第三章扭转精选文档.ppt
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1、第三章扭转材料力学材料力学本讲稿第一页,共八十一页3.1 扭转的概念和实例扭转的概念和实例本讲稿第二页,共八十一页一一.扭转的概念扭转的概念 外力的合力为一力偶,且力偶的作用外力的合力为一力偶,且力偶的作用面与杆件的轴线垂直,此时,杆发生的变面与杆件的轴线垂直,此时,杆发生的变形称为扭转。形称为扭转。工程中把以扭转变形为主的构件称为轴。工程中把以扭转变形为主的构件称为轴。本讲稿第三页,共八十一页 杆件的任意两个横截面都发生杆件的任意两个横截面都发生绕轴线的相对转动。绕轴线的相对转动。变形特征:变形特征:MM本讲稿第四页,共八十一页对称扳手拧紧镙帽对称扳手拧紧镙帽工程中承受扭转变形的构件工程中承
2、受扭转变形的构件本讲稿第五页,共八十一页本讲稿第六页,共八十一页扭转扭转/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3.2 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本讲稿第七页,共八十一页一一.外力偶矩的计算外力偶矩的计算 作用于轴上的外力偶往往不直接给出,经常作用于轴上的外力偶往往不直接给出,经常是给出轴所传送的功率和轴的转速。是给出轴所传送的功率和轴的转速。因此,必须推导外力偶矩与功率和转速的关系。因此,必须推导外力偶矩与功率和转速的关系。本讲稿第八页,共八十一页外力偶矩与功率和转速的关系:外力偶矩与功率和转速的关系:功率功率功功时间时间力偶矩力偶矩角位移角位移角速
3、度角速度每分钟每分钟的转数的转数扭转扭转/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本讲稿第九页,共八十一页扭转扭转/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二二.杆扭转时的内力杆扭转时的内力 作用于轴上的所有外力偶矩都求出后,即作用于轴上的所有外力偶矩都求出后,即可用截面法研究截面上的内力。可用截面法研究截面上的内力。扭转时的内力为一个内力偶矩扭转时的内力为一个内力偶矩T,T称为扭矩。称为扭矩。本讲稿第十页,共八十一页圆轴在外力偶矩圆轴在外力偶矩MA、MB、MC作用下匀速转动。作用下匀速转动。已知:已知:求:求:1-11-1截面上的内力。截面上的内力。扭转时内力的计
4、算举例扭转时内力的计算举例本讲稿第十一页,共八十一页用截面法求用截面法求1-11-1截面上的内力截面上的内力扭转扭转/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扭矩扭矩T1=MA本讲稿第十二页,共八十一页扭矩符号规定扭矩符号规定:按右手螺旋法则。:按右手螺旋法则。扭矩矢量的指向与截面外法线的指向一扭矩矢量的指向与截面外法线的指向一致,为正;反之为负。致,为正;反之为负。nnnn扭转扭转/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判断下列扭矩的符号:判断下列扭矩的符号:+-本讲稿第十三页,共八十一页扭扭 转转/杆受扭时的内力计算杆受扭时的内力计算扭矩扭矩T2=-Mc用截面
5、法求用截面法求2-22-2截面上的内力截面上的内力求求2-22-2截面上的内力截面上的内力本讲稿第十四页,共八十一页三三.扭矩图扭矩图 表示扭矩沿杆件轴线变化规律的图线。表示扭矩沿杆件轴线变化规律的图线。x本讲稿第十五页,共八十一页扭矩图的绘制方法:扭矩图的绘制方法:1.1.求扭矩求扭矩 当轴受到的外力偶矩多于两个,轴不同部分当轴受到的外力偶矩多于两个,轴不同部分的横截面上有不同的扭矩,因此,需要分段。的横截面上有不同的扭矩,因此,需要分段。本讲稿第十六页,共八十一页扭矩图扭矩图2.2.绘制扭矩图绘制扭矩图x本讲稿第十七页,共八十一页绘制扭矩图的注意事项:绘制扭矩图的注意事项:(1 1)扭矩图
6、的横坐标要与杆件长度相对应;)扭矩图的横坐标要与杆件长度相对应;(2 2)扭矩图的纵坐标大小要成比例;)扭矩图的纵坐标大小要成比例;(3 3)扭矩图的纵坐标要标明数值大小及正负;)扭矩图的纵坐标要标明数值大小及正负;(4 4)扭矩图是一条连续的图线,不能间断,扭)扭矩图是一条连续的图线,不能间断,扭矩图中突变的大小等于外力偶的大小;矩图中突变的大小等于外力偶的大小;(5 5)在扭矩图上要画出阴影线。)在扭矩图上要画出阴影线。本讲稿第十八页,共八十一页练习:练习:图示传动轴上,经由图示传动轴上,经由A轮输入功率轮输入功率10KW,经,经由由B、C、D轮输出功率分别为轮输出功率分别为2、3、5KW
7、。轴的转速。轴的转速n=300r/min,求作该轴的扭矩图。如将,求作该轴的扭矩图。如将A、D轮的位置轮的位置更换放置是否合理?更换放置是否合理?ACBD扭扭 转转/杆受扭时的内力计算杆受扭时的内力计算IIIIIIIIIIII本讲稿第十九页,共八十一页1.1.求求A、B、C、D轮传递的外力偶矩轮传递的外力偶矩扭扭 转转/杆受扭时的内力计算杆受扭时的内力计算由由M=9549P/n分别求得:分别求得:MA=318.3(Nm);MB=63.7(Nm)MC=95.5(Nm);MD=159.2(Nm)注意单位的使用注意单位的使用本讲稿第二十页,共八十一页IIIIIIACBDIIIIIIIIIIII2.2
8、.分段求扭矩分段求扭矩本讲稿第二十一页,共八十一页ACBD(在(在CA段和段和AD段)段)M max=159.2Nm3.3.绘制扭矩图绘制扭矩图本讲稿第二十二页,共八十一页ACBDM max=159.2NmM max=318.3Nm互换前:互换前:互换后:互换后:不合理不合理如如果果将将A轮轮和和D轮轮互互换换本讲稿第二十三页,共八十一页相似题目相似题目课本课本7676页例页例3.13.1扭转扭转/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本讲稿第二十四页,共八十一页3.3 纯剪切纯剪切扭转扭转/纯剪切纯剪切本讲稿第二十五页,共八十一页纯剪切:纯剪切:单元体各个面上只承受切应力而没
9、有正应力。单元体各个面上只承受切应力而没有正应力。单元体:单元体:单元体:单元体:是指围绕受力物体内一点截取一边长为无限小是指围绕受力物体内一点截取一边长为无限小 的正立方体,以的正立方体,以表示几何上的一点表示几何上的一点。相关概念相关概念本讲稿第二十六页,共八十一页一一.薄壁圆筒扭转时的切应力薄壁圆筒扭转时的切应力扭转扭转/纯剪切纯剪切 纯剪切的变形规律通过纯剪切的变形规律通过薄壁圆筒的纯扭转薄壁圆筒的纯扭转进行研进行研究。究。受扭前,在薄壁圆筒的表面上用受扭前,在薄壁圆筒的表面上用圆周线圆周线和和纵纵向线向线画成方格。画成方格。本讲稿第二十七页,共八十一页扭转扭转/纯剪切纯剪切TT图示:
10、图示:本讲稿第二十八页,共八十一页扭转扭转/纯剪切纯剪切ABCDABCD横截面上存在切应力横截面上存在切应力方格的左右两边发生相对错动方格的左右两边发生相对错动方格的左右两边距离没有发生改变方格的左右两边距离没有发生改变横截面上没有正应力横截面上没有正应力现象一:现象一:现象二:现象二:本讲稿第二十九页,共八十一页扭转扭转/纯剪切纯剪切 扭转时,扭转时,横截面上不存在正应力,只横截面上不存在正应力,只存在切应力,且切应力的方向是沿着圆存在切应力,且切应力的方向是沿着圆周的切线方向均布的。周的切线方向均布的。T 薄壁圆筒扭转的规律总结薄壁圆筒扭转的规律总结本讲稿第三十页,共八十一页扭转扭转/纯剪
11、切纯剪切二二.切应力互等定理切应力互等定理dxdydzZ本讲稿第三十一页,共八十一页 二个相互垂直的截面上,切应力必然二个相互垂直的截面上,切应力必然成对出现,且数值相等,两者都垂直于两成对出现,且数值相等,两者都垂直于两平面的交线,其方向相反。平面的交线,其方向相反。切应力互等定理内容:切应力互等定理内容:切应力互等定理应用:切应力互等定理应用:本讲稿第三十二页,共八十一页扭转扭转/纯剪切纯剪切三三.切应变及剪切胡克定律切应变及剪切胡克定律MM 切应变:纵向线倾斜一个角度切应变:纵向线倾斜一个角度 。扭转角:横截面之间绕杆轴线扭转角:横截面之间绕杆轴线 发生的相对转动发生的相对转动 。本讲稿
12、第三十三页,共八十一页扭转扭转/纯剪切纯剪切 不超过材料的比例极限时,切应力不超过材料的比例极限时,切应力 与切应变与切应变 成正比。成正比。=G G为切变模量;为切变模量;单位:单位:Pa、MPa或或GPa剪切胡克定律:剪切胡克定律:本讲稿第三十四页,共八十一页回顾三个弹性常数:回顾三个弹性常数:扭转扭转/纯剪切纯剪切弹性模量弹性模量E泊松比泊松比u切变模量切变模量G三者之间的关系:三者之间的关系:G=E/2(1+u)本讲稿第三十五页,共八十一页3.4 圆轴扭转圆轴扭转时的应力时的应力扭转扭转/圆轴扭转时的应力圆轴扭转时的应力本讲稿第三十六页,共八十一页回顾薄壁圆筒横截面上的切应力分布回顾薄
13、壁圆筒横截面上的切应力分布Tr0r r 0 0为薄壁圆筒的半径,为薄壁圆筒的半径,为壁厚为壁厚扭转扭转/圆轴扭转时的应力圆轴扭转时的应力 T=Fsr0T为扭矩为扭矩Fs=2 r0 已知:已知:判断切应力的方向并计算切应力的大小判断切应力的方向并计算切应力的大小本讲稿第三十七页,共八十一页TT一一.圆轴扭转时的应力分布规律圆轴扭转时的应力分布规律扭转扭转/圆轴扭转时的应力圆轴扭转时的应力本讲稿第三十八页,共八十一页扭转扭转/圆轴扭转时的应力圆轴扭转时的应力ABCDABCD横截面上存在切应力横截面上存在切应力方格的左右两边发生相对错动方格的左右两边发生相对错动方格的左右两边距离没有发生改变方格的左
14、右两边距离没有发生改变横截面上没有正应力横截面上没有正应力现象一:现象一:现象二:现象二:1.单元格的变化单元格的变化本讲稿第三十九页,共八十一页此即刚性平面截面假设此即刚性平面截面假设2.半径的变化半径的变化 圆轴的横截面变形后保持为平面,形状和圆轴的横截面变形后保持为平面,形状和大小不变,半径保持为直线,且相邻两截面间大小不变,半径保持为直线,且相邻两截面间的距离不变。的距离不变。现象:现象:本讲稿第四十页,共八十一页 圆轴可以看作由许多个套在一起的薄壁圆圆轴可以看作由许多个套在一起的薄壁圆筒组成,各个薄壁圆筒扭转时截面的相对扭转筒组成,各个薄壁圆筒扭转时截面的相对扭转角相同。角相同。扭转
15、扭转/圆轴扭转时的应力圆轴扭转时的应力对比圆轴与薄壁圆筒:对比圆轴与薄壁圆筒:本讲稿第四十一页,共八十一页T横截面上的切应力处处垂直于径向,横截面上的切应力处处垂直于径向,且方向同且方向同 T 旋转方向。旋转方向。圆轴与薄壁圆筒的切应力方向:圆轴与薄壁圆筒的切应力方向:本讲稿第四十二页,共八十一页圆轴的切应力分布规律:圆轴的切应力分布规律:横截面上任一点的横截面上任一点的切应力与该点到圆心的切应力与该点到圆心的距离成正比。距离成正比。思考:思考:薄壁圆筒的切应力为何均匀分布?薄壁圆筒的切应力为何均匀分布?本讲稿第四十三页,共八十一页扭转扭转/圆轴扭转时的应力圆轴扭转时的应力二二.计算扭转切应力
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