.a.F.a.This condition of constant bending moment This condition of constant bending moment is called is called pure bendingpure bending(纯弯曲)(纯弯曲)(纯弯曲)(纯弯曲)Pure BendingPure Bending(纯弯曲)(纯弯
9、曲)(纯弯曲)(纯弯曲)Beam with central region in pure bendingFig 5-1FFaaCD+FF+F.aAB第5页,共55页,编辑于2022年,星期三deformationdeformationgeometricgeometricrelationshiprelationship Examine the deformationExamine the deformation,then propose the hypothesisthen propose the hypothesis Distribution regularity Distribution r
10、egularity of deformationof deformationDistribution regularity Distribution regularity of stressof stressEstablish the formulaEstablish the formula变变变变形形形形几几几几何何何何关关关关系系系系物物物物理理理理关关关关系系系系静静静静力力力力关关关关系系系系 观察变形,观察变形,观察变形,观察变形,提出假设提出假设提出假设提出假设变形的分布规律变形的分布规律变形的分布规律变形的分布规律应力的分布规律应力的分布规律应力的分布规律应力的分布规律建立公式建
11、立公式建立公式建立公式physicalphysicalrelationshiprelationshipstaticstaticrelationshiprelationship 52 纯弯曲时的正应力纯弯曲时的正应力 (Normal stresses in pure beams)第6页,共55页,编辑于2022年,星期三一、实验一、实验一、实验一、实验(Experiment Experiment)1 1 1 1、变形现象、变形现象、变形现象、变形现象(Deformation phenomenon)Deformation phenomenon)第7页,共55页,编辑于2022年,星期三试验现象试验
12、现象 横线仍为直线横线仍为直线,仍与纵线正交仍与纵线正交 靠顶部纵线缩短,靠底部纵靠顶部纵线缩短,靠底部纵 线伸长线伸长 纵线伸长区,截面宽度纵线伸长区,截面宽度减小减小,纵线缩短区,纵线缩短区,截面截面宽度宽度增大增大弯曲假设弯曲假设 横截面变形后仍保持平面,仍与纵线正交弯曲平面假设弯曲平面假设 各纵向”纤维”,处于单向受力状态单向受力假设单向受力假设 (纯弯与正弯矩作用)(纯弯与正弯矩作用)第8页,共55页,编辑于2022年,星期三推推 论论 梁内存在一长度不变的过渡层中性层中性层 横截面间绕中性轴相对转动 中性轴截面纵向对称轴第9页,共55页,编辑于2022年,星期三观察变形观察变形观察
13、变形观察变形提出假设提出假设提出假设提出假设变形的分布规律变形的分布规律变形的分布规律变形的分布规律变变变变形形形形几几几几何何何何关关关关系系系系物物物物理理理理关关关关系系系系静静静静力力力力关关关关系系系系应力的分布规律应力的分布规律应力的分布规律应力的分布规律建立公式建立公式建立公式建立公式实实实实 验验验验平面假设平面假设平面假设平面假设单向受力假设单向受力假设单向受力假设单向受力假设中性层、中性轴中性层、中性轴中性层、中性轴中性层、中性轴第10页,共55页,编辑于2022年,星期三dx图(图(图(图(b b)yzxo应变分布规律应变分布规律应变分布规律应变分布规律直梁纯弯曲时纵向纤
14、维的应变与它到中性层的距离成正比直梁纯弯曲时纵向纤维的应变与它到中性层的距离成正比直梁纯弯曲时纵向纤维的应变与它到中性层的距离成正比直梁纯弯曲时纵向纤维的应变与它到中性层的距离成正比图(图(图(图(a a)dx二、变形几何关系二、变形几何关系二、变形几何关系二、变形几何关系(Deformation geometric relation Deformation geometric relation)图(图(图(图(c c)yzyxoobbybboo第11页,共55页,编辑于2022年,星期三三、物理关系三、物理关系三、物理关系三、物理关系(Physical relationship)所以所以所以
15、所以Hookes LawHookes LawMyzOx直梁纯弯曲时横截面上任意一点的正应力,与它到中性轴的距离直梁纯弯曲时横截面上任意一点的正应力,与它到中性轴的距离直梁纯弯曲时横截面上任意一点的正应力,与它到中性轴的距离直梁纯弯曲时横截面上任意一点的正应力,与它到中性轴的距离成正比成正比成正比成正比应力分布规律应力分布规律应力分布规律应力分布规律?待解决问题待解决问题待解决问题待解决问题中性轴的位置中性轴的位置中性轴的位置中性轴的位置中性层的曲率半径中性层的曲率半径中性层的曲率半径中性层的曲率半径?第12页,共55页,编辑于2022年,星期三观察变形观察变形观察变形观察变形提出假设提出假设提
16、出假设提出假设变形的分布规律变形的分布规律变形的分布规律变形的分布规律变变变变形形形形几几几几何何何何关关关关系系系系物物物物理理理理关关关关系系系系静静静静力力力力关关关关系系系系应力的分布规律应力的分布规律应力的分布规律应力的分布规律建立公式建立公式建立公式建立公式实实实实 验验验验平面假设平面假设平面假设平面假设单向受力假设单向受力假设单向受力假设单向受力假设中性层、中性轴中性层、中性轴中性层、中性轴中性层、中性轴第13页,共55页,编辑于2022年,星期三yzxOMd dA AzyddA A四、静力关系四、静力关系四、静力关系四、静力关系(Static relationship(Sta
17、tic relationship)横截面上内力系为垂直于横截面上内力系为垂直于横截面上内力系为垂直于横截面上内力系为垂直于横截面的空间平行力系横截面的空间平行力系横截面的空间平行力系横截面的空间平行力系这一力系简化,得到三个内力分量这一力系简化,得到三个内力分量这一力系简化,得到三个内力分量这一力系简化,得到三个内力分量中性层的曲率半径中性层的曲率半径中性层的曲率半径中性层的曲率半径 中性轴的位置中性轴的位置中性轴的位置中性轴的位置待解决问题待解决问题待解决问题待解决问题FNMzMy内力与外力相平衡可得内力与外力相平衡可得内力与外力相平衡可得内力与外力相平衡可得(1)(1)(2)(2)(3)(
18、3)第14页,共55页,编辑于2022年,星期三将应力表达式代入将应力表达式代入将应力表达式代入将应力表达式代入(1)(1)(1)(1)式,得式,得式,得式,得将应力表达式代入将应力表达式代入将应力表达式代入将应力表达式代入(2)(2)(2)(2)式,得式,得式,得式,得将应力表达式代入将应力表达式代入将应力表达式代入将应力表达式代入(3)(3)(3)(3)式,得式,得式,得式,得中性轴通过横截面形心中性轴通过横截面形心中性轴通过横截面形心中性轴通过横截面形心自然满足自然满足自然满足自然满足第15页,共55页,编辑于2022年,星期三观察变形观察变形观察变形观察变形提出假设提出假设提出假设提出
19、假设变形的分布规律变形的分布规律变形的分布规律变形的分布规律变变变变形形形形几几几几何何何何关关关关系系系系物物物物理理理理关关关关系系系系静静静静力力力力关关关关系系系系应力的分布规律应力的分布规律应力的分布规律应力的分布规律建立公式建立公式建立公式建立公式实实实实 验验验验平面假设平面假设平面假设平面假设单向受力假设单向受力假设单向受力假设单向受力假设中性层、中性轴中性层、中性轴中性层、中性轴中性层、中性轴中性轴过横截面形心中性轴过横截面形心中性轴过横截面形心中性轴过横截面形心EIEIz z称为抗弯刚度称为抗弯刚度称为抗弯刚度称为抗弯刚度 (Flexural rigidity)(Flexu
20、ral rigidity)第16页,共55页,编辑于2022年,星期三纯弯曲时横截面上正应力的计算公式纯弯曲时横截面上正应力的计算公式纯弯曲时横截面上正应力的计算公式纯弯曲时横截面上正应力的计算公式:MM为梁横截面上的弯矩为梁横截面上的弯矩为梁横截面上的弯矩为梁横截面上的弯矩y y为梁横截面上任意一点到中性轴的距离为梁横截面上任意一点到中性轴的距离为梁横截面上任意一点到中性轴的距离为梁横截面上任意一点到中性轴的距离I Iz z为梁横截面对中性轴的惯性矩为梁横截面对中性轴的惯性矩为梁横截面对中性轴的惯性矩为梁横截面对中性轴的惯性矩讨论讨论(1)(1)应用公式时应用公式时应用公式时应用公式时,一般
21、将一般将一般将一般将 MM,y y 以绝对值代入以绝对值代入以绝对值代入以绝对值代入.根据梁变形的情况直接根据梁变形的情况直接根据梁变形的情况直接根据梁变形的情况直接判断判断判断判断 的正负号的正负号的正负号的正负号.以中性轴为界,梁变形后凸出边的应力为拉应力以中性轴为界,梁变形后凸出边的应力为拉应力以中性轴为界,梁变形后凸出边的应力为拉应力以中性轴为界,梁变形后凸出边的应力为拉应力(为正号为正号为正号为正号).).凹入边的应力为压应力凹入边的应力为压应力凹入边的应力为压应力凹入边的应力为压应力(为负号为负号为负号为负号).).(2)(2)最大正应力发生在横截面上离中性轴最远的点处最大正应力发
22、生在横截面上离中性轴最远的点处最大正应力发生在横截面上离中性轴最远的点处最大正应力发生在横截面上离中性轴最远的点处则公式改写为则公式改写为则公式改写为则公式改写为引用记号引用记号引用记号引用记号抗弯截面系数抗弯截面系数抗弯截面系数抗弯截面系数第17页,共55页,编辑于2022年,星期三(1 1)当)当)当)当 中性轴为对称轴时中性轴为对称轴时中性轴为对称轴时中性轴为对称轴时矩形截面矩形截面矩形截面矩形截面实心圆截面实心圆截面实心圆截面实心圆截面空心圆截面空心圆截面空心圆截面空心圆截面bhzyzdyzDdy第18页,共55页,编辑于2022年,星期三zy(2 2)对于中性轴不是对称轴的横截面)对
23、于中性轴不是对称轴的横截面)对于中性轴不是对称轴的横截面)对于中性轴不是对称轴的横截面M应分别以横截面上受拉和受压部分距中性轴最远的距离应分别以横截面上受拉和受压部分距中性轴最远的距离应分别以横截面上受拉和受压部分距中性轴最远的距离应分别以横截面上受拉和受压部分距中性轴最远的距离 和和和和 直接代入公式直接代入公式直接代入公式直接代入公式求得相应的最大正应力求得相应的最大正应力求得相应的最大正应力求得相应的最大正应力第19页,共55页,编辑于2022年,星期三一些易混淆一些易混淆的的概念概念 平面弯曲对称截面梁,在纵向对称面承受横平面弯曲对称截面梁,在纵向对称面承受横 向外力时的受力与变形形式
24、向外力时的受力与变形形式 纯纯 弯弯 曲梁或梁段各横截面的剪力为零弯矩曲梁或梁段各横截面的剪力为零弯矩 为常数的受力状态为常数的受力状态 中性轴横截面受拉与受压区的分界线中性轴横截面受拉与受压区的分界线 形心轴通过横截面形心的坐标轴形心轴通过横截面形心的坐标轴 弯曲刚度弯曲刚度EI代表梁截面抵抗弯曲变形的能力代表梁截面抵抗弯曲变形的能力 抗弯截面系数抗弯截面系数Wz代表梁截面几何性质对弯曲代表梁截面几何性质对弯曲 强度的影响强度的影响中性轴中性轴与与形心轴形心轴平面弯曲平面弯曲与与纯弯曲纯弯曲 截面弯曲刚度截面弯曲刚度与与抗弯截面系数抗弯截面系数第20页,共55页,编辑于2022年,星期三例例
25、 1 梁用梁用18 工字钢工字钢 制成制成,Me=20 kNm,E=200 GPa。计算:计算:最大最大弯曲正弯曲正应力应力 max,梁轴曲率半径梁轴曲率半径 r r解:解:1.工字钢工字钢一种规范化、系列化的工字形截面的标准钢材一种规范化、系列化的工字形截面的标准钢材(GB 706-88)18 工字钢:工字钢:第21页,共55页,编辑于2022年,星期三2.应力计算应力计算3.变形计算变形计算Me=20 kNm,E=200 GPa,求求 max 与与 r r第22页,共55页,编辑于2022年,星期三当梁上有横向力作用时当梁上有横向力作用时当梁上有横向力作用时当梁上有横向力作用时,横截面上既
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