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文档简介

1、武汉生物工程学院机电工程系 机械教研室,材料力学,主讲教师:叶大萌,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,2.1 轴力与轴力图,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,工程中有很多构件,例如屋架中的杆,是等直杆,作用于杆上的外力的合力的作用线与杆的轴线重合,这种载荷称为轴向载荷。在这种受力情况下,杆的主要变形形式是轴向伸长或缩短。,屋架结构简图,桁架的示意图,受轴向外力作用的等截面直杆拉杆和压杆,(未考虑端部连接情况),第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,截面法、轴力及轴力图,FN=F,(1)假想地截开指定截面;,(2)用内力代替另一部分对所取分离体的作用力;,(3)根据分离体的平

2、衡求出内力值。,步骤:,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,横截面mm上的内力FN其作用线与杆的轴线重合(垂直于横截面并通过其形心)轴力。无论取横截面mm的左边或右边为分离体均可。 轴力的正负按所对应的纵向变形为伸长或缩短规定: 当轴力背离截面产生伸长变形为正;反之,当轴力指向截面产生缩短变形为负。,轴力背离截面FN=+F,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,用截面法求内力的过程中,在截取分离体前,作用于物体上的外力(荷载)不能任意移动或用静力等效的相当力系替代。,轴力指向截面FN=-F,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,轴力图(FN图)显示横截面上轴力与横截面位置的关系。

3、,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,例题2-1 试作此杆的轴力图。,等直杆的受力示意图,(a),第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,为求轴力方便,先求出约束力 FR=10 kN,为方便,取横截面11左边为分离体,假设轴力为拉力,得 FN1=10 kN(拉力),解:,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,为方便取截面33右边为分离体,假设轴力为拉力。,FN2=50 kN(拉力),FN3=-5 kN (压力),同理,FN4=20 kN (拉力),第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,轴力图(FN图)显示了各段杆横截面上的轴力。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,2.2

4、 轴向载荷作用下杆件横截面上的应力,.应力的概念,受力杆件(物体)某一截面的M点附近微面积A上分布内力的平均集度即平均应力, ,其方向和大小一般而言,随所取A的大小而不同。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,该截面上M点处分布内力的集度为 ,其方向一般既不与截面垂直,也不与截面相切,称为总应力。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,总应力,法向分量,正应力s,某一截面上法向分布内力在某一点处的集度,切向分量,切应力t,某一截面上切向分布内力在某一点处的集度,应力单位:Pa(1 Pa = 1 N/m2,1 MPa = 106 Pa)。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,.拉

5、(压)杆横截面上的应力,(1) 与轴力相应的只可能是正应力s,与切应力无关;,(2) s在横截面上的变化规律横截面上各点处s 相等时可组成通过横截面形心的法向分布内力的合力轴力FN。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,为此:,1. 观察等直杆表面上相邻两条横向线在杆受拉(压)后的相对位移:两横向线仍为直线,仍相互平行,且仍垂直于杆的轴线。,2. 设想横向线为杆的横截面与杆的表面的交线。平截面假设原为平面的横截面在杆变形后仍为平面,对于拉(压)杆且仍相互平行,仍垂直于轴线。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,3. 推论:拉(压)杆受力后任意两个横截面之间纵向线段的伸长(缩短)变形

6、是均匀的。根据对材料的均匀、连续假设进一步推知,拉(压)杆横截面上的内力均匀分布,亦即横截面上各点处的正应力s 都相等。,4. 等截面拉(压)杆横截面上正应力的计算公式 。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,注意:,1. 上述正应力计算公式来自于平截面假设;对于某些特定杆件,例如锲形变截面杆,受拉伸(压缩)时,平截面假设不成立,故原则上不宜用上式计算其横截面上的正应力。,2. 即使是等直杆,在外力作用点附近,横截面上的应力情况复杂,实际上也不能应用上述公式。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,例题2-2 试求此正方形砖柱由于荷载引起的横截面上的最大工作应力。已知F = 50 k

7、N。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,段柱横截面上的正应力,所以,最大工作应力为 smax= s2= -1.1 MPa (压应力),解:段柱横截面上的正应力,(压应力),(压应力),第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,2.3 最简单的强度问题 (强度条件安全因数许用应力),以上分析了轴向载荷作用下杆件横截面上的应力,在计算出拉压杆横截面上的正应力后,可能有以下几方面的问题: (1)在给定载荷和材料的情形下,怎样判断结构能否安全可靠的工作? (2)如果材料是未知的,在所得到的应力水平下,构件选用什么材料,才能保证结构可以安全可靠地工作? (3)如果载荷是未知的,在给定杆件截面尺寸

8、和材料的情形下,怎样确定结构所能承受的最大载荷? 这些问题都是强度设计所涉及的内容。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,. 拉(压)杆的强度条件,强度条件保证拉(压)杆在使用寿命内不发生强度破坏的条件:,其中:smax拉(压)杆的最大工作应力, s材料拉伸(压缩)时的许用应力。,第二章 轴向拉伸和压缩,. 材料的拉、压许用应力,塑性材料:,脆性材料:许用拉应力,其中,ns对应于屈服极限的安全因数.,其中,nb对应于拉、压强度的安全因数.,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,. 关于安全因数的考虑,(1) 考虑强度条件中一些量的变异。如极限应力(ss,sp0.2,sb,sbc)的变

9、异,构件横截面尺寸的变异,荷载的变异,以及计算简图与实际结构的差异。,(2) 考虑强度储备。计及使用寿命内可能遇到意外事故或其它不利情况,也计及构件的重要性及破坏的后果。,安全因数的大致范围:静荷载下,,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,常用材料的许用应力约值(适用于常温、静荷载和一般工作条件下的拉杆和压杆),轴向拉伸,轴向压缩,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,. 强度计算的三种类型,(2) 截面选择 已知拉(压)杆材料及所受荷载,按强度条件求杆件横截面面积或尺寸。,(3) 计算许可荷载 已知拉(压)杆材料和横截面尺寸,按强度条件确定杆所能容许的最大轴力,进而计算许可荷载。F

10、N,max=As ,由FN,max计算相应的荷载。,(1) 强度校核 已知拉(压)杆材料、横截面尺寸及所受荷载,检验能否满足强度条件 对于等截面直杆即为,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,例题2-3 试选择计算简图如图中(a)所示桁架的钢拉杆DI的直径d。已知:F =16 kN,s=120 MPa。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,2. 求所需横截面面积并求钢拉杆所需直径,由于圆钢的最小直径为10 mm,故钢拉杆DI采用f10圆钢。,解:1. 由图中(b)所示分离体的平衡方程得,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,例题2-4 图中(a)所示三角架(计算简图),杆AC由两

11、根80 mm 80 mm7 mm等边角钢组成,杆AB由两根10号工字钢组成。两种型钢的材料均为Q235钢,s=170 MPa。试求许可荷载F。,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,解 : 1. 根据结点 A 的受力图(图b),得平衡方程:,(拉),(压),解得,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,2. 计算各杆的许可轴力,先由型钢表查出相应等边角钢和工字钢的横截面面积,再乘以2得,由强度条件 得各杆的许可轴力:,杆AC的横截面面积,杆AB的横截面面积,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,3. 求三角架的许可荷载,先按每根杆的许可轴力求各自相应的许可荷载:,此例题中给出的许用应

12、力s=170 MPa是关于强度的许用应力;对于受压杆AB 实际上还需考虑其稳定性,此时的许用应力将小于强度许用应力。,该三角架的许可荷载应是F1 和 F2中的小者,所以,第二章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题,2.4 轴向载荷作用下的变形计算 胡克定律,拉(压)杆的纵向变形,基本情况下(等直杆,两端受轴向力):,纵向总变形l = l1-l (反映绝对变形量),纵向线应变 (反映变形程度),第二章 轴向拉伸和压缩,引进比例常数E,且注意到F = FN,有,胡克定律(Hookes law),适用于拉(压)杆。,式中:E 称为弹性模量(modulus of elasticity),由实验测定,其单

13、位为Pa;EA 杆的拉伸(压缩)刚度。,胡克定律(Hookes law),工程中常用材料制成的拉(压)杆,当应力不超过材料的某一特征值(“比例极限”)时,若两端受力,第二章 轴向拉伸和压缩,胡克定律的另一表达形式:,单轴应力状态下的胡克定律,第二章 轴向拉伸和压缩,低碳钢(Q235):,低碳钢(Q235):n = 0.240.28。,亦即,横向变形因数(泊松比)(Poissons ratio),单轴应力状态下,当应力不超过材料的比例极限时,某一方向的线应变e 与和该方向垂直的方向(横向)的线应变e的绝对值之比为一常数,此比值称为横向变形因数或泊松比(Poissons ratio):,第二章 轴

14、向拉伸和压缩,2.5 两种典型材料拉伸时的力学性能,. 材料的拉伸和压缩试验,拉伸试样,圆截面试样:l = 10d 或 l = 5d(工作段长度称为标距)。,矩形截面试样: 或 。,第二章 轴向拉伸和压缩,实验装置(万能试验机),第二章 轴向拉伸和压缩,. 低碳钢试样的拉伸图及低碳钢的力学性能,拉伸图,纵坐标试样的抗力F(通常称为荷载),横坐标试样工作段的伸长量,第二章 轴向拉伸和压缩,低碳钢试样在整个拉伸过程中的四个阶段:,(1) 阶段弹性阶段 变形完全是弹性的,且l与F成线性关系,即此时材料的 力学行为符合胡克定律。,第二章 轴向拉伸和压缩,(2) 阶段屈服阶段,在此阶段伸长变形急剧增大,

15、但抗力只在很小范围内波动。,此阶段产生的变形是不可恢复的所谓塑性变形;在抛光的试样表面上可见大约与轴线成45的滑移线( ,当=45时a 的绝对值最大)。,第二章 轴向拉伸和压缩,(3) 阶段强化阶段,第二章 轴向拉伸和压缩,卸载及再加载规律,若在强化阶段卸载,则卸载过程中Fl关系为直线。可见在强化阶段中,l=le+lp。,卸载后立即再加载时,Fl关系起初基本上仍为直线(cb),直至当初卸载的荷载冷作硬化现象。试样重新受拉时其断裂前所能产生的塑性变形则减小。,第二章 轴向拉伸和压缩,(4) 阶段局部变形阶段 试样上出现局部收缩颈缩,并导致断裂。,第二章 轴向拉伸和压缩,低碳钢的应力应变曲线(s

16、e曲线),为消除试件尺寸的影响,将低碳钢试样拉伸图中的纵坐标和横坐标换算为应力s和应变e,即 , 其中:A试样横截面的原面积, l试样工作段的原长。,第二章 轴向拉伸和压缩,低碳钢 se曲线上的特征点:,比例极限sp(proportional limit),弹性极限se(elastic limit),屈服极限ss (屈服的低限) (yield limit),强度极限sb(拉伸强度)(ultimate strength),Q235钢的主要强度指标:ss = 240 MPa,sb = 390 MPa,第二章 轴向拉伸和压缩,低碳钢拉伸破坏,第二章 轴向拉伸和压缩,低碳钢拉伸试件,低碳钢拉伸破坏断口

17、,第二章 轴向拉伸和压缩,低碳钢的塑性指标:,伸长率,断面收缩率:,A1断口处最小横截面面积。,Q235钢:y60%,第二章 轴向拉伸和压缩,. 其他金属材料在拉伸时的力学性能,第二章 轴向拉伸和压缩,由se曲线可见:,第二章 轴向拉伸和压缩,sp0.2(规定非比例伸长应力,屈服强度),用于无屈服阶段的塑性材料,第二章 轴向拉伸和压缩,割线弹性模量,用于基本上无线弹性阶段的脆性材料,脆性材料拉伸时的唯一强度指标:,sb基本上就是试样拉断时横截面上的真实应力。,第二章 轴向拉伸和压缩,铸铁拉伸时的应力应变曲线,铸铁拉伸破坏断口,第二章 轴向拉伸和压缩,试验设备 :,(1) 万能试验机:强迫试样变

18、形并测定试样的抗力。,(2) 变形仪:将试样的微小变形放大后加以显示的仪器。,压缩试样,圆截面短柱(用于测试金属材料的力学性能),正方形截面短柱(用于测试非金属材料的力学性能),第二章 轴向拉伸和压缩,2.6 两种典型材料压缩时的力学性能,. 金属材料在压缩时的力学性能,低碳钢拉、压时的ss基本相同。,低碳钢压缩时s-e的曲线,第二章 轴向拉伸和压缩,低碳钢材料轴向压缩时的试验现象,第二章 轴向拉伸和压缩,铸铁压缩时的sb和d 均比拉伸时大得多;,不论拉伸和压缩时在较低应力下其力学行为也只近似符合胡克定律。,灰口铸铁压缩时的se曲线,第二章 轴向拉伸和压缩,试样沿着与横截面大致成5055的斜截

19、面发生错动而破坏。,材料按在常温(室温)、静荷载(徐加荷载)下由拉伸试验所得伸长率区分为塑性材料和脆性材料。,第二章 轴向拉伸和压缩,铸铁压缩破坏断口:,第二章 轴向拉伸和压缩,铸铁压缩破坏,. 几种非金属材料的力学性能,(1) 混凝土压缩时的力学性能,使用标准立方体试块测定,第二章 轴向拉伸和压缩,压缩强度sb及破坏形式与端面润滑情况有关。以se曲线上s = 0.4sb的点与原点的连线确定“割线弹性模量”。,混凝土的标号系根据其压缩强度标定,如C20混凝土是指经28天养护后立方体强度不低于20 MPa的混凝土。,压缩强度远大于拉伸强度。,第二章 轴向拉伸和压缩,木材的力学性能具有方向性,为各向异性材料。如认为木材任何方面的力学性能均可由顺纹和横纹两个相互垂直方向的力学性能确定,则又可以认为木材是正交各向异性材料。,松木在顺纹拉伸、压缩和横纹压缩时的s e曲线

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