材料力学第03章(扭转)-06.ppt

《材料力学第03章(扭转)-06.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学第03章(扭转)-06.ppt（65页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、31 扭转的概念和实例扭转的概念和实例 32 外力偶矩的计算外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图扭矩和扭矩图33 纯剪切纯剪切34 圆轴扭转时的应力圆轴扭转时的应力35 圆轴扭转时的变形圆轴扭转时的变形37 非圆截面杆扭转的概念非圆截面杆扭转的概念第三章第三章 扭扭 转转 工工 程程 实实 例例31 扭转的概念和实例扭转的概念和实例 电动机电动机减速箱减速箱抱刹抱刹钢丝绳钢丝绳卷扬机卷扬机减速箱减速箱变形特点：变形特点：杆件杆件各截面各截面绕轴线发生相对转动。绕轴线发生相对转动。Me轴：轴：工程中以扭转为主要变形的构件称为轴。工程中以扭转为主要变形的构件称为轴。如：机器中的传动轴、石油钻机中的钻杆等。

2、如：机器中的传动轴、石油钻机中的钻杆等。受力特点：受力特点：在在垂直于杆件轴线的平面内垂直于杆件轴线的平面内作用有力偶。作用有力偶。MeMeMe32 外力偶矩的计算外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图扭矩和扭矩图已知：轴的传递功率已知：轴的传递功率P（kW）转速转速n（r/min），求：求：外力偶矩外力偶矩Me（Nm）一、传动轴的外力偶矩一、传动轴的外力偶矩解：计算解：计算AB轴一分钟做的功轴一分钟做的功其中：其中：P 功率，千瓦（功率，千瓦（kW）n 转速，转转速，转/分（分（r/min）二、扭转时的内力二、扭转时的内力扭矩扭矩MeMeMexTMeT构件受扭时，横截面上的内力为力偶构件受扭时，横截面

3、上的内力为力偶，称为扭矩，记作称为扭矩，记作“T ”。取左取左段：段：扭矩的正负规定：扭矩的正负规定：MexTMeT以右手螺旋法则，沿截面外法线方向为正，反之为负。以右手螺旋法则，沿截面外法线方向为正，反之为负。三、扭矩三、扭矩图图已知：一传动轴，已知：一传动轴，n=300r/min，主动轮主动轮C输入输入P1=500kW，从动轮从动轮A、B、D输出输出 P2=P3=150kW，P4=200kW，试作试作扭矩图。扭矩图。解解:(1)计算外力偶矩计算外力偶矩例例1A B C DM2 M3 M1 M4112233(2)求扭矩求扭矩1-1截面：截面：（扭矩按正方向假设）（扭矩按正方向假设）AM2T1

4、2-2截面：截面：A B C DM2 M3 M1 M4112233AM2BM2T23-3截面：截面：T3DM4(3)绘制扭矩图绘制扭矩图xT4.789.566.37（kNm）BC段为危险截面段为危险截面A B C DM2 M3 M1 M4112233（r平均半径）平均半径）观察变形：观察变形：1.加载前：加载前：纵向线为直线，周向线为圆；纵向线为直线，周向线为圆；33 纯剪切纯剪切2.加载后：加载后：纵向线倾斜了一微小角度，纵向线倾斜了一微小角度，变成斜直线；变成斜直线；一、薄壁圆管扭转应力分析一、薄壁圆管扭转应力分析Me Me 周向线仍是圆，圆周线的形状、大小和间距周向线仍是圆，圆周线的形状

5、、大小和间距均未改均未改 变，只是绕轴线作了相对转动。变，只是绕轴线作了相对转动。薄壁圆筒：薄壁圆筒：壁厚壁厚Me应力分布规律：应力分布规律：横截面上无正应力，只存在切应力横截面上无正应力，只存在切应力；切应力的方向与圆周相切，与内力切应力的方向与圆周相切，与内力T一致；一致；切应力沿壁厚方向的数值不变；切应力沿壁厚方向的数值不变；沿圆周切应力的大小也不变。沿圆周切应力的大小也不变。T TMeMe T dAdA计算切应力计算切应力 的大小：的大小：二、切应力互等定理二、切应力互等定理 Me Me dxdx dxdytzxy切应力互等定理：切应力互等定理：在两个相互垂直的面上，在两个相互垂直的面

6、上，切应力必然成对出现，且数值切应力必然成对出现，且数值相等，两者都垂直于两平面的相等，两者都垂直于两平面的交线，其方向为共同指向或共交线，其方向为共同指向或共同背离该交线。同背离该交线。zxyFFAAs ss sMeMe三、剪切胡克定律三、剪切胡克定律 三、剪切胡克定律三、剪切胡克定律 切应变切应变(量纲为量纲为1)Me Me p当当 时时 剪切胡克定律剪切胡克定律 剪切弹性模量剪切弹性模量G、弹性模量弹性模量E和泊松比和泊松比是表明材料弹性性质是表明材料弹性性质的三个常数。对各向同性材料，这三个弹性常数之间存在下列关的三个常数。对各向同性材料，这三个弹性常数之间存在下列关系（推导详见后面章

7、节）：系（推导详见后面章节）：可见，在三个弹性常数中，只要知道任意两个，第三个量可见，在三个弹性常数中，只要知道任意两个，第三个量就可以推算出来。就可以推算出来。G是材料的一个弹性常数，称为剪切弹性模量，因是材料的一个弹性常数，称为剪切弹性模量，因 的量的量纲为纲为1，故，故G的量纲与的量纲与 相同，不同材料的相同，不同材料的G值可通过实验确定，值可通过实验确定，钢材的钢材的G值约为值约为80GPa。Me Me l 一、横截面上的应力一、横截面上的应力34 圆轴扭转时的应力圆轴扭转时的应力找出各薄壁圆管之间的变形关系找出各薄壁圆管之间的变形关系Me Me RMe Me 一、横截面上的应力一、横

8、截面上的应力34 圆轴扭转时的应力圆轴扭转时的应力观察变形观察变形R dx纵向线倾斜了一微小纵向线倾斜了一微小角度，角度，变成斜直线；周向变成斜直线；周向线仍是圆，圆周线的形状、线仍是圆，圆周线的形状、大小和间距均未改大小和间距均未改 变，只变，只是绕轴线作了相对转动。是绕轴线作了相对转动。dx 平面假设平面假设横截面变形后仍为平面横截面变形后仍为平面dxRBADCO 1.变形几何关系变形几何关系dxBADCO ABCCDRdxOO D 1.变形几何关系变形几何关系ABCCDRdxOO D EFGH1.变形几何关系变形几何关系ABCCDRdxOO Ddx 扭转角扭转角 沿长度方向变化率。沿长度

9、方向变化率。2.物理关系物理关系剪切虎克定律：剪切虎克定律：EFGHABCCDRdxOO D 切应力在横截面上的分布规律切应力在横截面上的分布规律3.静力学关系静力学关系记记代入物理关系式代入物理关系式 O T得：得：Ip横横截面的极惯性矩截面的极惯性矩代入代入4、应力分布应力分布（实心截面）（实心截面）（空心截面）（空心截面）dxBADCOMe Me 最大切应力：最大切应力：Wt 称为抗扭截面系数，几何量，单位：称为抗扭截面系数，几何量，单位：mm3 或或 m3。或：或：（1）实心圆截面）实心圆截面Cdxy d dA二、极惯性矩和抗扭截面系数的计算：二、极惯性矩和抗扭截面系数的计算：(2)(

10、2)空心圆截面空心圆截面DxyCd实心圆截面实心圆截面空心圆截面空心圆截面抗扭截面系数抗扭截面系数WtCdxydxyCD三、扭转破坏试验三、扭转破坏试验低碳钢试件：低碳钢试件：沿横截面断开。沿横截面断开。铸铁试件：铸铁试件：沿与轴线约成沿与轴线约成45 的的螺旋线断开。螺旋线断开。强度条件：强度条件：(称为许用切应力。称为许用切应力。)四、圆轴扭转时的强度计算四、圆轴扭转时的强度计算塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料d1=120mm，d2=100mm，MA=22kNm，MB=36kNm，MC=14kNm，许用切应力许用切应力 =80=80M Pa,Pa,试校核强度。试校核强度。解解:(1):(1

11、)画扭矩图画扭矩图此轴满足强度要求。此轴满足强度要求。例例22MAMBMCd1d2ABC（2）AB段的强度段的强度（3）BC段的强度段的强度T图图2214(kNm)+有有一根轴，一根轴，T=1.5kNm，=50=50M Pa,Pa,按两种方案确按两种方案确定轴截面尺寸，并比较重量：定轴截面尺寸，并比较重量：（1 1）实心轴；）实心轴；（2 2）=0.9=0.9的空心轴。的空心轴。解：解：（1 1）实心轴）实心轴例例3（2 2）空心轴）空心轴（3 3）比较重量）比较重量实实心轴的心轴的重量是重量是空空心轴的心轴的3 3倍。倍。实心轴实心轴空心轴空心轴53.568.776.3实心轴实心轴空心轴空心

12、轴一、扭转时的变形一、扭转时的变形35 圆轴扭转时的变形圆轴扭转时的变形GIp反映了截面抵抗扭转变形的能力，反映了截面抵抗扭转变形的能力，称为截面的称为截面的抗扭刚度抗扭刚度。即：即：（rad）lMe Me dx即即：当轴上当轴上作用有多个力偶时，进行分段计算，代数相加：作用有多个力偶时，进行分段计算，代数相加：MBMAMCl1l2ABCM2M1M3lABlACABC已知：已知：M1=1632N m，M2=995N m，M3=637N m，lAB=300mm，lAC=500mm，d=70mm，G=80GPa。试求截面试求截面C对对B的扭转角。的扭转角。解：解：12例例4M2M1M3lABlAC

13、ABC二、刚度条件二、刚度条件或：刚度条件：刚度条件：单位长度扭转角单位长度扭转角 ：称为许可单位长度扭转角，取称为许可单位长度扭转角，取0.150.30/m。某传动轴设计要求转速某传动轴设计要求转速n=500 r/min,输入功率输入功率P1=368 kW,输出功率分别输出功率分别P2=147 kW,P3=221 kW ，已知：已知：G=80GPa，=70M Pa，=1()/m ，试确定：试确定：例例55（1）AB 段直径段直径 d1和和 BC 段直径段直径 d2 ；（2 2）若全轴选同一直径，应为多少？若全轴选同一直径，应为多少？（3 3）主动轮与从动轮如何安排合理？）主动轮与从动轮如何安

14、排合理？500300M1M3M2ACB解：计算外力偶矩解：计算外力偶矩 (kNm)Tx7.024 4.21 由刚度条件得由刚度条件得：由由强度强度条件得条件得：(1)AB段：段：即：即：所以所以AB 段直径段直径 d184mm (kNm)Tx7.024 4.21 由刚度条件得由刚度条件得：由由强度强度条件得条件得：BC段：段：即：即：所以所以BC 段直径段直径 d275mm (kNm)Tx7.024 4.21(2)全轴选同一直径时全轴选同一直径时(3)轴上的扭矩轴上的扭矩绝对值越小越绝对值越小越合理，所以，合理，所以，1轮和轮和2轮应该轮应该换换位。位。Tx4.21(kNm)2.814+换位后

15、换位后,轴的扭矩如图所示轴的扭矩如图所示,此时此时,轴的最大直径为轴的最大直径为7575mm。d84mm500300M1M3M2ACB (kNm)Tx7.024 4.21 500300M1M3M2ACB非圆截面杆：非圆截面杆：平面假设不成立。平面假设不成立。37 非圆截面等直杆扭转的概念非圆截面等直杆扭转的概念各截面发生各截面发生翘曲翘曲，不保持平面。因此，由等直圆杆扭转时，不保持平面。因此，由等直圆杆扭转时推出的应力、变形公式不适用，须由弹性力学方法求解。推出的应力、变形公式不适用，须由弹性力学方法求解。翘曲翘曲自由扭转自由扭转约束扭转约束扭转矩形杆横截面上的切应力：矩形杆横截面上的切应力：1.1.周边上的切应力与周边相切；周边上的切应力与周边相切；bhT2.2.四个角点的切应力为零；四个角点的切应力为零；3.3.最大切应力发生在长边中点。最大切应力发生在长边中点。最大切应力及单位扭转角最大切应力及单位扭转角、的的值与值与比值比值h/b有关，见有关，见P96（表表3-2）由由弹性力学弹性力学分析得：分析得：bhT为什么四个角点的切应力为零？为什么四个角点的切应力为零？hT由切应力互等定理得到由切应力互等定理得到