材料力学第三章-剪切与扭转.ppt

剪切与扭转 键连结和铆钉连接件应力计算 本单元主要讨论 2 1剪切 1 剪切变形的特点 1 外力特点 大小相等 方向相反 作用线平行且距离很近 2 变形特点 两外力作用线之间的横截面发生相互错动 我们将错位横截面称为剪切面 2 受剪切构件的主要类型 一 铆钉类 铆钉连接 螺栓连接 P P 螺栓受力情况 受剪切面为两组力分界面 内力外力要平衡 二 键类 单键连接 花键连接 单键连接的受力分析 d M F 2 2剪切的实用计算 P P 1 剪切变形的内力计算 剪切面 F 将螺栓从剪切面截开 由力的平衡 有 F为剪切内力 即剪应力在剪切面上的合力 我们称之为剪力 P 2 剪应力及剪切强度计算 由于变形区域较小 应力计算采用假定计算法 假设 假设剪力在剪切面上呈均匀分布 许用剪应力 上式称为剪切强度条件 其中 F为剪切力 剪切面上内力的合力 A为剪切面面积 受剪切螺栓剪切面面积的计算 d 受剪切单键剪切面面积计算 取单键下半部分进行分析 外力 剪切面 合力 剪切力 假设单键长 宽 高分别为l b h l b h 则受剪切单键剪切面面积 设合外力为P 剪切力为Q 则剪应力为 螺栓和单键剪应力及强度计算 螺栓 单键 单剪切与双剪切 P 单剪切 双剪切杆件在外力作用下出现两个剪切面 杆件在外力作用下只有一个剪切面 P 中间段 P 2 P 2 P P 2 P 2 左右两段 P 2 P 2 剪切力为P 剪切面面积2倍 剪切力为P 2 剪切面面积单倍 结论 无论用中间段还是左右段分析 结果是一样的 P 例2 1图示拉杆 用四个直径相同的铆钉连接 校核铆钉和拉杆的剪切强度 假设拉杆与铆钉的材料相同 已知P 80KN b 80mm t 10mm d 16mm 100MPa 160MPa P P 构件受力和变形分析 假设下板具有足够的强度不予考虑 上杆 蓝杆 受拉 最大拉力为P位置在右边第一个铆钉处 拉杆危险截面 拉杆强度计算 b t d 铆钉受剪切 工程上认为各个铆钉平均受力 剪切力为 P 4 铆钉强度计算 2 2挤压及其实用计算 1 挤压的概念 两构件相互接触 且在接触面上有较大力传递时 在两接触面上所发生的局部相互压紧现象 挤压破坏的特点 在构件相互接触的表面 因承受了较大的压力 在接触处的局部区域发生显著的塑性变形或挤碎 作用于接触面的压力称为挤压力 挤压面为上半个圆周面 挤压面为下半个圆周面 铆钉或螺栓连接 挤压力的作用面称为挤压面 键连接 上半部分挤压面 下半部分挤压面 2 挤压应力及强度计算 在挤压面上 单位面积上所具有的挤压力称为挤压应力 假定计算法 假设一 假设挤压力在计算挤压面上呈均匀分布 假设二 计算挤压面为挤压面的正投影面 挤压力 计算挤压面的面积 许用挤压应力 关于挤压面面积的确定 键连接 l h b 铆钉或螺栓连接 挤压力分布 h d 剪切与挤压的主要区别 剪切面与外力平行 挤压面与外力垂直 剪切应力为剪应力 挤压应力为正应力 剪切面计算 铆钉与螺栓 键 挤压面计算 第三章 扭转 扭转变形的特点 外力偶矩的计算 扭矩的计算 扭转剪应力的计算 本单元主要内容 3 1扭转变形的特点 2 变形特点 纵向线发生倾斜 相邻横截面发生相对错动 横截面仍为平面 只是绕轴线发生转动 杆件受到一对力偶矩的大小相等 旋向相反 作用平面与杆轴线垂直的力偶作用 1 外力特点 3 2外力偶矩的计算 1分钟输入功 1分钟m作功 单位 3 3圆轴扭转时的内力及内力图 1 圆轴扭转时的内力 扭矩 以扭转变形为主的杆 轴 扭转时的内力称为扭矩 2 扭矩利用截面法 并建立平衡方程得到 3 扭矩正负号的规定 确定扭矩方向的右手法则 4个手指沿扭矩转动的方向 大拇指即为扭矩的方向 扭矩正负号 离开截面为正 指向截面为负 外力偶矩正负号的规定 和所有外力的规定一样 与坐标轴同向为正 反向为负 指向截面 离开截面 例3 1传动轴如图所示 转速n 500转 分钟 主动轮B输入功率NB 10KW A C为从动轮 输出功率分别为NA 4KW NC 6KW 试计算该轴的扭矩 A B C 先计算外力偶矩 计算扭矩 AB段 mA Mn1设为正的 Mn1 BC段 Mn2设为正的 mc Mn2 4 扭矩图 扭矩沿轴线各截面的分布情况用图形表示 计算外力偶矩 作扭矩图 Tnmax 955N m 例3 2已知A轮输入功率为65kW B C D轮输出功率分别为15 30 20kW 轴的转速为300r min 画出该轴扭矩图 3 4薄壁圆筒的扭转 1 薄壁圆筒扭转时的应力 观察一个实验 将一薄壁圆筒表面用纵向平行线和圆周线划分 两端施以大小相等方向相反一对力偶矩 观察到 圆周线大小形状不变 各圆周线间距离不变 纵向平行线仍然保持为直线且相互平行 只是倾斜了一个角度 结论 横截面上没有正应力 只有剪应力 由于壁很薄 可以假设剪应力沿壁厚均匀分布 包括横截面取出一个单元体 各个截面上只有剪应力没有正应力的情况称为纯剪切 将 d 图投影到铅垂坐标平面 得到一个平面单元 2 剪应力互等定理 两互相垂直截面上在其相交处的剪应力成对存在 且数值相等 符号相反 这称为剪应力互等定理 由静力平衡条件的合力矩方程可以得到 在剪应力的作用下 单元体的直角将发生微小的改变 这个改变量 称为剪应变 3 剪切虎克定律 当剪应力不超过材料的剪切比例极限时 剪应力与剪应变之间成正比关系 这个关系称为剪切虎克定律 剪切弹性模量 3 5扭转剪应力的计算 扭转强度条件 1 扭转剪应力在横截面上的分布规律 在圆周中取出一个楔形体放大后见图 b 1 几何关系 2 物理关系 3 静力学关系 是一个只决定于横截面的形状和大小的几何量 称为横截面对形心的极惯性矩 令 扭转角 横截面上某点的剪应力的方向与扭矩方向相同 并垂直于该点与圆心的连线剪应力的大小与其和圆心的距离成正比 注意 如果横截面是空心圆 剪应力分布规律一样适用 但是 空心部分没有应力存在 2 扭转剪应力的计算 圆截面上任意一点剪应力 T 极惯性矩 圆截面上最大剪应力 剪应力具有最大值 定义 称之为抗扭截面模量 3 抗扭截面模量 实心圆截面 4 扭转轴内最大剪应力 对于等截面轴 轴内最大剪应力发生在扭矩最大的截面的圆周上 5 扭转强度条件 空心圆截面 6 强度条件的应用 1 校核强度 2 设计截面 3 确定载荷 举例 例3 3已知A轮输入功率为65kW B C D轮输出功率分别为15 30 20kW 轴的转速为300r min 试设计该轴直径d 选 d 50mm Tnmax 955N m 例3 4某牌号汽车主传动轴 传递最大扭矩T 1930N m 传动轴用外径D 89mm 壁厚 2 5mm的钢管做成 材料为20号钢 70MPa 校核此轴的强度 1 计算抗扭截面模量 cm3 2 强度校核 满足强度要求 3 6扭转变形 扭转刚度条件 1 扭转变形 扭转角 抗扭刚度 为了描述扭转变形的变形程度 引入单位长度扭转角的概念 物理意义 相距单位长度的两横截面在扭转变形过程中相对错动的角度 单位 或 2 扭转刚度条件 以每米弧度为单位时 以每米度为单位时 许用单位长度扭转角 例3 45吨单梁吊车 NK 3 7kW n 32 6r min 试选择传动轴CD的直径 并校核其扭转刚度 轴用45号钢 40MPa G 80 103MPa 1 m 1 计算扭矩 轴CD各截面上的扭矩等于车轮所受的外力偶矩T轮 则 N m 马达的功率通过传动轴传递给两个车轮 故每个车轮所消耗的功率为 2 计算轴的直径 选取轴的直径d 4 5cm 3 校核轴的刚度 例3 5一传动轴 已知d 4 5cm n 300r min 主动轮输入功率NA 36 7kW 从动轮B C D输出的功率NB 14 7kw NC ND 11kW 轴的材料为45号钢 G 80 103MPa 40MPa 2 m 试校核轴的强度和刚度 1 计算外力偶矩 2 画扭矩图 求最大扭矩用截面法求得AB AC CD各段的扭矩分别为 3 强度校核 满足强度条件 4 刚度校核 故满足刚度条件