第11章拉伸与压缩2.ppt

1、第十一章 轴向拉伸和压缩,11-1 轴向拉伸和压缩的概念和实例,11-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力,11-6 轴向拉伸或压缩时的变形,11-3 材料拉伸时的力学性能,11-4 材料压缩时的力学性能,11-5 轴向拉伸或压缩时的强度计算,11-8 应力集中的概念,11-7 拉伸与压缩的静不定问题,11.1 轴向拉伸和压缩的概念和实例,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。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,受轴向外力作用的等截面直杆拉杆和压杆,1.特点： 作用在杆件上的外力合力的作用线与杆件轴线重合，

2、杆件变形是沿轴线方向的伸长或缩短。,杆的受力简图为,工程中经常遇到承受轴向拉伸或压缩的直杆,一些机器和结构中所用的各种紧固螺栓，在紧固时，要对螺栓施加预紧力，螺栓承受轴向拉力，将发生伸长变形。,工程中经常遇到承受轴向拉伸或压缩的直杆，例如：,由汽缸、活塞、连杆所组成的机构中，不仅连接汽缸缸体和汽缸盖的螺栓承受轴向拉力，带动活塞运动的连杆由于两端都是铰链约束，因而也是承受轴向载荷的杆件。,工程实例,11.2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力,材料力学中所研究的内力物体内各质点间原来相互作用的力由于物体受外力作用而改变的量。,1 横截面上的内力,根据可变形固体的连续性假设，内力在物体内连续分布

3、。,通常把物体内任一截面两侧相邻部分之间分布内力的合力和合力偶（主矢和主矩）简称为该截面上的内力(实为分布内力系的合成)。,如何确定轴向拉伸（压缩）的内力和内力图？,截面法,FN 轴向力，简称轴力,FN 拉压杆件截面上分布内力系的合力， 作用线与杆件的轴线重合， 单位: kN,FN 轴力正负号规定及其他注意点,1、同一位置处左右侧截面上的内力分量必须具有相同的正负号,2、轴力以拉（效果）为正，压（效果）为负,符号为正,符号为负,3、如果杆件受到外力多于两个，则杆件的不同部分上的 横截面有不同的轴力,截面法求轴力,绘制轴力图,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

4、离体的作用力；,（3）根据分离体的平衡求出内力值。,步骤：,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。 轴力的正负也可以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（轴力与截面外法线同向为正，反之为负）。,轴力图(FN图)显示横截面上轴力与横截面位置的关系。,例题11-1 试作此杆的轴力图。,等直杆的受力示意图,(a),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：,为方便

5、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),轴力图(FN图)显示了各段杆横截面上的轴力。,思考：为何在F1，F2，F3作用着的B，C，D 截面处轴力图 发生突变？能否认为C 截面上的轴力为 55 kN？,例题11- 2,试求直杆在外力作用下I-I II-II III-III截面的轴力,解,取I-I截面左侧为自由体，进行受力分析，轴力预先设为正（拉）：,列平衡方程求 FN1,FN1 = 5kN，正拉负压,同法求II截面上的内力,列平衡方程求 FN2,若取截面的右侧则:,注意:同一位置处左右侧截面上的内力分

6、量必须具有相同的正负号,同法求III截面上的内力,可取右侧计算较为简单。,将内力沿杆件轴线方向变化的规律用曲线表示 内力图,将轴力沿杆件轴线方向变化的规律用曲线表示 轴力图,内力图的两种画法,课堂练习（时间 3分钟）,试画出下列直杆的轴力图,2 横截面上的应力,杆件的强度不仅与轴力的大小有关，还与杆件的横截面的面积有关。必须用应力来比较和判断杆件的强度。,观察中间部分，拉伸变形后，竖线仍然相互平行，只是发生了平移,平面假设: 变形前为平面的横截面变形后仍保持平面且垂直于轴线,由上述假设，拉杆的所有纵向纤维的伸长都是相同的,根据胡克定律,横截面上的各点正应力亦相等，且分布均匀,思考- 横截面上有

7、没有切应力？,大写小写英文注音国际音标注音中文注音 sigma sigma 西格马 epsilon epsilon 伊普西龙,横截面上的各点正应力亦相等，且分布均匀,有,得到横截面上正应力公式为:,适用条件： A、轴向拉压；B、离杆件受力区域较远处的横截面。,正应力，拉应力为“+”，压应力为“”,FN 轴力 A 横截面面积,* 公式同样适用于杆件横面尺寸沿轴线缓慢变化的变截面直杆。,x 是横截面的位置。,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

8、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。,3） 圣维南(Saint-Venant)原理：“力作用于杆端方式的不同，只会使与杆端距离不大于杆的横向尺寸的范围内受到影响”。,3. 圣维南原理,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,例题11- 5,阶梯杆OD, 左端固定，受力如图所示， OC 段的横截面面积是 CD 段横截面面积 A 的两倍,求杆内最大的轴力和最大正应力的大小及其位置。,1、求反力,易知 O处反力仅有水平方向的分量 FOx,2、画出轴力图,因此

9、 FNmax=3F 在OB段，性质为拉力,3、计算应力,最大应力位于CD段,最大轴力的位置并不一定是最大应力的位置。,4.斜截面上的应力,拉(压)杆斜截面上的应力,斜截面上的内力：,变形假设：两平行的斜截面在杆受拉(压)而变形后仍相互平行。=两平行的斜截面之间的所有纵向线段伸长变形相同。,斜截面上的总应力：,推论：斜截面上各点处轴向分布内力的集度相同，即斜截面上各点处的总应力pa相等。,式中， 为拉(压)杆横截面上(a =0)的正应力。,斜截面上的正应力(normal stress)和切应力(shearing stress)：,正应力和切应力的正负规定：,一、 实验的基本情况,要对杆件进行强度

10、、刚度分析，除了要进行应力和变形计算以外，还必须了解组成杆件材料的力学性能。,材料的力学性能是指: 材料在外力作用下表现出来的变形、破坏等方面的特性。它主要通过实验来测定。实验均是在常温下，宜缓慢平稳的方式进行加载的，也称为常温静载试验。,11.3 材料拉伸时的力学性能,1. 拉伸试验的目的,A、测定低碳钢拉伸的力学性能。,B、测定灰口铸铁的抗拉强度。,2. 试验仪器,A、液压式万能试验机,C、观察低碳钢拉伸过程中的各种现象，并绘制拉伸曲线。,B、游标卡尺,灰口铸铁 (gray cast iron) :灰口铸铁是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，全部或大部分碳以片状石墨形态存在，断口呈灰

11、暗色，因此得名，它包括一般灰口铸铁(简称灰铸铁)、孕育铸铁、稀土灰口铸铁等。,3. 液压式万能试验机,万能试验机,4.试件和实验条件,试件和实验条件,常温、静载,1）拉伸试验的试件,国家标准GB639786金属拉伸试验试样,试件中段用于测量拉伸变形，此段长度称为“标距”L0，两端较粗部分是夹持部分，为装入试验机夹头用。,长试件：,短试件：,1. 低碳钢拉伸试验的过程,（1）在画线器上对试件画上标距，并在其内分若干等分格。,（2）量试件直径。,（3）估计所需要的最大载荷，选择测力度盘。,（4）调整试验机，装卡试件。,（5）加载，观察试件拉伸时的四个阶段，记录数据，绘制F -DL曲线。,（6）关闭

12、送油阀，关闭油泵电机,打开回油阀，取下试件。,（7）测量断后数据，分析整理数据。,低碳钢的拉伸,二、低碳钢拉伸时的力学性能,2. s-e 曲线图,由测量得到的F -DL曲线可以转换为s-e 曲线。,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,3. 低碳钢Q235拉伸曲线的四个阶段,对低碳钢Q235试件进行拉伸试验，通过s-e 曲线，整个试验过程可以分为四个阶段:,弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 局部变形（颈缩）阶段,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。,弹性阶段,Oa段应力与应变成正比,弹性模量E是直线Oa的斜率,直线部分的最高点a所

13、对应的应力称为 比例极限，sp,Oa段材料处于线弹性阶段,ab段不再为直线，但解除拉力后变形仍可完全消失（弹性变形），材料只出现弹性变形的极限值-弹性极限，st,当应力大于弹性极限后，若再解除拉力，则试样会议留下一部分不能消失的变形-塑性变形。,(2) 阶段屈服阶段,在此阶段伸长变形急剧增大，但抗力只在很小范围内波动。,应力基本保持不变，应变显著增加屈服/流动,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的条纹，这是由于材料内部相对滑移形成的，称为滑移线( ，当=45时a 的绝对值最大)。,屈服阶段,在屈服阶段内的最高应力和最低应力称为上屈服极限和下屈服极限

14、。,上屈服极限的数值与试件形状、加载速度等因素有关，一般是不稳定的。,下屈服极限则有比较稳定的数值，能够反映材料的性能,屈服阶段,通常把下屈服极限称为屈服极限或屈服点,材料屈服表现为显著的塑性变形，而零件的塑性变形将影响机器的正常工作，所以屈服极限是衡量材料强度的重要指标,Q235 ss=235MPa,(3) 阶段强化阶段,强化阶段,过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形，必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。,最高点e所对应的应力：,材料所能承受的最大应力，称为 强度极限或抗拉极限，它是衡量材料强度的另一个重要指标。,在强化阶段中，试样的横向尺寸有明显的缩小。,(4) 阶段

15、局部变形阶段 试样上出现局部收缩颈缩，并导致断裂。,局部变形/颈缩阶段,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,低碳钢拉伸破坏断口,5. 伸长率和断面收缩率,断后伸长率,断面收缩率,为塑性材料,为脆性材料,低碳钢的,为塑性材料,psipsai普西,deltadelt德尔塔,6. 卸载定律及冷作硬化,如果把试件拉

16、到超过屈服极限的d点:,此时卸载,应力应变关系沿dd回到d点,dd与Oa平行,卸载过程中，应力和应变按照直线规律变化 这就是卸载定律,1、弹性范围内卸载、再加载,2、过弹性范围卸载、再加载,即材料在卸载过程中应力和应变是线形关系，这就是卸载定律。,卸载后短期内再次加载:,可见在再次加载时，直到d点以前的材料的变形都是弹性的，过了d点才开始出现塑性变形。,第二次加载时，其比例极限得到了提高，但是塑性变形和延伸率却有所下降，这种现象称为冷作硬化,工程中经常利用冷作硬化来提高材料的弹性阶段，如起重的钢丝绳和建筑用的钢筋，常以冷拔工艺提高强度。又如对某些零件进行喷丸处理，使其表面发生塑性变形，形成冷硬

17、层，以提高零件表面层的强度。但另一方面，零件初加工后，由于冷作硬化使材料变硬变脆，给下一步加工造成困难，很容易产生裂纹，往往需要在工序之间安排退火，以消除冷作硬化的影响。,7. 其他塑性材料拉伸时的力学性能,有些材料 明显的四个阶段,有些材料 没有屈服、颈缩阶段，但有弹性阶段和强化阶段,对于没有明显屈服点的塑性材料，规定以产生0.2%的塑性应变时的应力作为屈服指标，称为名义屈服点。,由se曲线可见：,8. 铸铁的拉伸力学性能,铸铁拉伸的应力应变曲线,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试样拉断时横截面 上的真实应力。,铸铁拉伸时的应力应变曲线,

18、11.4 材料压缩时的力学性能,试件和实验条件,常温、静载,一、低碳钢压缩,金属材料的压缩试样一般都制成很短的圆柱，以免被压弯(参考16 章压杆稳定)，圆柱高度约为直径的1.33倍。混凝土、石料等则制成立方体的试块。,粗短圆柱体：h0=13d0,低碳钢压缩变扁，不会断裂，由于两端摩擦力影响，形成“腰鼓形”。,低碳钢压缩的应力应变曲线,在屈服阶段以前，低碳钢压缩力学性能与拉伸力学系能相同。在屈服阶段以后，试件越压越扁，横截面面积不断增大，抗压能力也继续增高，因而测不出压缩时的强度极限。,二、铸铁压缩,铸铁压缩的应力应变曲线,压缩后破坏的形式:,破坏面与轴线大约成 45 55,与拉伸比较,铸铁抗压

19、的强度比抗拉高45倍,其他脆性材料抗压强度也远高于抗拉强度。,脆性材料的抗拉与抗压性质不完全相同,对于脆性材料（如铸铁），压缩时的应力应变曲线为微弯的曲线，试件压断前出现明显的屈服现象，并沿着与轴线4555度的斜面压断。,c压缩强度极限（约为800MPa）。它是衡量脆性材料（铸铁）压缩的唯一强度指标。远大于拉伸时的强度极限,三、部分常用材料的主要力学性能,一、 安全系数和许用应力,要使构件有足够的强度，工作应力应小于材料破坏时的极限应力,工作应力,为了保证构件的正常工作和安全，必须使构件有必要的强度储备。即工作应力应小于材料破坏时的极限应力的若干分之一。,11.5 轴向拉伸或压缩时的强度计算,

20、由于,(1) 主客观之间存在差距。如材质不均，载荷计算不精确,构件尺寸变化，计算简图与实际结构的差异,(2) 考虑强度储备。考虑可能遇到意外事故或其它不利情况，如超载,工作条件恶劣,腐蚀等。,故引入安全因数,把极限应力打一个折扣，其具体值应根据构件的材料和具体的工作环境,并结合实验和现实技术水平综合确定.,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,二、 强度条件,要使拉压杆有足够的强度，要求杆内的最大工作应力不超过材料的许用应力，即强度条件为,根据强度条件，可以解决三类问题:,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

21、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。FN,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,例题8-11,图示吊环， 载荷F=1000kN，两边的斜杆均由两个横截面为矩形的钢杆构成，杆的厚度和宽度分别为b=25mm，h=90mm，斜杆的轴线与吊环对称，轴线间的夹角为=200 。钢的许用应力为=120MPa。试校核斜杆的强度。,解：1、计算各杆件的轴力。研究节点A为的平衡,由于结构的对称性，两杆轴力相等,2、强度校核

22、 由于斜杆由两个矩形杆构成，故A=2bh，工作应力为,斜杆强度足够,11.6 轴向拉伸或压缩时的变形,1、纵向变形（轴向变形）,基本情况下(等直杆，两端受轴向力)：,杆件在轴线方向的伸长,纵向应变,直杆在其轴线的外力作用下，纵向发生伸长或缩短变形，而其横向变形相应变细或变粗,由胡克定律,得到轴向拉压变形公式,纵向总变形l （反映绝对变形量）,纵向线应变 （反映变形程度）,公式的适用条件,1）线弹性范围以内，材料符合胡克定律,2）在计算杆件的伸长时，l 长度内其FN、A、l 均应为常数，若为变截面杆或阶梯杆，则应进行分段计算或积分计算。,胡克定律,罗伯特胡克（Robert Hooke，1635.

23、7.181703.3.3）于1635年7月18日出生于英格兰南部威特岛的弗雷施瓦特。父亲是当地的教区牧师。胡克从小体弱多病，性格怪僻但却心灵手巧，酷爱摆弄机械，自制过木钟、可以开炮的小战舰等。十岁时，胡克对机械学发生了强烈的兴趣，并为日后在实验物理学方面的发展打下了良好的基础。1648年，胡克的父亲逝世后，家道中落。十三岁的胡克被送到伦敦一个油画匠家里当学徒，后来作过教堂唱诗班的领唱，还当过富豪的侍从。在威斯特敏斯特学校校长的热心帮助下，胡克修完了中学课程。1653年，胡克进入牛津大学里奥尔学院作为工读生学习。在这里，他结识了一些颇有才华的科学界人士。这些人后来大都成为英国皇家学会的骨干。此时

24、的胡克热心于参加医生和学者活动小组，并且显露出独特的实验才能。1655年胡克成为牛津大学威力斯（1621-1675年，英国医学家、脑及神经科专家）的助手，还被推荐到玻意耳的实验室工作。由于他的实验才能，1662年被任命为皇家学会的实验主持人，为每次聚会安排三、四个实验，1663年获硕士学位，同年被选为皇家学会正式会员，又兼任了学会陈列室管理员和图书管理员。1665年，胡克担任格列夏姆学院几何学、地质学教授，并从事天文观测工作。1666年伦敦大火后，他担任测量员以及伦敦市政检查官，参加了伦敦重建工作。1677年至1683年就任英国皇家学会秘书并负责出版会刊。学会的工作条件使他在当时自然科学的前沿

25、（如机械仪器改制、弹性、重力、光学，乃至生物、建筑、化学、地质等方面）做出了自己的贡献。1676年，胡克发表了著名的弹性定律。1703年3月3日，胡克逝世于伦敦，终年68岁。,试验表明，对于工程中常用材料制成的杆件，在弹性范围内加载时（构件只发生弹性变形），若所取单元体只承受单方向正应力或只承受切应力，则正应力与线应变以及切应力与切应变之间存在线性关系。,E-材料的杨氏弹性模量,G-材料的切变模量,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)，单位为Pa；EA 杆的拉伸(压缩

26、)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,ab表示a与b成正比例。例如，在v=s/t 中，v与s成正比，我们可以写作vs。,横向也会发生变形,横向应变,通过试验发现，当材料在弹性范围内时，拉压杆的纵向应变和横向应变存在如下的比例关系,泊松比,泊松比 m 、弹性模量 E 、切变模量G 都是材料的弹性常数，可以通过实验测得。对于各向同性材料，可以证明三者之间存在着下面的关系,2、 横向变形,2.横截面B, C及端面D的纵向位移与各段杆的纵向总变形是什么关系？,思考：等直杆受力如图，已知杆的横截面面积A和材

27、料的 弹性模量E。,1.列出各段杆的纵向总变形lAB，lBC，lCD以及整个杆纵向变形的表达式。,位移：,变形：,例题8-10,如图所示阶梯形直杆，已知该杆AB段横截面面积A1=800mm2，BC段横截面面积A2=240mm2，杆件材料的弹性模量E=200GPa，求该杆的总伸长量。,1）求出轴力，并画出轴力图,2）求伸长量,mm,伸长,缩短,缩短,一、 静不定的概念,结构按静力学特性可以分成静定结构和静不定结构两类。,如图所示，求固定端的约束反力,平面任意力系，通过静力学平衡方程可以解出全部的三个约束反力。,若在C处增加一个约束,则无法仅通过静力学平衡方程求出全部的四个未知力。,11.7 拉伸

28、与压缩的静不定问题,若结构的全部约束反力和内力都可由静力平衡方程求得，称为静定结构。,若结构的约束反力与内力不能仅仅根据静力平衡方程求出，称为静不定结构或超静定结构。,比较上下两图，下面的图中是在上面的图中增加了一个约束。在静定结构上增加的约束，称为多余约束。相应的反力称为多余约束力。,多余约束并不“多余”，通过增加多余约束，可提高安全度，减少变形。,超静定次数：,约束反力（轴力）多于独立平衡方程的数,独立平衡方程数：,平面一般力系： 3个平衡方程,平面汇交力系： 2个平衡方程,平面平行力系：2个平衡方程,平面共线力系：1个平衡方程,2. 拉压静不定问题,如图所示，求三杆的轴力,问题:,这个结构是静定的还是静不定的？,如果是静不定问题，那么有静不定次数是多少?,这个结构是 次静不定。,1,先对A点进行受力分析，写出2个平衡方程。,2个方程不能求3个未知量，还需要增加一个补充方程。,通过三杆的变形及A点的位移找出变形协调方程 补充方程,变形几何关系,设AC杆长为l 得到变形协调方程,结合前面的静力学方程,得到结果是,一般拉压静不定问题的基本步骤,1、根据静力学原理列出独立的平衡方程；,2、根据变形与约束应互相协调的要求列出变形几何方程；,3、列出物理关系，这通常是胡克定律；,4、从2、3两项得到补充方程；,5、联立求解平衡方程和补充方程，即得到问题的解答。,3、温度应力,