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1、第二篇 材料力學(xué),工程力學(xué),,第7章 軸向拉壓桿件的強(qiáng)度與變形計(jì)算,第二篇 材料力學(xué),工程力學(xué),,? 軸向拉壓桿橫截面上的應(yīng)力,? 軸向拉壓桿斜截面上的應(yīng)力,? 軸向拉壓桿的變形計(jì)算 胡克定律,? 軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,第7章 軸向拉壓桿件的強(qiáng)度與變形計(jì)算,,? 軸向拉壓桿橫截面上的應(yīng)力,第7章 軸向拉壓桿件的強(qiáng)度與變形計(jì)算,,承受軸向載荷的拉(壓)桿在工程中的應(yīng)用非常廣泛。,一些機(jī)器和結(jié)構(gòu)中所用的各種緊
2、固螺栓,在緊固時(shí),要對螺栓施加預(yù)緊力,螺栓承受軸向拉力,將發(fā)生伸長變形。,第7章 軸向拉壓桿件的強(qiáng)度與變形計(jì)算,,承受軸向載荷的拉(壓)桿在工程中的應(yīng)用非常廣泛。,由汽缸、活塞、連桿所組成的機(jī)構(gòu)中,不僅連接汽缸缸體和汽缸蓋的螺栓承受軸向拉力,帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的連桿由于兩端都是鉸鏈約束,因而也是承受軸向載荷的桿件。,第7章 軸向拉壓桿件的強(qiáng)度與變形計(jì)算,,第7章 軸向拉壓桿件的強(qiáng)度與變形計(jì)算,,斜拉橋承受拉力的鋼纜,第7章 軸
3、向拉壓桿件的強(qiáng)度與變形計(jì)算,,第7章 軸向拉壓桿件的強(qiáng)度與變形計(jì)算,,? 7-1軸向拉壓桿橫截面上的應(yīng)力,,? 7-1軸向拉壓桿橫截面上的應(yīng)力,,? 7-1軸向拉壓桿橫截面上的應(yīng)力,,? 7-1軸向拉壓桿橫截面上的應(yīng)力,,? 7-2軸向拉壓桿斜截面上的應(yīng)力,? 7-2 軸向拉壓桿斜截面上的應(yīng)力,,? 7-2軸向拉壓桿斜截面上的應(yīng)力,,? 7-2軸向拉壓桿斜截面上的應(yīng)力,,? 7-3 軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡
4、克定律,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,軸向拉壓的變形分析,A 細(xì)長桿受拉會(huì)變長變細(xì),B 受壓會(huì)變短變粗,C 長短的變化,沿軸線方向, 稱為縱向變形,D 粗細(xì)的變化,與軸線垂直, 稱為橫向變形,,,P,P,,,設(shè)一長度為l、橫截面面積為A的等截面直桿,承受軸向載荷后,其長度變?yōu)閘十?l,其中?l為桿的伸長量。,絕對變形 彈性模量,,,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,,這是描述彈性
5、范圍內(nèi)桿件承受軸向載荷時(shí)力與變形的胡克定律。 其中,F(xiàn)N軸力等于為作用在桿件兩端的載荷;E為桿材料的彈性模量,它與正應(yīng)力具有相同的單位;EA稱為桿件的拉伸(或壓縮)剛度(tensile or compression rigidity );式中“+”號表示伸長變形;“-”號表示縮短變形。,絕對變形 彈性模量,胡克(虎克)定律,,,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,,絕對變形 彈性模量,胡克(虎克)定律
6、,適用條件: 1)FN 必須是作用在一段桿件截面的形心的軸力,(多個(gè)外力,分段計(jì)算軸力與變形) 2)只有桿件在線彈性范圍加載,,,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,,需要指出的是,上述關(guān)于正應(yīng)變的表達(dá)式只適用于桿件各處均勻變形的情形。,相對變形 正應(yīng)變,對于桿件沿長度方向均勻變形的情形,其相對伸長量表示軸向變形的程度,是這種情況下桿件的正應(yīng)變。,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,,,胡克定
7、律,,,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,,橫向變形與泊松比,桿件承受軸向載荷時(shí),除了軸向變形外,在垂直于桿件軸線方向也同時(shí)產(chǎn)生變形,稱為橫向變形。,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,,橫向變形與泊松比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對于同一種材料,若在彈性范圍內(nèi)加載,軸向應(yīng)變?x與橫向應(yīng)變?y 之間存在下列關(guān)系:,?為材料的另一個(gè)常數(shù),稱為泊松比(Poisson ratio)。泊松比為無量綱量。,負(fù)號表示縱向
8、與橫向變形的方向相反,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,幾種常用材料的E和m的約值,最重要的兩個(gè)材料常數(shù),,,,,b. 階梯桿,各段 EA 不同,計(jì)算總變形。,,,總變形:,內(nèi)力:,dx段的變形:,c. 受軸向均勻分布荷載作用的桿。(圖所示懸掛桿在自重作用下,容重為 ),第7章 軸向拉壓桿件的強(qiáng)度與變形計(jì)算,3、軸向拉壓桿的變形計(jì)算,例:,已知等截面直桿橫截面面積A=500mm2,彈性模量 E=200GPa,
9、試計(jì)算桿件總變形量。,,例題2,變截面直桿,ADE段為銅制,EBC段為鋼制;在A、D、B、C等4處承受軸向載荷。已知:ADEB段桿的橫截面面積AAB=10×102 mm2,BC段桿的橫截面面積ABC=5×102 mm2;FP=60 kN;銅的彈性模量Ec=100 GPa,鋼的彈性模量Es=210 GPa;各段桿的長度如圖中所示,單位為mm。,試求: 1.直桿橫截面上的絕對值最大的正應(yīng)力;
10、 2.直桿的總變形量,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,解:1. 作軸力圖 由于直桿上作用有4個(gè)軸向載荷,而且AB段與BC段桿橫截面面積不相等,為了確定直桿橫截面上的最大正應(yīng)力和桿的總變形量,必須首先確定各段桿的橫截面上的軸力。,應(yīng)用截面法,可以確定AD、DEB、BC段桿橫截面上的軸力分別為:,FNAD=-2FP=120 kN; FNDE=FNEB=-FP=60 kN; FNBC=-
11、FP=60 kN。,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,2.計(jì)算直桿橫截面上絕對值最大的正應(yīng)力,橫截面上絕對值最大的正應(yīng)力將發(fā)生在軸力絕對值最大的橫截面,或者橫截面面積最小的橫截面上。本例中,AD段軸力最大;BC段橫截面面積最小。所以,最大正應(yīng)力將發(fā)生在這兩段桿的橫截面上:,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,3.計(jì)算直桿的總變形量,直桿的總變形量等于各段桿變形量的代數(shù)和:,上述計(jì)算中,DE和EB段桿
12、的橫截面面積以及軸力雖然都相同,但由于材料不同,所以需要分段計(jì)算變形量。,? 7-3軸向拉壓桿的變形計(jì)算胡克定律,,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,? 7-4 軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,前面討論桿件軸向拉壓時(shí)截面的應(yīng)力是構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力——工作應(yīng)力。 工作應(yīng)力僅取決于外力和構(gòu)件的幾何尺寸。只要外力和構(gòu)件幾何尺寸相同,不同材料做成的構(gòu)件的工作應(yīng)力是相同的。 對于同樣的工作應(yīng)力,為什麼有
13、的構(gòu)件破壞、有的不破壞?顯然這與材料的性質(zhì)有關(guān)。,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,所謂強(qiáng)度設(shè)計(jì)(strength design)是指將桿件中的最大應(yīng)力限制在允許的范圍內(nèi),以保證桿件正常工作,不僅不發(fā)生強(qiáng)度失效,而且還要具有一定的安全裕度。 對于拉伸與壓縮桿件,也就是桿件中的最大(正常工作)正應(yīng)力滿足:,,,這一表達(dá)式稱為拉伸與壓縮桿件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(criterion for strength design),又稱為強(qiáng)度
14、條件。其中 稱為許用應(yīng)力(allowable stress),與桿件的材料力學(xué)性能以及工程對桿件安全裕度的要求有關(guān)。,許用應(yīng)力,,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,其中 稱為 許用應(yīng)力(allowable stress),與桿件的材料力學(xué)性能以及工程對桿件安全裕度的要求有關(guān),由下式確定,,,式中 為材料的極限應(yīng)力或危險(xiǎn)應(yīng)力(critical stress),由材料的拉伸實(shí)驗(yàn)確定;n為安全因數(shù),對于不同的
15、機(jī)器或結(jié)構(gòu),在相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范中都有不同的規(guī)定。,極限應(yīng)力,安全因數(shù),,,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,原因:,# 實(shí)際與理想不相符,生產(chǎn)過程、工藝不可能完全符合要求,對外部條件估計(jì)不足,數(shù)學(xué)模型經(jīng)過簡化,某些不可預(yù)測的因素,# 構(gòu)件必須適應(yīng)工作條件的變化,要有強(qiáng)度儲備,# 考慮安全因素,,許用應(yīng)力,材料的極限應(yīng)力是指保證正常工作條件下,該材料所能承受的最大應(yīng)力值。,所謂正常工作,一是不發(fā)生過大的塑性變形,二是不斷裂破壞。,極限
16、應(yīng)力,,,強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)是強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或強(qiáng)度條件。 強(qiáng)度條件,,注意: 對于等截面桿,軸力最大的橫截面即為危險(xiǎn)面,軸力最大橫截面上的所有點(diǎn)均為危險(xiǎn)點(diǎn)。,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)是強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或強(qiáng)度條件。據(jù)此,可以解決三類強(qiáng)度問題。,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,? 強(qiáng)度校核 已知桿件的幾何尺寸、受力大小以及許用應(yīng)力,校核桿件或結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否安全
17、,也就是驗(yàn)證設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是否滿足。 如果滿足,則桿件或結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是安全的; 否則,是不安全的。,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,? 尺寸設(shè)計(jì) 已知桿件的受力大小以及許用應(yīng)力,根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,計(jì)算所需要的桿件橫截面面積,進(jìn)而設(shè)計(jì)處出合理的橫截面尺寸。,式中FN和A分別為產(chǎn)生最大正應(yīng)力的橫截面上的軸力和面積。,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,? 確定許可載荷(allowable load
18、) 根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,確定桿件或結(jié)構(gòu)所能承受的最大軸力,進(jìn)而求得所能承受的外加載荷。,式中?FP?為許用載荷。,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,三種類型的強(qiáng)度計(jì)算,一、強(qiáng)度校核,二、截面設(shè)計(jì),三、確定許可載荷,,1. 螺紋內(nèi)徑d=15 mm的螺栓,緊固時(shí)所承受的預(yù)緊力為FP=20 kN。若已知螺栓的許用應(yīng)力?σ? =150 MPa,,試:校核螺栓的強(qiáng)度是否安全。,解:1. 確定螺栓所受軸力,應(yīng)用截面法,很容易求得螺栓所
19、受的軸力即為預(yù)緊力: FN=FP=20 kN,2. 計(jì)算螺栓橫截面上的正應(yīng)力,根據(jù)拉伸與壓縮桿件橫截面上的正應(yīng)力公式,螺栓在預(yù)緊力作用下,橫截面上的正應(yīng)力,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,3 .應(yīng)用強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行確定校核,已知許用應(yīng)力?σ? =150 MPa,而上述計(jì)算結(jié)果表明螺栓橫截面上的實(shí)際應(yīng)力,,所以,螺栓的強(qiáng)度是安全的。,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,?
20、7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,,? 7-4軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算,軸向拉伸(壓縮)強(qiáng)度計(jì)算和剛度計(jì)算小結(jié)(見框圖),1)一定用截面法計(jì)算軸力(內(nèi)力) 切記憑主觀判斷(將外力變?yōu)閮?nèi)力),需要注意的問題,2)注意應(yīng)力,變形公式的使用條件,軸向力必須沿軸線方向,彈性范圍內(nèi)及在l長度內(nèi)的范圍內(nèi)
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