工程力学第8章梁的弯曲应力与强度计算.ppt
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1、 工工 程程 力力 学学8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8.2 8.2 弯曲正应力的强度条件弯曲正应力的强度条件 8.3 8.3 梁的剪应力及其强度条件梁的剪应力及其强度条件 8.4 8.4 提高弯曲强度的措施提高弯曲强度的措施 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算例如:例如:AC和和DB段。段。横截面上有弯矩又有剪力。横截面上有弯矩又有剪力。称为称为横力弯曲横力弯曲(剪切弯曲剪切弯曲)。例
2、如:例如:CD段。段。横截面上有弯矩没有剪力。横截面上有弯矩没有剪力。称为称为纯弯曲。纯弯曲。8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算8.1.1 纯弯曲时横截面上的正应力纯弯曲时横截面上的正应力平面假设:平面假设:梁的横截面在弯曲变形后仍然保持平面,且与变梁的横截面在弯曲变形后仍然保持平面,且与变形后的轴线垂直,只是绕截面的某一轴线转过了一个角度。形后的轴线垂直,只是绕截面的某一轴线转过了一个角度。单向受力假设:单向受力假设:各纵向纤维之间相互不挤压。各纵向纤维之间相互不挤压。横向线横向线(mm、nn):):仍保持为
3、直线,仍保持为直线,发生了相对转动,仍与弧线垂直。发生了相对转动,仍与弧线垂直。实验观察变形实验观察变形纵向线纵向线(aa、bb):变为弧线,凹侧变为弧线,凹侧缩短,凸侧伸长。缩短,凸侧伸长。8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算中性轴:中性轴:中性层与梁的横截面的交线,垂直于梁的纵向对称中性层与梁的横截面的交线,垂直于梁的纵向对称面。(横截面绕中性轴转动)面。(横截面绕中性轴转动)中性轴垂直于纵向对称面。中性轴垂直于纵向对称面。设想梁由平行于轴线的众设想梁由平行于轴线的众多纵向纤维组成,由底部纤维多纵向纤维组成,
4、由底部纤维的伸长连续地逐渐变为顶部纤的伸长连续地逐渐变为顶部纤维的缩短,中间必定有一层纤维的缩短,中间必定有一层纤维的长度不变。维的长度不变。中性层:中性层:中间既不伸长也中间既不伸长也不缩短的一层纤维。不缩短的一层纤维。8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算变形几何关系:变形几何关系:式式(a)表明线应变表明线应变与它到中性层的距与它到中性层的距离离 y 成正比。成正比。(a)设横截面的对称轴为设横截面的对称轴为y 轴,向下为轴,向下为正,中性轴为正,中性轴为 z 轴(位置未定)。轴(位置未定)。8.1 8.1
5、梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算物理关系:物理关系:式式(b)表明表明横截面上任意一点的正应力横截面上任意一点的正应力 与该点到中性轴的距离与该点到中性轴的距离 y 成正比。成正比。(a)因因为为纵纵向向纤纤维维之之间间无无正正应应力力,每每一一纤纤维维都都是是单单向向拉拉伸伸或或压压缩缩。当应力小于比例极限时,由胡克定律知当应力小于比例极限时,由胡克定律知(b)在中性轴上:在中性轴上:y0 0,0 0。将将(a)代入上式,得代入上式,得8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与
6、强度计算梁的弯曲应力与强度计算常量,常量,z 轴(中性轴)通轴(中性轴)通过截面形心。过截面形心。梁的轴线在中性层内,其长度不变。梁的轴线在中性层内,其长度不变。静力学关系静力学关系(c)(d)(e)将式将式 代入式代入式(c),得,得 8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算EIz 称称为梁的为梁的弯曲刚度弯曲刚度。式中式中1/为梁弯曲后轴线的曲率。为梁弯曲后轴线的曲率。将式将式(b)代入式代入式(d),得,得(b)(d)(e)y 轴为对称轴,必然有轴为对称轴,必然有Iyz=0。(自然满足自然满足)将式将式(b)代
7、入式代入式(e),得,得 8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算 由上面两式,得由上面两式,得纯弯曲时正应力的计算公式:纯弯曲时正应力的计算公式:(b)将弯矩将弯矩 M 和坐标和坐标 y 按规定的正负代入,所得到的正应力若为按规定的正负代入,所得到的正应力若为正,即为拉应力,若为负则为压应力。正,即为拉应力,若为负则为压应力。一点的应力是拉应力或压应力,也可由弯曲变形直接判定。以一点的应力是拉应力或压应力,也可由弯曲变形直接判定。以中性层为界,梁在凸出的一侧受拉,凹入的一侧受压。中性层为界,梁在凸出的一侧受拉,凹入
8、的一侧受压。只要梁有一纵向对称面,且载荷作用于这个平面内,上面的公只要梁有一纵向对称面,且载荷作用于这个平面内,上面的公式就可适用。式就可适用。8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算8.1.2 横力弯曲时横截面上的正应力横力弯曲时横截面上的正应力在工程实际中,一般都是横力弯曲,此时,梁的横截面上不在工程实际中,一般都是横力弯曲,此时,梁的横截面上不但有正应力还有剪应力。因此,梁在纯弯曲时所作的平面假设和但有正应力还有剪应力。因此,梁在纯弯曲时所作的平面假设和各纵向纤维之间无挤压的假设都不成立。各纵向纤维之间无挤压的
9、假设都不成立。虽然横力弯曲与纯弯曲存在这些差异,但是应用纯弯曲时正虽然横力弯曲与纯弯曲存在这些差异,但是应用纯弯曲时正应力计算公式来计算横力弯曲时的正应力,所得结果误差不大,应力计算公式来计算横力弯曲时的正应力,所得结果误差不大,足以满足工程中的精度要求。且梁的跨高比足以满足工程中的精度要求。且梁的跨高比 l/h 越大,其误差越小。越大,其误差越小。8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算例:例:已知已知 l=1m,q=6kN/m,10号槽号槽钢。求最大拉应力和压应力。钢。求最大拉应力和压应力。解:解:(1)作弯矩图
10、)作弯矩图(2)由型钢表查得,)由型钢表查得,10号槽钢号槽钢(3)求最大应力)求最大应力 8.1 8.1 梁弯曲时横截面上的正应力梁弯曲时横截面上的正应力 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算Wz 称为称为弯曲截面模量。弯曲截面模量。它与它与截面的几何形状有关,单位为截面的几何形状有关,单位为m3。横力弯曲时,弯矩随截面位置变化。一般情况下,最大正应横力弯曲时,弯矩随截面位置变化。一般情况下,最大正应力力 发生在弯矩最大的截面上,且离中性轴最远处。即发生在弯矩最大的截面上,且离中性轴最远处。即 引用记号引用记号 则则 8.2 8.2 弯曲正应力的强度条件弯曲正应力的强度条件
11、8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算对于宽为对于宽为 b,高为,高为 h 的矩形截面的矩形截面对于直径为对于直径为 D 的圆形截面的圆形截面对于内外径分别为对于内外径分别为 d、D 的空心圆截面的空心圆截面8.2 8.2 弯曲正应力的强度条件弯曲正应力的强度条件 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算如果梁的最大工作应力,不超过材料的许用弯曲应力,梁就如果梁的最大工作应力,不超过材料的许用弯曲应力,梁就是安全的。因此,梁弯曲时的正应力强度条件为是安全的。因此,梁弯曲时的正应力强度条件为对于抗拉和抗压强度相等的材料对于抗拉和抗压强度相等的材料(如炭钢如炭钢),只要绝
12、对值最大,只要绝对值最大的正应力不超过许用弯曲应力即可。的正应力不超过许用弯曲应力即可。对于抗拉和抗压不等的材料对于抗拉和抗压不等的材料(如铸铁如铸铁),则最大的拉应力和最,则最大的拉应力和最大的压应力分别不超过各自的许用弯曲应力。大的压应力分别不超过各自的许用弯曲应力。8.2 8.2 弯曲正应力的强度条件弯曲正应力的强度条件 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算例:例:20a工字钢梁。若工字钢梁。若 ,试求许可荷载,试求许可荷载 F。FAFB解:解:(1)计算支反力)计算支反力(2)作弯矩图)作弯矩图(3)确定许可荷载)确定许可荷载 8.2 8.2 弯曲正应力的强度条件弯曲正
13、应力的强度条件 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算例:例:一矩形截面木梁,已知一矩形截面木梁,已知 F=10 kN,a=1.2 m。木材的许用应力。木材的许用应力 =10MPa。设梁横截面的高宽比为。设梁横截面的高宽比为h/b=2,试选梁的截面尺寸。,试选梁的截面尺寸。解:解:1.1.计算支反力计算支反力 2.2.作弯矩图作弯矩图 3.3.选择截面尺寸选择截面尺寸 A,B截面最危险,该截面截面最危险,该截面 FAFB8.2 8.2 弯曲正应力的强度条件弯曲正应力的强度条件 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算强度条件强度条件 所以所以 最后选用最后选用 125
14、250mm2 的截面。的截面。8.2 8.2 弯曲正应力的强度条件弯曲正应力的强度条件 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算例:例:T字形截面铸铁梁如图。铸铁许用拉应力字形截面铸铁梁如图。铸铁许用拉应力 =30MPa,许用压许用压应力应力 =160 MPa。已知中性轴位置。已知中性轴位置 y1=52 mm,截面对形心轴,截面对形心轴 z 的惯性矩为的惯性矩为 Iz=763 cm4。试校核梁的强度。试校核梁的强度。解:解:1.1.计算支反力计算支反力 2.2.绘弯矩图绘弯矩图 FBFA8.2 8.2 弯曲正应力的强度条件弯曲正应力的强度条件 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲
15、应力与强度计算3.3.强度校核强度校核 B截面:截面:C截面:截面:故该梁满足强度条件。故该梁满足强度条件。8.2 8.2 弯曲正应力的强度条件弯曲正应力的强度条件 8 8 梁的弯曲应力与强度计算梁的弯曲应力与强度计算8.3.1 梁的弯曲剪应力梁的弯曲剪应力 1.矩形截面梁的弯曲剪应力矩形截面梁的弯曲剪应力关于横截面上剪应力的分布关于横截面上剪应力的分布规律,作以下两个假设:规律,作以下两个假设:(1)横截面上各点的剪应力的方横截面上各点的剪应力的方向都平行于剪力向都平行于剪力FS;(2)剪应力沿截面宽度均匀分布。剪应力沿截面宽度均匀分布。在截面高度在截面高度 h 大于宽度大于宽度 b 的情况
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- 工程力学 弯曲应力 强度 计算
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