材料力学第四章弯曲应力ppt课件

第四章弯曲应力 4 1对称弯曲的概念及梁的计算简图 4 2梁的剪力和弯矩 剪力图和弯矩图 4 3平面刚架和曲杆的内力图 4 4梁横截面上的正应力 梁的正应力强度条件 4 5梁横截面上的切应力 梁的切应力强度条件 4 6梁的合理设计 4 1对称弯曲的概念及梁的计算简图 关于弯曲的概念 受力特点 杆件在包含其轴线的纵向平面内 承受垂直于轴线的横向外力或外力偶作用 区别于扭转 变形特点 直杆的轴线在变形后变为曲线 梁 以弯曲为主要变形的杆件称为梁 第四章弯曲应力 弯曲变形 第四章弯曲应力 第四章弯曲应力 纵向对称面 对称弯曲 外力作用于梁的纵向对称面内 因而变形后梁的轴线 挠曲线 是在该纵向对称面内的平面曲线 非对称弯曲 梁不具有纵对称面 例如Z形截面梁 因而挠曲线无与它对称的纵向平面 或梁虽有纵对称面但外力并不作用在纵对称面内 从而挠曲线不与梁的纵对称面一致 第四章弯曲应力 梁的计算简图 对于对称弯曲的直梁 在计算简图中通常用梁的轴线来代表梁 第四章弯曲应力 1 支座的三种基本形式 1 固定端 实例如图a 计算简图如图b c 第四章弯曲应力 2 固定铰支座 实例如图中左边的支座 计算简图如图b e 3 可动铰支座 实例如图a中右边的支座 计算简图如图c f 第四章弯曲应力 悬臂梁 2 梁的三种基本形式 简支梁 外伸梁 第四章弯曲应力 在竖直荷载作用下 图a b c所示梁的约束力均可由平面力系的三个独立的平衡方程求出 称为静定梁 3 静定梁和超静定梁 图d e所示梁及其约束力不能单独利用平衡方程确定 称为超静定梁 第四章弯曲应力 4 2梁的剪力和弯矩 剪力图和弯矩图 梁的剪力和弯矩 shearingforceandbendingmoment 图a所示跨度为l的简支梁其约束力为 梁的左段内任一横截面m m上的内力 由m m左边分离体 图b 的平衡条件可知 第四章弯曲应力 截面法 它们的指向和转向如图b中所示 显然这些内力是m m右边的梁段对于左边梁段的作用力和作用力矩 故根据作用与反作用原理 m m左边的梁段对于右边梁段 图c 的作用力和作用力矩数值应与上式所示相同 但指向和转向相反 这一点也可由m m右边分离体的平衡条件加以检验 第四章弯曲应力 从而有 第四章弯曲应力 梁的横截面上位于横截面内的内力FS是与横截面左右两侧的两段梁在与梁轴相垂直方向的错动 剪切 相对应 故称为剪力 梁的横截面上作用在纵向平面内的内力偶矩是与梁的弯曲相对应 故称为弯矩 第四章弯曲应力 为使无论取横截面左边或右边为分离体 求得同一横截面上的剪力和弯矩其正负号相同 剪力和弯矩的正负号要以其所在横截面处梁的微段的变形情况确定 如图 第四章弯曲应力 剪力正负号 dx微段 左端向上右端向下时 为正 反之为负 弯矩正负号 dx微段下凸为正 即下半部纵向受拉 反之为负 综前所述 梁某截面上的剪力和弯矩可直接从横截面任意一侧梁上的外力进行简化 1 横截面上的剪力在数值上等于截面左侧 或右侧 梁段上外力的代数和 左侧梁段上向上的外力 或右侧梁段上向下的外力 将引起正值的剪力 反之 则引起负值的剪力 2 横截面上的弯矩在数值上等于截面左侧 或右侧 梁段上外力对该截面形心的力矩之代数和 第四章弯曲应力 1 不论在左侧梁段上或右侧梁段上 向上的外力均将引起正值的弯矩 而向下的外力则引起负值的弯矩 2 截面左侧梁段上顺时针转向的外力偶引起正值的弯矩 而逆时针转向的外力偶则引起负值的弯矩 截面右侧梁段上的外力偶引起的弯矩其正负与之相反 第四章弯曲应力 剪力方程和弯矩方程 剪力图和弯矩图 剪力方程和弯矩方程实际上是表示梁的横截面上的剪力和弯矩随截面位置变化的函数式 它们分别表示剪力和弯矩随截面位置的变化规律 显示这种变化规律的图形则分别称为剪力图和弯矩图 第四章弯曲应力 剪力方程和弯矩方程 表示沿梁各横截面上剪力和弯矩的变化规律 例题4 1 补充 图a所示悬臂梁受集度为q的满布均布荷载作用 试作梁的剪力图和弯矩图 第四章弯曲应力 a 距右端为x的任意横截面上的剪力FS x 和弯矩M x 根据截面右侧梁段上的荷载有 解 1 列剪力方程和弯矩方程 当求悬臂梁横截面上的内力 剪力和弯矩 时 若取包含自由端截面的一侧梁段来计算 则可不求出约束力 第四章弯曲应力 2 作剪力图和弯矩图 根据剪力方程和弯矩方程作出剪力图和弯矩图分别如图b和图c 按照习惯 剪力图中正值的剪力值绘于x轴上方 弯矩图中正值的弯矩值则绘于x轴的下方 即弯矩值绘于梁弯曲时其受拉的边缘一侧 第四章弯曲应力 b c 抛物线 凹凸 由图可见 此梁横截面上的最大剪力其值为FS max ql 最大弯矩 按绝对值 其值为 负值 它们都发生在固定端右侧横截面上 第四章弯曲应力 b c a 例题4 2图a所示简支梁受集度为q的满布荷载作用 试作梁的剪力图和弯矩图 解 1 求支反力 第四章弯曲应力 a 2 列剪力方程和弯矩方程 第四章弯曲应力 由图可见 此梁横截面上的最大剪力 按绝对值 其值为 正值 负值 发生在两个支座各自的内侧横截面上 最大弯矩其值为 即d M x dx 0时 x l 2 发生在跨中横截面上 3 作剪力图和弯矩图 第四章弯曲应力 简支梁受满布荷载作用是工程上常遇到的计算情况 初学者对于此种情况下的剪力图 弯矩图和FS max Mmax的计算公式应牢记在心 第四章弯曲应力 例题4 3图a所示简支梁受集中荷载F作用 试作梁的剪力图和弯矩图 第四章弯曲应力 解 1 求约束力 2 列剪力方程和弯矩方程 此梁上的集中荷载将梁分隔成AC和CB两段 两段内任意横截面同一侧梁段上的外力显然不同 可见这两段梁的剪力方程和弯矩方程均不相同 因此需分段列出 第四章弯曲应力 F AC段梁 CB段梁 第四章弯曲应力 F 如截面法 保留右侧梁 计算更简便 3 作剪力图和弯矩图 如图b及图c 由图可见 在b a的情况下 AC段梁在0 x a的范围内任一横截面上的剪力值最大 集中荷载作用处 x a 横截面上的弯矩值最大 第四章弯曲应力 b c 4 讨论 由剪力图可见 在梁上的集中力 包括集中荷载和约束力 作用处剪力图有突变 这是由于集中力实际上是将作用在梁上很短长度 x范围内的分布力加以简化所致 若将分布力看作在 x范围内是均匀的 图a 则剪力图在 x范围内是连续变化的斜直线 图b 从而也就可知 要问集中力作用处梁的横截面上的剪力值是没有意义的 第四章弯曲应力 思考 一简支梁受移动荷载F作用 如图所示 试问 荷载F移动到什么位置时此梁横截面上的最大弯矩比荷载在任何其它位置时的最大弯矩都要大 该最大弯矩又是多少 亦即要求求出对于弯矩的最不利荷载位置和绝对值最大弯矩值 第四章弯曲应力 例题4 4图a所示简支梁在C点受矩为Me的集中力偶作用 试作梁的剪力图和弯矩图 第四章弯曲应力 解 1 求约束力 2 列剪力方程和弯矩方程 此简支梁的两支座之间无集中荷载作用 故作用于AC段梁和BC段梁任意横截面同一侧的集中力相同 从而可知两段梁的剪力方程相同 即 第四章弯曲应力 x x 至于两段梁的弯矩方程则不同 AC段梁 CB段梁 第四章弯曲应力 x x 3 作剪力图和弯矩图 第四章弯曲应力 如图可见 两支座之间所有横截面上剪力相同 均为 在b a的情况下 C截面右侧 x a 横截面上的弯矩绝对值最大 为 负值 弯矩图在集中力偶作用处有突变 第四章弯曲应力 剪力图和弯矩图规律 书上P106 1 梁上外力不连续处 即在集中力 集中力偶作用处 分布载荷开始和结束处 梁的弯矩方程和弯矩图应该分段 在集中力偶作用处 剪力方程和剪力图不分段 2 梁上集中力作用处 剪力图有突变 其左右两侧横截面上剪力的代数差 即等于集中力的值 而在弯矩图上相应处形成一个尖角 例题4 3 3 在集中力偶作用处 剪力图无变化 弯矩图有突变 其左右两侧横截面上弯矩的代数差 等于集中力偶 例题4 4 例题4 2所示简支梁受集度为q的满布荷载作用 试作梁的剪力图和弯矩图 第四章弯曲应力 弯矩 剪力与荷载集度之间的关系及其应用 例4 2中 弯矩 剪力与荷载集度之间的关系及其应用 结论 将弯矩函数M x 对x求导数 得到剪力函数Fs x 将剪力函数Fs x 对x求导 得到均布载荷的集度q 弯矩 剪力与荷载集度之间的关系及其应用 M x FS x 与q x 间微分关系的导出 从图a所示简支梁的有分布荷载的区段内 取出长为dx的梁段 如图b所示 这里分布荷载的集度q x 以向上为正值 且略去荷载集度在微量dx范围内的变化 梁的微段其左 右横截面上的剪力和弯矩均为正值 第四章弯曲应力 从而得 由梁的微段的平衡方程 略去二阶无穷小项 即得 第四章弯曲应力 应用这些关系时需要注意 向上的分布荷载集度为正值 反之则为负值 由以上两个微分关系式又可得 第四章弯曲应力 若某截面的剪力FS x 0 根据 该截面的弯矩为极值 常见荷载下FS M图的一些特征 第四章弯曲应力 外力剪力图弯矩图 集中力作用处 集中力偶作用处 第四章弯曲应力 利用以上结论 除可以校核已作出的剪力图和弯矩图是否正确外 还可以利用微分关系绘制剪力图和弯矩图 而不必再建立剪力方程和弯矩方程 其步骤如下 1 求支座约束力 2 分段确定剪力图和弯矩图的形状 3 求控制截面内力 根据微分关系绘剪力图和弯矩图 4 确定 FS max和 M max 第四章弯曲应力 例题4 7一简支梁在其中间部分受集度为q 100kN m的向下的均布荷载作用 如图a所示 试利用弯矩 剪力与分布荷载集度间的微分关系校核图b及图c所示的剪力图和弯矩图 第四章弯曲应力 x a b c 而根据可知 AC段内的剪力图应当是水平直线 该段内梁的横截面上剪力的值显然为 1 校核剪力图 解 此梁的荷载及约束力均与跨中对称 故知约束力FA FB为 第四章弯曲应力 该梁的AC段内无荷载 对于该梁的CD段 分布荷载的集度q为常量 且因荷载系向下而在微分关系中应为负值 即q 100kN m 第四章弯曲应力 根据可知CD段内的剪力图应为向右下方倾斜的斜直线 由于C点处无集中力作用 剪力图在该处无突变 故斜直线左端的纵坐标确为80kN 根据斜直线的斜率为 可证实D截面处的剪力确应为 对于该梁的DB段 梁上无荷载 故剪力图应该是水平直线 且由于D点处无集中力作用 剪力图在该处无突变 故该水平直线的纵坐标确为 80kN 经过校核 支座B偏左横截面上的剪力就是 第四章弯曲应力 2 校核弯矩图 这与图中所示相符 该梁的AC段内 剪力为常量 因而根据常量可知此段梁的弯矩图应为斜率为的正值的斜直线 据此 由支座A处横截面上的弯矩为零可知C截面处的弯矩为 第四章弯曲应力 对于该梁的CD段 根据可知 弯矩图是如图 c 中所示曲率为负 即向下凸 的二次曲线 因为梁上C点处无集中力偶作用 故弯矩图在C截面处应该没有突变 第四章弯曲应力 由于C截面处剪力无突变 故CD段的弯矩图在C处的切线的斜率应该与AC段梁弯矩图在C处的斜率相等 即两段梁的弯矩图在C处应光滑连接 第四章弯曲应力 在剪力为零的跨中截面E处 弯矩图切线的斜率为零 而弯矩有极限值 其值为 同样 根据可知 这些均与图 c 中所示相符 第四章弯曲应力 对于该梁的DB段 由于剪力为负值的常量 故弯矩图应该是斜率为负的斜直线 因为梁上D点处无集中力偶作用 故弯矩图在D截面处不应有突变 再考虑B支座处弯矩为零 即可证实图 c 中此段梁的弯矩图也无误 第四章弯曲应力 已知 图中梁的约束力为 思考 见习题4 5 试指出图 a 和图 b 所示梁各自的剪力图和弯矩图中的错误 正确答案 第四章弯曲应力 a 图中梁的约束力为 正确答案 第四章弯曲应力 b 按叠加原理作弯矩图 简介 第四章弯曲应力 1 在小变形情况下求梁的约束力 剪力和弯矩时 我们都是按梁未变形时的原始尺寸进行计算的 例如对于图a所示悬臂梁 其剪力方程和弯矩方程分别为 第四章弯曲应力 a 这就是说 在小变形情况下 此梁横截面上的剪力和弯矩分别等于集中荷载F和均布荷载q单独作用时 图b和图c 相应内力的代数和叠加 因此该梁的剪力图和弯矩图也就可以利用叠加的方法作出 工程上可查表附录IV 第四章弯曲应力 a 2 叠加原理当所求参数 约束力 内力 应力或位移 与梁上 或结构上 荷载成线性关系时 由几项荷载共同作用所引起的某一参数之值 就等于每项荷载单独作用时所引起的该参数值的叠加 第四章弯曲应力 例题4 10 按叠加原理做图 a 简支梁的弯矩图 查附录IV 剪力图快速画法口诀外伸端 自由端 没有F力作零点 无力梁段水平线 集中力偶同样看 均布荷载对斜线 小q正负定增减 集中力处有突变 左顺右逆画竖线 增多少 降多少 集中横力作参考 剪力图快速画法口诀外伸端 自由端 没有F力作零点 无力梁段水平线 集中力偶同样看 均布荷载对斜线 小q正负定增减 集中力处有突变 左顺右逆画竖线 增多少 降多少 集中横力作参考 剪力图快速画法口诀外伸端 自由端 没有F力作零点 无力梁段水平线 集中力偶同样看 均布荷载对斜线 小q正负定增减 集中力处有突变 左顺右逆画竖线 增多少 降多少 集中横力作参考 第四章弯曲应力 F b c 剪力图快速画法口诀外伸端 自由端 没有F力作零点 无力梁段水平线 集中力偶同样看 均布荷载对斜线 小q正负定增减 集中力处有突变 左顺右逆画竖线 增多少 降多少 集中横力作参考 第四章弯曲应力 剪力图快速画法口诀外伸端 自由端 没有F力作零点 无力梁段水平线 集中力偶同样看 均布荷载对斜线 小q正负定增减 集中力处有突变 左顺右逆画竖线 增多少 降多少 集中横力作参考 第四章弯曲应力 x 剪力图快速画法口诀外伸端 自由端 没有F力作零点 无力梁段水平线 集中力偶同样看 均布荷载对斜线 小q正负定增减 集中力处有突变 左顺右逆画竖线 增多少 降多少 集中横力作参考 第四章弯曲应力 剪力图快速画法口诀外伸端 自由端 没有F力作零点 无力梁段水平线 集中力偶同样看 均布荷载对斜线 小q正负定增减 集中力处有突变 左顺右逆画竖线 增多少 降多少 集中横力作参考 第四章弯曲应力 剪力图快速画法口诀外伸端 自由端 没有F力作零点 无力梁段水平线 集中力偶同样看 均布荷载对斜线 小q正负定增减 集中力处有突变 左顺右逆画竖线 增多少 降多少 集中横力作参考 弯矩图快速画法口诀弯矩图 较复杂 对照剪图来画它 自由端 铰支端 没有力偶作零点 剪图水平弯图斜 剪力正负定增减 天上下雨池水满 向上射出弓上箭 剪图轴线交叉点 弯矩图上极值点 均载边界无横力 光滑吻接无痕迹 集中力处有转折 顺着外力折个尖 集中力偶有突变 反着力偶符号弯 升多少 降多少 集中力偶作参考 4 3平面刚架和曲杆的内力图 平面刚架 平面刚架 由同一平面内不同方向的杆 杆端相互间刚性连接的结构 平面刚架杆件的内力 当荷载作用于刚架所在平面内时 杆件横截面上的内力除剪力和弯矩外 还会有轴力 第四章弯曲应力 作刚架内力图的方法和步骤与梁相同 但因刚架是由不同方向的杆件组成 习惯上按下列约定 弯矩图 画在各杆的受拉一侧 不注明正 负号 剪力图及轴力图 可画在刚架轴线的任一侧 通常正值画在刚架外侧 但须注明正负号 剪力和轴力的正负号仍与前述规定相同 第四章弯曲应力 例题4 11试作图a所示刚架的内力图 即作出组成刚架的各杆的内力图 第四章弯曲应力 a 各杆的内力方程为 解 此刚架的C点为自由端 故求内力时如取包含自由端的那部分分离体作为研究对象 则可不求固定端A处的约束力 第四章弯曲应力 a 绘内力图时 轴力图和剪力图可画在各杆的任一侧 但需注明正负号 图b及图c 弯矩图则画在杆件弯曲时受拉的一侧 图d 第四章弯曲应力 a 平面曲杆 平面曲杆的横截面系指曲杆的法向截面 亦即圆弧形曲杆的径向截面 当荷载作用于曲杆所在平面内时 其横截面上的内力除剪力和弯矩外也会有轴力 第四章弯曲应力 4 4梁横截面上的正应力 梁的正应力强度条件 纯弯曲 梁或梁上的某段内各横截面上无剪力而只有弯矩 横截面上只有与弯矩对应的正应力 第四章弯曲应力 横力弯曲 梁的横截面上既有弯矩又有剪力 相应地 横截面上既有正应力又有切应力 第四章弯曲应力 纯弯曲时梁横截面上的正应力 计算公式的推导 1 几何方面 藉以找出与横截面上正应力相对应的纵向线应变在该横截面范围内的变化规律 表面变形情况在竖直平面内发生纯弯曲的梁 图a 第四章弯曲应力 1 弯曲前画在梁的侧面上相邻横向线mm和nn间的纵向直线段aa和bb 图b 在梁弯曲后成为弧线 图a 靠近梁的顶面的线段aa缩短 而靠近梁的底面的线段bb则伸长 第四章弯曲应力 2 相邻横向线mm和nn 图b 在梁弯曲后仍为直线 图a 只是相对旋转了一个角度 且与弧线aa和bb保持正交 第四章弯曲应力 根据表面变形情况 并设想梁的侧面上的横向线mm和nn是梁的横截面与侧表面的交线 可作出如下推论 假设 平面假设梁在纯弯曲时 其原来的横截面仍保持为平面 只是绕垂直于弯曲平面 纵向平面 的某一轴转动 转动后的横截面与梁弯曲后的轴线保持正交 此假设已为弹性力学的理论分析结果所证实 第四章弯曲应力 横截面的转动使梁凹入一侧的纵向线缩短 凸出一侧的纵向线伸长 从而根据变形的连续性可知 中间必有一层纵向线只弯曲而无长度改变的中性层 图f 而中性层与横截面的交线就是梁弯曲时横截面绕着它转动的轴 中性轴 第四章弯曲应力 f 令中性层的曲率半径为r 如图c 则根据曲率的定义有 纵向线应变在横截面范围内的变化规律图c为由相距dx的两横截面取出的梁段在梁弯曲后的情况 两个原来平行的横截面绕中性轴相对转动了角dq 梁的横截面上距中性轴z为任意距离y处的纵向线应变由图c可知为 第四章弯曲应力 c 即梁在纯弯曲时 其横截面上任一点处的纵向线应变e与该点至中性轴的距离y成正比 第四章弯曲应力 c 弯曲变形 小变形时纯弯曲情况下可假设梁的各纵向线之间无挤压 认为梁内各点均处于单轴应力状态 2 物理方面 藉以由纵向线应变在横截面范围内的变化规律找出横截面上正应力的变化规律 假如梁的材料在线弹性范围内工作 且拉 压弹性模量相同时 如低碳钢 有 这表明 直梁的横截面上的正应力沿垂直于中性轴的方向按直线规律变化 如图 第四章弯曲应力 3 静力学方面 藉以找出确定中性轴位置的条件以及横截面上正应力的计算公式 由于梁上仅有外力偶Me的作用 梁的横截面上与正应力相应的法向内力元素sdA 图d 不可能组成轴力 也不可能组成对于与中性轴垂直的y轴 弯曲平面内的轴 的内力偶矩 只能组成对于中性轴z的内力偶矩 即 第四章弯曲应力 d 将代入上述三个静力学条件 有 a b c 第四章弯曲应力 其中 为截面对于z轴的静矩或一次矩 其单位为m3 为截面对于y轴和z轴的惯性积 其单位为m4 为截面对于z轴的惯性矩或二次轴矩 其单位为m4 第四章弯曲应力 由于式 a b 中的不可能等于零 因而该两式要求 1 横截面对于中性轴z的静矩等于零 显然这是要求中性轴z通过横截面的形心 2 横截面对于y轴和z轴的惯性积等于零 在对称弯曲情况下 y轴为横截面的对称轴 因而这一条件自动满足 a b c 第四章弯曲应力 由式 c 可知 直梁纯弯曲时中性层的曲率为 上式中的EIz称为梁的弯曲刚度 显然 由于纯弯曲时 梁的横截面上的弯矩M不随截面位置变化 故知对于等截面的直梁包含在中性层内的那根轴线将弯成圆弧 将上式代入得出的式子即得弯曲正应力计算公式 c 第四章弯曲应力 应用此式时 如果如图中那样取y轴向下为正的坐标系来定义式中y的正负 则在弯矩M按以前的规定确定其正负的情况下 所得正应力的正负自动表示拉应力或压应力 但实际应用中往往直接根据横截面上弯矩的转向及求正应力之点在中性轴的哪一侧来判别弯曲正应力为拉应力还是压应力 在此情况下可以把式中的y看作求应力的点离中性轴z的距离 第四章弯曲应力 中性轴z为横截面对称轴的梁 图a b 其横截面上最大拉应力和最大压应力的值相等 中性轴z不是横截面对称轴的梁 图c 其横截面上的最大拉应力和最大压应力的值不相等 第四章弯曲应力 中性轴z为横截面的对称轴时 横截面上最大拉 压应力的值smax为 式中 Wz为截面的几何性质 称为弯曲截面系数 其单位为m3 第四章弯曲应力 中性轴z不是横截面的对称轴时 参见图c 其横截面上最大拉应力值和最大压应力值为 第四章弯曲应力 纯弯曲理论的推广 工程中实际的梁大多发生横力弯曲 此时梁的横截面由于切应力的存在而发生翘曲 warping 此外 横向力还使各纵向线之间发生挤压 bearing 因此 对于梁在纯弯曲时所作的平面假设和纵向线之间无挤压的假设实际上都不再成立 但弹性力学的分析结果表明 受满布荷载的矩形截面简支梁 当其跨长与截面高度之比大于5时 梁的跨中横截面上按纯弯曲理论算得的最大正应力其误差不超过1 故在工程应用中就将纯弯曲时的正应力计算公式用于横力弯曲情况 即 第四章弯曲应力 例题4 13图a所示简支梁由56a号工字钢制成 其截面简化后的尺寸见图b 已知F 150kN 试求危险截面上的最大正应力smax和同一横截面上翼缘与腹板交界处a点处 图b 的正应力sa 第四章弯曲应力 解 在不考虑梁的自重 的情况下 该梁的弯矩图如图所示 截面C为危险截面 相应的最大弯矩值为 第四章弯曲应力 由型钢规格表查得56a号工字钢截面 于是有 危险截面上点a处的正应力为 第四章弯曲应力 该点处的正应力sa亦可根据直梁横截面上的正应力在与中性轴z垂直的方向按直线变化的规律 利用已求得的该横截面上的smax 160MPa来计算 第四章弯曲应力 显然 梁的自重引起的最大正应力仅为 而危险截面上的最大正应力变为 远小于外加荷载F所引起的最大正应力 如果考虑梁的自重 q 1 041kN m 则危险截面未变 但相应的最大弯矩值变为 第四章弯曲应力 梁的正应力强度条件 等直梁横截面上的最大正应力发生在最大弯矩所在横截面上距中性轴最远的边缘处 而且在这些边缘处 即使是横力弯曲情况 由剪力引起的切应力也等于零或其值很小 详见下节 至于由横向力引起的挤压应力可以忽略不计 因此可以认为梁的危险截面上最大正应力所在各点是处于单轴应力状态 于是可按单向应力状态下的强度条件形式来建立梁的正应力强度条件 式中 s 为材料的许用弯曲正应力 第四章弯曲应力 对于中性轴为横截面对称轴的梁 上述强度条件可写作 由拉 压许用应力 st 和 sc 不相等的铸铁等脆性材料制成的梁 为充分发挥材料的强度 其横截面上的中性轴往往不是对称轴 以尽量使梁的最大工作拉应力st max和最大工作压应力sc max分别达到 或接近 材料的许用拉应力 st 和许用压应力 sc 第四章弯曲应力 例题4 16图a所示为横截面如图b所示的槽形截面铸铁梁 该截面对于中性轴z的惯性矩Iz 5493 104mm4 已知图a中 b 2m 铸铁的许用拉应力 st 30MPa 许用压应力 sc 90MPa 试求梁的许可荷载 F 第四章弯曲应力 解 最大负弯矩所在B截面处 若截面的上边缘处最大拉应力st max达到 st 则下边缘处最大压应力sc max为根据可知此sc max并未达到许用压应力 sc 也就是说 就B截面而言 梁的强度由最大拉应力控制 第四章弯曲应力 最大正弯矩在C截面处 若截面的下边缘处最大拉应力st max达到 st 则上边缘处的最大压应力sc max为 它远小于 sc 故就C截面而言 梁的强度也由最大拉应力控制 第四章弯曲应力 由以上分析可知 该梁的强度条件系受最大拉应力控制 至于究竟是B截面上还是C截面上的最大拉应力控制了梁的强度 可进一步分析如下 显然 B截面上的最大拉应力控制了梁的强度 B截面 C截面 第四章弯曲应力 当然 这个许可荷载是在未考虑梁的自重的情况下得出的 但即使考虑自重 许可荷载也不会减少很多 于是由B截面上最大拉应力不得超过铸铁的许用拉应力 st 的条件来求该梁的许可荷载 F 由此得F 19200N 亦即该梁的许可荷载为 F 19 2kN 第四章弯曲应力 4 5梁横截面上的切应力 梁的切应力强度条件 梁横截面上的切应力 1 矩形截面梁 从发生横力弯曲的梁中取出长为dx的微段 如图所示 第四章弯曲应力 由于m m和n n上的弯矩不相等 故两截面上对应点处的弯曲正应力s1和s2不相等 因此 从微段中用距离中性层为y且平行于它的纵截面AA1B1B假想地截出的体积元素mB1 图a及图b 其两个端面mm A1A上与正应力对应的法向内力F N1和F N2也不相等 第四章弯曲应力 它们分别为 第四章弯曲应力 式中 为面积A 图b 对中性轴z的静矩 A 为横截面上距中性轴z为y的横线AA1和BB1以外部分的面积 图b中的阴影线部分 即 由于 故纵截面AA1B1B上有切向内力dF S 图b 第四章弯曲应力 为确定离中性轴z为y的这个纵截面上与切向内力dF S对应的切应力t 先分析横截面与该纵截面的交线AA1处横截面上切应力t的情况 第四章弯曲应力 1 由于梁的侧面为自由表面 图a和图b中的面mABn为梁的侧表面的一部分 其上无切应力 故根据切应力互等定理可知 横截面上侧边处的切应力必与侧边平行 2 对称弯曲时 对称轴y处的切应力必沿y轴方向 亦即与侧边平行 第四章弯曲应力 从而对于狭长矩形截面可以假设 1 横截面上各点处的切应力均与侧边平行 2 横截面上距中性轴等远处的切应力大小相等 第四章弯曲应力 于是根据切应力互等定理可知 距中性层为y的纵截面AA1B1B上在与横截面的交线AA1处各点的切应力t 均与横截面正交 且大小相等 至于t 在dx长度内可以认为没有变化 这也就是认为 纵截面AA1B1B上的切应力t 在该纵截面范围内是没有变化的 于是有 第四章弯曲应力 以上式代入前已得出的式子 得 根据切应力互等定理可知 梁的横截面上距中性轴z的距离为y处的切应力t必与t 互等 从而亦有 第四章弯曲应力 矩形截面梁横力弯曲时切应力计算公式 式中 FS为横截面上的剪力 Iz为整个横截面对于中性轴的惯性矩 b为矩形截面的宽度 与剪力FS垂直的截面尺寸 Sz 为横截面上求切应力t的点处横线以外部分面积对中性轴的静矩 第四章弯曲应力 上式就是矩形截面等直梁在对称弯曲时横截面上任一点处切应力的计算公式 横截面上切应力的变化规律 前已讲到 等直的矩形截面梁横力弯曲时 在对称弯曲情况下距中性轴等远处各点处的切应力大小相等 现在分析横截面上切应力t在与中性轴垂直方向的变化规律 上述切应力计算公式中 FS在一定的横截面上为一定的量 Iz和b也是一定的 可见t沿截面高度 即随坐标y 的变化情况系由部分面积的静矩Sz 与坐标y之间的关系确定 第四章弯曲应力 第四章弯曲应力 可见 1 t沿截面高度系按二次抛物线规律变化 2 同一横截面上的最大切应力tmax在中性轴处 y 0 第四章弯曲应力 等于1 5倍的平均切应力 4 工字形截面梁 1 腹板上的切应力 其中 第四章弯曲应力 可见腹板上的切应力在与中性轴z垂直的方向按二次抛物线规律变化 第四章弯曲应力 2 在腹板与翼缘交界处 在中性轴处 对于轧制的工字钢 上式中的就是型钢表中给出的比值 此值已把工字钢截面的翼缘厚度变化和圆角等考虑在内 第四章弯曲应力 3 翼缘上的切应力 翼缘横截面上平行于剪力FS的切应力在其上 下边缘处为零 因为翼缘的上 下表面无切应力 可见翼缘横截面上其它各处平行于FS的切应力不可能大 故不予考虑 分析表明 工字形截面梁的腹板承担了整个横截面上剪力FS的90 以上 第四章弯曲应力 图a中所示上 下翼缘左半部分和右半部分横截面上与腹板横截面上的切应力指向是正确的 即它们构成了 切应力流 第四章弯曲应力 例题4 17参见例题4 13 对于由56a号工字钢制成的如图a所示简支梁 试求梁的横截面上的最大切应力tmax和同一横截面上腹板上a点处 图b 的切应力ta 梁的自重不计 第四章弯曲应力 图d为