第6章：杆件横截面上的应力分析

.,第六章杆件横截面上的应力分析,.,主要内容,6.1拉（压）杆横截面上的应力6.2受扭圆轴横截面上的应力6.3弯曲梁横截面上的应力,第六章杆件横截面上的应力分析,.,第六章杆件横截面上的应力分析,引言,问题提出,两杆横截面上的轴力始终相同，,完成了杆件的内力分析，还不足以解决杆件的强度问题。,解决杆件的强度问题，还须对杆件进行应力分析。,两根拉杆：材料相同，粗细不同，拉力相同并同步增大。,细杆先被拉断。,.,第六章杆件横截面上的应力分析,杆件横截面上应力分析的方法,分析截面上的应力，首先必须了解应力在截面上的分布规律。,由于应力是不可见的，杆件受力后产生的应变却是可见的，而应力和应变之间存在着一定的关系。,对杆件进行应力分析时，通常须借助相应的变形实验，根据实验中所观察到的杆件表面的变形现象，据此建立一些关于变形的假设，并作出由表及里的推测，以获得应力在截面上的分布规律，从而推导出相应的应力计算公式。,.,第六章杆件横截面上的应力分析,6.1拉（压）杆横截面上的应力,6.1.1拉（压）杆横截面上的应力,1.拉（压）杆横截面上的应力,轴向拉伸实验,实验现象,(1)各横向线仍保持直线，任意两相邻横向线沿轴线发生相对平移；,(2)横向线仍然垂直于纵向线，纵向线仍然保持与杆件的轴线平行。原来的矩形网格仍为矩形。,.,第六章杆件横截面上的应力分析,假设与推理,平面假设:变形前原为平面的横截面，变形后仍然保持为平面且仍垂直于杆件的轴线。,横截面上各点处仅有正应力s，并沿截面均匀分布。,设横截面的面积为A，由静力学关系：,其中：为拉（压）杆横截面上的正应力（符号规定：拉为正、压为负）；FN为杆件横截面上的轴力；A为杆件横截面面积。,拉（压）杆横截面上正应力的计算公式,（此即为拉(压)杆横截面上正应力的计算公式）,.,（3）用公式计算杆件横截面上的应力时，其轴力的大小往往仅取决于物体所受外力合力的大小，而很少考虑外力的分布方式。事实上，不同的外力作用方式对外力作用点附近区域内的应力分布有着很大的影响，至于该影响到底有多大，可由圣维南原理加以说明。,（2）对于杆件横面尺寸沿轴线缓慢变化的变截面直杆：,备注:,（1）公式也适用于FN为压力时的应力计算。但要注意对于细长压杆受压时容易被压弯，属于稳定性问题（这一内容将在后面专门研究），这里所指的是受压杆未被压弯的情况。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,2.圣维南原理,当杆端承受集中载荷或其他非均匀分布的载荷时，杆件并非所有的横截面都保持平面，从而产生均匀的轴向变形，这种情况下，公式：,并不对杆件所有横截面都适用。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,圣维南原理:将原力系用静力等效的新力系来替代，除了对原力系作用附近的应力分布有明显影响外，在离力系作用区域略远处，该影响就非常小。,有限元分析的圣维南原理,第六章杆件横截面上的应力分析,.,6.1.2应力集中,由圣维南原理知，等直杆受轴向拉伸或压缩时，在离开外力作用处较远的横截面上的正应力是均匀分布的。但是，如果杆截面尺寸有突然变化，比如杆上有孔洞、沟槽或者制成阶梯时，截面突变处局部区域的应力将急剧增大，但在离开圆孔或切口稍远处，应力就迅速降低且趋于均匀。,由于截面急剧变化所引起的应力局部增大现象，称为应力集中。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,第六章杆件横截面上的应力分析,.,有圆孔或切口或倒角的受拉板条,第六章杆件横截面上的应力分析,.,理论应力集中系数,应力集中处的最大应力。由解析理论、实验或数值方法确定。,削弱以后横截面上的平均应力。不考虑应力集中条件下求得的应力值。,实验结果表明：截面尺寸改变越急剧，孔越小，圆角越小，应力集中的程度就越严重。,应力集中对脆性材料的影响严重，应特别注意。,应力集中能促使疲劳裂纹的形成和扩展，因而对构件的疲劳强度影响极大。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,第六章杆件横截面上的应力分析,【例题6-1】等截面直杆的直径，受载如图所示，其中：，。试求杆的最大正应力。,解：,1.画轴力图，确定杆件内各截面的轴力。,画出杆件的轴力图如图所示。,由轴力图可知，杆件的BC段的轴力最大，且,2.求最大正应力。,BC段轴力是压力，故得到的应力是压应力。,.,第六章杆件横截面上的应力分析,【例题6-2】一等截面的柱体，横截面面积为A，高度为l，材料密度为，如图所示。试求其由于自重引起的最大正应力。,分析：在需要考虑力的内效应时，杆件的自重不能作为集中力而须作为分布载荷看待，因此需先求出轴力函数。,解：,2.求轴力函数并画轴力图，确定危险截面。,1.求重力集度q。,在需要考虑力的内效应时，杆件的自重不能作为集中力而须作为分布载荷看待（如图(a)），重力集度（即单位杆长的重量）为：,.,第六章杆件横截面上的应力分析,在距离柱顶端任意位置x处，用截面法将柱体沿该处截开，取上半段为研究对象，其受力图如图(b)所示。,由平衡方程可得轴力函数:,画轴力图如图(c)所示。,由轴力图可知，底端截面为危险截面，且,3.求最大正应力。,（压应力）,.,【例题6-3】起重吊环的尺寸如图所示，若起吊重量，试求吊环内的最大正应力。,第六章杆件横截面上的应力分析,分析：从吊环的受力情况和截面法可知，轴力沿吊环轴线是不变的，故最大正应力必然发生在最小横截面上。,解：,2.求吊环的最小横截面面积。,1.求吊环的轴力。,由截面法易知，吊环的轴力为：,分别计算孔22处、销子处和接近凹槽底部处的横截面面积A1、A2和A3：,.,第六章杆件横截面上的应力分析,故吊环的最小横截面面积,3.求吊环内的最大正应力。,吊环内的最大正应力,.,6.2受扭圆轴横截面上的应力,扭转实验,实验现象,（1）所有轴向线仍近似为直线，且都倾斜了相同的微小角度。,（2）所有圆周线保持原有的大小、形状及其相互之间的距离，在横截面内绕轴线转过了一个角度，称为扭转角。,（3）变形前小矩形abcd，变形后错动成平行四边形，即发生了剪切变形。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,假设与推理,平面假设：圆轴扭转变形前为平面的横截面，变形后仍为大小相同的平面，其半径仍保持为直线；且相邻两横截面之间的距离不变。,扭转圆轴横截面上无正应力，只存在切应力。,受扭圆轴横截面上切应力的计算公式,1.变形几何关系,其中表示扭转角沿轴线长度方向的变化率。,同一截面上为常数，因此与成正比,第六章杆件横截面上的应力分析,.,2.物理关系,在剪切比例极限内,由于发生在垂直于半径的平面内，所以也应与半径垂直。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,3.静力关系,微剪力t()dA,其对圆心的微力矩(t()dA)r,横截面上所有微力矩之和等于扭矩，即,第六章杆件横截面上的应力分析,.,第六章杆件横截面上的应力分析,记,截面极惯性矩,受扭圆轴横截面上切应力的计算公式,其中：T为横截面上的扭矩Ip为横截面的极惯性矩r为所求切应力点到圆心的距离,公式的适用条件等直圆轴线弹性范围,.,第六章杆件横截面上的应力分析,受扭圆轴横截面上的最大切应力,对某一横截面而言，T为常数，Ip也是常数，因此横截面上的切应力是r的线性函数,圆心处r=0t=0,外表面r=rmaxt=tmax,记,抗扭截面系数,.,第六章杆件横截面上的应力分析,受扭圆轴横截面上切应力的分布规律,.,第六章杆件横截面上的应力分析,截面极惯性矩和抗扭截面系数,（1）实心圆轴,.,（2）空心圆轴,内外径之比:,第六章杆件横截面上的应力分析,.,（3）薄壁圆筒,内外径之比:,R0平均半径壁厚,横截面上的切应力(认为均匀分布):,第六章杆件横截面上的应力分析,.,【例题6-4】一直径为的实心圆轴，受到扭矩作用。试求在距离轴心处的切应力，并求轴横截面上的最大切应力。,解：,2.求()及max,1.求截面的极惯性矩和抗扭截面系数,第六章杆件横截面上的应力分析,.,【例题6-5】如将上题中的实心圆轴改为内、外径之比为的空心圆轴，若两轴的最大切应力相等，求此时空心圆轴的外径，并比较实心轴和空心轴的重量。,解：,1.求空心圆轴的外径,记空心轴的外径为D1，则由题意有：,故空心轴的外径,第六章杆件横截面上的应力分析,.,2.比较实心轴和空心轴的重量,由于两轴长度相等、材料相同，故两轴重量之比等于横截面面积之比：,可见在载荷相同的条件下，空心轴的重量只有实心轴的78%，说明空心截面比实心节省材料。如果将空心截面改为薄壁截面，可以发现节省材料的效果更为明显。但是如果壁太薄，轴可能由于皱褶失稳破坏。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,6.3弯曲梁横截面上的应力,引言,平面弯曲的概念,工程问题中，大多数梁的横截面都有一根对称轴，因而梁有一个包含轴线的纵向对称面（如图所示的y轴）。,如果作用在梁上的所有外力(偶)都在或可简化到此纵向对称面内，则变形后的梁轴线也将在这个平面中，且成为一条曲线，这种弯曲称为平面弯曲。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,剪力FS是相切于横截面的内力系的合力；弯矩M是垂直于横截面的内力系的合力。,剪力FS只与横截面上的切应力t有关；弯矩M只与横截面上的正应力s有关。,弯曲内力分量与应力分量的关系,第六章杆件横截面上的应力分析,.,纯弯曲,AC、DB段既有剪力又有弯矩，横截面上同时存在正应力和切应力，这种情况称为横力弯曲。,CD段只有弯矩，横截面上就只有正应力而无切应力，这种情况称为纯弯曲。,1.纯弯曲的概念,第六章杆件横截面上的应力分析,.,2.纯弯曲实验,变形前,变形后,（1）纵向线都弯曲成弧线，凸边弧线长度增加，而凹边弧线长度减小。,实验现象,（2）横向线仍为直线，但相对原来的位置转过了一个角度，且仍与纵向线正交。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,由于弯曲的作用，上部纤维缩短，下部纤维伸长。,中间必有一层保持原长，这一层称为:中性层。,变形后,中性层和横截面的交线（cc），称为中性轴。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,平面假设：变形前为平面的梁的横截面变形后仍保持为平面，且仍然垂直于变形后的梁轴线，只是绕横截面内某一条直线转过一个角度。,假设,变形后,单向受力假设：梁内各纵向纤维仅受到单向拉伸或压缩，彼此间互不挤压、互不牵拉。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,6.3.1弯曲梁横截面上的正应力,1.变形几何关系,从纯弯曲梁中沿轴线取dx的微段:,中性层位于OO,mm变形前长度:,mm变形后长度:,mm位置的线应变:,表明:距离中性层为y的任一纵向纤维的线应变与y成正比。,第六章杆件横截面上的应力分析,r为中性层曲率半径，系一待定常数。,.,2.物理关系,纵向纤维之间无正应力，每一纤维都是单向拉伸或者压缩，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向应力状态。,代入几何关系,得到,梁的材料在线弹性范围内工作，且拉、压弹性模量相同时，有,第六章杆件横截面上的应力分析,.,这表明：梁的横截面上的正应力沿垂直于中性轴的方向按线性规律变化。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,3.静力学关系,微面积上的微内力(y)dA组成一与梁轴线平行的空间平行力系。,因横截面上只有弯矩M，故有:,第六章杆件横截面上的应力分析,.,z轴(中性轴)过截面形心,第六章杆件横截面上的应力分析,.,因为y轴为截面纵向对称轴,（自动满足）,第六章杆件横截面上的应力分析,.,1/r为梁轴线的曲率,EIz为梁的抗弯刚度,此即为梁纯弯曲时横截面上正应力的计算公式,第六章杆件横截面上的应力分析,.,纯弯梁横截面内正应力s随高度y呈线性分布，以中性层为界，一侧受拉，另一侧受压。,受压一侧正应力为负，受拉一侧正应力为正,梁纯弯曲时横截面上正应力的计算公式,第六章杆件横截面上的应力分析,.,梁横截面上正应力计算公式的适用条件,纯弯曲梁横截面上的正应力计算公式是在平面假设的前提条件下推导出来的。实际工程中，纯弯曲是一种较少见的承载形式。当梁发生横力弯曲时，由于剪力的存在，梁的横截面上将产生非均匀分布的切应力，梁的横截面不再保持为平面。虽然横力弯曲和纯弯曲之间存在这些差异，但进一步分析表明，在细长梁情况下，用纯弯曲梁的正应力计算公式计算横力弯曲时的正应力，并不会引起很大的误差，其计算结果能够满足一般工程问题的精度要求。因此，对细长梁，公式仍然适用。,在推导纯弯曲梁横截面上的正应力计算公式的过程中用到了拉（压）胡克定律，要求梁的变形在（线）弹性范围。,故公式,适用条件平面弯曲弹性范围,第六章杆件横截面上的应力分析,.,梁横截面上的最大正应力,梁横截面上的最大正应力发生在距离中性轴的最远处，即,记,抗弯截面系数,横力弯曲时，梁横截面上的弯矩随截面位置的不同而变化。确定最大正应力要综合考虑弯矩值、截面的形状和尺寸，按下式计算：,第六章杆件横截面上的应力分析,.,梁的抗弯截面系数,实心矩形截面,实心圆截面,其他形状的截面及型钢几何性质可参见附录,第六章杆件横截面上的应力分析,.,【例题6-6】矩形截面梁AB受载及截面尺寸分别如图(a)、(b)所示。试求梁A端右侧截面上a、b、c、d四点处的正应力。,解：,1.求梁A端右侧截面上的弯矩,画梁的弯矩图如图(c)所示。,可知梁为纯弯曲，梁A端右侧截面上的弯矩：,2.求横截面的惯性矩Iz和抗弯截面系数Wz,第六章杆件横截面上的应力分析,.,3.求各点的正应力,（拉应力）,（拉应力）,点c在中性轴上，故,点d和点a关于中性轴对称，故,（压应力）,第六章杆件横截面上的应力分析,.,【例题6-7】图(a)示大梁由NO.50a工字钢制成，跨中作用一集中力。试求梁危险截面上的最大正应力以及翼缘与腹板交界处的正应力。,解：,1.画梁的计算简图并求支座反力,画梁的计算简图如图(b)所示。,支座反力：,2.画梁的弯矩图，确定危险截面,画梁的弯矩图如图(c)所示。,故截面C为危险截面，且,第六章杆件横截面上的应力分析,.,3.由附录查得型钢相关参数。,查得NO.50a工字钢的相关参数为：,惯性矩：,4.求弯曲正应力,危险截面C上的最大正应力,危险截面C上翼缘与腹板交界处的正应力,抗弯截面系数：,翼缘与腹板交界处到中性轴的距离：,第六章杆件横截面上的应力分析,.,【例题6-8】T形截面梁受载及截面尺寸分别如图(a)、(b)所示。试求梁的最大拉应力和最大压应力。已知，。,解：,1.求支座反力,画梁的弯矩图如图(c)所示。,故截面B和C为可能的危险截面，且该两截面的弯矩分别为：,2.画弯矩图，确定危险截面,第六章杆件横截面上的应力分析,.,不难分析出最大压应力一定发生在截面B的下边缘，而最大拉应力可能发生在截面B的上边缘或截面C的下边缘。,故最大压应力：,3.求梁的最大拉应力和最大压应力,截面B的最大拉应力：,故最大拉应力发生在截面C的下边缘，且：,截面C的最大拉应力：,第六章杆件横截面上的应力分析,.,6.3.1弯曲梁横截面上的切应力,横力弯曲时，梁的横截面上既有弯矩又有剪力，因此梁的横截面上除正应力外，还有切应力。弯曲切应力的分布规律要比正应力复杂。横截面形状不同，弯曲切应力分布情况也随之不同。对形状简单的截面，可以直接就弯曲切应力的分布规律作出合理的假设，然后利用静力关系建立起相应的计算公式。但对于形状复杂的截面，需借助弹性力学理论或实验比拟方法来进行研究。,本节介绍几种常见的简单形状截面梁弯曲切应力的分布规律，并直接给出相应的计算公式。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,56,1.矩形截面梁,儒拉夫斯基假设,（1）截面上任意一点的切应力t的方向和该截面上的剪力FS的方向平行。,（2）切应力沿宽度均匀分布，即t的大小只与距离中性轴的距离有关，而与截面宽度无关。,56/68,第六章杆件横截面上的应力分析,.,矩形截面梁横截面上的切应力计算公式,根据上述假设，可得矩形截面梁横截面上纵坐标为y的任意一点的弯曲切应力的计算公式：,其中：Fs为横截面上的剪力Sz*为梁横截面上距中性轴为y的横线以外部分的面积（图中A1*）对中性轴的静矩的绝对值b为横截面宽度Iz为整个横截面对中性轴z的惯性矩,第六章杆件横截面上的应力分析,.,（1）沿截面高度，弯曲切应力的大小按图示的抛物线规律变化。,（2）在上、下边缘各点处，弯曲切应力为零。,（3）在中性轴上的各点处(y=0)，切应力最大，且最大切应力为：,这表明：,其中：A=bh为横截面面积。,即：矩形截面梁的最大切应力为横截面上名义平均切应力的1.5倍。,第六章杆件横截面上的应力分析,.,2.工字形截面梁,工字形截面由翼缘和腹板组成,上翼缘,下翼缘,腹板,由于腹板截面是狭长矩形，因此儒拉夫斯基假设仍然适用。即：,若要计算腹板上距中性轴y处的切应力，Sz*是图中黄色部分面积对中性轴的静矩。易得腹板上弯曲切应力的计算公式为：,第六章杆件横截面上的应力分析,.,备注,在与上、下翼缘交界处()的各点，切应力最小，为,在中性轴上()的各点，切应