材料刚度习题

1、习题：83,85,86,87,88,811,817习题8_3.图示起重架的最大起吊重量（包括行走小车等）为P=40kN,横梁AC由两根No18槽钢组成，材料为Q235钢，许用应力=120MPa。试校核梁的强度。3.5m解（1）受力分析当小车行走至横梁中间时最危险，此时梁AC的受力为由平衡方程求得S=40kJVX=34.64AJVY=20fcV2）作梁的弯矩图和轴力图此时横梁发生压弯变形，D截面为危险截面,N=34.64=35kNm3）由型钢表查得No.18工字钢Wy=152cm3A=29.299cm24）强度校核2A2Wy故梁AC满足强度要求。（返回页首）习题8_5.单臂液压机架及其立柱的横截

2、面尺寸如图所示。P=1600kN，材料的许用应力=160MPa。试校核立柱的强度（关于立柱横截面几何性质的计算可参看附录A例A-8）。3800L121400F2760I-I解（1）内力分析截开立柱横截面I-1,取上半部分由静力平衡方程可得N=P=16mkNM=Pxyc=2256kNm所以立柱发生压弯变形。（2）计算截面几何性质,4=99448mm2=2.9x1O10/m/m4（3）计算最大正应力立柱左侧立柱右侧Afx890NE+4=53.2MPa.-.g=55.7MPa120.4mm取立柱的直径d=122mm，校核其强度NMNM论一万+帝兀超2+齐吞=34.94MPat所以立柱满足强度要求。（

3、返回页首）习题8_8.手摇铰车如图所示。轴的直径d=30mm，材料为Q235钢，=80MPa,试按第三强度理论求铰车的最大起重量P。400400E卜E1解：（1）轴的计算简图画出铰车梁的内力图危险截面在梁中间M=0.2Pr=0.18P2）强度计算第三强度理论+T2W-7(02P)2+(0.1SP)2qPb考虑皮带轮的重量xz平面的弯矩图为Ms=73602+802.22=879.3丽Tb=334.3丽代入第三强度理论的强度条件得d493mm（返回页首）习题8_17.作用于悬臂木梁上的载荷为：xy平面内的P=800N,xz平面内的P=1650N。若12木材的许用应力=10MPa，矩形截面边长之比为

4、h/b=2,试确定截面的尺寸。z解：（1）求内力固定端弯矩最大My=P2xl=1650Nm（2）求应力木梁在xy平面弯曲而引起的端截面最大应力为木梁在xz平面弯曲而引起的端截面最大应力为（3）强度计算端截面上a点是最大拉应力点，b点是最大压应力点，应力大小是皿联HlKHlU：b90mmhlWmm（返回页首）教学队伍教学內容教学方法实践教学教学效果教科研成果勾件的静力分析和运动分力学基础件的受力分析面构件的运动分析臂用机构及设计面机构的结构分析面连杆机构轮机构他常用机构臂用机械零部件设计用零部件设计概述件的强度分析与设计曲梁的设计圆轴设计及轮毂设计轴承螺纹连接其他常用零部件一、弯曲的概念第十章弯

5、曲梁的设计第一节梁平面弯曲的概念和弯曲内力工程实际中，存在大量的受弯曲杆件，如火车轮轴，桥式起重机大梁。如图10.1.1，图10.1.2所示受力的共同特点是外力（横向以弯曲变形为主的杆件称为梁,千轴线相垂直，变形时杆轴线由直线变成曲线，这种变形称为图10.1.1火车轮轴图10.1.2起重机大梁工程中常见的梁，其横截面通常都有一个纵向对称轴，该对称轴与梁的轴线组成梁纵向对称面所示。臂用机械传动及设计带传动链传动圆柱齿轮传动空间齿轮传动齿轮传动机械的润滑密封与安全维护机械的调速与平衡图10.1.3梁的纵向对称如果梁上所有的外力都作用于梁的纵向对称平面内，则变形后的轴线将在纵向对称平面内变成线。这种

6、弯曲称为平面弯曲。平面弯曲是弯曲问题中最基本、最常见的，所以，这里只讨论平面弯二、梁的计算简图及基本形式梁上的荷载和支承情况比较复杂，为便与分析和计算，在保证足够精度的前提下，需要对梁进（一）、梁的简化为了绘图的方便，首先对梁本身进行简化，通常用梁的轴线来代替实际的梁。（二）、荷载分类作用在梁上的载荷通常可以简化为以下三种类型：1、集中荷载当载荷的作用范围和梁的长度相比较是很小时，可以简化为作用于一点的力，载或集中力。如车刀所受的切削力便可视为集中力P,如图10.1.4（a）所示，其单位为牛（N）或千2、集中力偶当梁的某一小段内（其长度远远小于梁的长度、受到力偶的作用，可简化为作用在的力偶，称

7、为集中力偶。如图10.1.4（b）所示。它的单位为牛米（Nm、或千牛米（kNm）。3、均布载荷沿梁的长度均匀分布的载荷，称为均布载荷。分布载荷的大小用载荷集度q表度q为常数。如图10.1.4（c）所示。其单位为牛/米（N/m、或千牛/米（k/m）。（三）、梁的基本形式按照支座对梁的约束情况，通常将支座简化为以下三种形式：固定铰链支座、活动铰链支座和这三种支座的约束情况和支反力已在静力学中讨论过，这里不再重复。根据梁的支承情况，一般可以下三种基本形式。1、简支梁梁的一端为固定铰链支座，另一端为活动饺链支座的梁称为简支梁。如图10.1.52、外伸梁外伸梁的支座与简支梁一样，不同点是梁的一端或两端伸

8、出支座以外，所以称为图10.1.5（b）3、悬臂梁一端F固定，另端自由的梁称为悬臂梁。（a）集中力F如图10.1.5(c)(a)简支梁MzA(b)集中力偶（b）外伸梁求得。在外载荷的作用下,的方法是截面法。心,心(a)Q图10.1.4载荷类图10.1.5梁的类以上三种梁的未知约束反力最多只有三个，应用静力平衡条件就可以确定这三种形式梁的内力三、梁弯曲时的内力一一剪力和弯矩计算作用于梁上的外力以及支承对梁的约束力都是梁的外载荷。支承对梁所产生的约束反力一般都由静r.if梁要产生呈迪变形，梁的塔横截面内就必定存在相应的内力。求解梁横图10.1.6截面法求梁的内如图10.1.6所示的简支梁，受集中力

9、P1和：作用。为了求出距A端支座为x处横截面m-m上的内静力学中的平衡方程求出支座反力RA、RB。然后用截面法沿m-m截面假想地把梁截开，并以左边对象(图10.1.6(b)。因为原来梁处于平衡状态，故左段梁在外力及截面处内力的共同作用下也应保持平衡。截面m-m上必有一个与截面相切的内力边部分对左边部分沿截面切线方向移动趋势所起的约束作用；又因为RA与P1对截面形心的力矩一抵消，为保持这部分不发生转动，在横截面m-m上必有一个位于载荷平面的内力偶，其力矩为M，部分对左边部分转动趋势所起的约束作用。由此可见，梁弯曲时，横截面上一般存在两个内力因素为剪力，M称为弯矩。剪力和弯矩的大小可由左段梁的平衡

10、方程确定。由XFy=0得Ra-P1-Q二0由XMC=0得MRx+P(xa)=0A1式中，C为横截面的形心。若取右段梁研究，根据作用力与反作用力定律，在m-m截面上也必然有剪力Q和弯矩M分别与Q和M数值相等、方向相反。Kq(b)剪力和弯所示。凡梁的变形来确定。凡使所取梁段具有作顺时针转动趋势的剪力为正，反之为负。上凹下丘弯曲变形的弯矩为正,乙为负。如图1018所示。图10.1.7剪力的符图10.1.8弯矩的综上所述，可得求剪力、弯矩大小和方向的规则:对于剪力：梁内任一横截面上的剪力等于该截面一侧梁上所有横向外力的代数和;正负号由“外力产生的剪力为正”确定。对于弯矩：梁内任一横截面上的弯矩等于该截

11、面一侧梁上所有外力对截面形心力矩的代数和。正力矩左顺右逆，产生的弯矩为正”确定。利用上述规则，可以直接根据截面左侧或右侧梁上的外力求出指定截面的剪力和弯矩。4kN/m，如图10.1.9所示，图10.1.9简支解：（1）求支座反力。工气(F)=0,即px750-rax1000-m+qx5x250=0可得Ra=250N工Fy=即ra-p-qx0-5+rb=0可得R=2750NB(2)计算剪力和弯矩（应取简单的一侧为研究对象）。I-IQ=R=250N1AM=Rx200=250 x0.2=50Nm1AII-IIQ=qx0.4R=4x0.42.75=1.5kN2BM=Rx400一qx0.4x200=27

12、50 x400 x103一4x103x0.4x0.2=780Nm2B例10.1.2图10.1.10(a)是薄板轧机的示意图。下轧辊尺寸表示在图10.1.10(b)中轧制力约为104均匀分布在轧辊的CD的范围内。试求轧辊中央截面上的弯矩及截面C的剪力。图10.1.10剪板机电解：轧辊可简化为如图10.1.10(c)所示形式。轧制力均匀分布于长度为0.8m的范围制力的载荷集度为q=竺kN/m=12.5x103kN/m0.8由于梁上的载荷与约束反力对跨度中点是对称的，所以容易求出两段的约束反力为F=F=比=5x103kNAB2以截面C左侧为研究对象，求得该截面上的剪力为104F=F=5x103kNs

13、ca2在跨度中点截面左侧的外力为尸4和一部分均布载荷。以中点截面左侧为研究对象，求得弯矩为0.4M=Fx0.83一qx0.4x=3150kN.mA2四、剪力图和弯矩图在一般情况下，剪力和弯矩是随着截面的位置不同而变化的。如果取梁的轴线为x轴，以坐标面的位置，则剪力和弯矩可表示为x的函数，即Q二Q(x)M=M(x)上述两函数表达了剪力和弯矩沿梁轴线的变化规律，故分别称为梁的剪力方程和弯矩方程。为了能一目了然地看出梁各截面上的剪力和弯矩沿梁轴线的变化情况，在设计计算中常把各截和弯矩用图形表示。即取一平行于梁轴线的横坐标x来表示横截面的位置，以纵坐标表示各对应横力和弯矩，画出剪力和弯矩与x的函数曲线

14、。这样得出的图形叫做梁的剪力图和弯矩图。利用剪力图和弯矩图，很容易确定梁的最大剪力和最大弯矩，以及梁的危险截面的位置。所以弯矩图往往是梁的强度和刚度计算中的重要步骤。剪力图和弯矩图的画法是首先求出梁的支座反力，然后以力和力偶的作用点为分界点，将梁分段列出剪力和弯矩方程。取横坐标x表示截面的位置；纵坐标表示各截面的剪力和弯矩，按方程绘例10.1.3下面通过分析例题说明剪力图和弯矩图的绘制方法及步骤如图10.1.11(a)所示起重机横梁长1，起吊重量为P。不计梁的自重，试绘制图示剪力图和弯矩图，并指出最大剪力和最大弯矩所在的截面位置。图10.1.11简支梁受集中力解(1)绘制横梁的计算简图根据横梁

15、两端A、B轮的实际支承情况，将其简化为简支梁(图1起吊重量为P可简化为作用于沿横梁行走的小车两轮中点所对应的梁的梁截面C处的集中力。(2)计算A、B两端的支座的约束反力根据静力平衡方程得(3)建立剪力方程和弯矩方程由于截面C有集中力p作用，梁AC端和BC段上任意截面左的平衡方程不同,故应分别建立两段的剪力方程和弯矩方程。设AC段和BC段的任一截面位置分别用10.1.11(a),并以左段为研究对象计算剪力和弯矩，则方程为AC段Q1=R(_PbAT9BC段Q2PalM二R(l-x)二Pa(l-x)2B绘制剪力图和弯矩图由AC段和BC段剪力方程可知，两段的剪力分别为一正一负的常图是分别位于x轴上方和

16、下方的两条平行线(图10.1.11(b)。由两段的弯矩方程可知，弯矩图为两条斜直线，由边界条件可得出斜直线上两点的坐标值:AC段BC段于是便得到如图10.1.11(c)所示的横梁的弯矩图。时，BC段(5)确定剪力和弯矩的最大值由图10.1.11c，结合剪力方程，可以看出，当ab力值最大；当ab时，AC段各截面的剪力值最大。小车行驶时，力P作用点的坐标发生变化，最PTP随之发生变化。小车接近支座B点或A点时，剪力达到最大值Qmax由图10.1.11c,结合弯矩方程，可以分析得出，集中力F作用的C点所在截面处有最大弯矩。a二b二i梁的中点时，即2处，因乘机ab最大，所以最大弯矩值也最大，为M=Pm

17、ax4例10.1.4如图10.1.12(a)所示简支梁，在全梁上受集度q的均布载荷。试作此梁的剪力图和解：1)求支座反力。由工Ma=0及工Mb=0得F=F=企AyBy22)列剪力方程和弯矩方程。取A为坐标轴原点，并在截面x处切开取左段为研究对象，如图10.1.12(b)所示，则XM122ql2fql2FSFSqlxqx2x03）画剪力图。式（10.1.1）表明，剪力FS是x的一次函数，所以剪力图是一条斜直线4）画弯矩图。式（10.1.2）表明，弯矩M是x的二次函数，弯矩图是一条抛物线。由方程M(X)-竽-等-弘-x2)-2(x-1)2-普lql2既曲线顶点为（28），开口向下，可按下列对应值确

18、定几点。FF-qx-企-qxSAy2(0 xl)图10.1.12M-Fx-空Ay2xl,简支梁受均布(0 xl)（10丄2）汕x0ll3ll424M03ql2ql23ql2032832剪力图与弯矩图分别如图10.1.12(c)、(d)所示。由图可知，剪力最大值在两支座A、B内侧的F二企M=坐管M的集中力偶作用。试作其剪力图和Smax2。弯矩的最大值在梁的中点，max8-例10.1.5如图10.1.13(a)所示简支梁，在C点处受大小解：1)求支反力。工M=0,BFl-M=0,Aye得:FAy1图10.1.13简支梁受集中力偶F-F=0ByAyF=FByAy2)列出剪力方程和弯矩方程。F(x)二

19、-F二-MSAyl(0 xl)因C点处有集中力偶，故弯矩需分段考虑。AC段BC段M=-Fx=-ex(0 xa)AylM(x)=-F(lx)=Me(lx)Byl(0 xa，则最大弯矩发生在集中力偶作用处右侧横截面上，m分析以上几例即可得出剪力图和弯矩图规律：1.梁上没有分布载荷时，剪力图为一水平线，弯矩图为一斜直线。斜率为对应的剪力图的值，剪弯矩图向上倾斜（/）；剪力为负时，弯矩图向下倾斜（）。2集中力F作用的截平面上，剪力图发生突变，突变的方向与集中力的作用方向一致；突变幅大小，弯矩图在此面上出现一个尖角。3.梁上有均布载荷作用时，其对应区间的剪力图为斜直线，均布载荷向下时，直线由左上向右斜线

20、的斜率等于均布载荷的载荷集度q。对应的弯矩图为抛物线，剪力图下斜（），弯矩图上凸（/相反。剪力图Q=0的点其弯矩值最大，抛物线部分的最大值等于抛物线起点至最大值点对应的剪M=ql2/8=xx积，如图10.1.12（d）所示，max222。4集中力偶Me作用的截面上，剪力图不变，弯矩图出现突变。Me逆时针时，弯矩图由上向顺时针时，弯矩图由下向上突变。前面总结了集中力、集中力偶和均布力作用时，剪力图和弯矩图的做图规律，下面我们根据这些准确地做出梁的剪力图和弯矩图。例10.1.6简支梁受Pi=3kN，P2=1kN的集中力作用（图10.1.14（a）。已知约束反力Ra二2.5kN，Rb二1.5kN，其

21、他尺寸如图所示。试绘出该梁的剪力图和弯矩图.图10.1.14解：（1）绘剪力图。剪力图从零开始,一般自左向右，逐段画出。根据规律可知，因A点有集中A点剪力图突变，由零向上突变2.5kN，从A点右侧到C点左侧，两点之间无力作用，故剪力图平P直线。因C点有集中力I,故在C点剪力图由2.5kN向下突变3kN，C点左侧的剪力值为2.5kN,C力值为一0.5kN。同样的道理，依次，可完成其剪力图（图10.1.14（b）。需要说明，剪力图最后图中虚线箭头只表示画图走向和突变方向。（2）绘弯矩图。弯矩图也是从零开始，自左向右边，逐段画出。A点因无力偶作用，故无突段剪力图为x轴的上平行线，故其弯矩图为一条从零

22、开始的上斜线，其斜率为2.5（图10.1.14（c）绘图方便而标注），C点的弯矩值为2.5%1二2.5（kNm）。CD段的弯矩图为一条从2.5kN-m开始的下斜线，斜率为0.5，故D点的2.5-0.5x2二1.5（kN-m，同样的道理可画出DB段弯矩图，最后回到零（图10.1.14（c）。例10.1.7外伸梁受力如图10.1.15(a)所示，M=4kNm，P=10kN，Ra=6kN，R其它尺寸如图所示。试绘出梁的剪力图和弯矩图。图10.1.15解:(1)绘剪力图。根据规律画剪力图时可不考虑力偶的影响。因此，绘其剪力图时，从A点零突变6,从6开始画X轴平行线至B点，向上突变16,在画X轴平行线，

23、最后连D点向下突变10而10.1.15(b).(2)绘弯矩图从A点零开始，画斜率为6的下斜线至C点，因C点有力偶作用，故弯矩图有突变上逆下”故向上突变4,在画斜率为6的下斜线至B点，在B点转折，作斜率为10的上斜线至D(图10.1.15(c)。例10.1.8外伸梁受力如图10.1.16(a)所示，已知M=16KN-m，q二2kN/m，P=2K力Ra二7.2KN，Rb二14.8KN，试绘出梁的剪力图和弯矩图，并求距A点4m处截面的剪力和弯解：(1)绘制剪力图。从A点零开始，向上突变7.2,AC段为x轴的平行线。CB段，剪力图从7.2下斜至B点，斜率为左侧的剪力值为8.8，从8.8向上突变14.8

24、，即到B点右侧。BD段剪力图仍为斜率2的下斜线至DD点有集中力P,故向下突变回到零(图10.1.16(b)。剪力图72亠=3.6中Q=0的点可由几何关系求得，如：2(m)。(2)绘弯矩图。AC段弯矩图为一条从零开始的斜率为7.2的上斜线。因C点有力偶，故弯矩图在C点图10.1.16向下突变1.6。CB段剪力图为一条下斜线，故对应的弯矩图为一条从1.6开始的上弯抛物线,对应于Q=0的点，其值可由对应的三角形面积求得7.2x-1.6二11.362B点的值也可由对应的三角形面积求得也可暂不求此值，继续绘图，因B，D点无力偶，故弯矩图直接转折上弯至零，最后利用对应形面积计算该值(6+2)x-二82需要

25、注意，图10.1.16(b)中CB段剪力图能否下斜而过x轴？图10.1.16(c)中的CB段弯矩而过x轴？都可根据图形几何关系预先测算而定。(3)求距A点4m处截面的剪力和弯矩。拉伸区该截面剪力和弯矩可由图中几何关系直接求得。由图10.1.16(b)可知，该截面的剪力Q二2x1.6二3.2(KN)由图10.1.16(c)可知，该截面的弯矩M=11.36-.；.=8.8(KN-m)由上述各例可以看出，绘制剪力图和弯矩图的基本过程为：熟记规律，从左至右，从零开始,标值判定(是否突变)，最终回零。第二节梁的弯曲强度计算一纯弯曲时梁横截面上的正应力前面对梁弯曲时横截面上的内力进行了分析讨论。为了进行梁

26、的强度计算，还需要进一步研究应力情况。通常梁的横截面上既有弯矩又有剪力，这种弯曲称为剪切弯曲。若梁的横截面上只有弯则梁的横截面上仅有正应力而无切应力。这种弯曲称为纯弯曲。梁纯弯曲的强度主要决定于截面上切应力居于次要地位。所以这里只讨论梁在纯弯曲时横截面上的正应力。要想分析正应力的分布规律并计算正应力，先是通过实验，观察其变形，提出假设。在这个基用几何变形，物理和静力学关系，找出变形及其应力的变化规律而推导出应力计算公式。、实验观察取一矩形截面直杆，实验前，在梁的侧面上，画上垂直于梁轴的横向线=1*ROMANI=1I和=2*ROMANII=2*ROMANII及平行于梁轴的纵向线ab和cd,然后在

27、梁的纵向对称平加集中力偶M,使梁产生纯弯曲。如图10.2.1所示。梁发生弯曲变形后，我们可以观察到以下现象1、横向线ac和bd仍是直线且仍与梁的轴线正交，只是相互倾斜了一个角度2、纵向线ab和cd(包括轴线)都变成了弧线。且ab变成ab后缩短了，cd变成cd后伸长了3、梁横截面的宽度发生了微小变形,在压缩区变宽了些,压缩区中性轴图10.2.1梁的弯曲试验图10.2.2梁的中性层根据上述现象，可对梁的变形提出如下假设：平面假设：梁弯曲变形时，其横截面仍保持平面，且绕某轴转过了一个微小的角度。单向受力假设：设梁由无数纵向纤维组成，则这些纤维处于单向受拉或单向受压状态。可以看出，梁下部的纵向纤维受拉

28、伸长，上部的纵向纤维受压缩短，其间必有一层纤维既不伸这层纤维称为中性层。中性层和横截面的交线称为中性轴。如图10.2.2所示。（二）、变形的几何关系由于纯弯曲时，各层纵向纤维受到轴向拉伸和压缩的作用，因此材料的应力和应变的关系应符定律O=Es由上式可知，若搞清应力分布规律，必须搞清应变3的变化规律，为此，将变形后的梁中取一微段来如图10.2.3所示。两截面=1*ROMANI=1*ROMANI和=2*ROMANII=2*ROMA平行的，现在相互倾斜了一个微小角度d。图中O为中性层，设其曲率半径为卩，Cd到中性层形后中性层纤维长度仍为dx且dx=pd。距中性层为y,则纵向线cd的线应变为：_Acd

29、_cd一cd_（p+y）d0-pdG_ydG_y=cdcdpd0pd0p即梁内任一纵向纤维的线应变8与它到中性层的距离y成正比。（三）、变形的物理关系由单向受力假设，当正应力不超过材料的比例极限时，将虎克定律代入上式，得:c=Es=EP(10.2.1)上式表明了横截面上正应力的分布规律，即：横截面上任一点处的正应力与它到中性轴的距离中性层距离相同的点，正应力相等；距离中性层越远，正应力越大；中性轴上各点的正应力为零，截面上各点的正应力分布情况，如图10.2.4所示。为了准确计算正应力值，必须确定中性轴的位置与的大小，而这又需要通过应力与内力间的静力学关系来解决。（四）、静力学关系In图10.2

30、.3弯曲变形图10.2.4弯曲正应力的分布规律梁发生纯弯曲时，横截面上只有弯矩而无剪力，且弯曲变形时横截面绕中性轴Z转动。所以，横截力合成的结果只有一个对中性轴Z的弯矩M,而沿梁轴线的分量和对横截面对称轴的弯矩均为零。通过对静力学和截面形心进行分析可得如下结论：纯弯曲时，横截面的中性轴必须通过截面的形心。纯弯曲时，中性轴的曲率半径的计算公式为1_MPEIZ（10.2.2）式中，EIz值越大，则梁弯曲的曲率半径P越大，中性轴的曲率就越小，也就是梁的弯曲变形EIZ值越小，则梁的弯曲变形越大。因此,EIZ值的大小反映了梁抵抗弯曲变形的能力，故EIZ称刚度。将式（10.2.2）带入（1021）中，得到

31、纯弯曲梁横截面上任意一点正应力的计算公式为:(10.2.3)M为截面上的弯矩；y为截面上所求应力点到中性轴的距离；Iz为横截面对中性轴Z的惯性矩。Iz是一个仅与横截面形状和尺寸有关的几何量，可以通过理论计算来求得。一般地，各种平面IZ都求出并列表备用，使用时直接查表即可。上式是梁纯弯曲时横截面上任一点的正应力计算公式。应用时M及y均可用绝对值代入，至于应力是拉应力还是压应力，可根据梁的变形情况，由纤维的伸缩来确定，即以中性轴为界，梁变形侧受拉应力，靠凹的一侧受压应力。也可根据弯矩的正负来判断，当弯矩为正时，中性轴以下部分以上部分受压应力，弯矩为负时，则相反。由公式10.2.2可知，横截面上最大

32、正应力发生在距中性点处。即(10.2.4)(10.2.5)WZ称为抗弯截面模量，也是衡量截面抗弯强度的一个几何量，其值与横截面的形状和尺寸有:式（1022）和（1023）是纯弯曲梁的两个重要公式，前者用于计算梁的变形，后者用于计算梁应力。弯曲正应力计算公式是梁在纯弯曲的情况下导出来的。对于一般的梁来说，横截面上除弯矩夕在，这样的弯曲称为剪切弯曲。在剪切弯曲时，横截面将发生翘曲，平截面假设不再成立。但较精明，对于跨度1与截面高度h之比/h5的梁，计算其正应力所得结果误差很小。在工程上常用的比远大于5,因此，计算式可足够精确地推广应用于剪切弯曲的情况。例10.2.1如图10.2.5（a）所示矩形截

33、面简支梁。已知：F=5kN,d=180mm,bh=60mm。试分别求将截面竖放和横放时梁截面上的最大正应力。-片忌t(b)If5kNA/.oneJK(c)5图10.2.5简支梁受力解：1）求支座反力。根据外力平衡条件列平衡方程，可解得支座反力为F二F二5KNAyBy2）画出剪力图和弯矩图，如图1025（b）、（c）所示。可见，在CD段横截面上剪力为零，故弯曲段，截面上弯矩值为M=M=900N-mTOC o 1-5 h zmaxc3）竖放时最大正应力。先由表10.2.1中查得矩形截面的截面弯曲系Wz的计算公式，代入式可求出竖放时横截面上的最大正应力为=50 x106Pa=50MPaMM900 H

34、YPERLINK l bookmark186 C=maxWbh20.03x0.062Z66同理可求得横放时横截面上的最大正应力为900=100 x106Pa=100MPamaxybh260.06x0.0326由此例可知：矩形截面梁的横截面放置方位不同，其最大正应力值也不同，即梁的弯曲强度不面梁的横截面竖放比横放时强度高。二梁的弯曲强度计算在进行梁的强度计算时，由于梁上的应力一般是随截面位置的不同而变化的，因此应首先找出在截面，即危险截面以及求出最大应力。max。一般情况下，对于等截面直梁，其危险点在弯矩最大上下边缘处，即最大正应力所在处。（一）、强度条件为了使梁安全可靠的工作，危险点的最大工作

35、应力不能超过梁所用材料的许用应力，强度条件为：bmaxMmaxWb(10.2.6)式中，bmax为危险点的应力；Mmax、WZ分别为危险截面的弯矩和拉弯截面系数；为梁材料的许用应力。考虑到材料的力学性质和截面的几何性质，判定危险点的位置是建立强度条件的主要问题。（二）、关于危险点的讨论1、对称截面若截面对称于中性轴，则称为对称截面，否则称为非对称截面。对于塑性材料，其许用拉应力力相同。对称截面塑性材料的危险点可以选择距中性轴最远端的任一点计算。对于许用拉应力和许用压应力不同的脆性材料，由于脆性材料的许用压应力大于许用拉应力，算受拉边的最大应力值。Clmax2、非对称截面对于塑性材料，危险点一定

36、出现在距中性轴最远处,所以这种情况下只需计算一个危险点。MCyCmaxImaxZ对于脆性材料，需要结合弯矩的正负及截面形状分别计算。如果距中性轴最远处的是受拉边则个危险点；如果距中性轴最远处的是受压边则需要计算两个危险点。其强度条件为:_MCLmaxlmaxIzlmaxCl式中，lmax_MCCmaxymax/yCymaxyzymax分别为最大拉应力和最大压应力;Ll和Cy分别为许用拉应力和许用压应力;ylmax和yymax分别是拉应力和压应力一侧最远点到中性轴的距离。（三）、强度条件三类问题与拉压强度条件应用相似，弯曲强度条件同样可以用来解决以下三类问题。强度校核验算梁的强度是否满足强度条件

37、，判断梁在工作时是否安全。M入脱=。截面设计根据梁的最大载荷和材料的许用应力，确定梁截面的尺寸和形状，或选用合适的2w(b)Qs:_5(C)M/:确定许用载荷根据梁截面的形状和尺寸及许用应力，确定梁可承受的最大弯矩，再由弯矩系确定梁的许用载荷。对于非对称截面，需按公式解：(1)画其受力图(见图10.2.6(b)。(2)绘制剪力图(见图10.2.6(c).图10.2.6T形铸铁梁例10.2.2图10.2.6(a)所示，托架为一T形截面的铸铁梁。已知截面对中性轴z1.35%107mm4,P=4.5kN，铸铁的弯曲许用应力&i=40MPa,广2=80MPa，若略去梁的自校核梁的强度。(3)绘制弯矩图

38、(见图10.2.6(d)，并求最大弯矩值Mplmax=4.5(kN.m)(4)校核强度TOC o 1-5 h zM4.5X106、ng二maxy二x60二20(MPa)vQlmaxIlmax1.35x107iZg二y二4.5X106X150二50(MPa)vQymax/max1.35X107yZ所以此铸铁梁的强度足够。例10.2.3一矩形截面简支梁(见图10.2.7(a),b=200mm,h=300mm,心4m,ct=梁能承受的许可均布载荷q。图10.2.7简支梁解：(1)求支座反力。ql2绘剪力图(10.2.7(b)。绘弯矩图(1027(c)，并求最大弯矩。M=x42=2q(kN-m)max

39、88确定许可载荷MWgmaxZTI7bh2200 x3002W=Z66=3x106(mm3)2qx1063x106x10q687cm3，故可选用32a号工字钢，查得其截面面积为67.156cm2若采用矩形截面。bh22b3二-6-=丁=687(Cm3):沁二i0(cm)12h=2b=20(cm)A=bh=200(cm2)比较两梁的重量。在材料和长度相同的条件下，梁的重量之比等于截面面积之比,A200宀cc矩二二2.98A67.156工即矩形截面的梁的重量是工字钢截面梁的2.98倍。第三节拉伸(压缩)与弯曲组合的强度计算前面讨论了杆件在拉伸(压缩)、和弯曲变形时的强度和刚度计算。但在工程实际中，

40、许多构件用时，将同时产生两种或两种以上的基本变形。例如建筑物的边柱，机械工程中的夹紧装置，皮带我们把杆件在外力作用下同时产生两种或两种以上的基本变形称为组合变形。工程中许多受拉(压发生弯曲变形，称为拉(压)弯组合变形。处理组合变形问题的基本方法是叠加法，先将组合变形变形，再分别考虑在每一种基本变形情况下产生的应力和变形，最后再叠加起来。组合变形强度计般如下：外力分析将外力分解或简化为几种基本变形的受力情况；内力分析分别计算每种基本变形的内力，画出内力图，并确定危险截面的位置；应力分析在危险截面上根据各种基本变形的应力分布规律，确定出危险点的位置及其应力建立强度条件将各基本变形情况下的应力叠加，

41、然后建立强度条件进行计算。F面举例说明拉(压)弯组合变形的强度计算。A例10.3.1悬臂吊车的计算简图如图10.3.1a所示，横梁AC用工字钢制成。已知最大吊重P=15kN,ri_ylBc的许用应力b0MPa,试选择工字钢型号。fl|TfI二m.亘Ak住图10.3.1横梁AC的内力及应用解：(1)外力分析：取横梁AB为研究对象，受力分析如图10.3.1(b)所示。当小车移到点C时不利的受力状态，此时由平衡条件知：Tlsina一PlAB二0ACTpiT二AClsinaAB15x4sin30ox2.5宓=0和Fy=0，可解出:H二H二Tcosa二41.57kNABR二RP二TsinaP二9kNAB

42、将外力分解两组，分别产生两种基本功变形，一组由Ha、HB产生的压缩变形（图10.3.1C）,组由产生的弯曲变形（图10.3.ie）。（2）内力分析：分别绘制轴力图（图io.3.1d）和弯矩图（图10.3.1g）。由内力图可知，B截面为其上的内力值绝对值分别为：N=41.57kNM二Px1.5二15x1.5二2.25kNmmaxfff（3）应力分析：B截面由轴向力产生的压应力&和由弯矩产生的正应力&分布如图1o.3.1f所为叠加后的应力分布。可见，危险点在B截面的下边缘处，为压应力。最大压应力值为：TOC o 1-5 h zNM4157022500 HYPERLINK l bookmark252

43、 &=&+&=+max二+maxAWAW HYPERLINK l bookmark254 ZZ（4）选择工字钢型号：因为上式中的横截面面积A和抗弯截面模量Wz均为未知数，一般情弯曲正应力条件选择截面，再按组合变形进行校核。由弯曲条件得22.5x103100 x106_225x106m3_225cm3查型钢表选取20a工字钢，其A=35.5cm2,Wz=237cm3。按组合变形校核强度:&_41570+22500_106.6MPa&max35.5x10-4237x10-6在工程中，如果&max不超过口的5%,-般是允许的。这里（&max一Gb/GL6.6%，偏于不选取20b号工字钢，其A=39.

44、5cm2,Wz=250cm3，则&_41570+22500_100.5MPamax39.5x10-4250 x10-6&max只超过&L勺0.25%,故选用20b号工字钢能满足梁的要求。例10.3.2小型压力机的铸铁框架如图10.3.2所示。已知材料的许用拉应力J：30MPa,LL160MPay。试按立柱的强度确定压力机的最大许可压力P。立柱的截面尺寸如图，其中O为形心I=5310cm3,面积A=15xlO-3cm2。y何3心图10.3.2立柱的受力分析及应力图解：（1）外力分析：由于外力P与床身立柱的轴线平行但不重合，故立柱受偏心拉伸作用。（2）内力分析：如图10.3.2所示，由截面法可得:

45、M=(0.35+z)P二(0.35+0.075)P二0.425Py0可见，立柱实质上承受轴向拉伸和弯曲组合变形。（3）应力分析：如图10.3.2所示，由轴力N引起的正应力沿横截面均匀分布，其值为:NPx103Pff由弯矩My引起的正应力L沿y方向分布如图所示。其值分别为:maxMA=425Px103x.75=0.6PMPa5310 x10-8（拉）ffbmaxMZ1=0425Px103xO.125=ipMpa5310 x10-8（压）fffb与b叠加后得到总应力b，仍在截面内侧有最大拉应力，外侧有最大压应力，其值分别为Pb二b+b二+0.6P二0.667PMPamax（拉）b二P二-0.933

46、MPamax15（压）（4）由强度条件确定许可载荷:由抗拉强度条件blblmax得:lbPi0.6670.66730二45kN由抗压强度条件bmaxymaxmax15P-=171.5kN得:P0.9330.933为使立柱同时满足抗拉和抗压强度条件，压力P不应超过45kN。第四节梁的弯曲变形及刚度计算梁与其它受力杆件一样，除了要满足强度条件外，还要满足刚度条件。使其工作时变形不致过引起振动，影响机器的运转精度，甚至导致失效。例如图10.4.1所示，齿轮轴的弯曲变形过大，就的正常啮合，加速齿轮的磨损，并使轴与轴承配合不好，造成传动不稳定，减少寿命。另一方面，有可利用的一面。如车辆上的钢板弹簧，需要

47、足够大变形以缓和车辆受到的冲击和震动，为了限制变形，就必须掌握梁的变形计算。图10.4.1齿轮轴图10.4.2梁的挠曲线一、弯曲变形的挠度与转角直梁在平面弯曲时，其轴线将在加载平面内弯成一条光滑的平面曲线，该曲线称为梁的挠曲线。所示。梁任意横截面形心沿y轴方向的线位移，称为挠度，用y表示，通常规定：向上为正，向下弯曲变形属于小变形，梁横截面形心沿x轴方向的位移很小，可忽略不计。在弯曲过程中，梁任一横截面相对于原来位置所转过的角度，称为转角，用0表示，通常规定正，顺时针为负。二、梁的挠曲线方程为了表达梁的挠度与转角随着截面位置不同而变化的规律，取梁变形前的轴线为x轴，与x轴轴为y轴，如图1042

48、所示。则挠曲线方程可表示为：(10.4.1)在忽略剪力对变形影响的情况下，横截面在变形后仍垂直于挠曲线。这样，任一截面的转角0线在该截面处的切线与X轴的夹角。由于0很小，所以有0=tan0(10.4.2)式(1042)称为梁的转角方程，它反映了挠度和转角的关系。由上可知，如果知道了梁的挠曲线方程和转角方程，梁各截面的挠度和转角也就知道了。三、用叠加法求梁的变形在梁服从胡克定律的条件下，梁的挠曲线方程和转角方程均与载荷成线性关系。因此，梁在复下的变形，可将其看成是几种简单载荷分别作用下的叠加。用叠加法可计算复杂载荷作用下梁的变别计算每一种载荷单独作用时引起的梁的挠度和转角，然后，再把同一截面的转

49、角和挠度代数相加些载荷共同作用下的该截面的挠度和转角。为简化计算，工程技术人员已经把梁在各种典型的简单载荷作用下的挠度和转角计算公式求出的计算表中，如表10.4.1，实际应用时只需查表选用即可。图10.4.3例10.4.1等直梁AB,已知分布载荷q,集中力P,长度1及抗弯刚度EIz。试求C点白解：用叠加法求C点的挠度，分别画出均布力q和集中力P单独作用时的计算简图。查表10.4.1，当均布载荷q单独作用时，C点的挠度为:yc15q14（负号说明挠度向下）384EIZ当F单独作用时，C点的挠度为:Pl3y=c248EIZ根据叠加原理得q和P共同作用时的挠度:y二y,+y2cclc25ql4Pl3

50、384EI48EIZZ四、梁的弯曲刚度条件为了保证受弯梁能安全工作，必须限制梁上最大挠度和最大转角不超过许用值，即梁的刚度ymaxyebmax(10.4.3)式中，y为许可挠度；创为许可转角。有关数据可参考有关规范及手册来确定y值和设计时，通常根据强度条件，结构要求，确定梁的截面尺寸，然后，校核其刚度，对于刚度要其截面尺寸往往由刚度条件决定。例10.4.2如图10.4.4(a)所示为一电动机轴，已知F=2.5kN,q二4kN/m，跨度1=0.5m,a材料弹性模量E=200GPa，许用应力80MPa,C截面的许用挠度】y=0.4mm，试设计轴解：1)按强度条件设计轴径。先画出弯矩图，如图10.4

51、.4(b)所示，求得最大弯矩为|M=Fa=2.5x103x0.2=500N.mmax根据强度条件求得MO=max=:32x5003=3.99x10-2m=3.99mmnx80 x106取d=40mm,则有图10.4.42)轴的刚度进行较核。如图10.4.4(c)、(d)所示，由叠加法求C截面的挠度得Fal25qly=y+y=一=0.182mmLy_lc丿CF丿Cq16EI384EI因此，轴径取d=40mm可同时满足强度、刚度要求。五、提高梁的承载能力由前面分析可知，梁的变形与跨度1的高次方成正比，与截面惯性矩1成反比；又由强度条件可知，梁的弯曲强度与梁的最大弯矩Mmax和弯曲截面系数WZ有关，

52、所以，降低最大弯矩Mmax或面模量Wz，均能提高强度。由此可见，为提高梁的承载能力，除合理地施加载荷和安排支承位置，和变形外，主要应从增大1和W，以及减小跨度等方面采取措施，以使梁的设计经济合理。工程上几项措施。（1）采用合理的截面形状在截面面积即材料重量相同时，应采用1和W较大的截面形状，即截面积分布应尽量远离中性性轴较远处正应力较大，而靠近中性轴处正应力很小，这部分材料没有被充分利用。若将靠近中性移到离中性轴较远处，如将矩形改为工字形截面，则可提高惯性矩和抗弯截面模量，即提高抗弯能实心圆截面若改为面积相等的圆环形截面也可提高承载能力。此外，合理的截面形状应使截面上的最大拉应力和最大压应力同

53、时达到相应的许用应力值。对压强度相等的塑性材料，宜采用中性轴是对称轴的截面（工字形）。对于抗拉和抗压强度不相等的脆性用中性轴不对称的截面（如T字形或槽形）。（2）采用变截面梁除上述材料在梁的某一截面合理安排外，还有一个材料沿梁的轴线如何合理安排问题。等截面的截面尺寸是由最大弯矩决定的。故除最大弯矩所在截面外，其余部分材料未被充分利省材料和减轻重量，可采用变截面梁，即在弯矩较大的部位采用较大的截面，在弯矩较小的部位采面。（3）、减小跨度或增加支承因梁的变形与梁的跨度1高次方成正比，故减小跨度是提高梁抗弯强度和抗弯刚度的有效措施车工件时在工件的自由端加装尾架顶针即为此目的。第五节疲劳破坏一、动载荷

54、和交变应力（一）动载荷的概念在研究直杆的拉（压）、梁的弯曲和圆轴的扭转等的变形和强度时，都是把外载荷的大小和方向时间变化来对待的。这种大小和方向不随时间而变化的载荷称为静载荷。然而在工程实际中，大多时所受到的载荷并不是静载荷。如互相啮合的齿轮、内燃机的连杆、高速旋转的砂轮等等，在工作荷明显要随时间而变化，或者是短时间内有突变，这种载荷称为动载荷。（二）交变应力工程中许多构件处于随时间作周期性变化的应力下工作，成周期性变化的应力称为交变应力。轮齿每啮合一次，齿根A点的弯曲应力就由零变化到某一最大值，然后再回到零（如图10.5.1）。齿时，A点的应力即作周期变化。又如图10.5.2（a）中的转轴，

55、虽然所受载荷F的大小和方向并不随时由于轴的转动，截面A的弯曲应力也随时间作周期变化（图b），其变化规律如图c所示。这种随性变化的应力，称为交变应力。交变应力每重复变化一次称为一个应力循环，如图10.5.3所示，重数称为循环次数。图中表示应力变化的曲线称为应力循环曲线。为了能直观地反映交变应力的变化分析受动载荷作用地轴及杆件的强度，就要分析交变应力循环的规律和类型。5图10.5.2转动圆轴的交变应力1、交变应力的参数应力变化过程中，最小应力bmin和最大应力bmax之比称为循环特性，用r表示r二一minmax最大应力和最小应力的平均值称为平均应力，用Qm表示-minmax最大应力和最小应力的代数

56、差的半称为应力幅最大应力和最小应力的代数差的一半称为应力幅，用Qa对称循环的交变应力。特征为非对称循环的交变应力。为:脉动循环的交变应力。丫=mi=0max在非对称循环中，最小应力等于零的交变应力。此时,QQmaxmin22、交变应力的类型工程中常见的交变应力的类型有以下几种:应力循环中最大应力和最小应力大小相等，而符号相反的交变应力,min1Qmax应力循环中最大应力与最小应力数值不等的交变应力，其应力Q丫minQmax实践证明，在交变应力作用下的构件，虽然其内部的应力低于材料的屈服点应力，但即使是塑性也会发生断裂，只是破坏时没有明显的塑性变形。在交变应力作用下，构件发生断裂的现象称为疲二、

57、疲劳破坏构件在交变应力作用下发生的破坏现象，称为“疲劳破坏”或“疲劳失效”，简称疲劳。疲劳失效用下的强度失效，有着本质的区别。在交变应力作用下，经过一定的应力反复变化后，在构件内最于屈服点时，构件也会发生突然的断裂。即使塑性好的材料，在断裂前也没有明显的塑性变形。如构件疲劳破坏时的断口示意图。从图中可看出，疲劳破坏的断口有两个截然不同的区域，即光滑区这种断口特征，可根据疲劳破坏的成因来解释。（一）疲劳破坏的特点与原因简述疲劳失效与静载作用下的强度破坏有很大的差别。大量实验结果以及实际构件的疲劳失效现象表明，构件在交变应力作用下发生疲劳失效时，具有以下明显的特征：1即使交变应力的最大值小于材料的

58、强度极限，甚至屈服点时，构件在经过一定次数的应力循发生破坏；2即使是塑性材料，破坏时也无显著变形，而是发生突然脆性断裂；3疲劳破坏断口具有明显的光滑区和粗糙区。光滑区是裂纹扩展所致，粗糙区是裂缝前沿应力然脆断所致。如图10.6.3所示。形成这种破坏特点的原因通常是：当交变应力经过了一定次数的循环后，在构件上最大应力处处就产生了细微的裂纹源。有时材料表面的加工痕迹、缺陷等本身就是裂纹源。随着应力循环次数纹逐渐扩大；在应力交替过程中，裂纹两表面的材料时而压紧，时而分开，不断反复，从而形成了滑区域。随着裂纹的不断扩展，构件的有效承载面积将随之减小，并在裂纹交口处形成高度的应力纹扩大到一定程度后，就会在某次偶然的振动或冲击下，发生突然的脆性断裂，从而形成断口处的区域。工程中大部分零件的损坏都属于疲劳破坏。疲劳破坏是在没有明显塑性变形的情况下突然发生大的危险性，造成的事故是严重的。因此，对交变应力引起的疲劳破坏应引起足够的重视，疲劳计尤为重要。（二）、疲劳极限由上述分析可知，构件发生疲劳失效时，所受到的最大应力低于静载下材料的屈服极限或强度不能用静载强度