《扭转变形教学》课件

扭转变形教学欢迎来到扭转变形教学的PPT课件！本课程旨在全面讲解扭转变形的基本概念、原理、计算方法以及工程应用。通过本课程的学习，您将掌握扭转力矩、扭转刚度、扭转切应力等核心概念，并能运用这些知识解决实际工程问题。我们将结合理论知识、实例分析和实验验证，帮助您深入理解扭转变形的本质，提高分析和解决相关问题的能力。希望通过本课件的学习，您能对扭转变形有更深刻的认识，为未来的工程实践打下坚实的基础。什么是扭转变形？定义与概念定义扭转变形是指物体在受到扭转力矩作用时，其横截面绕轴线发生相对转动的现象。这种变形主要发生在轴类零件和一些薄壁结构中。扭转变形的大小通常用扭转角来衡量，表示横截面的相对转动角度。概念扭转变形的核心概念包括扭转力矩、扭转刚度、扭转切应力等。扭转力矩是引起扭转变形的外力作用；扭转刚度是材料抵抗扭转变形的能力；扭转切应力是横截面上由扭转力矩引起的内力。理解这些概念是掌握扭转变形的基础。扭转变形的基本原理1圣维南原理圣维南原理指出，如果作用在物体上的力系用一个静力等效的力系代替，则在离力作用点足够远的地方，物体的应力分布几乎不受影响。这一原理简化了扭转问题的分析，使我们能够集中研究截面上的应力分布。2平面假设对于圆轴扭转，平面假设认为，在扭转变形过程中，横截面仍然保持为平面，且半径保持为直线。这一假设是推导圆轴扭转公式的基础，简化了应力应变的计算。3胡克定律在弹性范围内，材料的扭转切应力与扭转角呈线性关系，符合胡克定律。这意味着扭转力矩与扭转角之间存在比例关系，可以通过材料的扭转刚度来描述。扭转力矩的计算外力分析首先，需要分析作用在物体上的外力，确定哪些力会引起扭转变形。这些外力通常表现为力偶或扭转力矩，需要将其转化为等效的扭转力矩。截面法采用截面法，将物体沿横截面切开，研究截面上的内力。根据静力平衡条件，可以计算出截面上的扭转力矩。公式计算根据扭转力矩的定义，可以采用公式T=F*d来计算，其中T是扭转力矩，F是作用力，d是力臂。对于复杂的结构，可能需要进行分段计算。扭转刚度的概念定义扭转刚度是指物体抵抗扭转变形的能力，通常用单位扭转角所需的扭转力矩来表示。扭转刚度越大，物体抵抗扭转变形的能力越强。计算公式扭转刚度的计算公式为GJ，其中G是材料的剪切模量，J是截面的极惯性矩。剪切模量反映了材料的抗剪切能力，极惯性矩反映了截面的几何特性。影响因素影响扭转刚度的因素主要包括材料的剪切模量和截面的几何形状。材料的剪切模量越大，截面的极惯性矩越大，扭转刚度越大。扭转角与长度的关系线性关系在弹性范围内，扭转角与长度呈线性关系。这意味着，对于均匀截面的轴，单位长度上的扭转角是相同的。计算公式扭转角的计算公式为φ=TL/GJ，其中φ是扭转角，T是扭转力矩，L是轴的长度，G是材料的剪切模量，J是截面的极惯性矩。应用通过测量扭转角，可以反推出轴的扭转力矩或材料的剪切模量。这一关系在工程实践中有着广泛的应用，例如扭矩传感器的设计。圆轴扭转变形的特点平面假设横截面保持为平面，且半径保持为直线。1切应力分布切应力沿半径线性分布，中心处为零，表面处最大。2扭转角扭转角与长度呈线性关系。3非圆轴扭转变形的复杂性1翘曲变形横截面不再保持为平面，发生翘曲变形。2应力集中在尖角处出现应力集中现象。3计算困难理论计算较为复杂，通常需要借助数值方法。扭转切应力的分布规律圆轴对于圆轴，扭转切应力沿半径线性分布，中心处为零，表面处最大。其计算公式为τ=Tρ/J，其中τ是扭转切应力，T是扭转力矩，ρ是半径，J是截面的极惯性矩。非圆轴对于非圆轴，扭转切应力的分布较为复杂，通常需要借助数值方法进行计算。在尖角处，切应力会发生集中，导致结构容易失效。扭转截面模量的定义与计算定义扭转截面模量是指截面抵抗扭转变形的能力，通常用Wt表示。扭转截面模量越大，截面抵抗扭转变形的能力越强。计算公式扭转截面模量的计算公式为Wt=J/r，其中J是截面的极惯性矩，r是截面的最大半径。对于圆轴，Wt=πd^3/16，其中d是轴的直径。应用扭转截面模量在轴的设计中有着重要的应用，可以用来计算轴的最大扭转切应力，从而判断轴的强度是否满足要求。最大扭转切应力的确定公式计算对于圆轴，最大扭转切应力的计算公式为τmax=T/Wt，其中T是扭转力矩，Wt是扭转截面模量。通过该公式，可以快速计算出轴的最大扭转切应力。数值方法对于非圆轴，最大扭转切应力的确定通常需要借助数值方法，例如有限元分析。通过有限元分析，可以得到截面上应力的分布，从而确定最大扭转切应力的位置和大小。实验测量通过实验测量，也可以确定最大扭转切应力。常用的方法包括应变片法和光弹性法。这些方法可以直接测量截面上的应变或应力，从而确定最大扭转切应力。材料的扭转强度理论1第一强度理论最大拉应力理论，认为材料的破坏是由最大拉应力引起的。2第二强度理论最大伸长线应变理论，认为材料的破坏是由最大伸长线应变引起的。3第三强度理论最大切应力理论，认为材料的破坏是由最大切应力引起的。该理论在扭转问题中应用广泛。4第四强度理论畸变能理论，认为材料的破坏是由畸变能引起的。该理论是目前应用最为广泛的强度理论。扭转屈服强度的重要性定义扭转屈服强度是指材料在扭转作用下开始发生塑性变形的应力值。它是衡量材料抵抗扭转塑性变形能力的重要指标。重要性在工程设计中，需要保证结构在工作过程中不发生塑性变形，因此扭转屈服强度是一个重要的设计参数。通过控制最大扭转切应力低于扭转屈服强度，可以保证结构的安全可靠。扭转失效的模式脆性断裂材料在扭转作用下突然断裂，断口通常垂直于轴线。塑性屈服材料在扭转作用下发生塑性变形，导致结构功能失效。疲劳断裂材料在循环扭转作用下逐渐断裂，断口通常有明显的疲劳条纹。影响扭转强度的因素1材料材料的种类和热处理状态对扭转强度有显著影响。高强度合金钢通常具有更高的扭转强度。2几何形状截面的几何形状，如圆轴、方轴等，以及截面的尺寸，都会影响扭转强度。圆轴通常具有更高的扭转强度。3表面状态表面的粗糙程度、缺陷等都会影响扭转强度。表面粗糙或存在缺陷容易引起应力集中，导致扭转强度降低。工程实例：轴的扭转设计确定载荷1选择材料2计算尺寸3校核强度4轴的材料选择钢材常用材料，如45钢、40Cr等，具有良好的强度和韧性，适用于一般工况。合金钢高强度合金钢，如40CrNiMoA等，具有更高的强度和耐磨性，适用于重载工况。铸铁灰铸铁、球墨铸铁等，具有良好的减振性和耐磨性，适用于低速重载工况。轴的直径计算强度条件根据强度条件τmax≤[τ]，计算轴的最小直径。刚度条件根据刚度条件φ≤[φ]，计算轴的最小直径。综合考虑综合考虑强度和刚度条件，选择较大的直径作为轴的设计直径。安全系数的考虑定义安全系数是指材料的强度与实际工作应力之比，用于保证结构的安全可靠性。选择安全系数的选择需要综合考虑载荷的性质、材料的性能、以及失效的后果等因素。通常情况下，安全系数取1.5-3.0。影响安全系数越大，结构的安全性越高，但同时也意味着材料的利用率降低，导致成本增加。因此，需要在安全性和经济性之间进行权衡。键连接的扭转分析受力分析分析键的受力情况，确定键所承受的扭转力矩。强度计算计算键的剪切应力和挤压应力，保证键的强度满足要求。设计选择根据强度计算结果，选择合适的键的尺寸和类型。花键连接的特点承载能力强花键连接具有多个齿，可以承受较大的扭转力矩。对中性好花键连接具有良好的对中性，可以保证传动的平稳性。制造复杂花键连接的制造较为复杂，成本较高。联轴器的作用与类型1作用连接两轴，传递动力，补偿两轴的对中误差，减缓冲击和振动。2固定式联轴器刚性联轴器、套筒联轴器、凸缘联轴器等，适用于两轴对中性好的场合。3可移式联轴器齿轮联轴器、万向联轴器、弹性联轴器等，适用于两轴存在对中误差的场合。万向联轴器的原理1十字轴通过十字轴实现两轴的连接。2夹角允许两轴存在一定的夹角。3不匀速存在传动的不匀速性。齿轮传动的扭转分析受力分析分析齿轮的受力情况，确定齿轮所承受的扭转力矩。强度计算计算齿轮的弯曲应力和接触应力，保证齿轮的强度满足要求。皮带传动的扭转分析受力分析分析皮带的受力情况，确定皮带所传递的扭转力矩。张力计算计算皮带的张力，保证皮带的张力满足要求。打滑防止皮带发生打滑现象。螺旋传动的扭转分析受力分析分析螺旋的受力情况，确定螺旋所承受的扭转力矩。效率计算计算螺旋传动的效率，提高传动效率。自锁保证螺旋传动的自锁性能。螺栓连接的扭转分析预紧力施加足够的预紧力，保证连接的可靠性。剪切力计算螺栓的剪切应力，保证螺栓的强度满足要求。摩擦力利用摩擦力传递扭转力矩。扭转试验的方法与步骤1准备准备试验设备和试样。2加载对试样施加扭转力矩。3测量测量扭转力矩和扭转角。4记录记录试验数据。扭转试验设备的介绍扭转试验机用于对材料进行扭转试验的设备。扭矩传感器用于测量扭转力矩的传感器。角度传感器用于测量扭转角的传感器。扭转试验数据的处理与分析数据处理对试验数据进行整理和计算。曲线绘制绘制扭转应力应变曲线。指标计算计算材料的扭转性能指标。扭转应力应变曲线的解读弹性阶段应力与应变成线性关系。屈服阶段应力基本不变，应变迅速增加。强化阶段应力随着应变增加而增加。断裂阶段应力达到最大值，材料断裂。材料的扭转性能指标屈服强度材料开始发生塑性变形的应力值。抗拉强度材料断裂时的应力值。延伸率材料断裂时的塑性变形程度。扭转疲劳的概念定义材料在循环扭转作用下发生的破坏现象。特点应力远低于静载强度，具有突发性，难以预测。扭转残余应力的影响有利可以提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。有害可能导致早期失效。控制需要合理控制残余应力的大小和分布。提高扭转强度的措施1材料选择选择高强度材料。2热处理进行热处理，提高材料的强度和韧性。3表面处理进行表面处理，提高表面的耐磨性和抗腐蚀性。热处理对扭转性能的影响1淬火提高强度和硬度。2回火降低脆性，提高韧性。3退火消除应力，改善塑性。冷作硬化对扭转性能的影响提高强度提高材料的强度和硬度。降低塑性降低材料的塑性和韧性。焊接对扭转性能的影响应力集中焊接区域容易产生应力集中。残余应力焊接会引入残余应力。性能下降焊接可能导致材料性能下降。案例分析：汽车传动轴的扭转设计载荷分析分析传动轴所承受的扭转力矩。材料选择选择高强度合金钢。尺寸计算计算传动轴的直径和壁厚。强度校核校核传动轴的强度和刚度。案例分析：风力发电机叶片的扭转分析气动载荷分析叶片所承受的气动载荷。有限元分析采用有限元分析方法进行扭转分析。优化设计优化叶片的几何形状，提高扭转强度。案例分析：桥梁结构的扭转稳定性荷载分析分析桥梁结构所承受的扭转荷载。稳定性分析进行扭转稳定性分析，保证桥梁的安全可靠性。扭转振动的危害与控制1危害引起噪声，加速磨损，甚至导致结构破坏。2控制采用减振、隔振、阻尼等措施。扭转阻尼的概念1定义阻尼是指系统耗散能量的能力。2类型粘性阻尼、库仑阻尼、结构阻尼等。3作用减小振幅，缩短振动时间。扭转控制的常用方法减振采用减振器等减振元件。隔振采用隔振器等隔振元件。阻尼增加系统的阻尼。扭转传感器的应用测量测量扭转力矩和扭转角。控制用于扭转控制系统。监测用于结构健康监测。扭转控制系统的设计传感器选择合适的扭转传感器。控制器设计合适的控制器。执行器选择合适的执行器。算法编写控制算法。有限元分析在扭转问题中的应用网格划分对结构进行网格划分。边界条件施加边界条件和载荷。求解进行求解计算。ANSYS软件在扭转分析中的操作建模建立结构模型。分析进行扭转分析。后处理查看结果。常见扭转问题的解答圆轴如何计算圆轴的扭转应力？非圆轴如何计算非圆轴的扭转应力？复合轴如何计算复合轴的扭转应力？扭转变形的实验验证实验准备准备实验设备和试样。实验过程进行扭转实验。数据分析分析实验数据，验证理论计算结果。如何提高扭转分析能力学习理论深入学习扭转变形的理论知识。实践应用多做练习，将理论知识应用于实际问题。软件应用熟练掌握有限元分析软件。扭转变形的未来发展趋势新材料新材料的应用将提高扭转强度和刚度。新方法新的分析方法将提高扭转分析的精度和效率。智能化智能化的扭转控制系统将提高结构的安全性。新材料在扭转应用中的