拉伸压缩与剪切.ppt
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1、材料力学,第二章,拉伸、压缩与剪切,材料力学,2.1 轴向拉压的概念和实例,材料力学,轴向拉压实例一:内燃机的连杆,连杆,拉压与剪切/轴向拉压的概念和实例,材料力学,轴向拉压实例二:简易桁架,拉压与剪切/轴向拉压的概念和实例,材料力学,轴向拉压的外力特性:,外力的合力作用线与杆件的轴线重合。,判断:,外力合力的作用线与轴线平行时,杆件仅产生拉伸变形。,复习,拉压与剪切/轴向拉压的概念和实例,材料力学,轴向拉伸,轴向拉伸和弯曲变形,拉压与剪切/轴向拉压的概念和实例,材料力学,变形特性:,杆件产生轴向的伸长或缩短。,轴向拉伸对应的外力,称为拉力。,轴向压缩对应的外力,称为压力。,拉压与剪切/轴向拉
2、压的概念和实例,材料力学,2.2 轴向拉压时横截面上的内力和应力,材料力学,定义:,杆在轴向拉压时,横截面上的内力称为轴力。,符号:,单位:,国际单位为N,一.轴向拉压时横截面上的内力,1.简介,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,FN,FN,2.轴力的求解方法,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,3.轴力正负号规定,轴力以拉为正,以压为负。,思考:,做题时同一位置处任取一段求出的轴力正负是否相同?,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,同一位置处左、右侧截面上内力分量具有相同的正负号。,结论:,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,如果杆件受到的外力多于两个,则杆
3、件不同部分的横截面上有不同的轴力。,注意,例:求1-1、2-2及3-3截面上的轴力。,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,1-1截面:,3-3截面:,2-2截面:,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,总结,1.杆件受到的外力多于两个的情况下,需要先根据外力的作用点将杆件进行分段后再计算轴力。,2.加内力时,内力的方向必须为正方向。,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,表示轴力沿杆件轴线变化规律的图线。,4.轴力图,轴力图的绘制方法演示:,-图,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,绘制轴力图的注意事项:,1.轴力图的横坐标要与杆件长度相对应;,2.轴力图的纵坐标大
4、小要成比例;,3.轴力图的纵坐标要标明数值大小及正负;,4.轴力图是一条连续的图线,不能间断,在集中力作用处,轴力图有突变,突变的大小等于集中力的大小;,5.在轴力图上要画出阴影线;,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,阶段杆OD,左端固定,受力如图,OC段的横截面面积是CD段横截面面积A的2倍。要求:绘制轴力图,并求杆内最大轴力。,轴力计算练习,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,1.分段计算轴力,CD段:,BC段:,OB段:,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,2.绘制轴力图,3F,-图,2F,-F,CD段:,BC段:,OB段:,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材
5、料力学,3.求最大轴力,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,完成课本第13页例2.1找出计算中不完善之处,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,二、轴向拉压时横截面上的应力,拉压时横截面上应力为均匀分布,以表示。,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,的适用条件:,只适用于轴向拉伸与压缩杆件,拉应力为正,压应力为负。,应力的符号规定:,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,练习:课本第16页例2.2,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,悬臂吊车斜杆AB为直径为d的钢杆,载荷重为W,两杆长度已知,当W至A点时,求AB横截面上的应力。,思路分析:,求外力,求内力,求应力,材
6、料力学,分析并回答问题,1.如何求B处的约束力FB?,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,2.求出FB后,如何确定AB横截面上的内力?,A,C,B,利用截面法,在AB间任意位置与轴向垂直方向切开,取上段,加内力,列平衡求轴力。,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,3.求出AB横截面上的内力后,如何确定应力?,AB杆产生拉伸变形,应力是均匀分布的。,A,C,B,材料力学,1.当W在AC之间移动时,AB杆横截面上的应力如何计算?,思考,W,B,C,A,x,L,拉压与剪切/横截面上的内力和应力,材料力学,2.3直杆轴向拉压时斜截面上的应力,材料力学,1.求斜截面上总的应力,轴向拉压时
7、应力是均匀分布的,因此,式中为横截面上的应力,拉压与剪切/斜截面上的应力,材料力学,2.利用总应力和角度,求斜截面上的正应力和切应力,正应力:,切应力:,式中为横截面和斜截面间的夹角;为横截面上的应力,拉压与剪切/斜截面上的应力,材料力学,正应力:,切应力:,3.斜截面上的应力分布,斜截面上既有正应力又有切应力。,拉压与剪切/斜截面上的应力,材料力学,讨论,1、,2、,即横截面上的正应力为杆内正应力的最大值,而切应力为零。,即与杆件成45的斜截面上的切应力达到最大值,而正应力不为零。,3、,即纵截面上的应力为零,因此在纵截面不会破坏。,拉压与剪切/斜截面上的应力,材料力学,斜截面上的应力分布规
8、律总结,1.轴向拉压时,杆件横截面上的正应力最大;,2.与轴线成45度的斜截面上,切应力最大;,3.最大切应力是最大正应力的一半;,4.在平行于轴线的纵向截面上,无任何应力。,拉压与剪切/斜截面上的应力,材料力学,阶段杆OD,左端固定,受力如图,OC段的横截面面积是CD段横截面面积A的2倍。绘制轴力图,求杆内最大轴力,最大正应力,最大剪应力与所在位置,练 习,拉压与剪切/斜截面上的应力,材料力学,1.分段计算轴力,CD段:,BC段:,OB段:,材料力学,2.绘制轴力图,确定最大轴力,3F,2F,-F,CD段:,BC段:,OB段:,(在OB段),材料力学,3.分段求应力,确定最大正应力,(在CD
9、段的横截面上),4.求最大切应力,(在CD段与杆轴成45度的斜面上),拉压与剪切/斜截面上的应力,材料力学,2.4材料拉伸时的力学性能,材料力学,材料的力学性能 材料在外力作用下表现出来的性能,一、低碳钢拉伸时的力学性能(强度和塑性),低碳钢含碳量在0.25%以下的碳素钢。,拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,材料力学,1.拉伸试样的制备,l=10d(长试件)或 l=5d(短试件),拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,形状:,尺寸:,圆柱形,材料力学,拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,2.低碳钢拉伸时的应力-应变图,(4)缩颈阶段。,(1)弹性变形阶段;,(2)屈服阶段;,(3)强化阶段;,拉伸变
10、形分四个阶段:,材料力学,拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,弹性阶段(OAB段),比例极限,弹性极限 e,弹性模量 E(与材料本身有关),OA满足Hooks Law,(1)弹性变形阶段,胡克定律:应力与应变成正比=E,材料力学,屈服阶段,屈服极限,拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,(2)屈服阶段,屈服:应力基本不变,而应变显著增加的现象。在此阶段,材料暂时失去抵抗变形的能力。,材料力学,强度极限,拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,(3)强化阶段,在此阶段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。,材料力学,拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,(4)缩颈阶段,材料力学,拉伸与压缩/
11、材料拉伸时的力学性能,材料力学,根据应力应变图可以得出力学性能之强度的衡量指标主要包括:,拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,屈服极限、,强度极限。,3.强度的衡量指标,材料力学,4.塑性及其衡量指标,在拉断前,材料产生永久变形的能力。,塑性定义:,衡量指标:,伸长率,断面收缩率,材料力学,5%的材料为塑性材料;5%的材料为脆性材料。,=(L1-L)/L100%,材料断裂后,标距的伸长量与原始标距的百分比。,伸长率,材料力学,断面收缩率,材料断裂后,缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。,=(A-A1)/A 100%,材料力学,二.其它塑性材料拉伸时的力学性能,参照课本24页图2.15判
12、断:所有材料的拉伸变形都分为四个阶段。填空:各类碳素钢中,随着含碳量的增加,屈服极限和强度极限逐渐_,伸长率逐渐_。,拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,材料力学,三.铸铁拉伸时的力学性能,拉伸与压缩/材料拉伸时的力学性能,铸铁拉伸时,没有()和()阶段。,注意:,脆性材料的强度极限非常低,不适宜用作抗拉零件的材料。,材料力学,练习,有钢和铸铁两种材料,桁架受力如图,请问AB和AC杆两杆应如何选材?,材料力学,2.5材料压缩时的力学性能,拉伸与压缩/材料压缩时的力学性能,材料力学,低碳钢压缩时的力学性能,试件:短柱,l=(1.03.0)d,拉伸与压缩/材料压缩时的力学性能,(1)弹性变形阶段相同
13、;,(2)屈服阶段相同;,(3)屈服阶段后,试样越压越扁,无颈缩现象,测不出强度极限。,对比拉伸和压缩曲线,材料力学,综合2.4和2.5,得出结论,材料力学性能的指标主要有:,拉伸与压缩/材料的力学性能,屈服极限,强度极限,伸长率,断面收缩率,强度:,塑性:,材料力学,2.7 失效、安全因数和强度计算,拉伸与压缩/失效、安全因数和强度计算,材料力学,塑性材料,脆性材料,一.失效,拉伸与压缩/失效、安全因数和强度计算,材料力学,拉伸与压缩/失效、安全因数和强度计算,脆性材料,断裂,强度极限b,塑性材料,屈服,屈服极限s,材料类型,失效形式,承受最大应力,材料力学,当杆件中的应力达到某一极限时,材
14、料将会发生破坏,此极限值称为极限应力或危险应力。,拉伸与压缩/失效、安全因数和强度计算,脆性材料的极限应力为强度极限b;,塑性材料的极限应力为屈服极限s。,材料力学,拉伸与压缩/失效、安全因数和强度计算,二.安全因数,许用应力=极限应力/n,其中,n为安全因数,n大于1。,脆性材料:,=b/n,塑性材料:,=s/n,工作应力的最高限度,许用应力:,思考:,许用应力和极限应力的大小关系,材料力学,引入安全系数的原因:,1.作用在构件上的外力常常估计不准确;,2.构件的外形及所受外力较复杂,计算时需进行简化,因此工作应力均有一定程度的近似性;,3.材料均匀连续、各向同性假设与实际构件的出入,且小试
15、样还不能真实地反映所用材料的性质等。,拉伸与压缩/失效、安全因数和强度计算,材料力学,安全系数的取值讨论:,安全系数越大越好,还是越小越好?,许用应力=极限应力/n,安全系数大:,安全,但不经济,安全系数小:,经济,但不安全,权衡安全和经济两方面的要求。,材料力学,安全系数的选择主要考虑以下几点:,1.材料的素质,均匀程度,质地好坏,2.载荷情况,载荷估计是否准确,是静载荷还是动载荷,3.实际构件简化过程和计算方法的精确程度,4.零件在设备中的重要性,工作条件,损坏后造成后果的严重性,制造和维修的难易程度,5.对减轻设备自重和提高设备机动性的要求,材料力学,拉伸与压缩/失效、安全因数和强度计算
16、,三.强度计算,工作应力不超过许用应力,=FN/A,材料力学,(3)截面A设计,(2)确定许可载荷,可以解决的三类问题:,=FN/A,AFN/,FN,FN/A,(1)强度校核,材料力学,图示结构,钢杆1:圆形截面,d=16mm,1=150Mpa;杆2:方形截面,边长a=100mm,2=4.5Mpa。当作用在B点的载荷F=2000N时,校核强度。,拉伸与压缩/失效、安全因数和强度计算,练习一:强度校核,材料力学,(1)计算外力,拉伸与压缩/失效、安全因数和强度计算,(2)计算轴力,FN1=3F/4 FN2=-5F/4,思路分析:,外力,内力,应力,校核,FA=3F/4(拉)Fc=5F/4(压),
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