工程力学弯曲应力教学内容.ppt
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1、1 1上海应用技术学院工程力学弯曲应力2 2上海应用技术学院在梁两端加弯矩在梁两端加弯矩 M,使梁产生纯弯曲变形。,使梁产生纯弯曲变形。3 3上海应用技术学院观察现象:观察现象:1.横向线仍为直线,但相对地转过横向线仍为直线,但相对地转过 一个微小角度,仍与已弯曲成圆一个微小角度,仍与已弯曲成圆 弧线的纵向线垂直;弧线的纵向线垂直;与轴向拉、压时变形相似。与轴向拉、压时变形相似。2.纵向线均弯曲成圆弧线,且靠近纵向线均弯曲成圆弧线,且靠近 凸面处伸长,靠近凹面处缩短;凸面处伸长,靠近凹面处缩短;3.在伸长区,梁宽度减小,在伸长区,梁宽度减小,在缩短区,梁宽度增加。在缩短区,梁宽度增加。bdac
2、O2O11122MMababMcdcdM伸长伸长缩短缩短zyObdacO2O111224 4上海应用技术学院二、假设二、假设1.梁弯曲平面假设梁弯曲平面假设弯曲变形时:弯曲变形时:2.单向受力假设单向受力假设由实验现象和假设可推知:由实验现象和假设可推知:设想梁由许多层纵向纤维组成,弯设想梁由许多层纵向纤维组成,弯曲时各纵向纤维处于单向受拉或单曲时各纵向纤维处于单向受拉或单向受压状态。向受压状态。梁弯曲变形后,梁弯曲变形后,横截面仍保持为平横截面仍保持为平面,并仍与已变弯后的梁轴线垂直,面,并仍与已变弯后的梁轴线垂直,只是绕该截面内某轴转过一个微小只是绕该截面内某轴转过一个微小角度。角度。靠近
3、梁顶面的纵向纤维受压、缩短;靠近梁顶面的纵向纤维受压、缩短;靠近梁底面的纵向纤维受拉、伸长。靠近梁底面的纵向纤维受拉、伸长。zyObdacO2O11122bdacO2O11122MM5 5上海应用技术学院O1O2弯曲变形时,梁横截面是绕中性轴转动的。弯曲变形时,梁横截面是绕中性轴转动的。从伸长到缩短的过程中,必存在一从伸长到缩短的过程中,必存在一层纵向纤维既不伸长也不缩短,保层纵向纤维既不伸长也不缩短,保持原来的长度。持原来的长度。由变形的连续形可知:由变形的连续形可知:中性层:由既不伸长也不缩短的纵中性层:由既不伸长也不缩短的纵 向纤维组成。向纤维组成。中性轴:中性层与梁横截面的交线。中性轴
4、:中性层与梁横截面的交线。O2中性层中性层中性轴中性轴中性轴垂直于梁横截面的纵向对称轴。中性轴垂直于梁横截面的纵向对称轴。bdacO2O11122bdacO2O11122MM6 6上海应用技术学院1.变形几何关系变形几何关系 正应变分布规律正应变分布规律二、弯曲正应力一般公式二、弯曲正应力一般公式取梁微段取梁微段 dx 分析:分析:弯曲变形后:弯曲变形后:1122O2O1dxr r设中性层曲率半径为设中性层曲率半径为 r r。横截面横截面1-1、2-2仍保持为平面,仍保持为平面,取坐标轴:取坐标轴:y 轴,轴,z 轴。轴。y 轴与截面对称轴重合;轴与截面对称轴重合;z 轴与中性轴重合轴与中性轴
5、重合(位置未定位置未定)。但各自绕中性轴转过一个角但各自绕中性轴转过一个角度,形成一夹角度,形成一夹角,为为 dq q;zyOdq q1122MMO1O27 7上海应用技术学院距距中性层为中性层为 y 处处纵向纤维纵向纤维 ab的变形:的变形:弯曲前:弯曲前:abO1O2=dx弯曲后:弯曲后:ab=(r r+y)dq q中性层长度不变:中性层长度不变:O1O2=dx=r r dq qO1O2 ab=dx=r r dq qab 的伸长:的伸长:D D ab=abab =(r r+y)dq q r r dq q=ydq q ab 的正应变:的正应变:为横截面上正应变分布规律。为横截面上正应变分布规
6、律。ybabay(a)式表示:纵向纤维的正应变与其离中性层的距离式表示:纵向纤维的正应变与其离中性层的距离 y 成正比。成正比。在一定的在一定的 M 作用下,作用下,r r 为常数,为常数,|y|,|e e|。zyO1122O2O1dxdq q1122MMO1O2r r8 8上海应用技术学院中性层下方,中性层下方,y 为正值,为正值,e e 也为正值,表示为拉应变;也为正值,表示为拉应变;baO2O11122MMdq qr ry中性层上方,中性层上方,y 为负值,为负值,e e 也为负值,表示为压应变。也为负值,表示为压应变。zyO2.物理关系物理关系 正应力分布规律正应力分布规律纵向纤维纵向
7、纤维 间无相互挤压,间无相互挤压,ab单单向受拉向受拉(压压),由由 =Ee e,将,将(a)式带入,得式带入,得为横截面上正应力分布规律。为横截面上正应力分布规律。式中式中 E、r r 为常数,为常数,(b)式表示:横截面上某点的正应力与该点离中性层的距离式表示:横截面上某点的正应力与该点离中性层的距离 y 成成 正比。正比。即即横截面上正应力沿高度呈线性分布。横截面上正应力沿高度呈线性分布。9 9上海应用技术学院中性层下方,中性层下方,y 为正值,为正值,也为正值,表示为拉应力;也为正值,表示为拉应力;baO2O11122MMdq qr ry中性层上方,中性层上方,y 为负值,为负值,也为
8、负值,表示为压应力。也为负值,表示为压应力。zyOy=0 (中性轴上中性轴上),=0;|y|max(上、下表层上、下表层),|max 。由由(b)式可得式可得 的分布规律,但因的分布规律,但因r r 的数值未知,中性轴的位置未确定,的数值未知,中性轴的位置未确定,y 无从算起,所以仍不能计算正应力,用静力学关系解决。无从算起,所以仍不能计算正应力,用静力学关系解决。1010上海应用技术学院zyO3.静力学关系静力学关系确定中性轴位置及确定中性轴位置及r r 的计算的计算取微面积取微面积 dA:(z,y)yz dAdA上微内力:上微内力:dAM截面上所有微内力截面上所有微内力 dA组成一空间组成
9、一空间平行力系,可合成为三个内力合力:平行力系,可合成为三个内力合力:FN、My、Mz1)A dA=FN FN=0 A dA=0 (c)(b)带入带入(c):E、r r 不为零,不为零,A ydA=0而而 A ydA=Sz=yCA=0 yC=0 z 轴轴(中性轴中性轴)为形心轴。为形心轴。即即中性轴必须通过梁横截面的形心。中性轴必须通过梁横截面的形心。1111上海应用技术学院zyOyz dA(b)带入带入(e):令令 Iz=A y2dA,称,称 Iz 为横截面对为横截面对 z 轴的惯性矩。轴的惯性矩。即即为用曲率表示的弯曲变形公式为用曲率表示的弯曲变形公式。y z2)A dAy=Mz Mz=M
10、 A dAy=M(e)横截面一定时,横截面一定时,Iz 一定。一定。M1212上海应用技术学院zyOyz dAy z1/1/r r 为中性层弯曲变形后的曲率。为中性层弯曲变形后的曲率。将将 EIz 称为梁的抗弯刚度。称为梁的抗弯刚度。将上式带入将上式带入(b):表示:梁横截面上的表示:梁横截面上的 与与 M 成正比,与成正比,与 Iz 成成 反比,沿截面高度呈线性分布。反比,沿截面高度呈线性分布。中性轴上:中性轴上:y=0,=0;上、下表层:上、下表层:|y|max,|max 。M1313上海应用技术学院zyOyz dAy z2.中性层曲率:中性层曲率:的方向可由梁的变形直接判定:的方向可由梁
11、的变形直接判定:1.中性轴位置:中性轴过截面形心;中性轴位置:中性轴过截面形心;MM ()(+)MM (+)()结论:结论:3.正应力公式:正应力公式:M1414上海应用技术学院 最大弯曲正应力最大弯曲正应力上、下表层:上、下表层:y=y max,三、最大弯曲正应力三、最大弯曲正应力令令 Wz=Iz/ymax,称,称 Wz 为横截面的抗弯截面系数。为横截面的抗弯截面系数。2.弹性范围内,且弹性范围内,且 Ec=Et 1.纯弯曲:平面假设条件下;纯弯曲:平面假设条件下;四、公式适用条件四、公式适用条件3.对称弯曲,对称弯曲,y 轴为梁横截面的纵向对称轴。轴为梁横截面的纵向对称轴。公式公式 、可用
12、于可用于 p,对称弯曲中纯弯曲时的正应力计算和中性层曲率计算。,对称弯曲中纯弯曲时的正应力计算和中性层曲率计算。1515上海应用技术学院例例1:悬臂梁如图示,:悬臂梁如图示,Me=20kNm,E=200 GPa,梁用梁用No18工字工字 钢制成。钢制成。试试求梁的最大弯曲正应力和梁轴的曲率半径。求梁的最大弯曲正应力和梁轴的曲率半径。解:解:(1)工字钢工字钢 Iz、Wz(3)计算计算 max 由附录由附录E表表4(P359)查得:查得:Iz=1.66105 m4 Wz=1.85104 m3(2)作作M 图图(4)计算计算梁轴的曲率半径梁轴的曲率半径r r由由有有1616上海应用技术学院113
13、惯性矩与平行轴定理惯性矩与平行轴定理一、简单截面的惯性矩一、简单截面的惯性矩1.定定 义:义:Iz=A y2dA,为图形,为图形A 对对 z 轴的轴的惯性矩惯性矩。Iy=A z2dA,为图形,为图形A 对对 y 轴的轴的惯性矩惯性矩。2.分析讨论分析讨论(1)dA0,y2、z20,Iz、Iy 0,单位:,单位:m4,cm4,mm4(2)若若 A=A1+A2+An 则:则:Iz=IzA1+IzA2+IzAn=S S IzAiIy=IyA1+IyA2+IyAn=S S IyAi为组合图形的惯性矩公式。为组合图形的惯性矩公式。1717上海应用技术学院矩形截面的惯性矩:矩形截面的惯性矩:取微面积取微面
14、积 dA:bdy圆形截面的惯性矩:圆形截面的惯性矩:取微面积取微面积 dA:(z,y)Iz=Iy且有且有 r r 2=y2+z2zyCddAyzr rzyCh/2h/2b/2b/2dyy1818上海应用技术学院箱形截面的惯性矩:箱形截面的惯性矩:由由组合图形的惯性矩公式:组合图形的惯性矩公式:空心圆截面的惯性矩:空心圆截面的惯性矩:zyCbhHBzyCDd1919上海应用技术学院二、平行轴定理二、平行轴定理已知:已知:A、Iz0、Iy0Iz=A y2dA=A(y0+a)2 dA求:求:Iz、IyCy0z0:过形心直角坐标系:过形心直角坐标系Oyz:任意直角坐标系:任意直角坐标系z与与z0平行,
15、间距为平行,间距为a,y与与y0平行,间距为平行,间距为b,=A(y02+2ay0+a2)dA Iz=Iz0+a2A Iz 0=A y02dA同理得:同理得:解:解:y=y0+az=z0+bA y0dA=0AdA=AIy=Iy0+b2A=A y02dA+2aA y0dA+a2AdA即:截面对任一坐标轴即:截面对任一坐标轴 z 的惯性矩的惯性矩 Iz,等于对其平行形心轴,等于对其平行形心轴 z0 的惯性矩的惯性矩 Iz0 加上截面面积与两轴间距离平方的乘积。加上截面面积与两轴间距离平方的乘积。2020上海应用技术学院已知:已知:d、m求:求:Iz解:解:dmzz0yC已知:已知:h、b求:求:I
16、z解:解:Chbzyz02121上海应用技术学院46zy22求:图示图形对形心轴求:图示图形对形心轴 z 的惯性矩的惯性矩 Iz。单位:。单位:cm解:解:(1)确定形心位置确定形心位置zC(2)Iz Iz=IzA1+IzA2=21.28+36.59=57.87 cm4C2C1A1A2yC2222上海应用技术学院46zy22组合图形对形心轴组合图形对形心轴 z 惯性矩惯性矩 Iz的计算步骤:的计算步骤:(1)将将组合图形分解为几个简单图形,组合图形分解为几个简单图形,由形心公式由形心公式确定形心位置:确定形心位置:zC(2)由由平行轴定理分别计算各简单图形对平行轴定理分别计算各简单图形对 z
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