平面弯曲梁的刚度与强度计算.ppt
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1、8.1第8章 平面弯曲梁的强度与刚度计算8.1 纯弯曲时梁的正应力8.2 常用截面二次矩 平行移轴公式8.3 弯曲正应力强度计算8.4 弯曲切应力简介8.5 梁的弯曲变形概述 8.6 用叠加法求梁的变形小结8.28.1.1 纯弯曲试验纯弯曲试验8.1 8.1 纯弯曲时梁的正应力纯弯曲时梁的正应力 一矩形等截面简支梁一矩形等截面简支梁AB,其上作用两个,其上作用两个对称的集中力对称的集中力F。加载前,在加载前,在CD段表面画些平行于梁轴线的段表面画些平行于梁轴线的纵向线和垂直于梁轴线的横向线。纵向线和垂直于梁轴线的横向线。加载后,由剪力图和弯距图可知加载后,由剪力图和弯距图可知AC、DB两段内,
2、各横截面上同时有剪力和弯矩,这两段内,各横截面上同时有剪力和弯矩,这种弯曲称为种弯曲称为横弯曲(或称剪切弯曲)横弯曲(或称剪切弯曲)。在中间段在中间段CD段内的各横截面上,只有段内的各横截面上,只有弯矩,没有剪力,这种弯矩,没有剪力,这种弯曲称为纯弯曲弯曲称为纯弯曲。8.38.1 8.1 纯弯曲时梁的正应力纯弯曲时梁的正应力 纵向线弯曲成圆弧线,其间距不变。凸边的纵向线伸长,凹边的纵向线纵向线弯曲成圆弧线,其间距不变。凸边的纵向线伸长,凹边的纵向线缩短。缩短。横向线仍为直线,但相对转过一个微小角度,并与纵向线垂直。横向线仍为直线,但相对转过一个微小角度,并与纵向线垂直。梁的高度不变,而梁的宽度
3、在伸长区内,有所减少,在压缩区内,有所梁的高度不变,而梁的宽度在伸长区内,有所减少,在压缩区内,有所增大。增大。8.48.1 8.1 纯弯曲时梁的正应力纯弯曲时梁的正应力根据上述现象,可对梁的变形提出如下假设:根据上述现象,可对梁的变形提出如下假设:平面假设:梁变形后,其横截面仍保持为平面,并垂直于变形后梁的轴平面假设:梁变形后,其横截面仍保持为平面,并垂直于变形后梁的轴线,只是绕着截面上某一轴转过一个角度。线,只是绕着截面上某一轴转过一个角度。单向受力假设:梁是由无数条纵向纤维组成,各纤维之间互不挤压(即单向受力假设:梁是由无数条纵向纤维组成,各纤维之间互不挤压(即梁的纵向截面上无正应力作用
4、),处于单向拉伸或压缩状态。梁的纵向截面上无正应力作用),处于单向拉伸或压缩状态。结论:由以上假设可知,因梁变形后的横截面仍与纵向线垂直,所以切结论:由以上假设可知,因梁变形后的横截面仍与纵向线垂直,所以切应变为零,横截面上应变为零,横截面上无切应力,而只有正应力无切应力,而只有正应力。梁纯弯曲变形时,其。梁纯弯曲变形时,其内凹内凹一侧的纤维层缩短;一侧的纤维层缩短;外凸外凸一侧的纤维层伸长。二者交界处必有一层纤维既一侧的纤维层伸长。二者交界处必有一层纤维既不伸长也不缩短,这一纤维层称为中性层。中性层与横截面的交线称为中不伸长也不缩短,这一纤维层称为中性层。中性层与横截面的交线称为中性轴。性轴
5、。中性层中性层是梁内受拉区与受压区的分界面、是横截面上拉应力与压应是梁内受拉区与受压区的分界面、是横截面上拉应力与压应力的分界线。力的分界线。中性轴上各点的正应力等于零中性轴上各点的正应力等于零,梁变形时各横截面均绕中性,梁变形时各横截面均绕中性轴作相对转动。轴作相对转动。8.5 8.1 纯弯曲时梁的正应力纯弯曲时梁的正应力选取相距为选取相距为dx的两相邻横截面的两相邻横截面m-m1和和n-n1。8.1.2 8.1.2 梁横截面上的正应力分布梁横截面上的正应力分布设中性层设中性层O1O2曲率半径为曲率半径为 ,相,相对转动后形成的夹角为对转动后形成的夹角为 。距中性层处的线应变为距中性层处的线
6、应变为()()8.68.1 8.1 纯弯曲时梁的正应力纯弯曲时梁的正应力8.1.2 梁横截面上的正应力分布梁横截面上的正应力分布当正应力没有超过材料的屈服当正应力没有超过材料的屈服极限极限 时,时,(8.2)8.78.1 纯弯曲时梁的正应力纯弯曲时梁的正应力8.1.3 8.1.3 梁的正应力计算梁的正应力计算取一微面积取一微面积dA,作用于,作用于dA上的微内力上的微内力为为 。由于纯弯曲时,横截面上的。由于纯弯曲时,横截面上的内力分量只有弯矩内力分量只有弯矩M而无轴力而无轴力 ,故,故横截面上所有微内力在横截面上所有微内力在x轴上投影的代轴上投影的代数和应等于零。数和应等于零。称称为为截面截
7、面对对中性中性轴轴z的截面一次矩。因的截面一次矩。因为为故有故有所以所以8.8令令 ,称为横截面对中性轴称为横截面对中性轴 z 的弯曲截面系数,单位为的弯曲截面系数,单位为8.1 纯弯曲时梁的正应力纯弯曲时梁的正应力 (8.3)又称惯性矩。又称惯性矩。(8.4)(8.5)称称为为梁梁截截面面的的抗抗弯弯刚刚度度。整整理理可可得得纯弯曲梁的正应力计算公式:纯弯曲梁的正应力计算公式:EIz 。8.9 8.2 常用截面二次矩常用截面二次矩 平行移轴公式平行移轴公式 8.2.1 8.2.1 常用截面二次矩常用截面二次矩1矩形截面矩形截面 设矩形截面的高为设矩形截面的高为h,宽为,宽为b,过形,过形心心
8、O作作y 轴和轴和 z 轴。取宽为轴。取宽为b高为高为 的的狭长条为微面积狭长条为微面积 ,(8.6a)(8.6b)(8.6c)(8.6d)8.108.2 常用截面二次矩常用截面二次矩 平行移轴公式平行移轴公式(8.7b)2.圆形截面与圆环形截面圆形截面与圆环形截面 设圆形截面的直径为设圆形截面的直径为d,y轴和轴和z轴过轴过形心形心O。取微面积。取微面积 ,其坐标为,其坐标为y和和z。(8.7a)对圆环形截面对圆环形截面(8.8a)(8.8b)8.11常用截面二次矩常用截面二次矩 平行移轴公式平行移轴公式 8.2.2 8.2.2 组合截面二次矩组合截面二次矩 平行移轴公式平行移轴公式组合截面
9、对轴的截面二次矩等于各组成部分对轴的截面二次矩的代数和组合截面对轴的截面二次矩等于各组成部分对轴的截面二次矩的代数和。(8.9)平行移轴公式平行移轴公式(8.10)图形对任意轴的截面二次轴矩,等于图形对于与该轴平行的形心轴图形对任意轴的截面二次轴矩,等于图形对于与该轴平行的形心轴的截面二次轴矩,加上图形面积与两平行轴间距离平方的乘积。由此可的截面二次轴矩,加上图形面积与两平行轴间距离平方的乘积。由此可知,对所有平行轴的截面二次矩中,以通过形心轴的截面二次矩为最小。知,对所有平行轴的截面二次矩中,以通过形心轴的截面二次矩为最小。此公式的应用条件为此公式的应用条件为(1)两对轴必须互相平行。两对轴
10、必须互相平行。(2)其中)其中x、y轴必须是过形心的轴。轴必须是过形心的轴。8.12常用截面二次矩常用截面二次矩 平行移轴公式平行移轴公式 8.2.2 组合截面二次矩组合截面二次矩 平行移轴公式平行移轴公式例例8.1 一形截面,求其对中性轴的截面二次矩。一形截面,求其对中性轴的截面二次矩。解解 将形截面视为由矩形将形截面视为由矩形和矩形和矩形组成。组成。(1)确定形心和中性轴的位置。)确定形心和中性轴的位置。(2)求各组成部分对中性轴的截面二次矩)求各组成部分对中性轴的截面二次矩 (3)T形截面对中性轴形截面对中性轴的截面二次矩为:的截面二次矩为:8.138.3 8.3 弯曲正应力强度计算弯曲
11、正应力强度计算 对于脆性材料对于脆性材料()()梁梁的的强强度度条条件件可可解解决决三三类类强强度度计计算算问问题题:校校核核梁梁的的强强度度、设计梁的截面尺寸和确定梁的许用载荷。设计梁的截面尺寸和确定梁的许用载荷。梁的弯曲正应力强度条件为:梁的弯曲正应力强度条件为:()()8.148.3 8.3 弯曲正应力强度计算弯曲正应力强度计算例例 8.2 简支矩形木梁简支矩形木梁AB。跨度。跨度 ,承受均布载荷,承受均布载荷q=3.6 kN/m,木材顺纹许用应木材顺纹许用应力力 。设梁横截面高度之比为。设梁横截面高度之比为 ,试选择梁的截面尺寸。,试选择梁的截面尺寸。解解 画出梁的弯矩图画出梁的弯矩图
12、可选取可选取的矩形截面。的矩形截面。8.158.3 弯曲正应力强度计算弯曲正应力强度计算例例 悬臂梁悬臂梁AB,型号为,型号为No.18号号工字钢工字钢。已知许用应。已知许用应 力力 ,,不计梁的自重,试不计梁的自重,试计算自由端集中力计算自由端集中力F的最大许的最大许可值可值 。解解 画出梁的弯矩图画出梁的弯矩图 由强度条件得由强度条件得查手册得到号工字钢弯曲截面系数查手册得到号工字钢弯曲截面系数P259 8.168.3 8.3 弯曲正应力强度计算弯曲正应力强度计算例例8.5 已知已知T形截面铸铁梁的载荷和截面尺寸,已知铸铁抗拉许用应力形截面铸铁梁的载荷和截面尺寸,已知铸铁抗拉许用应力 ,抗
13、压许用应力,抗压许用应力 。试校核梁的强度。试校核梁的强度。8.178.3 弯曲正应力强度计算弯曲正应力强度计算解解(1)由静力平衡方程求出支座反力为)由静力平衡方程求出支座反力为 (2)画出梁的弯矩图画出梁的弯矩图最大负弯矩在截面最大负弯矩在截面B B上上 (3)T形截面对中性轴的截面的二次矩为形截面对中性轴的截面的二次矩为为为(4)强度校核)强度校核分别作出分别作出B截面和截面和C截面的正应力分布图,因为截面的正应力分布图,因为 ,所以最大压应力发生,所以最大压应力发生在在B截面的下边缘截面的下边缘8.188.3 弯曲正应力强度计算弯曲正应力强度计算分别计算分别计算C截面下边缘和截面下边缘
14、和B截面上边缘的截面上边缘的应力,以确定最大拉应力所在位置。应力,以确定最大拉应力所在位置。在在B截面上截面上 在在C截面上截面上 因此最大拉应力发生在因此最大拉应力发生在C截面的下边缘处。截面的下边缘处。8.19补充例子:补充例子:图图a所示为横截面如图所示为横截面如图b所示的槽形截面铸铁梁,所示的槽形截面铸铁梁,该截面对于中性轴该截面对于中性轴z 的惯性矩的惯性矩Iz=5493104 mm4。已知图。已知图a中,中,b=2 m。铸铁的许用拉应力。铸铁的许用拉应力 t=30 MPa,许用压应力,许用压应力 c=90 MPa。试求梁的许可荷载。试求梁的许可荷载F。(a)(b)8.20 解:最大
15、负弯矩所在B截面处,若截面的上边缘处最大拉应力st,max达到st,则下边缘处最大压应力sc,max为 根据 可知此sc,max并未达到许用压应力sc,也就是说,就B截面而言,梁的强度由最大拉应力控制。8.21显然,B截面上的最大拉应力控制了梁的强度。B截面:C截面:第四章第四章 弯曲弯曲应力力8.22 当然,这个许可荷载是在未考虑梁的自重的情况下得出的,但即使考虑自重,许可荷载也不会减少很多。于是由B截面上最大拉应力不得超过铸铁的许用拉应力st的条件来求该梁的许可荷载F:由此得F19200 N,亦即该梁的许可荷载为F=19.2 kN。第四章第四章 弯曲弯曲应力力8.238.4 8.4 弯曲切
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