《梁的应力》PPT课件.ppt

基本要求 1 明确纯弯曲和横力弯曲的概念 掌握推导弯曲正应力公式的方法 2 熟练掌握弯曲正应力的计算 强度条件及其应用 3 掌握常用截面梁横截面上最大切应力计算和弯曲切应力强度的校核方法 4 了解提高梁强度的一些主要措施 第六章弯曲应力 6 1纯弯曲时梁的正应力 6 2横力弯曲时梁的正应力及其强度条件梁的合理截面 6 4非对称截面梁的平面弯曲开口薄壁截面的弯曲中心 6 3梁的切应力及其强度条件 6 5梁的极限弯矩 目录 6 1纯弯曲时梁的正应力 请看一个实例 CD段 弯矩为常量 剪力为零 这种弯曲称为纯弯曲 AC DB两段 这种弯曲称为横力弯曲 同时存在弯矩和剪力 因此纯弯曲情况下 横截面上只有正应力 1 变形后 横截面仍保持为平面 但横截面间发生转动 2 同一层 同一高度 的纤维变形相同 即曲率相同 一 实验观察 1 变形后 横截面仍保持为平面 但横截面间发生转动 2 同一层 同一高度 的纤维变形相同 即曲率相同 二 两个假设 1 平面假设 梁的横截面在梁发生弯曲变形后仍保持为平面 只是相邻横截面绕垂直于纵向对称面的轴转了一个小角度 并均和弯曲后的轴线保持正交 2 纵向纤维互不挤压假设 即单向拉压 三 理论分析 1 变形几何关系 中性层 梁中间纤维即不伸长也不缩短的那层 中性轴 中性层与横截面的交线 中性层的曲率半径 依然从以下三方面来分析 变形后 变形前 求距中性层为y处的纤维的变形 即 由实验观察 横截面变形后仍保持为平面 且仍与轴线垂直 0 2 物理关系 由假设 2 知各纵向纤维为单向拉压 所以在弹性范围内有 说明 到这一步 我们可推知正应力s随y的变化规律 但还不能确定其值 该空间力系由平行于x轴的平行力系组成 已经自动满足 另外由分离体的平衡 所以由 1 式 说明中性轴过形心 3 静力学关系 由 2 式 由于y轴是对称轴 此式自然满足 由 3 式 由静力学关系得到 由变形几何关系得到 由物理关系得到 综上分析 可以得到梁纯弯曲时横截面上的弯曲正应力计算公式 为中性层的曲率 几点说明 2 公式适用于比例极限范围内 即 3 当梁的l 5h时 上述公式可以推广到横力弯曲 1 是拉应力还是压应力由梁的变形情况直接判定 4 由公式推导可知 公式不仅适用于矩形截面 而且适用于其它一些截面 如 T字形梁 工字形梁 圆截面梁 等等 同时我们可以给出各种梁的正应力分布情况 5 一些工程实例 大桥做成拱状 赵州桥 最早的石拱桥 水泥预制板 中间做空 下面加筋 钢筋或竹筋 梁式起重机大梁 箱形截面或工字形截面 6 2横力弯曲时的正应力 横力弯曲时 在弯矩最大的横截面上离中性轴最远处 即上下边缘处 产生最大正应力 当l 5h时 由于切应力对横截面上各点的弯曲正应力影响很小 所以对于横力弯曲仍可以沿用纯弯曲正应力公式 Wz称为弯曲截面系数 单位是m3或mm3 对于宽为b高为h的矩形截面 对于直径为d的圆形截面 若梁的横截面对中性轴不对称 例如T形截面 则对同一横截面上的最大拉应力和最大压应力之值不相等 则 直接将y1和y2的绝对值代入 限定最大弯曲正应力不得超过许用应力 于是强度条件为 设 t表示拉应力 c表示压应力 则 塑性材料 t c 所以 工程中 一般对塑性材料选用中性轴同截面对称轴重合的截面形状 对脆性材料 则不将对称轴作中性轴 以充分利用材料的性能 使设计更经济合理 脆性材料 t c 且 t c 弯曲正应力强度条件的应用 1 强度校核 2 梁的截面尺寸设计 3 求许用载荷 解 由对称性 可得 作弯矩图 由强度条件 得 故 选取截面为 由图可得 解 设F的单位为kN B截面 C截面 所以最大压应力必定在B截面的下边缘处 则最大拉应力一定在C截面的下边缘处 由此可得 由此可得 故应取 解 作弯矩图 得 故 查附录型钢表3 由 由图可得 解 作弯矩图 很容易求出 许用应力为 校核强度 截面A下边缘 截面A上边缘 截面C下边缘 故 满足强度要求 由图可得危险截面弯矩 梁的合理截面 主要以此作为设计梁的依据 从以下两方面来考虑 1 合理安排梁的受力情况 以降低Mmax的值 2 采用合理的截面形状 以提高Wz的值 充分利用材料性能 1 合理布置支座的位置 一 合理安排梁的受力情况 x 0 207l的时候 最大弯矩减小了83 a 0 2l的时候 最大弯矩减小了20 2 合理布置载荷的位置 按下方图的方式最大弯矩减小了50 1 由应力分布考虑 经济系数 单位横截面积所产生的抗弯性能 说明 1 矩形梁竖放 而不横放 2 截面面积尽可能地远离中性轴 不用矩形 而选用工字形 槽形 箱形或用加强板 2 由材料的性质看 脆性材料 中性轴靠近受拉边 塑性材料 中性轴是对称轴 3 由结构的要求 梁 矩形 多用空心矩形即箱形 工字形 槽形 轴 圆形 多用空心圆 二 选择合理的截面形状 三 等强度梁 使任一截面的最大正应力都相等或近似相等 或尽可能地充分利用材料 横截面尺寸沿着梁轴线变化的梁称为变截面梁 当梁的各横截面上最大正应力都等于材料的许用应力时 称为等强度梁 6 3梁的切应力及其强度条件 AC DB两段 这种弯曲称为横力弯曲 同时存在弯矩和剪力 第四章是假设横截面上切应力均匀分布 1855年 有人提出了矩形截面梁的切应力计算公式 先对切应力在横截面上的分布规律作出部分假设 然后再由微段的平衡条件来求切应力 截面的形状不同 切应力分布规律假设也不相同 一 梁的切应力 1 横截面上各点处的切应力的方向于截面侧边 竖边 平行 1 矩形截面梁的切应力 由于梁的前后两个侧面均为自由面 则t1 0 只有沿着竖向的t 也就是说侧边上各点t与侧边相切 根据对称性 y轴上各点的t方向与该轴重合 也与侧边相切 2 切应力沿截面宽度均匀分布 即只与y的大小有关 说明 因为横截面关于y轴对称 当h b时 切应力沿横截面宽度变化不至于太大 所以假设 2 合理 带入并整理得到 计算时Sz和FS都以绝对值代入计算 Sz是距中性轴为y的横线以下 或是以上 部分的横截面面积对中性轴的静面矩 FS为横截面上的剪力 Iz为横截面对中性轴的惯性矩 b为横截面的宽度 若FS已知 则有 2 工字形梁的切应力 此部分相当于三个矩形所构成 可近似运用矩形截面梁的切应力公式 但仅有腹板可以直接用 利用和矩形截面相似的推导过程 可以得到翼缘的切应力分布及其计算公式 作图示截面的切应力流图 切应力的指向犹如两股水流从上翼缘开始 流经腹板 在下翼缘再分成两股 通常把切应力的这一特点称为切应力流 二 弯曲切应力强度校核 1 弯曲最大切应力 其中 是中性轴一侧的横截面面积对中性轴的静面矩 2 强度校核 中性轴上的受力状态是纯剪切 故有 细长梁的强度控制因素主要是正应力 满足正应力强度的横截面一般都能满足切应力强度 所以一般先进行正应力强度相关计算 然后再是切应力强度问题 例4由三根木条胶合而成的悬臂梁如图所示 若胶合面上的许用切应力为 t胶 0 34MPa 木材许用正应力为 s 10MPa 许用切应力为 t 1MPa 试求许用载荷F 解 1 首先求出 2 计算截面的几何性质 3 确定许用载荷 正应力强度条件 木板最大切应力条件 胶合缝的切应力强度条件 因为胶合缝是关于中性轴对称的 所以可以只计算一条胶合缝的切应力值 静面矩 例5梁由钢板焊接而成 许用正应力 s 120MPa 许用切应力为 t 60MPa 其中横截面对z轴的惯性矩Iz 39 7 106mm4 试校核其强度 并作C截面右侧切应力分布图 解 1 求支座反力并画内力图 C截面的最大正应力发生在截面的下边缘处 2 强度校核 正应力满足强度要求 最大切应力发生在C截面的中性轴处 可以计算z线以下或是以上部分对z轴的静矩 切应力亦满足强度要求 该梁安全 3 切应力分布图 取a线以右的那一块矩形 取c线以下 左边那一块矩形 例6该梁是由四块木板胶合而成 许用正应力 s 10MPa 顺纹许用切应力 t 1 1MPa 胶合缝许用切应力 t胶 0 35MPa 试求该梁的许用荷载q的值 Iz 1 474 108mm4 解 1 首先可以计算出 其中q的单位 kN m 2 按正应力强度计算q的值 所以 3 再按切应力强度进行校核 中性轴以下半个截面面积对中性轴的静面矩为 横截面在中性轴处宽度b 2 45 90mm 底板的面积对中性轴的静面矩为 底板在胶合缝处的宽度b 2 45 90mm 故胶合缝的切应力为 故该梁的许用荷载集度q 6 14kN m 6 4非对称截面梁的平面弯曲开口薄壁截面的弯曲中心 一 非对称截面梁的平面弯曲 现在讨论没有对称轴 而外力偶作用在形心主惯性平面 横截面的形心主轴与梁的轴线所构成的平面 内 或作用在与形心主惯性平面平行的平面内 的弯曲问题 及 即z1轴仍然为形心轴 将微面积的坐标用形心主坐标表示 得 这说明 即使是非对称截面梁 只要外力偶作用在与形心主惯性平面xy相平行的平面内 中性轴也和形心主轴z轴重合 所以有 即 二 开口薄壁截面的弯曲中心 所以弯曲中心是平面弯曲时横截面上切应力的合力作用点 对于没有对称轴的薄壁截面应这样求弯曲中心 1 确定形心主轴 2 设横向力平行于某一形心主轴 并使梁产生平面