轴向拉伸与压缩PPT课件.ppt
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1、81 引言引言82 轴力及轴力图轴力及轴力图83 拉压杆的应力与圣维南原理拉压杆的应力与圣维南原理84 材料在拉伸与压缩时的力学性能材料在拉伸与压缩时的力学性能85 集中应力概念集中应力概念86 失效、失效、许用应力与强度条件许用应力与强度条件87 胡克定律与拉压杆的变形胡克定律与拉压杆的变形88 简单拉压静不定问题简单拉压静不定问题89 连接部分的强度计算连接部分的强度计算 第八章第八章 轴向拉伸与压缩轴向拉伸与压缩81 引言引言轴向拉压的外力特点:轴向拉压的外力特点:外力的合力作用线与杆的轴线重合。一、概念一、概念轴向拉压的变形特点:轴向拉压的变形特点:杆的变形主要是轴向伸缩,伴随横向 缩
2、扩。轴向拉伸轴向拉伸:杆的变形是轴向伸长,横向缩短。轴向压缩轴向压缩:杆的变形是轴向缩短,横向变粗。轴向压缩,对应的力称为压力。轴向压缩,对应的力称为压力。轴向拉伸,对应的力称为拉力。轴向拉伸,对应的力称为拉力。力学模型如图力学模型如图PPPP工工程程实实例例二、二、一、内力一、内力 指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间分布内指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间分布内力系的合成(附加内力)。力系的合成(附加内力)。82 轴力及轴力图轴力及轴力图1. 轴力轴力轴向拉压杆的内力,用轴向拉压杆的内力,用N 表示。表示。APP简图APPPAFN截开:截开:代替:代替:反映出轴力与截面位置变化关
3、系,较直观;确定出最大轴力的数值及其所在横截面的位置,即确定危险截面位置,为强度计算提供依据。3、轴力图、轴力图 FN (x) 的图象表示。的图象表示。轴力的正负规定轴力的正负规定: : FN 与外法线同向,为正轴力(拉力)FN与外法线反向,为负轴力(压力)FN0FNFNFN0FNFNFNxP+意意义义2. 轴力计算轴力计算利用截面法计算轴力。利用截面法计算轴力。例例1 图示杆的A、B、C、D点分别作用着大小为5P、8P、4P、 P 的力,方向如图,试画出杆的轴力图。解: 求OA段内力FN1:设置截面如图ABCDPAPBPCPDOABCDPAPBPCPDFN10 X10NABCDFPPPP15
4、840 NFPPPP12NFP同理,求得AB、BC、CD段内力分别为: FN2= 3PFN3= 5PFN4= P轴力图如右图BCDPBPCPDFN2CDPCPDFN3DPDFN4FNx2P3P5PP+轴力(图)的简便求法: 自左向右:轴力图的特点:突变值 = 集中载荷 遇到向左的P, 轴力N 增量为正;遇到向右的P , 轴力N 增量为负。5kN8kN3kN+3kN5kN8kN解:x 坐标向右为正,坐标原点在 自由端。取左侧x 段为对象,内力N(x)为:qq LxO201( )d2xNFxkx xkx 2max1( )2NFxkL 例例2 图示杆长为L,受分布力 q = kx 作用,方向如图,试
5、画出 杆的轴力图。Lq(x)Nxxq(x)FNxO22kL变形前1. 变形规律试验及平面假设:变形规律试验及平面假设:平面假设:平面假设:原为平面的横截面在变形后仍为平面。 纵向纤维变形相同。abcd受载后PP d ac b一、拉(压)杆横截面上的应力一、拉(压)杆横截面上的应力 83 拉压杆拉压杆的应力与圣维南原理的应力与圣维南原理均匀材料、均匀变形,内力当然均匀分布。2. 拉伸应力:拉伸应力:sFN(x)P( ) NFxAs轴力引起的正应力 s s : 在横截面上均布。正应力与轴力有相同的正负号,即拉应力为正,压应力为负。二、拉二、拉(压压)杆斜截面上的应力杆斜截面上的应力设有一等直杆受拉
6、力P作用。求:斜截面k-k上的应力。 PPkka解:采用截面法由平衡方程:则:PpAaaAa:斜截面面积;Pa:斜截面上内力。由几何关系:aaaacos cosAAAA代入上式,得:0coscosPPpAAaaasa即,斜截面上全应力:asacos0pPkkaPa a0PAs这里,pAPaaPPkka斜截面上全应力:asacos0pPkkaPa a分解:pa asasaa20coscos pasaasaaa2sin2sincossin00p反映:通过构件上一点不同截面上应力变化情况。当a = 90时,0)(minas当a = 0,90时,0| mina当a = 0时, )(0maxssa(横截
7、面上存在最大正应力)当a = 45时,2|0maxsa(45 斜截面上剪应力达到最大) a as sa aa a2 2、单元体:、单元体:单元体构件内的点的代表物,是包围被研究点的 无限小的几何体,常用的是正六面体。 单元体的性质a、平行面上,应力均布; b、平行面上,应力相等。3 3、拉压杆内一点、拉压杆内一点M 的应力单元体的应力单元体: :1.1.一点的应力状态:一点的应力状态:过一点有无数的截面,这一点的各个截面 上的应力情况,称为这点的应力状态。补充:补充:sPMs ss ss ss saasassaacossin cos 020取分离体如图3, a 逆时针为正; a 绕研究对象顺时
8、针转为正;由分离体平衡得:asassaa2sin 2 )2cos(1 2 :00或4 4、拉压杆斜截面上的应力、拉压杆斜截面上的应力s ss ss ss saax图3(红色实线为变形前的线,红色虚线为红色实线变形后的形状。)应力分布示意图:三三. 圣维南(圣维南(Saint-Venant)原理原理: 离开载荷作用处一定距离,应力分布与大小不受外载荷作用方式的影响。MPa7 .632 / 4 .1272 /0maxsMPa5 .95)60cos1 (24 .127)2cos1 (20assaMPa2 .5560sin24 .1272sin20asaMPa4 .127 1014. 3100004
9、20APs例例1 1 直径为d =1 cm 杆受拉力P =10 kN的作用,试求最大切应力,并求与横截面夹角30的斜截面上的正应力和切应力。解:拉压杆斜截面上的应力,直接由公式求之: 8 84 4 材料在拉伸与压缩时的力学性能材料在拉伸与压缩时的力学性能一、试验条件及试验仪器一、试验条件及试验仪器1 1、试验条件:常温、试验条件:常温(20)(20);静载(及其缓慢地加载);静载(及其缓慢地加载); 标准试件。标准试件。dh力学性能:材料在外力作用下表现的有关强度、变形方面的特性。2 2、试验仪器:万能材料试验机;变形仪(常用引伸仪)。、试验仪器:万能材料试验机;变形仪(常用引伸仪)。EEAP
10、LLs二、低碳钢试件的拉伸图二、低碳钢试件的拉伸图( (P- - L图图) )三、低碳钢试件的应力三、低碳钢试件的应力-应变曲线应变曲线( (s s - 图图) )EAPLL ( (一一) ) 低碳钢拉伸的线性阶段低碳钢拉伸的线性阶段 ( (oe段段) )1 1、op - - 比例段比例段: : s sp - - 比例极限比例极限EsatgE2 2、pe - -曲线段曲线段: : s se - - 弹性极限弹性极限)(nfs( (二二) ) 低碳钢拉伸的屈服低碳钢拉伸的屈服( (流动)阶段流动)阶段 ( (es 段段) ) e s - -屈服屈服段段: : s ss - -屈服极限屈服极限滑移
11、线:滑移线:塑性材料的失效应力塑性材料的失效应力: :s ss s 。、卸载定律:、卸载定律:、s s-强度强度极限极限、冷作硬化:、冷作硬化:、冷拉时效:、冷拉时效:( (三三) )、低碳钢拉伸的硬化阶段、低碳钢拉伸的硬化阶段 ( ( 段段) ) 1 1、伸长率、伸长率: : 001100LLL2 2、断面收缩率:、断面收缩率: 001100AAA3 3、脆性、塑性及相对性、脆性、塑性及相对性为界以005( (四四) )、低碳钢拉伸的颈缩(断裂)阶段、低碳钢拉伸的颈缩(断裂)阶段 ( (b f 段段) ) s四、无明显屈服现象的塑性材料四、无明显屈服现象的塑性材料 0.20.2s s 0.2
12、名义屈服应力名义屈服应力: : s s 0.20.2 ,即此类材料的失效应力。,即此类材料的失效应力。五、铸铁拉伸时的机械性能五、铸铁拉伸时的机械性能s sL L - -铸铁拉伸强度铸铁拉伸强度极限(失效应力)极限(失效应力)割线斜率 ; tgaEsbLs六、材料压缩时的机械性能六、材料压缩时的机械性能s sy - -铸铁压缩强度铸铁压缩强度极限;极限; s sy (4 4 6 6) s sL 七、温度对材料力学性能的影响七、温度对材料力学性能的影响试验表明,温度对材料的力学性能存在很大影响。8 85 5 应力集中概念应力集中概念 在截面尺寸突变处,应力急剧变大。一、应力集中一、应力集中abc
13、PP 应力集中:由于截面急剧变化所引起的应力局部增大 的现象。二、应力集中对构件强度的影响二、应力集中对构件强度的影响 应力集中的程度用应力集中因数 K 表示,其定义为maxnKssnsmaxs 式中: 为名义应力; 为最大局部应力 (1)对于由脆性材料制成的构件,应力集中现象将一直 保持到最大局部应力到达强度极限之前,因此,在 设计脆性材料构件时,应考虑应力集中的影响。 (2)对于由塑性材料制成的构件,应力集中对其在静载荷 作用下的强度几乎无影响,因此,在研究塑性材料构 件的静强度问题时,通常可以不考虑应力集中的影响。 (3)试验表明,应力集中促使疲劳裂纹的形成和扩展, 因而对构件(无论是塑
14、性还是脆性材料)的疲劳 强度影响极大。因此,在工程设计中,要特别注 意减小构件的应力集中。 交变应力:在机械和工程结构中,许多构件常常受到随 时间循环变化的应力,即所谓交变应力或循 环应力。 疲劳破坏:在交变应力作用下,材料或构件产生可见裂 纹或完全断裂的现象,称为疲劳破坏。 unss许用应力与极限应力的关系为: 极限应力:通常将强度极限与屈服极限应力统称为材料的 极限应力,并用 表示。 8 86 6 失效、许用应力与强度条件失效、许用应力与强度条件u s 工作应力:根据分析计算所得构件之应力,称为工作应力。 许用应力:对于一定材料制成的具体构件,工作应力允许 的最大允许值,称为许用应力,并用
15、 表示。 s式中,n 为大于1的因数,称为安全因数。 一、失效与许用应力 二、二、 强度条件(强度条件(Strength Design):):max( ) max() ( )NFxA xss其中:s-许用应力, smax-危险点的最大工作应力。设计截面尺寸:设计截面尺寸:,maxminNFAs,max ;NFAs ()N iPf F依强度准则可进行三种强度计算: 保证构件不发生强度破坏并有一定安全余量的条件准则。 maxss校核强度:校核强度:许可载荷:许可载荷: 例例2 已知一圆杆受拉力P =25 k N,直径 d =14mm,许用应力 s=170MPa,试校核此杆是否满足强度要求。解: 轴
16、力:FN = P =25kN3max224425 10162MPa3 140 014NFPAd .s应力:强度校核: 170MPa162MPamaxss结论:此杆满足强度要求,能够正常工作。例例3 已知三铰屋架如图,承受竖向均布载荷,载荷的分布集度为:q =4.2kN/m,屋架中的钢拉杆直径 d =16 mm,许用应力s=170M Pa。 试校核刚拉杆的强度。钢拉杆4.2mq8.5m 整体平衡求支反力解:钢拉杆8.5mq4.2mRARBHA0 00 19.5kNABAXHMR应力:强度校核与结论: MPa 170 MPa 131 max ss此杆满足强度要求,是安全的。max 2324 d4
17、26.3 10131MPa3.14 0.016NFPAs 局部平衡求 轴力: qRAHARCHCN0 26.3kNCNMF / ;/sin BDBDBDAFLhs。例例4 简易起重机构如图,AC为刚性梁,吊车与吊起重物总重为P,为使 BD杆最轻,角 应为何值? 已知 BD 杆的许用应力为s。;BDBDLAV 分析:xLhPABCD0 , (sin ) ( ctg )ABDmFhPxcosBDPLFh /BDAFs BD杆面积A:解: BD杆内力FBD: 取AC为研究对象,如图 YAXAFBDxLPABCYAXAFBDxLPABC 求VBD 的最小值:;2sin 2sinPL/AhALVBD2
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