工程力学第六章杆件的应力精选PPT.ppt
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1、工程力学第六章杆件的应力1第1页,此课件共83页哦一点的应力:当面积趋于零时,平均应力的大小和方向一点的应力:当面积趋于零时,平均应力的大小和方向都将趋于一定极限,得到都将趋于一定极限,得到应力的国际单位为应力的国际单位为Pa 1N/mPa 1N/m2 2=1Pa=1Pa(帕斯卡)(帕斯卡)1MPa=101MPa=106 6Pa 1GPa=10Pa 1GPa=109 9PaPa应力总量应力总量P P 可以分解成可以分解成:垂直于截面的分量垂直于截面的分量正应力正应力 平行于截面的分量平行于截面的分量切应力切应力应力应力目录目录平均应力平均应力:某范围内单位面积上内力的平均集度某范围内单位面积上
2、内力的平均集度2第2页,此课件共83页哦 0 0 0正负号规定正负号规定:正应力正应力 拉为正,压为负。拉为正,压为负。切应力切应力 顺时针为正,逆时针为负顺时针为正,逆时针为负3第3页,此课件共83页哦6-2 应变的概念应变的概念(正应变和切应变正应变和切应变),胡克定律胡克定律正应变:微体在某一方向上长度的改变量与原长度的比值的极限值 称为微体在此方向上的正应变e。拉伸拉伸变细变长变细变长压缩压缩变短变粗变短变粗4第4页,此课件共83页哦切应变:当微体的棱长发生改变时,相邻棱边之夹角一般也发生 改变。微体相邻棱边所夹直角的改变量称为切应变切应变的单位为rad(弧度)5第5页,此课件共83页
3、哦线应变线应变:平均线应变:平均线应变:6第6页,此课件共83页哦角应变角应变7第7页,此课件共83页哦练习练习8第8页,此课件共83页哦一一 拉压胡克定律拉压胡克定律实验表明,在比例极限范围内,正应力与正应变成正比,即引入比例系数E,则胡克定律胡克定律比例系数E称为弹性模量弹性模量9第9页,此课件共83页哦二二 剪切胡克定律剪切胡克定律在纯剪状态下,单元体相对两侧面将发生微小的相对错动,原来互相垂直的两个棱边的夹角改变了一个微量。两正交线段的直角两正交线段的直角改变量改变量剪应变剪应变10第10页,此课件共83页哦 薄壁圆筒的实验薄壁圆筒的实验,证实了剪应力与剪应变之间存在证实了剪应力与剪应
4、变之间存在着象拉压胡克定律类似的关系着象拉压胡克定律类似的关系,即当剪应力不超过材即当剪应力不超过材料的剪切比例极限料的剪切比例极限p时时,剪应力与剪应变成正比剪应力与剪应变成正比G称为材料的剪切弹性模量。上式关系称为称为材料的剪切弹性模量。上式关系称为剪切剪切胡克定律胡克定律。即:当即:当p时时引入引入比例系数比例系数G,则则11第11页,此课件共83页哦6-3 拉压杆的正应力拉压杆的正应力一 拉压杆横截面上的应力拉压杆横截面上的应力 拉压杆的平面假设:在轴向载荷作用下,变形后,横截面仍保持平面,且仍与杆轴垂直,只是横截面间沿杆轴作了相对平移。12第12页,此课件共83页哦PN如果杆的横截面
5、积为:A根据平面假设,我么可以得出结论,即横截面上每一点存在相同的拉力在轴向载荷下,横截面上正应力计算式为:正应力与轴力具有相同的正负符号,即拉应力为正,压应力为负。13第13页,此课件共83页哦例例 图示矩形截面(图示矩形截面(b h)杆,已知)杆,已知b=2cm,h=4cm,P1=20 KN,P2=40 KN,P3=60 KN,求,求AB段和段和BC 段的应力段的应力ABCP1P2 P314第14页,此课件共83页哦P1N1压应力压应力 P3N2压应力压应力15第15页,此课件共83页哦例例 图示为一悬臂吊车,图示为一悬臂吊车,BC为为实心圆管,横截面积实心圆管,横截面积A1=100mm2
6、,AB为矩形截面,横截面积为矩形截面,横截面积A2=200mm2,假设起吊物重为,假设起吊物重为Q=10KN,求各杆的应力。,求各杆的应力。ABC16第16页,此课件共83页哦首先计算各杆的内力:首先计算各杆的内力:需要分析需要分析B点的受力点的受力QF1F217第17页,此课件共83页哦ABCQF1F2BC杆的受力为拉力,大小等于杆的受力为拉力,大小等于F1AB杆的受力为压力,大杆的受力为压力,大小等于小等于F2由作用力和反作用力可知:由作用力和反作用力可知:最后可以计算的应力:最后可以计算的应力:BC杆:杆:AB杆:杆:18第18页,此课件共83页哦 二 圣维南原理 当作用在杆端的轴向外力
7、,沿横截面非均匀分布时,外力作用点附近各截面的应力,也是非均匀分布的。但圣维南原理圣维南原理指出,力作用于杆端的分布方式,只影力作用于杆端的分布方式,只影响杆端局部范围的应力分布,影响区的轴向范围约响杆端局部范围的应力分布,影响区的轴向范围约离杆端离杆端12个杆的横向尺寸。个杆的横向尺寸。此原理已为大量试验与计算所证实。用与外力系静力等效的合力代替原力系,除在原力系作用区域内有明显差别外,在离外力作用区域稍远处,上述代替影响非常微小,可以略而不计。19第19页,此课件共83页哦 三 应力集中应力集中 应力集中:应力集中:应力集中:应力集中:杆件外形突变,引起局部应力急剧增大的现象由于结构的需要
8、,构件的截面尺寸往往会突然变化,例由于结构的需要,构件的截面尺寸往往会突然变化,例如开孔、沟槽、肩台和螺纹等,局部的应力不再均匀分如开孔、沟槽、肩台和螺纹等,局部的应力不再均匀分布而急剧增大布而急剧增大1.应力集中的概念20第20页,此课件共83页哦应力集中系数应力集中系数平均应力平均应力 2 应力集中对构件强度的影响应力集中对构件强度的影响对脆性材料而言,应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限,故在设计脆性材料构件时,应考虑应力集中的影响。对塑性材料而言,应力集中对其在静载作用下的强度几乎没有影响,故在研究塑性材料构件的静强度时,一般不考虑应力集中的影响。21第21页,此课件共83
9、页哦交变应力(或循环应力):随时间循环变化的应力在交变应力作用下的构件,虽然所受应力小于材料的静强度极限,但经过应力的多次重复后,构件将产生可见裂纹或完全断裂。疲劳破坏:在交变应力作用下,构件产生可见裂纹或完全断裂的现象。应力集中促使疲劳裂纹的形成与扩展,对构件的疲劳强度影响很大22第22页,此课件共83页哦6-4 切应力互等定理与剪切胡克定律切应力互等定理与剪切胡克定律一一 薄壁圆管的扭转应力薄壁圆管的扭转应力 平平面面假假定定 应应变变分分布布 物物性性关关系系应应力力分分布布 静静力力方方程程应应力力表表达达式式试验观察试验观察加载前 画横向圆周线及纵向线23第23页,此课件共83页哦T
10、T 加载后:24第24页,此课件共83页哦加载后现象:TT 1、各纵向线倾斜同角度2、各圆周线大小形状间距不变25第25页,此课件共83页哦ABCDABCDt t 管壁扭转时的应力变形特征 上述变形现象表明:微体ABCD既无轴向正应变,也无横向正应变,只是相邻横截面ab与cd之间发生相对错动,即产生剪切变形;而且,沿圆周方向所有的剪切变形相同。由于管壁很薄,故可近似认为管的内外变形相同,则可认为仅存在的垂直于半径方向的切应力t沿圆周大小不变。26第26页,此课件共83页哦剪应力在截面上均匀分布,方向垂直于半径剪应力在截面上均匀分布,方向垂直于半径与周线相切与周线相切27第27页,此课件共83页
11、哦根据精确的理论分析根据精确的理论分析,当当tr/10时时,上式的误上式的误差不超过差不超过4.52%,是足够精确的。是足够精确的。28第28页,此课件共83页哦二二 纯剪切与切应力应力互等定理纯剪切与切应力应力互等定理微元体微元体 单元体单元体纯剪切:单元体上只有剪应力而无正应力。29第29页,此课件共83页哦剪应力互等定理剪应力互等定理:在相互垂直的两个平面上在相互垂直的两个平面上,剪剪应力一定成对出现,其数值相等,方向同时应力一定成对出现,其数值相等,方向同时指向或背离两平面的交线。指向或背离两平面的交线。30第30页,此课件共83页哦6-5 圆轴扭转时横截面上的应力圆轴扭转时横截面上的
12、应力一、扭转切应力的一般公式一、扭转切应力的一般公式从三方面考虑:变形几何关系从三方面考虑:变形几何关系 物理关系物理关系 静力学关系静力学关系 31第31页,此课件共83页哦 观察到下列现象观察到下列现象:(1)各圆周线的形状、大小以及两圆周线间的距离没有变化各圆周线的形状、大小以及两圆周线间的距离没有变化 (2)纵向线仍近似为直线纵向线仍近似为直线,但都倾斜了同一角度但都倾斜了同一角度(3)表面方格变为菱形。)表面方格变为菱形。1.变形几何关系变形几何关系32第32页,此课件共83页哦平面假设:平面假设:变形前为平面的横截面变形后仍为平面,它像刚变形前为平面的横截面变形后仍为平面,它像刚性
13、平面一样绕轴线旋转了一个角度。性平面一样绕轴线旋转了一个角度。33第33页,此课件共83页哦34第34页,此课件共83页哦横截面上距形心为的任一点处应变在外表面上35第35页,此课件共83页哦 根据剪切胡克定律根据剪切胡克定律,当剪应力不超过材料的剪当剪应力不超过材料的剪切比例极限时切比例极限时剪应力方向垂直于半径剪应力方向垂直于半径2.物理关系物理关系36第36页,此课件共83页哦3.静力学关系静力学关系截面的极惯性矩截面的极惯性矩37第37页,此课件共83页哦于是再由物理关系得于是再由物理关系得二、二、最大扭转切应力最大扭转切应力当当 max 时,时,max 抗扭截面系数抗扭截面系数38第
14、38页,此课件共83页哦39第39页,此课件共83页哦6-6 极惯性矩和极惯性矩和抗扭截面系数抗扭截面系数一、一、实心圆截面实心圆截面40第40页,此课件共83页哦二、二、空心圆截面空心圆截面=d/D41第41页,此课件共83页哦已知已知已知已知:P P1 114kW,14kW,n n1 1=n n2 2=120r/min,=120r/min,z z1 1=36,=36,z z3 3=12;=12;d d1 1=70mm,=70mm,d d 2 2=50mm,=50mm,d d3 3=35mm.=35mm.求求求求:各各各各轴轴轴轴横截面上的最大剪应力横截面上的最大剪应力横截面上的最大剪应力横
15、截面上的最大剪应力。42第42页,此课件共83页哦N N1=14kW,N N2 2=N N3 3=N N1 1/2=7 kW/2=7 kWn1 1=n n2 2=120r/min=120r/minn3=n1 z3z1=120 3612=360r/minT1=1114 N.mT2=557 N.mT3=185.7 N.m maxmax(C C)=)=21.98 MPa21.98 MPaT T3 3Wp3 maxmax(HH)=)=22.69 MPa22.69 MPaT T2 2Wp2 maxmax(E E)=)=T T1 1Wp1=16.54 MPa16.54 MPa43第43页,此课件共83页哦
16、一、概述:一、概述:当梁上有横向外力作用时,一般情况下,梁的当梁上有横向外力作用时,一般情况下,梁的 横截面上既有弯矩横截面上既有弯矩 M,又有剪力又有剪力 Q。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 dN=dN=dA dA 才能合成弯矩才能合成弯矩只有与剪应力有关的切向内力元素只有与剪应力有关的切向内力元素 dQ=dQ=dA dA 才能合成才能合成剪力剪力所以,在梁的横截面上一般既有所以,在梁的横截面上一般既有 正应力,又有正应力,又有 剪应力剪应力11-1 引言引言 QM44第44页,此课件共83页哦弯曲切应力:梁弯曲时横截面上的切应力弯曲正应力:梁弯曲时横截面上的正
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