材料力学第二章-轴向拉压课件.ppt
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- 材料力学 第二 轴向 课件
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1、1第二章第二章 轴向拉伸和压缩轴向拉伸和压缩2-1 轴向拉伸与压缩概念与实例轴向拉伸与压缩概念与实例2-2 轴向拉压杆横截面的内力、应力及强度条件轴向拉压杆横截面的内力、应力及强度条件2-5 材料在拉压时的力学性质材料在拉压时的力学性质2-6 轴向拉压杆系的超静定问题轴向拉压杆系的超静定问题2-3 应力集中概念应力集中概念2-4 轴向拉压杆的变形轴向拉压杆的变形 节点的位移节点的位移2一、一、轴向拉压的工程实例轴向拉压的工程实例:工程桁架工程桁架2-1 轴向拉伸与压缩概念与实例轴向拉伸与压缩概念与实例3 活塞杆活塞杆FF厂房的立柱厂房的立柱4二、轴向拉压的概念:二、轴向拉压的概念:(2 2)变
2、形特点:杆沿轴线方向伸长或缩短。)变形特点:杆沿轴线方向伸长或缩短。(1 1)受力特点:)受力特点:FN1FN1FN2FN2外力合力作用线与杆轴线重合外力合力作用线与杆轴线重合。以轴向拉压为主要变形的杆件,称为拉压杆或轴向承载杆。以轴向拉压为主要变形的杆件,称为拉压杆或轴向承载杆。ABCF52-2 轴向拉压杆横截面的内力、应力及强度条件轴向拉压杆横截面的内力、应力及强度条件1.1.内力内力 , 0X0PFNPFN一、轴向拉压杆横截面的内力一、轴向拉压杆横截面的内力 轴力轴力(用(用FN 表示)表示)6例:已知外力 F,求:11截面的内力FN 。解解:FF11X=0, FN - F = 0, F
3、FN(截面法确定)截开截开。代替代替,FN 代替。平衡平衡,FN = F。FNF以11截面的右段为研究对象:内力内力 FN 沿轴线方向,所以称为轴力。沿轴线方向,所以称为轴力。72 2、轴力的符号规定、轴力的符号规定:压缩压缩压力,其轴力为负值。方向指向所在截面。压力,其轴力为负值。方向指向所在截面。拉伸拉伸拉力,其轴力为正值。方向背离所在截面。拉力,其轴力为正值。方向背离所在截面。 FNFFFN()() FNFFFN()()83 3、轴力图:、轴力图:+FNx 直观反映轴力与截面位置变化关系; 确定出最大轴力的数值及其所在位置,即确定危险截面位置,为强度计算提供依据。4 4、轴力图的意义、轴
4、力图的意义轴力沿轴线变化的图形轴力沿轴线变化的图形FF9例例 图示杆的图示杆的A、B、C、D点分别作用着大小为点分别作用着大小为FA = 5 F、 FB = 8 F、 FC = 4 F、 FD= F 的力,方向如图,试求各段内力并画出杆的力,方向如图,试求各段内力并画出杆的轴力图。的轴力图。FN1ABCDFAFBFCFDO解解: 求求OA段内力段内力FN1:设截面如图:设截面如图0 X01NABCDFFFFF 05841NFFFFFFFN21ABCDFAFBFCFD10FN2FN3DFDFN4ABCDFAFBFCFDO求求CD段内力:段内力: 求求BC段内力段内力: 求求AB 段内力:段内力:
5、0 X02DCBNFFFF0 X03DCNFFF04DNFF0 XFN3= 5F,FN4= FFN2= 3F,BCDFBFCFDCDFCFD,21FFNFN2= 3F,FN3= 5F,FN4= F11轴力图如下图示FNx2F3F5FFABCDFAFBFCFDOFN3= 5F,FN4= FFN2= 3F,,21FFN12推导思路:推导思路:实验变形规律应力的分布规律应力的计算公式二、轴向拉压杆横截面的应力二、轴向拉压杆横截面的应力1 1、实验:、实验:变形前变形前受力后受力后FF2 2、变形规律:、变形规律:横向线横向线仍为平行的直线,且间距增大。仍为平行的直线,且间距增大。纵向线纵向线仍为平行
6、的直线,且间距减小。仍为平行的直线,且间距减小。3 3、平面假设、平面假设:变形前的横截面,变形后仍为平面且各横截变形前的横截面,变形后仍为平面且各横截 面沿杆轴线作相对平移面沿杆轴线作相对平移13横向线仍为平行的直线,且间距增大。纵向线仍为平行的直线,且间距减小。14横向线仍为平行的直线,且间距减小大。纵向线仍为平行的直线,且间距增大。155 5、应力的计算公式、应力的计算公式:AFN轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式4 4、应力的分布规律、应力的分布规律内力沿横截面均匀分布内力沿横截面均匀分布NFAF NFNAorANoraPmN2aMPmmN2167 7
7、、正应力的符号规定、正应力的符号规定同内力同内力拉应力为正值,方向背离所在截面。拉应力为正值,方向背离所在截面。压应力为负值,方向指向所在截面。压应力为负值,方向指向所在截面。6 6、拉压杆内最大的正应力:、拉压杆内最大的正应力:等直杆:等直杆:AFN maxmax变直杆:变直杆:maxmaxAFN8 8、公式的使用条件、公式的使用条件(1) 轴向拉压杆轴向拉压杆(2) 除外力作用点附近以外其它各点处。除外力作用点附近以外其它各点处。 (范围:不超过杆的横向尺寸)(范围:不超过杆的横向尺寸)17三、轴向拉压杆任意斜面上应力的计算三、轴向拉压杆任意斜面上应力的计算1 1、斜截面上应力确定、斜截面
8、上应力确定(1) (1) 内力确定:内力确定:(2)(2)应力确定:应力确定:应力分布均布应力公式coscoscosAFAFAFpNFN = = FFpFFFFNxFN182 2、符号规定、符号规定、:斜截面外法线与 x 轴的夹角。由 x 轴逆时针转到斜截面外法线“” 为正值;由 x 轴顺时针转到斜截面外法线“”为负值、:同“”的符号规定、:在保留段内任取一点,如果“”对该点之矩为顺时针方向,则规定为正值,反之为负值。2coscos p2sin2sin ppcoscoscosAFAFAFpNF193 3、斜截面上最大应力值的确定、斜截面上最大应力值的确定:)1(max:)2(max,0max)
9、0(,横截面上。横截面上。0452max)2( ,45 ,450 0斜截面上。斜截面上。,cos22sin2FFNx20njx(其中(其中 n 为安全系数为安全系数, ,值值 1 1)、安全系数取值考虑的因素、安全系数取值考虑的因素:(a)给构件足够的安全储备。)给构件足够的安全储备。(b)理论与实际的差异。)理论与实际的差异。、极限应力、极限应力(危险应力、失效应力):材料发生破坏或产生(危险应力、失效应力):材料发生破坏或产生过大变形而不能安全工作时的最小应力值。过大变形而不能安全工作时的最小应力值。“jx”(u u、0 0)、许用应力、许用应力:构件安全工作时的最大应力。:构件安全工作时
10、的最大应力。“ ”1 1、极限应力、许用应力、极限应力、许用应力四、拉压杆的强度计算四、拉压杆的强度计算212 2、强度条件:最大工作应力小于等于许用应力、强度条件:最大工作应力小于等于许用应力等直杆等直杆:AFN maxmax变直杆变直杆:maxmaxAFN max22(3 3)确定外荷载确定外荷载已知:已知: 、A。求:。求:F。FNmax A。 F(2 2)、)、设计截面尺寸设计截面尺寸已知:已知:F、 。求:。求:A解解: AFN maxmaxA F FNmax 。3 3、强度条件的应用:、强度条件的应用: (解决三类问题):(解决三类问题):(1 1)、)、校核强度校核强度已知:已知
11、:F、A、 。求:。求:解:解: AFN maxmax? max?解:解:AFN maxmax23例例 已知一圆杆受拉力已知一圆杆受拉力F =25 k N,直径,直径 d =14mm,许用应力,许用应力 =170MPa,试校核此杆是否满足强度要求,试校核此杆是否满足强度要求(校核强度校核强度) )。解解:1、轴力、轴力FN =F =25kNAFNmax2、应力、应力:3、强度校核强度校核: 170MPa162MPamax此杆满足强度要求,能够正常工作。此杆满足强度要求,能够正常工作。FF25KNXFN24d F23014014310254.MPa16224例例 已知简单构架:杆已知简单构架:杆
12、1 1、2 2截面积截面积 A1=A2=100 mm2,材料的许材料的许用拉应力用拉应力 t =200 MPa,许用压应力,许用压应力 c =150 MPa 试求:载荷试求:载荷F F的许用值的许用值 F25解:解:1. 轴力分析轴力分析0 , 0 yxFF由由)( 2N1拉拉伸伸FF)( N2压缩压缩FF2,t1t11AFAFNkN 14.142t1 AFkN 0 .15c2 AFc2AFkN 14.14 F2. 利用强度条件确定利用强度条件确定F(A1=A2=100 mm2,许用拉应力,许用拉应力 t =200 MPa,许用压应力,许用压应力 c =150 MPa)26例例 已知已知:l,
13、 h, F(0 x l), AC为刚性梁为刚性梁, , 斜撑杆斜撑杆 BD 的许用应力为的许用应力为 .试求:为使杆试求:为使杆 BD 重量最轻重量最轻, , q 的最佳值的最佳值. .斜撑杆斜撑杆27,解:解:1. 斜撑杆受力分析斜撑杆受力分析 cos , 0NhFxFMA cosmaxN,hFlF 2. q 最佳值的确定最佳值的确定 cosmaxN,minhFlFA 2sin2sincosminFlhhFllAVBDBD 45 opt12sin maxN,FA由强度条件由强度条件欲使欲使VBD 最小最小28例例 试求薄壁圆环在内压力作用下径向横截面上的环向拉应试求薄壁圆环在内压力作用下径向
14、横截面上的环向拉应力。已知力。已知: 。MPa2 mm,5 mm,200pd 可认为径向截面上的拉应力沿壁厚均匀分布dbA解:解:dbp292RNFF 根据对称性可得,径截面上内力处处相等dyFN FN dppFR 300RsindFF40MPa2(5mm)MPa)(200mm2()d2(ddbpFpbddpb)sind2(02NpbdF AFN2)2(1pdpbdbddyFN FN pFR 31由于截面急剧变化引起应力局部增大现象由于截面急剧变化引起应力局部增大现象应力集中应力集中应力集中因数0maxK max最大局部应力最大局部应力 0 0 名义应力名义应力(净截面上的平均应力)净截面上的
15、平均应力)应力集中2-3 2-3 应力集中概念应力集中概念32应力集中对构件强度的影响应力集中对构件强度的影响对于脆性材料构件,当对于脆性材料构件,当 max b 时,构件断裂时,构件断裂对于塑性材料构件,当对于塑性材料构件,当 max达到达到 s 后再增加载荷,后再增加载荷, 分布趋于均匀化,不影响构件静强度分布趋于均匀化,不影响构件静强度应力集中促使疲劳裂纹的形成与扩展,对构件应力集中促使疲劳裂纹的形成与扩展,对构件 (塑性与脆性材料)的疲劳强度影响极大(塑性与脆性材料)的疲劳强度影响极大332-4 轴向拉压杆的变形轴向拉压杆的变形 节点的位移节点的位移一、轴向拉压杆的变形一、轴向拉压杆的
16、变形 1 1、轴向变形:轴向尺寸的伸长或缩短。、轴向变形:轴向尺寸的伸长或缩短。2 2、横向变形:横向尺寸的缩小或扩大。、横向变形:横向尺寸的缩小或扩大。34LL1 1、轴向变形、轴向变形:(1 1)轴向线应变:)轴向线应变:(2 2)虎克定律)虎克定律: :EALFLN(虎克定律的另一种表达方式虎克定律的另一种表达方式)分析两种变形分析两种变形L1L1aa1bb EAFN ll EA抗拉(压)刚度抗拉(压)刚度 l伸长为正,缩短为负伸长为正,缩短为负L= L1 - L ,在弹性范围内在弹性范围内,)( p时时当当352 2、横向变形:、横向变形:bbb1横向线应变:aa横向变形系数(泊松比)
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