材料力学(赵振伟)第二章轴向拉压与压缩.ppt
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1、1,第二章 轴向拉伸和压缩,Mechanics of Materials,材料力学,2,一、工程实例:,活塞杆、厂房的立柱等。,第二章 轴向拉伸和压缩,3,4,5,受力简图:,二、轴向拉压的概念:,(1)受力特点:杆两端各受一外力F,两个力的大小 相等,方向相反,作用线与杆轴线重合。(2)变形特点:杆沿轴线方向伸长或缩短。,第二章 轴向拉伸和压缩,6,一、外力和内力的概念,2.内力:由外力作用而引起的、物体内部相邻部分之间相互作用的内力系的合成。,1.外力:一个物体对另一个物体的作用力(荷载、支反力)。,第二章 轴向拉伸和压缩,7,二、内力的确定截面法(基本方法),1、截开欲求哪个截面的内力,
2、就假想的将杆从此截面截开,杆分为两部分。,2、代替取其中一部分为研究对象,移去另一部分,把移去部分对留下部分的相互作用力用内力代替。,3、平衡利用平衡条件,列出平衡方程,求出内力的大小。,第二章 轴向拉伸和压缩,8,三、轴向拉压杆的内力,1.外力F,2.内力FN(轴力),(1)轴力的大小:(截面法确定),截开。代替,用内力“FN”代替。平衡,X=0,FN-F=0,FN=F。,第二章 轴向拉伸和压缩,9,(2)轴力的符号规定:原则根据变形,压缩压力,其轴力为负值。方向指向所在截面。,拉伸拉力,其轴力为正值。方向背离所在截面。,第二章 轴向拉伸和压缩,10,(3)轴力图:轴力沿轴线变化的图形,取坐
3、标系,选比例尺,正值的轴力画在 x 轴的上侧,负值的轴力画在 x 轴的下侧。,反映出轴力与截面位置变化关系,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。,(4)轴力图的意义,第二章 轴向拉伸和压缩,11,(5)注意的问题,在截开面上设正的内力方向。,采用截面法之前,不能将外力简化、平移。,第二章 轴向拉伸和压缩,12,例1 图示杆的A、B、C、D点分别作用着大小为5F、8F、4F、F 的力,方向如图,试画出杆的轴力图。,解:求OA段内力FN1:设截面如图,第二章 轴向拉伸和压缩,13,同理,求得AB、BC、CD段内力分别为:,FN2=3FFN3=
4、5FFN4=F,第二章 轴向拉伸和压缩,14,第二章 轴向拉伸和压缩,15,解:取左侧x 段为对象,内力FN(x)为:,例2 图示杆长为L,受分布力 q=kx 作用,方向如图,试画出 杆的轴力图。(x坐标向右为正,坐标原点在自由端),第二章 轴向拉伸和压缩,16,第二章 轴向拉伸和压缩,已知F1=10kN;F2=20kN;F3=35kN;F4=25kN;试画出图示杆件的轴力图。,解:1、计算各段的轴力。,AB段,BC段,CD段,2、绘制轴力图。,练习,17,问题提出:,1.内力大小不能全面衡量构件强度的大小。2.构件的强度由两个因素决定:内力在截面分布集度应力;材料承受荷载的能力。,第二章 轴
5、向拉伸和压缩,18,一、应力的概念,截面某点处内力分布的集度,在大多数情形下,工程构件的内力并非均匀分布,集度的定义不仅准确而且重要,因为“破坏”或“失效”往往从内力集度最大处开始。,第二章 轴向拉伸和压缩,19,1、一般受力杆:,A上的平均应力,(1)定义:,第二章 轴向拉伸和压缩,20,(2)单位:,帕斯卡(帕),“切应力”(剪应力),“正应力”,C点处的总应力,千帕,兆帕,第二章 轴向拉伸和压缩,21,2、轴向拉压杆:,A上的平均正应力,C点处的正应力,二、轴向拉压杆横截面上正应力的确定,推导的思路:实验变形规律应力的分布规律应力的 计算公式,第二章 轴向拉伸和压缩,22,1、实验:,变
6、形前,受力后,第二章 轴向拉伸和压缩,23,2、变形规律:,横向线仍为平行的直线,且间距减小。,纵向线仍为平行的直线,且间距增大。,第二章 轴向拉伸和压缩,24,3、平面假设:变形前为平面的横截面,变形后仍为平面且各横截面沿杆轴线作相对平移,4、应力的分布规律均布,第二章 轴向拉伸和压缩,利用平截面假设,能得到横截面上正应力分布的规律吗?,25,由于“均布”,可得,轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式,第二章 轴向拉伸和压缩,5、正应力的计算公式,由,可得,26,正应力公式适用范围,正应力公式的必要条件,轴向力作用在轴线(横截面形心的连线)上。,正应力公式与材料性质无关。,塑性材料,脆性材料,2
7、7,正应力公式不适用的情况,截面尺寸变化大的区域,集中力作用的端面附近,截面尺寸突变的区域,含有孔、槽的区域,28,6.圣维南原理(Saint-Venant principle),应力,变形,29,如果作用在物体某些边界上的小面积上的力系用静力等效的力系代换,那么这一代换在物体内部相应产生的应力变化将随着与这块小面积的距离的增加而迅速地衰减。,6.圣维南原理(Saint-Venant principle),30,8、拉压杆内最大的正应力:,第二章 轴向拉伸和压缩,(1)公式中各值单位要统一,9、注意的问题,(2)“FN”代入绝对值,在结果后面标出“拉”、“压”。,7、正应力的符号规定同内力,压
8、缩压应力,为负值,方向指向所在截面。,拉伸拉应力,为正值,方向背离所在截面。,31,例 已知一圆杆受拉力F=25 k N,直径 d=14mm,试求此杆的应力。,解:轴力FN=F=25kN,应力:,第二章 轴向拉伸和压缩,32,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力。已知:,可认为径向截面上的拉应力沿壁厚均匀分布,解:,33,根据对称性可得,径截面上内力处处相等,34,35,三、轴向拉压杆任意斜面上应力的计算,1、斜截面上应力确定,(1)内力确定:,(2)应力确定:,应力分布均布,应力公式,FN=FN=F,第二章 轴向拉伸和压缩,36,2、符号规定,:斜截面外法线与x轴的夹角。,
9、x 轴正向逆时针转到 n 轴“”规定为正值;x 轴正向顺时针转到 n 轴“”规定为负值。,:同“”的符号规定,:在保留段内任取一点,如果“”对其点之矩为顺时针方向规定为正值,反之为负值。,第二章 轴向拉伸和压缩,37,4、最大值的确定,3、说明:,计算时“”、“”、“”连同它们的符号代入。,第二章 轴向拉伸和压缩,5、通过一点的所有不同方位截面上应力的全部情况,称为该点的应力状态。,38,例 如图厚度为 t 的两块板由胶粘接,板自身强度较大。胶层许用应力如上所示。为使轴向拉伸荷载为最大,合理的粘接角 应为多少度(0 45)?求此情况下的许用荷载。,合理的角度应使胶层的拉伸强度和剪切强度都得到充
10、分的利用,,因此应使胶层的正应力和切应力之比与相应许用应力之比相等。,39,第二章 轴向拉伸和压缩,40,第二章 轴向拉伸和压缩,41,第二章 轴向拉伸和压缩,42,2-4 轴向拉压杆的变形,一、概念,1、轴向变形:轴向尺寸的减小或增大。,2、横向变形:横向尺寸的减小或增大。,二、分析两种变形,第二章 轴向拉伸和压缩,43,1、轴向变形:L=L1-L,(1)、轴向正应变线应变:,无量纲。,(2)、在弹性范围内:,-胡克定律,E弹性模量与材料有关,单位同应力。,EA抗拉压刚度。,第二章 轴向拉伸和压缩,44,(2)当轴力为x的函数时 N=N(x),(1)当各段的轴力为常量时,(3)使用条件:轴向
11、拉压杆,弹性范围内工作。,(4)应力与应变的关系:(胡克定律的另一种表达方式),使用公式的时,轴力一定要代入其正、负号。,第二章 轴向拉伸和压缩,45,2、横向变形:,横向正应变:,横向变形系数(泊松比):,三、小结:,变形构件在外力作用下或温度影响下所引起的形状尺 寸的变化。,弹性变形外力撤除后,能消失的变形。,塑性变形外力撤除后,不能消失的变形。,位移构件内的点或截面,在变形前后位置的改变量。,正应变微小线段单位长度的变形。,泊松效应,第二章 轴向拉伸和压缩,46,解:1、画FN 图:,2、计算:,例,第二章 轴向拉伸和压缩,47,怎样画小变形放大图?,(3)变形图严格画法,图中弧线;,(
12、2)求各杆的变形量Li;,(4)变形图近似画法,图中弧之 切线,分析:(1)研究节点 C 的受力,确定各 杆的内力 FNi;,第二章 轴向拉伸和压缩,桁架节点位移的计算,48,写出图 2 中 B 点位移与两杆变形间的关系,分析:,2、,1、,3、,第二章 轴向拉伸和压缩,49,F,0,动脑又动笔,计算 A 点横向和竖向位移。,50,例:设横梁 ABCD 为刚梁,横截面面积为 76.36mm 的钢索绕过无摩擦的滑轮。设 F=20kN,试求:刚索的应力和 C 点的垂直位移。设刚索的 E=177GPa。,解:1)、求钢索内力:以 ABD 为研究对象:,2)钢索的应力和伸长分别为:,第二章 轴向拉伸和
13、压缩,51,3)画变形图求C点的垂直位移为:,第二章 轴向拉伸和压缩,52,2-5能量法概述,一、变形能(应变能):变形固体在外力作用下由变形而储存的能量。,1、弹性变形能具有可逆性。,2、塑性变形能不具有可逆性。,弹性变形能:变形固体在外力作用下由于产生弹性变形而储存的能量。,第二章 轴向拉伸和压缩,53,二、变形能的计算:利用能量守恒原理,三、能量法:利用功能原理和功、能的概念进行计算的方法。,能量守恒原理:变形固体在外力作用下产生的变形而储存的能量,在数值上等于外力所作的外力功。,第二章 轴向拉伸和压缩,(功能原理),54,轴向拉压杆变形能的计算,在线弹性范围内:,第二章 轴向拉伸和压缩
14、,55,例3:图示桁架结构,已知BC杆的长度为L,两杆的抗拉压刚度均为EA,在B点受铅垂力F。求B点的垂直位移。,解、求内力,、外力功等于变形能,、变形能:,第二章 轴向拉伸和压缩,56,第二章 轴向拉伸和压缩,Mechanics of Materials,材料力学,57,26 材料在拉压时的力学性质,一、试验条件:常温静载。,二、试验准备:,1、试件国家标准试件。,拉伸试件两端粗,中间细的等直杆。,压缩试件很短的圆柱型:h=(1.53.0)d,圆形截面:L=10d;L=5d。矩形截面:L=11.3;L=5.65,第二章 轴向拉伸和压缩,58,2、设备液压式万能材料试验机。,第二章 轴向拉伸和
15、压缩,59,三、低碳钢拉伸试验,1、拉伸图:(F-L曲线)。,2、应力应变图:(-曲线)。,第二章 轴向拉伸和压缩,60,低碳钢拉伸试验,第二章 轴向拉伸和压缩,61,3、低碳钢拉伸时的四个阶段,、弹性阶段:ob。其中oa为直线段;ab为微弯曲线段。,p 为比例极限;e为弹性极限。,、屈服阶段:bc。,s 屈服极限(屈服段内最低的应力值)。,它是衡量材料强度的一个指标。,、强化阶段:ce。,b 强度极限(拉伸过程中最高的应力值)。,它是衡量材料强度的另一个指标。,第二章 轴向拉伸和压缩,62,、局部变形阶段(颈缩阶段):ef。,在此阶段内试件的某一横截面发生明显的变形,至到试件断裂。,4、延伸
16、率:,截面收缩率:,它们是衡量材料塑性的两个指标。,5、区分塑性材料和脆性材料:以常温静载下的大小。,塑性材料:延伸率5的材料。,脆性材料:延伸率5的材料。,第二章 轴向拉伸和压缩,63,6、卸载规率:当拉伸超过屈服阶段后,如果逐渐卸载,在卸载过程中,应力应变将按原有直线规律变化。,7、冷作硬化:在常温下将钢材拉伸超过屈服阶段,卸载后短期内又继续加载,材料的比例极限提高而塑性变形降低的现象。,8、时效硬化:在常温下将钢材拉伸超过屈服阶段,卸载后在较长的一段时间内又继续加载,材料的比例极限提高而塑性变形降低的现象。,第二章 轴向拉伸和压缩,64,共同特点:断裂时具有较大的残余变形,均属塑性材料。
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