材料力学动载荷、交变应力.ppt
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1、第十三章第十三章动载荷、交变应力概述概述概述动载荷随时间作急剧变化的载荷随时间作急剧变化的载荷作加速运动或转动的系统中构件的惯性力作加速运动或转动的系统中构件的惯性力构件在动载荷作用下产生的应力称之为动应力动应力冲击载荷作用下产生的应力称为冲击载荷作用下产生的应力称为冲击应力冲击应力随时间作交替变化的载荷作用下产生的应力随时间作交替变化的载荷作用下产生的应力称为称为交变应力交变应力概述概述疲劳破坏 构件在交变应力的长期作用下,虽然最大工作应力远低于材料的屈服强度,并且没有明显的塑性变形,但材料往往发生突然断裂,这种破坏成为疲劳破坏交变应力作用下的构件还应进行疲劳强度校核动应力的严格分析和研究应
2、采用应力波的理论和方法,这里只讨论若干简化的分析方法动应力分析的简化方法 修正的静载荷方法构件作等加速直线运动或等速转动时的动应力惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力构件作等加速直线运动或等速转动时,构件由于各质点上的惯性力产生动应力,此时,动应力的分析多采用静动法,即除外载荷外,构件内各质点处应加上惯性力,然后按静载荷问题进行分析和计算。匀速转动直杆的动应力 设均质等截面杆AB 绕轴以角速度w 旋转,杆长为l,横截面面积为A,计算杆的最大动应力惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力设杆的比重为g,则杆的线质量密度为 gA/g,根据静动法,可将惯性力视为作用在杆件上的分布力,其集度记为qd,即
3、可见,最大轴力发生在截面B处,其值为Nmax=N(D/2)x横截面横截面xx处的轴力为处的轴力为Nqd惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力截面B 处(危险截面)的应力为可见,对于等截面直杆,动应可见,对于等截面直杆,动应力的大小与横截面面积无关,并且,力的大小与横截面面积无关,并且,当材料给定时,直杆转动的角速度当材料给定时,直杆转动的角速度w w 有一极限值。有一极限值。x当l D 时,有近似惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力例 钢索以等加速度a提升重量为P的重物M,钢索的横截面面积为A,其重量与重物相比甚小而可忽略不计,确定钢索的动应力。解解 由于重物以加速度由于重物以加速度aa提升,故
4、钢索除提升,故钢索除受重物的重力受重物的重力PP作用外,还受到重物作用外,还受到重物的惯性力作用。的惯性力作用。于是,钢所承受的拉力为于是,钢所承受的拉力为aMN惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力从而,钢索横截面上的正应力为从而,钢索横截面上的正应力为aMN其中,其中,为为PP作为静荷载作用时作为静荷载作用时钢索横截面上的静应力钢索横截面上的静应力动载荷系数动载荷系数,反映了动,反映了动载荷的效应载荷的效应N惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力例 直径d=100mm 的圆轴,一端有重量P=0.6kN、直径D=400mm 的飞轮,以均匀转速n=1000r/m 旋转。现因在轴的另一端施加了制动力
5、偶(其力矩为md)而在t=0.01s 内停止。若圆轴的质量与飞轮质量相比很小而忽略不计,确定圆轴内的最大动应力。解解 若飞轮在制动时作匀减若飞轮在制动时作匀减速转动,则角加速度为速转动,则角加速度为dDn惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力在制动过程中,飞轮的惯性力矩为在制动过程中,飞轮的惯性力矩为dDmdmd根据静动法,圆轴在两端根据静动法,圆轴在两端力偶力偶mmdd的作用下处于平衡。于的作用下处于平衡。于是,任一横截面上的扭矩为是,任一横截面上的扭矩为从而,圆轴的最大剪应力为从而,圆轴的最大剪应力为惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力例 长l=12m 的16号工字钢,用横截面面积为A=10
6、8mm2的钢索吊起,并以等加速度a=10m/s2上升。若只考虑工字钢的重量而不计吊索的重量,试求吊索的动应力,以及工字钢在危险点处的动应力smax。欲使工字钢的smax减至最小,吊索的位置如何安置?2m4m 4m 2mzya惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力解解 根据动静法,当工字根据动静法,当工字钢以加速度钢以加速度aa匀速上升时,工匀速上升时,工字钢惯性力的集度为字钢惯性力的集度为其中,其中,qqstst=AAgg 为工字钢每单位为工字钢每单位长度的重量。长度的重量。2m4m 4m2mA B Ca于是,工字钢上的总均布于是,工字钢上的总均布力的集度为力的集度为NNq根据对称性,钢根据对称
7、性,钢索中的轴力为索中的轴力为惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力对对1616号工字钢,有号工字钢,有NNq2m4m 4m2mA B Ca从而从而于是,钢索上的动应力为于是,钢索上的动应力为惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力工字钢梁的弯矩为工字钢梁的弯矩为NNq2m4m 4m2mA B Ca于是,最大弯矩在梁跨的中于是,最大弯矩在梁跨的中点点CC处的横截面上,其值为处的横截面上,其值为从而,弯矩图为从而,弯矩图为NNx惯性力引起的动应力惯性力引起的动应力横截面横截面CC处上下边缘(危险点)处上下边缘(危险点)的正应力为的正应力为2m4m 4m2mA B CaNNqxNN欲使工字钢的欲使工字钢
8、的ssmaxmax减至最小,减至最小,可将吊索向梁跨中点可将吊索向梁跨中点CC移动,以移动,以增加负弯矩而减小正弯矩,最后增加负弯矩而减小正弯矩,最后使梁在吊索处的负弯矩等于中点使梁在吊索处的负弯矩等于中点CC处的正弯矩,此时,工字钢梁处的正弯矩,此时,工字钢梁的最大弯矩减至最小,其吊索位的最大弯矩减至最小,其吊索位置见图所示。置见图所示。2.484m 2.484m构件受冲击荷载作用时的动应力(冲击应力)计算冲击应力的计算冲击应力的计算当一运动的物体碰到一静止的构件时,前者的运动将受到阻碍而在瞬间停止运动,这时构件受到了冲击作用在冲击过程中,运动中的物体称为冲击物,而阻止冲击物运动的构件称为被
9、冲击物分析被冲击物中产生的冲击应力和变形的方法精确分析精确分析弹性体内的弹性体内的应力波理论应力波理论粗略估算粗略估算简单而偏与安全的分析和计算简单而偏与安全的分析和计算冲击应力的计算冲击应力的计算在冲击应力的估算中,通常假定:在冲击过程中,冲击物不变形,并且冲击物与被冲击物接触后无弹回,形成一个运动系统被冲击物的质量与冲击物相比很小,可忽略不计,而冲击应力瞬时传遍被冲击物,并且材料服从虎克定理冲击过程中,声、热等能量损耗很小,可忽略不计,即外力功、动能全部转化为被冲击物的应变能冲击应力的估算方法冲击应力的计算冲击应力的计算设重量为P 的物体从高为h处自由落下冲击到固定在等截面直杆AB 下端的
10、圆盘上,设直杆的长为l,横截面面积为A,计算杆件的冲击应力ABPhl在冲击过程中,当重物与圆盘接触后,且速度减为零时,杆下端B 就达到最低位置,记此时杆下端B 的最大位移(等于杆AB 的伸长)为d,与之相应的冲击荷载位Pd。Pdd冲击应力的计算冲击应力的计算根据能量守恒定律,冲击过程中冲击物动能T 和势能V 的减少应等于被冲击物的应变能U 的增加,即这里,由于忽略了被冲击物(杆件)的质量,所以,被冲击物的动能和势能的变化可以忽略不计。ABPhlABPhlPdd冲击应力的计算冲击应力的计算当杆的下端B 到达最低点时,冲击物势能的减少为杆AB(被冲击物)所增加的应变能可通过冲击荷载Pd在其相应的位
11、移d上所作的功来计算,即ABPhlABPhlPdd由于冲击物的初速度和终速度均为零,所以,其动能无变化,即冲击应力的计算冲击应力的计算根据虎克定理,有ABPhlABPhlPdd 从而于是,由能量守恒定律可得冲击应力的计算冲击应力的计算记为重物P 作为静荷载作用在杆下端B 处的圆盘上时,杆B 端的静位移于是,上式变形为hlPddABPhlstP此方程的解为冲击应力的计算冲击应力的计算从而,冲击荷载Pd为hlPddABPhlstP记冲击动荷系数则冲击应力的计算冲击应力的计算从而,冲击应力为hlPddABPhlstP可见,在冲击荷载问题的计算中,确定相应的冲击动荷系数Kd是关键。静应力实际冲击过程中
12、,由于不可避免地存在声、热等能量损耗,因此,被冲击构件中所增加的应变能Ud小于冲击物所减少的能量,从而导致上述方法计算的冲击动荷系数偏大。冲击应力的计算冲击应力的计算当h0时,冲击动荷系数hlPddABPhlstP这种突然施加的荷载称为骤加荷载。即当重物突然加载在杆件上时,所引起的应力是重物缓慢施加在杆件时所引起的静应力的两倍。数学上描述为h(t)为Heaviside函数冲击应力的计算冲击应力的计算例 钢吊索AC 的下端悬挂重量为P=20kN 的物体,并以等速度v=1m/s下降,当索长度为l=20m 时,滑轮D突然被卡住。求吊索受到的冲击荷载Pd以及冲击应力sd。已知吊索内钢丝的横截面面积A=
13、414mm2,弹性模量为E=170GPa,滑轮重量可忽略不计。在上述情况下,在吊索与重物之间安置一个刚度为C=300kN/m 的弹簧,则吊索受到的冲击荷载又是多少?vPlACD冲击应力的计算冲击应力的计算解解 设冲击荷载为设冲击荷载为PPdd,滑轮滑轮DD被卡住的那一瞬间,钢吊索被卡住的那一瞬间,钢吊索ACAC的伸的伸长为长为stst,而而dd为滑轮为滑轮DD被卡住后,被卡住后,吊索的最大伸长,即吊索的最大伸长,即在冲击过程中,冲击物动在冲击过程中,冲击物动能的减少为能的减少为势能的减少为势能的减少为PdlACDdstvPlACD冲击应力的计算冲击应力的计算滑轮滑轮DD被卡住的那一瞬间,钢被卡
14、住的那一瞬间,钢吊索吊索ACAC内已存储的应变能为内已存储的应变能为滑轮被卡住后,吊索滑轮被卡住后,吊索ACAC内内存储的应变能为存储的应变能为所以,吊索内应变能的增所以,吊索内应变能的增加为加为PdlACDdstvPlACD冲击应力的计算冲击应力的计算根据能量守恒定律,有根据能量守恒定律,有注意到注意到上式变为上式变为进一步简化为进一步简化为PdlACDdstvPlACD冲击应力的计算冲击应力的计算由此求得方程的两个根,符合由此求得方程的两个根,符合物理意义的根为物理意义的根为于是,动荷系数为于是,动荷系数为可见,提高相应的静伸长(静位移)可见,提高相应的静伸长(静位移)stst,可降低冲击
15、动荷系数可降低冲击动荷系数KKdd,从而从而降低冲击应力。降低冲击应力。PdlACDdstvPlACD冲击应力的计算冲击应力的计算取取 gg=9.81m/s=9.81m/s22,则则于是,冲击应力为于是,冲击应力为spPl lACDrod如果在吊索和重物之间安置一如果在吊索和重物之间安置一个刚度为个刚度为CC=300kN/m=300kN/m的弹簧,则由的弹簧,则由重物引起的静伸长为吊索的伸长量重物引起的静伸长为吊索的伸长量rodrod与弹簧与弹簧spsp的伸长量之和的伸长量之和vPlACD冲击应力的计算冲击应力的计算即即spPlACDrod此时,冲击应力为此时,冲击应力为于是,安置弹簧后的动荷
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