拉压杆件的强度与连接件设计.ppt

1,6.4 挤压及其实用计算,6.5 连接件的强度设计,6.1 强度条件和安全系数,6.3 剪切及其实用计算,6.2 拉压杆件的强度设计,第六章 拉压杆件的强度与连接件设计,返回主目录,2,为保证完成其正常功能，所设计的结构或构件必须具有适当的强度和刚度。,第六章 拉压杆件的强度与连接件设计,结构和构件既要满足强度要求，也要满足刚度要求。工程中一般以强度控制设计，然后校核刚度。,6.1 强度条件和安全系数,3,结构/构件强度的控制参量是应力,4,依据强度判据，将工作应力限制在极限应力内，还不足以保证结构或构件的安全。因为还有误差：,因此，实际 许用应力 为：ys/n 或 b/n 安全系数 n1，故极限应力大于许用应力。将极限应力与许用应力之差作为安全储备。,5,安全系数 n 的确定,显然，安全系数越大越安全；但是，n大,小，承载F 降低或重量W 增加，经济效益下降。在安全性、经济性和轻量化的要求中寻求优化。n 的选取，取决于对问题的认识程度，已往的经验。,注意：杆中任一处均应满足强度条件。,6,强度设计的一般方法：,初步设计,设计目标,返回主目录,7,依据强度条件，进行强度设计，包括3种情况,6.2 拉压杆件的强度设计,返回主目录,8,危险截面：,对于拉、压许用应力，不同的材料，应分别考虑，即：,AB拉；BC压,CD与BC材料同，FN小；面积ACD也小；CD可大。故各段均可能为危险截面，都需要校核。,BC段：与AB段同截面积，FNBC FNAB，BC AB；但铜钢,如：杆AB段为钢制，BC和 CD为铜制。轴力如图。,AB段：轴力最大，AB大；,9,例6.1 图中杆1为钢杆，截面积 A1=6cm2,钢=120MPa；杆2为木杆，A2=100cm2，木压=15MPa。试确定结构许用载荷Fmax,10,事实上撑套压缩时螺栓受拉伸长，平衡位置如图。有 FNS=FNL=F-(1),11,撑套应力为:L=F/AL=21236/(302-202)/4=54.1MPa铝=80MPa，强度足够。,12,按等强度设计，截面x处应力也应等于0 则有 FN=0rx2-(2),解：在x=0处，截面半径为r0，压应力为0=W/r02 或 W=0r02,例6.3 试设计顶端承重W的等强度圆柱。,等强度设计：构件各截面应力相等。,13,14,例6.4 杆钢段AB，钢=200MPa,铜段BC和CD，铜=70MPa。AC段截面积 A1=100mm2,CD段截面积 A2=50mm2。试校核其强度。,返回主目录,负号表示压应力,15,1)工程中剪切问题的特点,6.3 剪切及其实用计算,返回主目录,16,2)剪切的实用强度计算,以铆钉连接为例，沿剪切面切开，取部分铆钉研究，受力如图。,单剪：FS=F,双剪：FS=F/2,17,假定剪力FS均匀分布在剪切面上，,即剪应力 等于剪力FS除以剪切面面积。,以平均剪应力作为剪切面上的名义剪应力，则有：=FS/A,18,一般情况下，金属材料的许用剪应力与许用拉应力间有下述经验关系：对于延性材料=(0.6-0.8)对于脆性材料=(0.8-1.0),剪切实验,测剪断时的载荷Fb，则有：b=FS/A=Fb/2A0A0是试件初始横截面积。,剪切器中衬套硬度应较高，试件被剪部分长度一般不大于其直径的1.5倍。,受剪破坏易于受拉（压）,19,功率常用千瓦（kW）或马力表示，注意到：1kW=1000Nm/s，1马力=736Nm/s则功率、转速与传递的扭矩之关系为：M（kNm）=9.55P（千瓦）/n（转/分）M（kNm）=7.02P（马力）/n（转/分）,设轴的转速为每分钟 n 转，则每秒转过的角度为 2n/60，即有：P=M/t=M2n/60 或 M=60P/2n,力矩的功A可表示为力矩M与其转过的角度之积，功率P是单位时间所做的功，故有：P=A/t=M/t其中/t 是每秒转过的角度（弧度）。,功率、转速与传递的扭矩之关系,20,解：1）依据功率、转速与传递的扭矩M之关系，有M=9.5520/200=0.955kNm,3）平键剪切面面积为:A=bL=2040=800 mm2 剪应力为:=FS/A=31.8103/800=39.6MPa=80MPa 故平键剪切强度足够。,21,例6.6 冲头材料=440MPa，钢板 b=360MPa，F=400kN。试估计所能冲出的最小孔径d，以及所能冲剪的钢板最大厚度t。,解：冲头受压，落料受剪。,故能冲孔径dmin=34mm,板厚tmax=10mm。,由强度条件有：=4F/d2 解得：d 34mm,1)考虑冲头强度,由落料受力可知，剪力 FS=F，剪切面为圆柱面，面积为 dt。有剪断条件：=FS/A=F/(td)b t 10.4mm,2)考虑板的剪切,22,例6.7 起重机撑杆AB为空心钢管，D1=105mm，d1=95mm；钢索1、2直径为d2=25mm。=60MPa，=50MPa。试求允许吊重P，并设计A处销钉直径d。,解：画A点受力如图。,列平衡方程 MA(F)=0，有FT2=P再由Fx=0、Fy=0，得FN=3.35P，FT1=1.732P,23,由剪切强度条件有：=FS/A,?,取 FSa和FSb两者中大者为FS。,24,拉压强度条件,=FS/Ab,剪断条件,sys/n=FN/A=sb/n,强度条件,6.4 挤压及其实用计算,返回主目录,25,问题：销设计多长？撑杆、滑轮厚度t？,26,1)挤压问题的特点,27,28,挤压力分布在挤压面上,Abs是挤压面在垂直于挤压力之平面上的投影面积。如钉与板连接，Abs等于td。名义挤压应力如图c。,bs=(1.5-2.5)（延性材料）bs=(0.9-1.5)（脆性材料）,挤压强度条件：bs=Fbs/Abs bs,29,强度条件：=FS/(d2/4)有：d 2 4FS/=100103/80p=398mm2 即得：d 19.9mm 取d=20mm,例6.8 联轴节四个螺栓对称置于D=480mm的圆周上。扭矩M=24kN.m。若=80MPa，bs=120MPa。试设计螺栓直径 d 和连接法兰最小厚度t。,解：1)考虑 螺栓剪切,由平衡条件有:SM0(F)=M-4FS(D/2)=0 FS=M/2D=24/0.96=25kN,30,解:2）考虑螺栓挤压 除去螺栓，画法兰受力如图。,4）计算t 挤压强度条件 bs=Fbs/Abs=Fbs/td bs 得 t Fbs/dbs=25103/(20120)=10.4mm，故法兰厚度可选用 t=12mm。,3）列平衡方程 由平衡条件 得 SM0(F)=M-4Fbs(D/2)=0，Fbs=25kN,例6.8 联轴节四个螺栓对称置于D=480mm的圆周上。扭矩M=24kN.m。若=80MPa，bs=120MPa。试设计螺栓直径 d和连接法兰最小厚度t。,31,Fbs=FS，Abs=d(D2-D1)/2 挤压应力为 bs=Fbs/Abs=189MPa bs=200MPa故挤压强度足够。,例6.9 车床丝杠传递力矩M=80Nm，安全销为硬铝，b=220MPa，bs=200MPa。要求在M超载30%时安全销剪断，试确定其直径 d 并校核其挤压强度。,FSD1=1.3M FS=1.3M/D1=5.2 kN,32,问题1)：指出下图中的剪切面和挤压面位置，写出各剪切面面积和计算挤压面面积。,思考：有无拉压破坏可能？危险截面？,返回主目录,33,连接件:用螺栓、铆钉、销钉、键及零构件连接而成。,连接件强度设计应校核拉压、剪、挤三种强度问题。,6.5 连接件的强度设计,返回主目录,34,例6.10 图中板厚t1=5mm，t2=12mm，钉径d=20mm。已知钉、板材料均有=160MPa，bs=280MPa，=100MPa。若F=210kN，试求需用的铆钉个数n。,由平衡方程 有：nFS=F/2，即 FS=F/2n。,由剪切强度条件 有:=FS/(d2/4)=2F/nd2 故得：n 2F/d2=2210103/3.14202100=3.34,35,有平衡方程:SFx=F/2-nFbs=0 Fbs=F/2n。挤压面为圆柱面，有效挤压面积为t1d。,强度条件：bs=F/2nt1dbs 即：n挤F/2t1dbs=210103/2520280=3.75,36,F/2,3)设计板宽b 四个铆钉可布置成一排或二排。若布置二排，有矩形和菱形二种排列如图，则危险截面在虚线处。,只要使外力的作用线通过钉群图形的形心，则可假定各钉受力相等。,F/2,Fbs=F/8,37,问题讨论1：木榫接头如图。接头总高度h给定，试设计其它尺寸。,问题讨论2：铰接正方形铸铁框架，各杆直径均为d。压=3拉,试求Fmax并设计销钉C的尺寸。,问题讨论3：刚性梁AB支承如图，试设计A处销钉的尺寸。,38,问题讨论1：木榫接头如图。接头总高度h给 定，试设计其它尺寸。,F,F,39,问题讨论2：铰接正方形铸铁框架，各杆直径均为d。压=3拉，试求Fmax并设计销钉C的尺寸。,解：研究A点平衡，有：SFy=0 FAB=FAD(=FCB=FCD)SFx=0 FAB=0.707F(拉),研究B点平衡，有：FBD=-2FABcos45=-F(压),剪切：FS/A=FCB/(d2/4)，d?挤压：Fbs/Abs=FCB/t1d bs，t1?Fbs/Abs=F/t2d bs，t2?,设计销钉的尺寸?（以销C为例）,40,问题讨论3：铰接正方形框架，各杆EA均相同，且 压=拉，AC杆比名义长度短d，要强迫装配。试设计杆的截面积A和销钉的尺寸。,41,问题讨论3：铰接正方形框架，各杆EA均相同，且 压=拉，AC杆比名义长度短d，要强迫装配。试设计杆的截面积A和销钉的尺寸。,剪切：FS/A=FCB/(d2/4);d?挤压：Fbs/Abs=FCB/t1dbs;t1?Fbs/Abs=FAC/t2dbs;t2?,设计销钉的尺寸?（以销C为例）,42,小 结：,1）强度条件,43,2)强度条件是一种破坏判据。判据的左端是工作状 态下的控制参量（如应力），由分析计算给出；右端则应是该参量的临界值，由实验确定。,4)强度计算或强度设计的一般方法为：,初步设计,设计目标,44,再 见,返回主目录,