材料力学基础课件

材料力学基础材料力学基础11 材料力学的基本概念1.1 构件的承载能力1.构件的承载能力：为了保证机械或结构在载荷作用下能正常工作，必须要求每个构件都具有足够的承受载荷的能力，简称承载能力。2.刚度：把构件抵抗变形的能力称为刚度。3.稳定性：杆件维持其原有平衡形式的能力称为稳定性。4.构件安全工作的三项基本要求：具有足够的强度、刚度和稳定性。1.2 材料力学的任务材料力学的任务：为了解决安全性和经济性的矛盾，即研究构件在外力作用下的变形和失效的规律。保证构件既安全又经济的前提下，选用合适的材料，确定合理的截面形状和尺寸。1 材料力学的基本概念1.1 构件的承载能力21 材料力学的基本概念材料力学的基本概念1.3 杆件杆件变形的基本形式形的基本形式一、几个基本概念：一、几个基本概念：1.1.杆：杆：纵向尺寸（长度）远大于横向尺寸的材料，在材料力学上将这类构件称为。曲曲杆：杆：杆的轴线为曲线的杆。3.3.直杆：直杆：杆的轴线为直线的杆。4.4.等横截面直杆：等横截面直杆：直杆且各横截面都相等的杆件。二、杆件杆件变形的基本形式形的基本形式（如右图所示）1 材料力学的基本概念32轴向拉伸和压缩 1拉伸和拉伸和压缩的概念的概念 拉拉伸伸 压缩拉拉伸伸和和压缩受受力力特特点点是是：作用在杆端的两外力（或外力的合力）大小相等，方向相反，作用线与杆的轴线重合。变形特点：形特点：杆件沿轴线方向伸长或缩短。2轴向拉伸和压缩42轴向拉伸和压缩 2 内力和截面法内力和截面法1.1.内力：内力：杆件在外力作用下产生变形，其内部的一部分对另一部分的作用称为内力。轴力力：拉压杆上的内力又称轴力。3.3.截面法：截面法：将受外力作用的杆件假想地切开来用以显示内力，并以平衡条件来确定其合力的方法，称为截面法。具体方法如右图所示：（1 1）截开截开 沿欲求内力的截面，假想把杆件分成两部分。（2 2）代替代替 取其中一部分为研究对象，画出其受力图。在截面上用内力代替移去部分对留下部分的作用。（3 3）平衡平衡 列出平衡方程，确定未知的内力。FX=0，得N-F=0 故N=F2轴向拉伸和压缩52轴向拉伸和压缩2 内力和截面法内力和截面法4.轴力符号的力符号的规定：定：拉伸时N为正（N的指向背离截面）；压缩时N为负（N的指向朝向截面）。【例例1】一直杆受外力作用如下图所示，求此杆各段的轴力。3拉伸和拉伸和压缩时横截面上的正横截面上的正应力力 1.1.应力：应力：构件在外力作用下，单位面积上的内力称为应力。正应力正应力：垂直于横截面上的应力，称为正应力。用表示。2轴向拉伸和压缩62轴向拉伸和压缩3拉伸和拉伸和压缩时横截面上的正横截面上的正应力力 式中：横截面上的正应力，单位MPa；N横截面上的内力（轴力），单位N；A横截面的面积，单位mm2。的符号规定与轴力相同。拉伸时，N为正，也为正，称为拉应力；压缩时N为负，也为负，称为压应力。【例例2】截面为圆的阶梯形钢杆，如下图所示，已知其拉力P=40kN,d1=40mm,d2=20mm，试计算各段钢杆横截面上的正应力。2轴向拉伸和压缩72轴向拉伸和压缩4 拉拉压变形和胡克定律形和胡克定律（a）杆件受拉变形（b）杆件受压变形绝对变形形：设等直杆的原长为L1，在轴向拉力（或压力）F的作用下，变形后的长度为L1，以L来表示杆沿轴向的伸长（或缩短）量，则有L=L1L，L称为杆件的绝对变形。相相对变形形：绝对变形与杆的原长有关，为了消除杆件原长度的影响，采用单位原长度的变形量来度量杆件的变化程度，称为相对变形。用表示,则=L/L=（L1L）/L胡胡克克定定律律：当杆内的轴力N不超过某一限度时,杆的绝对变形L与轴力N及杆长L成正比,与杆的横截面积A成反比.这一关系称为胡克定律,即LNL/A引进弹性模量E,则有L=NL/AE也可表达为：=E 此式中胡克定律的又一表达形式，可以表述为：当应力不超过某一极限时，应力与应变成正比。2轴向拉伸和压缩82轴向拉伸和压缩 5拉伸（拉伸（压缩）时材料的力学性材料的力学性质 图1.低碳钢拉伸变形曲线 图 灰铸铁拉伸变形曲线 1.1.低低碳碳钢拉拉伸伸变形形过程程如如图1 1所所示示低低碳碳钢拉拉伸伸变形形过程程如如图1.1.所所示示可可分分为四个四个阶段段 ：弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段灰灰铸铁拉伸拉伸变形形过程如程如图2 2所所示示2轴向拉伸和压缩92轴向拉伸和压缩 5拉伸（拉伸（压缩）时材料的力学性材料的力学性质低碳钢压缩时的曲线铸铁压缩时的曲线 从图中可以看出，低碳钢压缩时的弹性模量与拉伸时相同，但由于塑性材料，所以试件愈压愈扁，可以产生很大的塑性变形而不破坏，因而没有抗压强度极限。从图中可以看出，铸铁在压缩时其线性阶段不明显，强度极限b比拉伸时高24倍，破坏突然发生，断口与轴线大致成4555的倾角。由于脆性材料抗压强度高，宜用于制作承压构件。2轴向拉伸和压缩102轴向拉伸和压缩 6 许用用应力和安全系数力和安全系数 许用用应力力：在强度计算中，把材料的极限应力除以一个大于1的系数n（称为安全系数），作为构件工作时所允许的最大应力，称为材料的许用应力。用表示。s s=s s/n /n b b=b b/n/n式中，n为安全系数。它反映了构件必要的强度储备。在工程实际中，静载时塑性材料一般取n=1.25；对脆性材料一般取n=23.5。安全系数也反映了经济与安全之间的矛盾关系。取值过大，许用应力过低，造成材料浪费。反之，取值过小，安全得不到保证。塑性材料一般取屈服点s作为极限应力；脆性材料取强度极限b作为极限应力。2轴向拉伸和压缩112轴向拉伸和压缩 7构件在拉伸和构件在拉伸和压缩时的的强度校核度校核 N/A 利用利用强度条件可解决工程中的三度条件可解决工程中的三类强度度计算算问题：1.强度校核 N/A 选择截面尺寸 AN/3.确定许可载荷 N/A【例例3 3】如右图所示为铸造车间吊运铁水包的双套吊钩。吊钩杆部横截面为矩形。b=25mm，h=50mm。杆部材料的许用应力=50MPa。铁水包自重8kN，最多能容30kN重的铁水。试校核吊杆的强度。2轴向拉伸和压缩123 剪切与剪切与挤压3.1剪切剪切1.剪切面：剪切面：在承受剪切的构件中，发生相对错动的截面，称为剪切面。剪切剪切变形的受力特点是：形的受力特点是：作用于构件两侧面上外力的合力大小相等，方向相反，且作用线相距很近。3.3.剪切剪切变形的特征是：形的特征是：构件的两个力作用线之间的部分相对错动。4.4.剪力：剪力：在剪切面m-n上,必存在一个大小相等而方向与F相反的内力Q,称为剪力。=Q/A式中：切应力，单位MPa；Q剪切面上的剪力，单位N；A剪切面积，单位mm2。3 剪切与挤压 133 剪切与剪切与挤压3.2挤压1.挤压:机械中受剪切作用的联接件，在传力的接触面上，由于局部承受较大的压力，而出现塑性变形，这种现象称为挤压。如图下a所示挤压面面:构件上产生挤压变形的表面称为挤压面。如图下b所示（）（）（）（）3.挤压应力力:挤压作用引起的应力称为挤压应力，用符号表示。挤压应力在挤压面上的分布也很复杂，工程中近似认为挤压应力在挤压面上均匀分布。则3 剪切与挤压 143 剪切与剪切与挤压3.剪切和剪切和挤压强度条件度条件1.抗抗剪剪强度度：剪剪切切面面上上最最大大切切应力力，即即抗抗剪剪强度度max不不得得超超过材材料料的的许用切用切应力，表示成力，表示成为max挤压强度：度：挤压面上的最大挤压应力不得超过挤压许用应力，即 提示：提示：利用抗剪强度和挤压强度两个条件可解决三类强度问题，即强度校核，设计截面尺寸和确定许用载荷。3.4剪切和剪切和挤压在生在生产实践中的践中的应用用【例例4】如下图所示，已知钢板厚度t=10mm，其剪切极限应力为=300MPa，若用冲床在钢板上冲出直径d=25mm的孔，问需多大的冲剪力P？3 剪切与挤压 153 剪切与剪切与挤压3.4剪切和剪切和挤压在生在生产实践中的践中的应用用【例例5】如下图表示齿轮用平键与轴联接，已知轴的直径d=70mm，键的尺寸为mm mm mm，传递的转距m=2km，键的许用应力=60MPa，=100MPa，试校核键的强度。3 剪切与挤压 163 剪切与剪切与挤压3.4剪切和剪切和挤压在生在生产实践中的践中的应用用【例例6】如下图所示的起重机吊钩，上端用销钉联接。已知最大起重量F=120kN，联接处钢板厚度t=15mm，销钉的许用剪应力=60MPa，许用挤压应力jy=180MPa，试计算销钉的直径d。3 剪切与挤压 17第2章材料力学基础4 圆轴扭扭转4.1 扭扭转的概念的概念1.杆件的扭杆件的扭转受力特点是：受力特点是：外力是一对力偶，力偶作用均垂直于杆的轴线，但其转向相反，大小相等。杆杆的的变形特点是：形特点是：各横截面绕轴线发生相对转动，这种变形称为扭转变形。m=9550P/n（Nm）3.在外力偶矩在外力偶矩m方向的确定方向的确定:凡输入功率的主动外力偶矩，m的方向与轴的转向一致；凡输入功率的阻力偶矩，m的方向与轴向相反。4 圆轴扭转18第2章材料力学基础4 圆轴扭扭转4.2 扭矩扭矩.扭矩扭矩图1.扭矩扭矩:圆轴在外力偶矩作用下发生扭转变形，其横截面上将产生内力。轴上已知的外力偶矩为m，因为力偶只能用力偶来平衡，显然截面上的分布内力必构成力偶，内力偶矩以符号MT表示，即为扭矩。扭矩扭矩符号符号规定：定：按右手螺旋法则，将扭矩表示为矢量，四指弯向表示扭矩的转向，则大拇指指向为扭矩矢量的方向，如下图所示，若矢量的指向离开截面时，扭矩为正；反之为负。4 圆轴扭转19第2章材料力学基础4 圆轴扭扭转4.2 扭矩扭矩.扭矩扭矩图3.扭矩扭矩图:当轴上承受多个外力偶矩作用时，各横截面上的扭矩是不同的。为了确定最大扭矩的所在位置，以便分析危险截面，常需画出扭矩随截面位置变化的图形，这种图形称为扭矩图。扭矩图横坐标表示横截面的位置，纵坐标表示各横截面上扭矩的大小。【例例7】如图21所示，求传动轴截面1-1、2-2的扭矩，并画出扭矩图。MA=1.8kNm MB=3kNm MC=1.2 kNm4.3圆轴扭扭转的的应力力1.圆轴扭转时切应力分布规律圆轴横截面上任一点的切应力与该点所在圆周的半径成正比，方向与过该点的半径垂直，切应力最大处发生在半径最大处。4 圆轴扭转20第2章材料力学基础4 圆轴扭扭转4.3圆轴扭扭转的的应力力应力分布规律如下图所示。（a）心轴（b）空心轴 切切应力力计算公式算公式根据静力学关系导出切应力计算公式为：=MT/IP MPa 当=R时,切应力最大,即max=MTR/IP 令IP/R=Wn,则上式可改写为:max=MT/Wn3.3.圆轴抗扭截面模量抗扭截面模量计算公式算公式机器中轴的横截面通常采用实心圆和空心圆两种形状。它们的极惯性矩Ip和抗扭截面系数Wn 计算公式如下：4 圆轴扭转21第2章材料力学基础4 圆轴扭扭转4.3圆轴扭扭转的的应力力 3.3.圆轴抗扭截面模量抗扭截面模量计算公式算公式（1）实心圆轴（设直径为D）极惯性矩:IP=D4/32 0.2D4 抗扭截面系数:Wn=D3/16 0.2D3 （2）空心圆轴（设轴的外径为D，内径为d）极惯性矩:IP=D4/32-d4/32 0.1D4(1-4)抗扭截面系数:Wn=D3(1-3)/160.2D3(1-3)式中,=d/D4.4圆轴扭扭转的的强度度计算算1.圆轴扭转的强度条件为：max=MT/W n 4 圆轴扭转22第2章材料力学基础4 圆轴扭扭转4.4圆轴扭扭转的的强度度计算算受静载荷作用时，与之间存在以下关系：对于塑性材料=（0.50.6）；对于脆性材料=（0.81.0）扭转强度条件也可用来解决强度校核，选择截面尺寸及确定许可载荷等三类强度计算问题。运用强度条件解决实际问题的步骤为（1）计算轴上的外力偶矩；（2）计算内力（扭矩），并画出扭矩图；（3）分析危险截面（即按各段的扭矩与抗扭截面系数，找出最大应力所在截面）；（4）计算危险截面的强度，必要时还可进行刚度计算。材料力学基础课件23第2章材料力学基础4 圆轴扭扭转4.4圆轴扭扭转的的强度度计算算【例例8】如图所示的传动轴AB，由45号无缝钢管制成，外径D=90mm，壁厚t=5mm，传递的最大扭矩为m=1.5kNm，材料的=60MPa。试校核AB的强度。如果轴AB设计成实心轴，直径应为多少？比较空心轴和实心轴的重量。结论：在条件相同的情况下，采用空心轴可节省大量材料，减轻重量提高承载能力。因此在汽车、船舶和飞机中的轴类零件大多采用空心。材料力学基础课件24第2章材料力学基础4 圆轴扭扭转4.5 提高提高轴抗扭能力的方法抗扭能力的方法1.合理选用截面，提高轴的抗扭截面系数Wn合理安排受力情况，降低最大扭矩除了抗扭强度的影响外，对许多轴来说，还要考虑刚度对抗扭能力的影响，即在轴满足强度条件下，还要使轴避免产生过大扭转变形。我们把抗扭转变形的能力称为抗扭刚度。提高抗扭提高抗扭刚度的方法有：度的方法有：（1）合理安排受力，降低最大扭矩。（2）合理选择截面，提高抗扭刚度。（3）在强度条件许可的条件下，选择刚度大的材料。材料力学基础课件25第2章材料力学基础 5 直梁弯曲直梁弯曲5.1 概述概述 1.梁梁:以弯曲变形为主要变形的杆件称为梁。弯曲弯曲变形的特点形的特点:杆件所受的力是垂直于梁轴线的横向力，在其作用下梁的轴线由直线变成曲线。3.平面弯曲平面弯曲:若梁上的外力都作用在纵向对称面上，而且各力都与梁的轴线垂直，则梁的轴线在纵向对称面内弯曲成一条平面曲线，这种弯曲称为平面弯曲。如下图所示材料力学基础课件26第2章材料力学基础5 直梁弯曲直梁弯曲5.1 概述概述4.梁的梁的类型型根据约束特点对支座简化，分为下列三种基本形式：（1）简支梁支梁如下图a所示桥式起重机的横梁AB，可以简化成一端为固定铰链支座，另一端为活动铰链支座的梁，这种梁图称为简支梁。图a 图b （2）悬臂梁臂梁如上图b所示的车刀，可简化成一端为固定端，一端为自由端的约束情况。用固定端可阻止梁移动和转动，故有一约束力和一约束力偶，这种梁称为悬臂梁。5 直梁弯曲27第2章材料力学基础 5 直梁弯曲直梁弯曲5.1 概述概述4.梁的梁的类型型根据约束特点对支座简化，分为下列三种基本形式：（3）外伸梁外伸梁如右下图所示的车床主轴，它的支座可简化成与简支梁一样的形式，但梁的一端(或两端)向支座外伸出，并在外伸端有载荷作用。这种梁称为外伸梁。5.梁上外力形成梁上外力形成梁上外力包括载荷和支座两部分，梁上的载荷常见形式有:（1）集中力F，单位是N或kN。（2）集中力偶M，单位是Nm或kNm。（3）均匀分布载荷g，单位是N/m或kN/m。材料力学基础课件28第2章材料力学基础 5 直梁弯曲直梁弯曲5.2梁的内力梁的内力剪力和弯矩剪力和弯矩 1.剪力和弯矩剪力和弯矩:梁的内力包括剪力FQ和弯矩M，下面以简支梁，如右下图所示为例加以说明，梁在C点受集中力F。（1）求梁上所受约束力FRA=F b/L;FRB=F a/L（2）用截面法求得内力在截面m-m处假想地把梁切为两段取左端为研究对象，由于左端作用着外力FRA则在截面上必有与FRA大小相等,方向相反的力FQ,由于该内力切于截面,因此称为剪力剪力。又由于FRA 与FQ形成一个力偶,因此在截面处必存在一个内力偶M与之平衡,该内力偶称为弯矩弯矩。建立平衡方程：F=0,得FRA-FQ=0,FQ=FRA;M=0,得M=FRA x;由此可以看出：弯曲时，梁的横截面上产生两种内力：一个是剪力，一个是弯矩一个是剪力，一个是弯矩。材料力学基础课件29第2章材料力学基础 5 直梁弯曲直梁弯曲5.2梁的内力梁的内力剪力和弯矩剪力和弯矩 弯矩符号的弯矩符号的规定：定：如下图所示，梁弯曲成凹面向上时，横截面上的弯矩为正；弯曲成凸面向下时，弯矩为负。5.3 弯矩弯矩图一般情况下，在梁的不同截面向上，弯矩是不相同的，并随着横截面位置的不同而改变，若以横坐标X表示横截面在梁轴线上的位置，纵坐标Y表示横截面上对应弯矩M，则弯矩可表示为M=M（X），此式称为弯矩方程。把M沿着X轴的变化情况用图线在坐标内表示出来，所得的图称为弯矩图。材料力学基础课件30第2章材料力学基础 5 直梁弯曲直梁弯曲5.3 弯矩弯矩图【例9】齿轮轴作用于轮上的径向力F通过轮毂传给轴，可简化为如右下图所示的简支梁AB，在C上受集中力F作用，试作出梁AB的弯矩图。5.4 弯曲正弯曲正应力力1.纯弯曲弯曲:只有弯曲作用而没有剪力作用的梁，称为纯弯曲梁。正正应力力的分布的分布规律律:为横截面上各点正应力的大小，与该点到中性轴的距离成正比。如右图所示，在中性轴处正应力为零，离中性轴最远的截面上，下边正应力最大。正应力沿截面高度按直线规律分布。材料力学基础课件31第2章材料力学基础5 直梁弯曲直梁弯曲常常见截面的截面的I、W计算公式算公式5.4 弯曲正弯曲正应力力3.最大正最大正应力的力的计算公式算公式:max=Mmax ymax/Iz 4.常常见截面的截面的I、W 计算公式算公式见右表。右表。材料力学基础课件32第2章材料力学基础5 直梁弯曲直梁弯曲5.5 梁的梁的强度度计算算梁的梁的强度条件公式度条件公式:max=Mmax/Wz 根据梁的根据梁的强度条件公式可以解决弯曲度条件公式可以解决弯曲强度极核，度极核，选择截面尺寸和确定截面尺寸和确定许可可载荷荷这三大三大类强度度计算算问题。【例例10】如下如下图所示，已知所示，已知压板板长3a=180mm,压板材料的弯曲板材料的弯曲许用用应力力=140MPa，设对2件的件的压紧力力Q=4kN，试校核校核压板的板的强度。度。材料力学基础课件33第2章材料力学基础5 直梁弯曲直梁弯曲5.6 提高抗弯能力的方法提高抗弯能力的方法 根据梁的根据梁的强度条件公式度条件公式:max=Mmax/Wz 可知，要提高梁的抗弯能力主要有下列措施：可知，要提高梁的抗弯能力主要有下列措施：1.选择合理的截面形状，提高抗弯截面系数合理的截面形状，提高抗弯截面系数Wz 样大小的截面积，做成槽形和I字形比和矩形抗弯能力强。合理合理布置布置载荷，降低最大弯矩荷，降低最大弯矩Mmax 在条件许可的情况下，将集中载荷变为均布载荷，或集中载荷靠近支座及适当调整梁的支座位 置都可以达到降低最大弯矩的目的。置都可以达到降低最大弯矩的目的。3.采用采用变截面梁，以截面梁，以节省材料省材料 按各截面的弯矩来设计梁的截面尺寸，而梁的截面尺寸沿梁长度是变化的。这种梁为变截面梁。如汽上的钢板弹簧、阶梯轴都是变截面梁的实例。材料力学基础课件34