第十章+动荷载.ppt

,Chapter10DynamicLoad,MechanicsofMaterials,材料力学,第十章动载荷,第十章动载荷(Dynamicloading),1、静荷载（Staticload)荷载由零缓慢增长至最终值，然后保持不变。构件内各质点加速度很小,可略去不计.,10-1概述(Instruction),2、动荷载(Dynamicload)荷载作用过程中随时间快速变化，或其本身不稳定（包括大小、方向），构件内各质点加速度较大.,一、基本概念(Basicconcepts),二、动响应(Dynamicresponse)构件在动载荷作用下产生的各种响应（如应力、应变、位移等），称为动响应(dynamicresponse).实验表明在静载荷下服从虎克定律的材料，只要应力不超过比例极限,在动载荷下虎克定律仍成立且E静=E动.,三、动荷系数(Dynamicfactor),四、动荷载的分类(Classificationofdynamicload),1、惯性力(Inertiaforce),2、冲击荷载(Impactload),3、振动问题(Vibrationproblem),4、交变应力(Alternatestress),原理(Principle)达朗伯原理（DAlembertsPrinciple）,达朗伯原理认为处于不平衡状态的物体，存在惯性力，惯性力的方向与加速度方向相反，惯性力的数值等于加速度与质量的乘积。只要在物体上加上惯性力，就可以把动力学问题在形式上作为静力学问题来处理，这就是动静法(Methodofkinetostatic).,10-2动静法的应用,(Theapplicationformethodofdynamicequilibrium),惯性力（Inertiaforce)大小等于质点的质量m与加速度a的乘积,方向与a的方向相反,即F=-ma,例题1一起重机绳索以加速度a提升一重为G的物体，设绳索的横截面面积为A，绳索单位体积的重量，求距绳索下端为x处的m-m截面上的应力.,一、直线运动构件的动应力(dynamicstressofthebodyinthestraight-linemotion),物体的惯性力为,绳索每单位长度的惯性力,绳索的重力集度为A,绳索中的动应力为,st为静荷载下绳索中的静应力,强度条件为,当材料中的应力不超过比例极限时荷载与变形成正比,d表示动变形,st表示静变形,x,m,m,st,结论：只要将静载下的应力，变形，乘以动荷系数Kd即得动载下的应力与变形.,例题2起重机丝绳的有效横截面面积为A,=300MPa,物体单位体积重为,以加速度a上升，试校核钢丝绳的强度.,解：受力分析如图,动应力,L,x,m,n,x,a,FNd,qst,qG,惯性力,动荷系数,强度条件,例题3起重机钢丝绳长60m，名义直径28cm，有效横截面面积A=2.9cm2,单位长重量q=25.5N/m,=300MPa,以a=2m/s2的加速度提起重50kN的物体，试校核钢丝绳的强度.,G(1+a/g),FNd,Lq(1+a/g),解：受力分析如图,动应力,例题4一平均直径为D的薄圆环，绕通过其圆心且垂于环平面的轴作等速转动。已知环的角速度为，环的横截面面积为A，材料的容重为。求圆环横截面上的正应力.,r,O,二、转动构件的动应力(Dynamicstressoftherotatingmember),因圆环很薄，可认为圆环上各点的向心加速度相同，等于圆环中线上各点的向心加速度.,解：,因为环是等截面的，所以相同长度的任一段质量相等.,r,O,r,O,qd,其上的惯性力集度为,o,qd,y,d,FNd,FNd,强度条件,环内应力与横截面面积无关。要保证强度，应限制圆环的转速.,o,qd,y,d,Nd,Nd,例题5重为G的球装在长L的转臂端部，以等角速度在光滑水平面上绕O点旋转，已知许用应力，求转臂的截面面积（不计转臂自重）,强度条件,解：受力分析如图惯性力为,w,FG,L,O,例题6轮机叶片在工作时通常要发生拉伸，扭转和弯曲的组合变形。本题只计算在匀速转动时叶片的拉伸应力和轴向变形。设叶片可近似地简化为变截面直杆，且横截面面积沿轴线按线性规律变化。叶根的横截面面积A0为叶顶的横截面面积A1的两倍，即A0=2A1。令叶根和叶顶的半径分别为R0和R1。转速为，材料单位体积的重量为。试求叶片根部的应力和总伸长.,R0,R1,l,d,解：设距叶根为x的横截面m-n的面积为A(x),m,n,x,在距叶根为处取长的d的微元，其质量应,叶根,顶部,转轴,在距叶根为处的向心加速度为,dm的惯性力应为,R0,R1,l,d,m,n,x,叶根,顶部,转轴,m-n以上部分的惯性力为,dF,x,m,n,m-n截面上的轴力FNx等于F,R0,R1,l,d,m,n,x,叶根,顶部,转轴,最大的惯性力发生在叶根截面上,在叶根截面上的拉应力为,式中,为叶顶的线速度,dF,x,m,n,R0,R1,l,d,m,n,x,叶根,顶部,转轴,在距叶根为x处取dx一段,其伸长应为,叶片的总伸长为,dP,x,m,n,R0,R1,l,d,m,n,x,叶根,顶部,在冲击过程中，运动中的物体称为冲击物(ImpactingBody),阻止冲击物运动的构件，称为被冲击物(ImpactedBody),当运动着的物体碰撞到一静止的构件时，前者的运动将受阻而在短时间停止运动，这时构件就受到了冲击作用.,原理（Principle)能量法(Energymethod),10-3构件受冲击时的应力和变形（Stressanddeformationbyimpactloading),冲击时，冲击物在极短的时间间隔内速度发生很大的变化，其加速度a很难测出，无法计算惯性力，故无法使用动静法。在实用计算中，一般采用能量法。即在若干假设的基础上，根据能量守恒定律对受冲击构件的应力与变形进行偏于安全的简化计算.,机械能守恒定律,T、V是冲击物在冲击过程中所减少的动能和势能.,Vd是被冲击物所增加的应变能.,一、自由落体冲击问题(Impactproblemaboutthefreefallingbody),假设(Assumption),冲击物视为刚体，不考虑其变形（Theimpactingbodyisrigid);,2.被冲击物的质量远小于冲击物的质量，可忽略不计(Themassoftheimpacteddeformablebodyisnegligibleincomparisonwiththeimpactingmass);,3.冲击后冲击物与被冲击物附着在一起运动(theimpactbodydonotrebound);,4.不考虑冲击时热能的损失，即认为只有系统动能与势能的转化(heprocessofimpactislostintheimpact)。,v,h,重物P从高度为h处自由落下，冲击到弹簧顶面上，然后随弹簧一起向下运动。当重物P的速度逐渐降低到零时，弹簧的变形达到最大值d，与之相应的冲击载荷即为Pd.,P,h,P,h,其中,所以,根据能量守恒定律可知，冲击物所减少的动能T和势能V，应全部转换为弹簧的变形能,即,为动荷系数,其中,已知7一重量为P的重物由高度为h的位置自由下落,与一块和直杆AB相连的平板发生冲击.杆的横截面面积为A,求杆的冲击应力.,重物是冲击物，杆AB（包括圆盘）是被冲击物。,冲击物减少的势能,动能无变化,AB增加的应变能,根据能量守恒定理,称为自由落体冲击的动荷系数,A,st为冲击物以静载方式作用在冲击点时,冲击点的静位移.,（1）当载荷突然全部加到被冲击物上，即h=0时,由此可见,突加载荷的动荷系数是2，这时所引起的应力和变形都是静荷应力和变形的2倍.,讨论,（2）若已知冲击开始瞬间冲击物与被冲击物接触时的速度为v，则,（3）若已知冲击物自高度h处以初速度下落,则,例题8等截面刚架的抗弯刚度为EI，抗弯截面系数为W，重物P自由下落时，求刚架内的最大正应力（不计轴力）.,a,a,解：,1,P,a,a,pa,pa,例题9图示钢杆的下端有一固定圆盘，盘上放置弹簧。弹簧在1KN的静载荷作用下缩短0.625mm.钢杆直径d=40mm,l=4m，许用应力=120MPa,E=200GPa。若有重为15KN的重物自由落下，求其许可高度h.,解:,例题10图示分别为不同支承的钢梁，承受相同的重物击，已知弹簧刚度K=100KN/mm，h=50mm，G=1KN，钢梁的I=3.04107mm4，W=3.09105mm3，E=200GPa。试比较两者的冲击应力.,解：冲击点的静位移,G,l/2,l/2,两端支座加弹簧后,冲击点的静位移,G,l/2,l/2,例题11图示钢索下端挂重G=50KN的物体，其上端绕于可自由转动的滑轮上，物体以v=1m/s匀速下降，当钢索长度l=20m时，将滑轮突然制动，已知钢索材料的弹性模量E=170GPa，钢索横截面面积为A=500mm2，重力加速度g=9.8m/s2，试求动荷系数Kd及钢索中动应力d.,A,B,G,l,解：（1）冲击过程中重物所减少的能量,d为滑轮被卡住后长为l的吊索在冲击荷载Pd作用下的总伸长,st为滑轮被卡住前一瞬间由于重物P所引起的静伸长,冲击物势能的减少为,冲击物在冲击过程中减少的总能量,（2）计算在冲击过程中吊索内所增加的应变能,滑轮卡住前一瞬间，吊索内已有应变能,滑轮被卡后吊索内应变能,由能量守恒定律,冲击过程中吊索内所增加的应变能,二、水平冲击(Axialimpact),已知等截面杆AB在C处受一重量为G，速度为v的物体沿水平方向冲