《工程力学》组合变形.ppt

组合变形 8 1组合变形和叠加原理 8 2拉 压 与弯曲的组合 8 4扭转与弯曲组合 1组合变形与叠加原理 基本变形 轴向拉压 扭转 平面弯曲 剪切 构件在外载的作用下 同时发生两种或两种以上基本变形 组合变形 1 研究方法 将复杂变形分解成基本变形 独立计算每一基本变形的各自的内力 应力 应变 位移 构件只发生一种变形 组合变形分析 叠加 形成构件在组合变形下的内力 应力 应变 位移 叠加 组合变形 基本变形 分解 在小变形条件下 组合变形构件的内力 应力 变形等力学响应可以分成几个基本变形单独受力情况下相应力学响应的叠加 2 叠加原理 如果内力 应力 变形等与外力成线性关系 且与各单独受力的加载次序无关 组合变形下杆件应力的计算 将以各种基本变形的应力及叠加法为基础 叠加原理的应用条件 在小变形和线弹性条件下 杆件上各种力的作用彼此独立 互不影响 即杆上同时有几种力作用时 一种力对杆的作用效果 变形或应力 不影响另一种力对杆的作用效果 或影响很小可以忽略 因此组合变形下杆件内的应力 可视为几种基本变形下杆件内应力的叠加 利用基本变形的受力特点判断杆件的变形 1 分析外力法 观察法 2 分解外力 3 外力向轴线上简化 如何判断构件的变形类型 1试分析下图杆件的变形类型 2试分析下图杆件的变形类型 3试分析下图所示杆件各段杆的变形类型 工程实例 2拉 弯组合变形 观察立柱变形 摇臂钻 摇臂钻的变形 简易吊车的立柱受力与变形分析 压弯组合变形 1 拉 压 弯组合变形杆件横截面上的内力 2 基本变形下横截面上的应力 3 组合变形下横截面上的应力 3 拉 压 弯组合变形下的强度计算 拉弯组合变形下的危险点 处于单向应力状态 例1铸铁压力机框架 立柱横截面尺寸如图所示 材料的许用拉应力 t 30MPa 许用压应力 c 160MPa 试按立柱的强度计算许可载荷F 1 分析内力 判定基本变形 拉弯组合变形 且弯曲发生在黑板面内 2 计算横截面的形心位置 面积 形心主惯性矩 形心位置 计算形心主惯性矩 截面面积 3 求内力 4 立柱横截面的应力分布 5 立柱横截面的最大应力 6 强度条件 例 图示一夹具 在夹紧零件时 夹具受到的P 2KN的力作用 已知 外力作用线与夹具竖杆轴线间的距离e 60mm 竖杆横截面的尺寸为b 10mm h 22mm 材料许用应力 170MPa 试校核此夹具竖杆的强度 1 外力P向轴向简化 判定基本变形 拉弯组合 黑板面内弯曲 以z轴为中性轴的平面弯曲 2 求危险面上的内力 轴力 弯矩 3 危险点的判定 竖杆的危险点在横截面的内侧边缘处 立柱满足强度条件 4 计算危险点处的正应力 z 例3矩形截面柱 P1的作用线与杆轴线重合 P2作用在y轴上 已知 P1 P2 80KN b 24cm h 30cm 如要使柱的m m截面只出现压应力 求P2的偏心距e 1 外力向轴线简化 判定基本变形 轴向压力 弯矩 P2 Mz P2e 压弯组合变形 黑板面内发生平面弯曲 轴力产生压应力 弯矩产生的最大拉应力 2 分析横截面上的应力 横截面上不产生拉应力的条件 e 10cm 例4 正方形截面立柱的中间处开一个槽 使截面面积为原来截面面积的一半 求 开槽后立柱的最大压应力是原来不开槽的几倍 立柱为轴向压缩 开槽后 未开槽前 立柱危险截面为偏心压缩 1 在矩形截面杆的中间截面挖去t 2 5mm的槽 P 10KN 杆件的许用应力 160MP 校核杆件的强度 2 直角拐的边长为 60毫米 P 10KN 力P的作用线过AB截面的形心 求杆件内的最大正应力 弯扭组合是机械工程中较常见的情况 3弯扭组合变形 杆件同时受到横截面平面内的外力偶矩和横向力作用时 将产生弯扭组合变形 是扭转和平面弯曲两种基本变形的组合 分析构件的变形 工程实例 绞车轴的弯曲变形 绞车轴的扭转变形 工程实例 工程实例 工程实例 1 外力向轴线简化 判定基本变形 弯扭组合 且为单向弯 2 作内力图 确定危险面 My FD 2 3FL 3危险面上的内力 4 危险面上应力的分布规律 确定危险点 5 提取危险点处原始单元体 6 计算危险点处的主应力 第三强度理论 7 计算危险点处的相当应力 第四强度理论的相当应力 讨论 下列三组公式的适用范围 第一组 第二组 第三组 任何截面 任何变形 任何应力状态 x或 y等于零的任何截面 任何变形的二向应力状态 圆截面 弯扭组合变形 传动轴左端的轮子由电机带动 传入的外力偶矩Me 两轴承中间的齿轮直径D 径向啮合力F1 轴的直径为d 计算危险点处相当应力 扭转 双向弯曲 1 外力向轴线简化 判断基本变形 双向弯曲 扭转 2 铅锤平面内弯曲时内力图 F1ab L 水平平面内弯曲时内力图 F2ab L F2D 2 Me Me 扭矩图 3 画出所有内力图 判定危险面 4 危险面上内力 5 弯矩矢量和 中性轴的位置 矢量方位 6 考察应力分布规律 确定危险点位置 7 危险点处应力 8 提取危险点处原始单元体 9 计算危险点处主应力 第一组相当应力计算公式可用吗 第二组相当应力计算公式可用吗 第三组相当应力计算公式可用吗 第三强度理论 第四强度理论 塑性材料的圆截面轴弯扭组合变形 W为抗弯截面系数 M T为危险面的弯矩和扭矩 例传动轴左端的轮子由电机带动 传入的扭转力偶矩Me 300Nm 两轴承中间的齿轮半径R 200mm 径向啮合力F1 1400N 轴材料许用应力 100MPa 试按第三强度理论设计轴的直径d a 150b 200 1 受力分析 作计算简图 2 作内力图 确定危险面 危险截面E左处 3 由强度条件设计d 危险面上内力 例题2某圆轴受力如图所示 已知圆轴的直径D 100mm 杆长L 1m 材料的许用应力 160MPa 试按第三强度理论进行强度较核 1 外力简化 判基本变形 轴向拉伸 双向弯曲 扭转 2 作内力图 判断危险截面 危险截面 固定端截面 轴力 100KN 拉 弯矩My 5KN m 扭矩 5KN m 合成弯矩 3 危险截面上内力 Mz 10KN m 5 强度分析 该杆件强度足够 4 危险截面上危险点处应力计算 采用哪一组公式计算相当应力 杆类构件的静力学设计的一般过程 受力分析与计算简图 内力分析与内力图确定危险截面 由应力分布规律确定危险点的应力状态 确定主应力 根据危险点的应力状态选用合适的设计准则 小结 1 了解组合变形杆件强度计算的基本方法 2 掌握斜弯曲和拉 压 弯组合变形杆件的应力和强度计算 3 了解平面应力状态应力分析的主要结论 4 掌握圆轴在弯扭组合变形情况下的强度条件和强度计算 选择题 1 若一短柱的压力与轴线平行但并不与轴线重合 则产生的是 变形 A 压缩 B 压缩与平面弯曲的组合 C 斜弯曲 D 挤压 B 2 某滚齿机的传动轴 在通过皮带轮的传动而受力时将产生 变形 A 弯曲 B 扭转 C 弯曲与扭转的组合 C 3 脆性截面的杆件产生压弯组合变形时 其强度计算是 A 只需按杆件的最大压应力进行强度计算 B 只需按杆件的最大拉应力进行强度计算 C 需同时按杆件的最大压应力和最大拉应力进行强度计算 C 习题1 图示矩形截面铸铁柱 对称面内有偏心载荷 若P 500KN 已知铸铁的许用应力 100Mpa 许用拉应力 40Mpa 求此柱允许的最大偏心矩c 取emax 10mm 习题2 矩形截面的木杆 受由拉力P 100KN 已知许用应力 6Mpa 求木杆的切槽允许深度a 取 使 a b无意义 舍去 解 展开简化得 所以 5 等截面构件的直径为D 承受的外载荷为P1 P2 方向与作用点如图 写出第四强度理论的相当应力的表达式 6 图示中的钢制圆轴处于平衡状态 C轮的直径为D1 300毫米 D轮的直径为D2 150毫米 P1 5KN 轴的许用应力为 100MPa 用第三强度理论设计轴的直径 7 等截面实心直角拐的直径为D 100毫米 AB BC 2m 承受的外载荷为P 4KN 位于铅垂面内并与水平线成45度角 构件的许用应力为 100MP 确定AB段危险点的位置 用单元体表示危险点的应力状态 用第四强度理论校核AB段的强度 8 等截面圆杆受力如图 材料的弹性模量为E 200GP 泊松比 0 25 许用应力为 140MP 测得A点沿轴向的线应变为 A 4 25 10 4 B点与轴线成45度角的线应变为 B 3 25 10 4 用第三强度理论校核强度 9 圆柱杆的直径为2R 弯成U型 位于水平面内 尺寸如图 已知材料的屈服极限为 s 屈服安全系数取 用第三强度理论确定系统的许可载荷P 10 传动轴的直径为 40毫米 皮带轮的直径分别为 D1 200毫米 D2 120毫米 皮带的张力为F1 2F2 4KN F3 2F4 轴的许用应力为 100MP 用第三强度理论校核轴的强度 11 AB CD的直径均为 在同一平面内 受力如图所示 指出危险面 并写出强度理论的相当应力的表达式 12 直角拐的直径为 杆长为AB BC L 10 承受的均布载荷为 2 5 KN m 集中力P qL 构件的许用应力为 160MP 设计AB段的直径 13 直径为D的等截面杆件 弹性模量为E 泊松比 在中间截面的顶部测得主应变 1 3 求力P 并计算第三强度理论的相当应力 14 薄壁容器的内径为D 60毫米 壁厚 1 5毫米 承受的内压为 MPa 外力偶M 0 5KN 轴向拉力P 2KN的共同作用 容器的许用应力为 120MP 用第三强度理论校核强度 15 钢制圆轴的直径为D 30毫米 材料的弹性模量为E 200GP 泊松比 0 3 许用应力为 140MP 测得A点沿轴线方向的线应变为 A 3 2 10 4 B点沿轴向的线应变为 0 1 6 10 4 B点与轴线成45度角的线应变为 45 3 6 10 4 求M1 M2 与M 并用第三强度理论校核强度 16 实心杆件受力如图 外载P 力偶M 长度L 许用应力 均为已知 用第三强度理论确定杆件的直径D 17 一钢制圆轴的直径为d 30毫米承受水平面内弯矩MY 铅垂面内弯矩MZ 以及扭矩MX的联合作用 测得图示上a点的轴向线应变为 a 320 10 6 b点处的轴向线应变为 b 160 10 6 点沿与轴线成45度角方向的线应变为 45 360 10 6 弹性模量E 200GPa 泊松比u 0 3 求弯矩MY MZ及扭矩MX 材料的许用应力为 130Mpa 校核轴的强度 18 实心圆轴受弯扭联合作用 已知材料的许用应力为 140Mpa 材料的弹性模量为E 200Gpa 泊松比u 0 25 由试验测得 点处沿轴线方向的线应变为 a 4 25 10 4 杆的表面b处沿与轴线成45度角方