第4章--杆件的应力与强度计算分解课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,4,章 杆件的应力,与,强度计算,4,1,应力的概念,4,2,轴向拉压杆的应力,与,强度,条件,*,4,3,剪切与挤压的概念,*,4,4,圆轴扭转时的应力与强度计算,4,5,梁的应力与强度计算,4,6,组合变形杆的应力与强度计算,1,第4章 杆件的应力与强度计算 41,4,1 应力的概念,应力是反映截面上各点处分布内力的集度，,一、应力的概念,如图,B,点处的应力为：,将应力分解为垂直于截面和相切于截面的两个分量。垂直于截面的应力分量称为正应力，用,表示，与截面相切的应力分量称为剪应力，用 表示。,2,4,应力的符号规定,：正应力以拉为正，压为负。当,切,应力使 隔离体有绕隔离体内一点顺时针转动趋势时，该,切,应力为正；反之为负。,量纲,：,力/长度,2,N/,m,2,Pa,通常用,MPa,N/,mm,2, 10,6,Pa,有些材料,GPa,k,N/,mm,2,10,9,Pa,3,应力的符号规定：正应力以拉为正，压为负。当切应力使,4,2轴向拉压杆,的,应,力与,强度,条件,一、横截面上的应力,求应力，先要找到应力在横截面上的分布情况。,应力是内力的集度，而内力与变形有关，所以可以由观察杆件变形来确定应力在截面上的分布规律。,观察到如下现象：,1）横向线缩短，但仍保持为直线，且仍互相平行并垂直于杆轴线。,2）纵向线仍保持与杆轴线平行,，且各纵向线伸长,。,4,42轴向拉压杆的应力与强度条件一、横截面上的应力,平面假设,：,变形前为平面的横截面，变形后仍保持为平面，且垂直于杆轴线。,设想杆件由无数根平行于轴线的纵向纤维组成,结论,：轴力垂直于横截面，所以应力也垂直于横截面，所以横截面上只有正应力。,轴向拉伸时，杆件横截面上各点处只产生正应力，且大小相等,5,平面假设：设想杆件由无数根平行于轴线的纵向纤维组成结论：轴力,平面假设,各纤维伸长相同,各点内力相等,应力在横截面上均匀分布,正应力的计算公式为：,正应力的正负号与轴力,F,N,相同，拉为正，压为负,。,式中：F,N,-,轴力；A-杆件的横截面面积,6,平面假设各纤维伸长相同各点内力相等应力在横截面上均匀分布正应,例,图所示为一民用建筑砖柱,，,上段截面尺寸为,240,240mm,，,承受荷载F,P1,50kN；,下段,370370mm，,承受荷载F,P2,100kN。,试求各段轴力和应力,，并绘制轴力图,。,解：1),求轴力,2),求应力,7,例 图所示为一民用建筑砖柱，上段截面尺寸为240240m,F,k,k,F,二、,轴向拉压杆,斜截面上的应力,1. 斜截面上的应力,F,k,k,F,p,以,p,表示斜截面,k - k,上的,应力，于是有,8,FkkF二、 轴向拉压杆斜截面上的应力1. 斜截面上,沿截面法线方向的正应力,沿截面切线方向的,切,应力,将应力,p,分解为两个分量：,p,F,k,k,F,F,k,k,x,n,p,9,沿截面法线方向的正应力 沿截面切线方向的切应力 将,（1）角,2.符号的规定,（2）正应力,拉伸为正,压缩为负,（3）切应力 对研究对象任一点取矩,p,F,k,k,F,F,k,k,x,n,p,顺时针为正,逆时针为负,逆时针时,为正号,顺时针时,为负号,自,x,转向,n,10,（1）角2.符号的规定（2）正应力拉伸为正压缩为负（3）切,（1）当,= 0,时,，,（2）当,= 45,时，,（3）当,= -45,时，,（4）当,= 90时，,讨 论,x,n,F,k,k,11,（1）当 = 0 时，（2）当 = 45时， （4,F,F,b,h,1,、纵向变形,b,1,l,l,1,纵向应变,（线应变）,纵向,绝对,变形,三、轴向拉压时的变形,12,FFbh1、纵向变形 b1ll1 纵向应变（线应变） 纵向绝,2,、,横向变形,3,、泊松比,称为,泊松比,横向应变,F,F,b,h,b,1,l,l,1,横向变形,13,2、横向变形3、泊松比 称为泊松比 横向应变FFbhb1,4,、胡克定律,式中,E,称为,弹性模量,（由实验测定）,，,EA,称为抗拉（压）,刚度,。,实验表明工程上大多数材料都有一个弹性阶段，在此弹性范围内，正应力与线应变成正比.,上式改写为,由,14,4、胡克定律 式中 E 称为弹性模量 （由实验测,四、,材料的力学性,能,为了解决构件的强度和变形问题，必须了解材料的一些力学性质，而这些力学性质都要通过材料实验来测定。工程材料的种类虽然很多，但依据其破坏时产生变形的情况可以分为,脆性材料,和,塑性材料,两大类。脆性材料在拉断时的塑性变形很小，如铸铁、混凝土和石料等，而塑性材料在拉断时能产生较大的变形，如低碳钢等。这两类材料的力学性质具有明显不同的特点，通常以低碳钢和铸铁作为代表进行讨论。,试验条件及试验仪器：,1、试验条件：常温(20)；静载（及其缓慢地加载）；标准试件,。,2、试验仪器：万能材料试验机；变形仪（常用引伸仪）。,15,四、材料的力学性能为了解决构件的强度和变形问题，必须了解材料,16,16,一、拉伸时材料的力学性质,1应力-应变曲线,讨论低碳钢,（,Q,235钢）,试件的拉伸图如图,a,),为了消除试件的横截面尺寸和长度的影响,，,将拉伸图改为,- ,曲线，下面根据,- ,曲线来介绍低碳钢拉伸时的力学性质。,低碳钢拉伸试件从加载开始到最后破坏的整个过程，大致可以分为四个阶段：,1）弹性阶段（,Ob,段,）,b,点所对应的应力称为材料的弹性极限（,）,a,点所对应的应力叫做比例极限（ ）,17,一、拉伸时材料的力学性质1应力-应变曲线讨论低碳钢（Q23,2,）屈服阶段,（cd,段,）,当应力超过弹性极限之后，应变增加很快，而应力保持在一个微小的范围内波动，这种现象称为材料的屈服，在曲线上表现为一段近于水平的线段。,c,点所对应的应力称为屈服极限，用,s,来表示。,3）强化阶段,（,de,段,）,材料经过屈服阶段后，其内部的组织结构有了调整，使其又增加了抵抗变形的能力，在曲线上表现为应力随着应变的增加，这种现象称为材料的硬化。最高点,e,所对应的应力称为材料的强度极限，用,b,来表示。,4）颈缩阶段,（,ef,段）,应力超过,b,之后，试件开始出现非均匀变形，可以看到在试件的某一截面开始明显的局部收缩，即形成颈缩现象（如图）。曲线开始下降，最后至,f,点，试件被拉断。,18,2）屈服阶段（cd段） 当应力超过弹性极限之后，应变,2.,脆性材料的力学性能,脆性材料自加载至试件被拉断，试件变形很小。只有断裂时的应力值，称为强度极限，用,b,表示,19,2.脆性材料的力学性能脆性材料自加载至试件被拉断，试件变形很,颈缩现象,材料的延伸率和截面收缩率,延伸率,%,截面收缩率,%,工程上常把,5%,的材料称为塑性材料,而把,5%,的材料称为脆性材料,和,是衡量材料塑性性能的两个主要指标，,和,值越大，说明材料的塑性越好,。,20,颈缩现象材料的延伸率和截面收缩率延伸率 % 截面收缩率 %,3,冷作硬化,若使材料应力超过屈服阶段并在进入强化阶段后卸载，则当再度加载时，材料的比例极限和屈服极限都将有所提高，同时，其塑性变形能力却有所降低，这种现象称为材料的冷作硬化。工程中常用冷作硬化的方法来提高钢筋和钢丝的屈服强度，并把它们称为冷拉钢筋和冷拔钢丝。,21,3冷作硬化若使材料应力超过屈服阶段并在进入强化阶段后卸载，,4,、压缩时材料的力学性质,-铸铁压缩强度,极限,；,（4 ,5,）,22,4、压缩时材料的力学性质 -铸铁压缩强度极限；,五,、,轴向拉压杆的,强度,条件,强度条件,：,式中,：,- 称为最大工作应力,-,称为材料的许用应力,-,杆件横截面上的轴力；,A,杆件的危险截面的横截面面积,；,对等直杆来讲，轴力最大的截面就是危险截面；对轴力不变而截面变化的杆，则截面面积最小的截面是危险截面。,23,五、轴向拉压杆的强度条件强度条件：式中：,根据,上述强度条件，可以进行三种类型的强度计算：,1)强度校核,在已知荷载、杆件截面尺寸和材料的容许应力的情况下，验算杆件是否满足强度要求,。,若, ，,则杆件满足强度要求；否则说明杆件的强度不够。,2）截面选择,在已知荷载、材料的容许应力的情况下，由,来确定杆件的最小横截面面积。,3）确定容许荷载,在已知杆件的截面面积和材料容许应力的情况下，由,来求出杆件的最大荷载值。,24,根据上述强度条件，可以进行三种类型的强度计算：1)强度校核,例,：,一直径,d=14mm,的圆杆，许用应力,=170MPa，,受轴向拉力F,P,=2.5kN,作用,，,试校核此杆是否满足强度条件。,解：,满足强度条件。,25,例：一直径d=14mm的圆杆，许用应力=170MPa，,六、应力集中的概念,常见的油孔、沟槽等均有构件尺寸突变，突变处将产生应力集中现象。即,称为理论应力集中因数,1,、形状尺寸的影响：,尺寸变化越急剧、角越尖、孔越小，应力集中的程度越严重。,2,、材料的影响：,应力集中对塑性材料的影响不大；,应力集中对脆性材料的影响严重，应特别注意。,目 录,26,六、应力集中的概念 常见的油孔、沟槽等均有构件尺寸突变,4,-,5,梁的应力与强度计算,梁在垂直于杆轴线的外荷载作用下，在横截面上一般要产生两种内力：,弯矩和剪力,，从而，在横截面上将存在两种应力：,正应力和,切,应力,。,一、梁的正应力与强度计算,为了使研究问题简单，下面以矩形截面梁为例，先研究纯弯梁横截面上的正应力。,纯弯梁,：,是指受力弯曲后，横截面上只有弯矩而没有剪力的梁，如图所示,AB,梁的,CD,段,。,27,4-5 梁的应力与强度计算 梁在垂直于杆轴线的外荷载作,1.梁的弯曲变形现象及应力计算假设,观察到以下变形现象:,1）变形前互相平行的纵向线在变形后都变成了弧线且靠上部的纵向线缩短了，靠下部的纵向线伸长了。,2）变形前垂直于纵向线的横向线 ，变形后仍为直线，且它们相对转动了一个角度后仍与弯曲了的纵向线正交。,28,1.梁的弯曲变形现象及应力计算假设观察到以下变形现象:1）变,根据上述现象，作如下假设：,梁变形前的截面在变形后仍为一平面，只是绕截面内的某一轴旋转了一个角度，并且依然与弯曲后的杆件轴线垂直。,梁在纯弯曲时的,平面假设,：,单向受力假设,：,假设各纵向纤维之间互不挤压。于是各纵向纤维均处于单向受拉或受压的状态。,29,根据上述现象，作如下假设：梁变形前的截面在变形后仍为一平面，,中性轴将横截面分为受压和受拉两个区域。,推论,：,梁在弯曲变形时，上面部分纵向纤维缩短，下面部分纵向纤维伸长，必有一层纵向纤维既不伸长也不缩短,保持原来的长度，这一纵向纤维层称为,中性层,。 中性层与横截面的交线称为,中性轴,。（见下图）,30,中性轴将横截面分为受压和受拉两个区域。 推论：,2.梁的正应力计算公式,式中,M,截面的弯矩,；,I,z,截面对中性轴的惯性矩,；,y,欲求应力的点到中性轴的距离,。,正应力与,M,和,y,成正比，,与,I,z,成反比。正应力沿截面高度呈直线分布，如图所示，距中性轴愈远就愈大，在中性轴上正应力等于零。,31,2.梁的正应力计算公式 式中 M截面的弯矩；,I,z,截面对中性轴的惯性矩,;,矩形截面的惯性矩：,32,Iz截面对中性轴的惯性矩;矩形截面的惯性矩：32,1)对于梁的,某一横截面,来说，最大正应力发生在,距中性轴最远,的地方，其值为：,2)对于,等截面梁,，最大正应力发生在,弯矩最大的截面,上，其值为：,W,z,抗弯截面系数，,W,z,与梁的截面形状有关，,W,z,愈大,，,梁中的正应力愈小。,矩形截面,:,33,1)对于梁的某一横截面来说，最大正应力发生在距中性轴最远的地,二、矩形截面梁的,切,应力计算及,切,应力强度条件,1矩形截面梁的,切,应力计算公式,假设：,1）截面上各点,切,应力的方向都平行于截面上剪力的方向。,2）,切,应力沿截面宽度均匀分布，即距中性轴等距离各点处的,切,应力相等。,梁上任一截面中,cc,线上的,切,应力计算公式为：,34,二、矩形截面梁的切应力计算及切应力强度条件1矩形截面梁的切,式中,： F,s,为截面的剪力；,S,z,为面积,A,*,对中性轴的,静,矩；,A,*,是过欲求应力点的水平线与截面边缘间的面 积；,b,为截面的宽度；,I,z,为截面对中性轴的惯性矩。,剪力和面积矩均为代数量，在计算,切,应力时，可用绝对值代入，,切,应力的方向可由,剪,力的方向来确定，即,与F,s,方向一致。进一步的分析表明，矩形截面梁中的,切,应力沿截面高度按二次抛物线规律分布，在截面上下边缘处，,切,应力为零，在中性轴处，,切,应力最大，为截面平均,切,应力的,1.5,倍。,35,式中 ： Fs为截面的剪力； 剪力和面积矩均为代数量,36,36,3.强度条件,1）当梁材料的抗拉和抗压的能力相同时，其正应力强度条件：,2）,当梁材料的抗拉抗压能力不同时，应分别对拉应力和压应力建立强度条件：,37,3.强度条件 1）当梁材料的抗拉和抗压的能力相同时，其正,4,梁的,切,应力强度条件,在进行梁的强度计算时，必须同时满足正应力和,切,应力强度条件，但在一般情况下，梁的强度计算大多是由正应力强度条件控制的。因此，在选择截面时，一般都是先按正应力强度条件来计算，然后再用,切,应力强度条件进行校核。,38,4梁的切应力强度条件 在进行梁的强度计算时，必须同时满足正,三、梁弯曲时强度计算,根据强度条件，可解决下列工程中常见的三类问题：,已知外力、截面形状尺寸、许用应力，校核梁的强度；,已知外力、截面形状、许用应力，设计梁的截面尺寸；,已知截面形状尺寸、许用应力，求许可载荷。,39,三、梁弯曲时强度计算39,例：,两矩形截面梁，尺寸和材料的许用应力均相等，但放置如图,(a)、(b)。,按弯曲正应力强度条件确定两者许可载荷之比,F,P1,F,P2,？,40,例：两矩形截面梁，尺寸和材料的许用应力均相等，但放置如图(,解,：,41,解：41,四、提高梁弯曲强度的主要措施,：,合理布置梁的支座和荷载,；,采用合理的截面,；,采用变截面梁,。,42,四、提高梁弯曲强度的主要措施：42,4,-,6,组合变形,杆的应力与,强度计算,在实际工程结构中，杆件的受力情况是比较复杂的，往往不是发生单一的基本变形，而是同时发生两种或两种以上的基本变形，这类变形称为,组合变形,。,本节将介绍组合变形下杆件的应力和强度的计算方法，主要介绍,偏心弯曲,和,斜弯曲,情形,。,偏心弯曲,斜弯曲,43,4-6 组合变形杆的应力与强度计算 在实际工程结构中，,一、斜弯曲,1.正应力的计算,梁发生斜弯曲时，梁上将同时存在有正应力和剪应力。由于剪应力一般都很小通常多不考虑。下面介绍梁斜弯曲时正应力的计算方法。,如图所示为一斜弯曲梁,，在,F,P,作用下,，k,点处的正应力为：,应力的正负号可采用直观法来断定。首先根据,F,P,y,和,F,Pz,单独作用下判断出,和,的正负号，然后就可判断出的正负号,。,44,一、斜弯曲1.正应力的计算 梁发生斜弯曲时，梁上将同,2.正应力强度条件,若材料的抗拉抗压强度相等，梁斜弯曲时的强度条件为:,根据这一强度条件，同样可以进行强度校核、截面设计和确定许可荷载。在运用上式进行截面设计时，由于存在,W,z,和,W,y,两个未知量,可以先假设一个,W,z,/,W,y,之值,对于矩形截面,：,W,z,/,W,y,=,h,/,b,（,一般取,1.22）,工字形截面,：,W,z,/,W,y,=810,槽钢截面,：,W,z,/,W,y,=68,45,2.正应力强度条件若材料的抗拉抗压强度相等，梁斜弯曲时的强度,例,跨长为,3m,的矩形截面木檩条，受集度为,q,=800N/m,的均布荷载的作用,，,檩条材料的容许应力, =12MPa，,试按正应力强度条件选择此檩条的截面尺寸，见下图,解：1）,先将,q,分解为沿对称轴,y,和,z,的两个分量：,46,例 跨长为3m的矩形截面木檩条，受集度为q=800N/m的,再分别求出,q,y,和,q,z,产生的最大弯矩，它们位于檩条的跨中截面上，此两个弯矩的值为：,2）,根据强度条件,，,先假设截面的高宽比,W,y,/,W,z,=,h,/,b,=1.5,由,得,b,=6.7910,-2,m,h,=1.5,b,=0.102m,故选用,70mm100mm,的矩形截面。,47,再分别求出qy 和qz 产生的最大弯矩，它们位于檩条的跨中截,二、拉伸（压缩）与弯曲,当杆件上同时作用有横向力和轴向力时，横向力将使杆件弯曲，轴向力将使杆件发生伸长或缩短，因而杆件的变形为,拉伸（压缩）与弯曲的组合变形,1.正应力的计算,在,F,N,、,F,P,共同作用下横截面上任一点的正应力为：,的正负可根据,F,N,来判定,，,的正负可根据梁的弯曲变形来判定。,48,二、拉伸（压缩）与弯曲 当杆件上同时作用有横向力和轴向,2.正应力强度条件,三、偏心拉伸（压缩）,如图一偏心受拉杆件，平行于杆件轴线的拉（压）力,F,P,的作用点不在截面的形心主轴上，而是位于到,z,、,y,轴的距离分别为,e,y,和,e,x,的任一点处，这类偏拉伸（压缩）称为双向偏心拉伸（压缩）。,49,2.正应力强度条件三、偏心拉伸（压缩）如图一偏心受拉杆件，平,例,如,图所示的偏心受压杆,，已知,h,=300mm，,b,=200mm，F,P,=42kN,偏心距,e,y,=100mm，,e,z,=80mm,试求,AA,截面上的,A、B、C,和,D,点的正应力。,解：,首先将力,F,P,平移到截面的形心处,50,例如 图所示的偏心受压杆，已知h=300mm，b=200mm,A点：,B点：,51,A点： B点： 51,C点：,D点：,52,C点： D点： 52,本章小结,一、轴向拉压杆的应力,1.正应力计算公式,2.正应力强度条件,二、平面弯曲梁的正应力,1.正应力计算公式,2.正应力强度条件,53,本章小结一、轴向拉压杆的应力1.正应力计算公式2.正应力强度,三,、平面弯曲梁的,切,应力,1.,切,应力计算公式,2.正应力强度条件,54,三、平面弯曲梁的切应力1.切应力计算公式2.正应力强度条件,