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1、第二章拉伸压缩与剪切第1页，本讲稿共44页前言材料力学的物体都是变形体变形固体假设连续性假设均匀性假设各向同性假设小变形假设研究材料在弹性范围内的受力性质以杆件为主要研究对象第2页，本讲稿共44页杆件变形形式 拉拉-压压(BC-AB)(BC-AB)BCA第3页，本讲稿共44页杆件变形形式-剪切剪切第4页，本讲稿共44页杆件变形形式-扭转第5页，本讲稿共44页杆件变形形式-弯曲FFFFAFB第6页，本讲稿共44页FFFF受力特点：受力特点：外力(或外力的合力)沿杆件的轴线作用，且作用线与轴线重合。变形特点变形特点 ：杆沿轴线方向伸长(或缩短)，沿横向缩短(或伸长)。发生轴向拉伸与压缩的杆件一般简
2、称为拉发生轴向拉伸与压缩的杆件一般简称为拉(压压)杆。杆。2.1 轴向拉伸与压缩的概念和实例第7页，本讲稿共44页 2.2 轴向拉轴向拉(压压)时横截面上的内力时横截面上的内力 内力：物体内部的各质点间的相互作用力附加内力：在外力作用下，物体内部的各质点间的相互作用力的变化量，是一种因外力而引起的附加相互作用力。附加内力外力的增大而加大，达到某一限度构件破坏。第8页，本讲稿共44页 2.2 轴向拉轴向拉(压压)时横截面上的内力时横截面上的内力 截面法截面法 轴力轴力:FFmmFFNFFN由平衡方程可求出轴力的大小：规定规定：FN的方向离开截面为正(受拉),指向截面为负(受压)。第9页，本讲稿共
3、44页轴力图：以上求内力的方法称为截截面面法法，截面法是求内力最基本的方法。步骤：截、（弃）、代、求 注意注意：截面不能选在外力作用点处的截面上。用平行于杆轴线的x坐标表示横截面位置，用垂直于x的坐标FN表示横截面轴力的大小，按选定的比例，把轴力表示在x-FN坐标系中，描出的轴力随截面位置变化的曲线，称为轴力图。FFmmxFN规定：拉为正压为负第10页，本讲稿共44页例2-1ABCF1F2F31122-F1=26KNF2=14KNF3=12KN第11页，本讲稿共44页例例2 2：已知F1=20KN，F2=8KN，F3=10KN，试用截面法求图示杆件指定截面11、22、33的轴力,并画出轴力图。
4、F2F1F3ABCD112332解:外力FR，F1，F2，F3将杆件分为AB、BC和CD段，取每段左边为研究对象，求得各段轴力为：FRF2FN1F2F1FN2F2F1F3FN2FN3FN1=F2=8 8KNFN2=F2 -F1 =-12KNFN3=F2 +F3 -F1 =-2KNFN3=FR=-2KN 轴力图如图:xFNCDBA第12页，本讲稿共44页2.3 2.3 轴向拉（压）横截面的应力轴向拉（压）横截面的应力在截面某一点C处取一微小面积A，其上作用的内力为F,定义称Pm为作用在面积A上的平均应力。p称为C点的应力，是分布力系在应力，是分布力系在C点集度点集度(垂直于杆横截面的应力称为正应
5、力正应力，平行于横截面的称为切应力切应力)。应力单位是帕斯卡（帕）记作Pa，kPa MPaGPa第13页，本讲稿共44页应力-应变当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应应力力。根据不同形变方式应力有拉应力，压应力，剪应力，挤压应力。根据力的作用方向有正应力和切应力两种。拉应力与压应力也即是轴向拉压中的两种正应力，剪应力与挤压应力也即是切应力。第14页，本讲稿共44页拉(压)杆横截面上的应力 根据杆件变形的平面假设平面假设和材料均匀连续性假设材料均匀连续性假设
6、可推断：轴力在横截面上的分布是均匀的，且方向垂直于横截面。所以，横截面的正应力计算公式为：=MPaF FN N 表示横截面轴力（表示横截面轴力（N N）A A 表示横截面面积（表示横截面面积（mmmm2 2）FFabcdFFN第15页，本讲稿共44页2.4轴向拉伸与压缩时的变形纵向变形纵向变形规定规定：l等直杆的原长 l1拉(压)后纵向长度 绝对变形：拉伸时为正，压缩时为负。纵向线应变：第16页，本讲稿共44页虎克定律虎克定律：实验表明，对拉(压)杆，当应力不超过某一限度时，杆的轴向变形与轴力F FN 成正比，与杆长L成正比，与横截面面积A 成反比。这一比例关系称为虎虎克定律克定律。引入比例常
7、数E E，其公式为:E E 为材料的拉(压)弹性模量，单位是GPa FN、E、A均为常量，否则，应分段计算。由此，当轴力、杆长、截面面积相同的等直杆,E E 值越大，就越小，所以 E 值代表了材料抵抗拉(压)变形的能力，是衡量材料刚度的指标。或第17页，本讲稿共44页2.4轴向拉伸与压缩时的变形横向变形横向变形规定规定：d横向尺寸 d1拉(压)后横向尺寸横向变形：横向应变：压缩时为正，拉伸为负。-泊松比泊松比 ：第18页，本讲稿共44页例例2 2：如图所示杆件，求各段内截面的轴力和应力，并画出轴力图。若杆件较细段横截面面积 ，较粗段 ，材料的弹性模量 ，求杆件的总变形。LL10KN40KN30
8、KNABC解：分别在AB、BC段任取截面，如图示，则：FN1=10KN10KNFN110KN1 1=FN1 /A1 =50 MPa30KNFN2 FN2=-30KN2 2=FN2 /A2 =100 MPa轴力图如图：xFN10KN30KN第19页，本讲稿共44页由于AB、BC两段面积不同，变形量应分别计算。由虎克定律：可得：AB10KN X 100mm10KN X 100mm200GPa X X 200 mm2=0.025mm0.025mmBC-30KN X 100mm-30KN X 100mm200GPa X X 300 mm2=-0.050mm-0.050mm=-0.025mm0.025m
9、m第20页，本讲稿共44页2.52.5材料拉伸和压缩时的力学性能材料拉伸和压缩时的力学性能材料的力学性能材料的力学性能：是指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性。材料的轴向拉伸和压缩试验是测定材料力学性能的基本试验。静载：载荷值从零开始，缓慢增加，直至所需数值第21页，本讲稿共44页一、材料拉伸时的力学性能一、材料拉伸时的力学性能1.1.常温、静载试验常温、静载试验：L=510d低碳钢标准拉伸试件安装在拉伸试验机上，然后对试件缓慢施加拉伸载荷，直至把试件拉断。根据拉伸过程中试件承受的应力应力和产生的应变应变之间的关系，可以绘制出该低碳钢的 曲线。第22页，本讲稿共44页1低碳钢拉伸时
10、的力系性能F-L曲线含碳量0.3%F第23页，本讲稿共44页2.2.低碳钢低碳钢 曲线分析：曲线分析：试件在拉伸过程中经历了四个阶段，有两个重要的强度指标。obob段段弹性阶段弹性阶段(比例比例极限极限pp弹性极限弹性极限e e)bcbc段段屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 cece段段强化阶段强化阶段 抗拉强度抗拉强度 efef段段局部变形阶段局部变形阶段 第24页，本讲稿共44页 (1)(1)弹性阶段弹性阶段 比例极限比例极限p和弹性极限和弹性极限e oa段是直线，材料符合虎克定律 直线oa的斜率 弹性模量 最高点所对应的应力值记作p比例极限比例极限。曲线超过a点，ab段已不再是直线，不符合虎
11、克定律。在ab段内卸载，变形也随之消失，发生弹性变形，所以ab段称为弹性阶段。b点的应力值记作ee，称为材料的弹性极限弹性极限。弹性极限与比例极限非常接近，工程实际中通常对二者不作严格弹性极限与比例极限非常接近，工程实际中通常对二者不作严格区分，而近似地用比例极限代替弹性极限。区分，而近似地用比例极限代替弹性极限。a ab bep第25页，本讲稿共44页 (2)(2)屈服阶段屈服阶段 屈服极限屈服极限屈服：应力不增加而应变显著增加的现象 曲线超过b点后，出现一段锯齿形曲线 应力没有增加，而应变在增加 材料好像失去了抵抗变形的能力 bc段称为屈服阶段。屈屈服服极极限限(或流流动动极极限限)：屈服
12、阶段曲线最低点所对应的应力 在屈服阶段卸载，出现不能消失的塑性变形 工程上一般不允许构件发生塑性变形，并把塑性变形作为塑性材料破坏的标志 屈服极限是衡量材料强度的一个重要指标。试件表面出现与轴线成450角的条纹Ob bc c第26页，本讲稿共44页 (3)(3)强化阶段强化阶段 抗拉强度抗拉强度 经过屈服阶段后，曲线从c点又开始逐渐上升，说明要使应变增加，必须增加应力，材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称作强化，ce段称为强化阶段。曲线最高点所对应的应力值记作 ，称为材料的抗抗拉拉强强度度(或强度极限)，它是衡量材料强度的又一个重要指标。(4)(4)缩颈断裂阶段缩颈断裂阶段 曲线到达e点前，
13、试件的变形是均匀发生的，曲线到达e点，在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处)，变形显著增加，有效横截面急剧减小，出现了缩颈现象，试件很快被拉断，所以ef段称为缩颈断裂阶段。第27页，本讲稿共44页3.3.塑性指标塑性指标试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形表示材料的塑性指标。常用的塑性指标有两个:断后伸长率断后伸长率:%断面收缩率断面收缩率:%L1 试件拉断后的标距L 是原标距A1 试件断口处的最小横截面面积A 原横截面面积。、值越大，其塑性越好。一般把 5的材料称为塑性材料塑性材料，如钢材、铜、铝等；把 5的材料称为脆脆性材料性材料，如铸
14、铁、混凝土、石料等。第28页，本讲稿共44页下面两部分内容自学铸铁拉伸性能材料在压缩时的力学性能第29页，本讲稿共44页2.6 2.6 拉申和压缩的强度计算拉申和压缩的强度计算安全因数和许用应力许用应力许用应力：材料的极限应力除以一个大于：材料的极限应力除以一个大于1 1的（安全）因数，所的（安全）因数，所得的结果。得的结果。构件安全工作时材料允许承受的最大应力构件安全工作时材料允许承受的最大应力。构件的工作应力必须小于材料的极限应力。塑性材料塑性材料：=脆性材料脆性材料：=n s s、n b b是安全系数:n s s=1.2=1.22.5 2.5 n b b 2.02.03.53.5第30页
15、，本讲稿共44页强度计算：强度计算：二、拉伸和压缩时的强度条件二、拉伸和压缩时的强度条件为了使构件不发生拉(压)破坏，保证构件安全工作的条件是：最大工作应力不超过材料的许用应力。这一条件称为强度条件强度条件。应用该条件式可以解决以下三类问题：强度强度校核校核、截面设计截面设计、确定许可载荷确定许可载荷。第31页，本讲稿共44页DpdF例例1:1:某铣床工作台进给油缸如图所示，缸内工作油压p p2MPa2MPa，油缸内径D D75mm75mm，活塞杆直径d d1818mmmm，已知活塞杆材料的许用应力 50MPa50MPa，试校核活塞杆的强度。解：求活塞杆的轴力。设缸内受力面积为A1，则：，则：
16、校核强度。活塞杆的工作应力为：50MPa所以，活塞杆的强度足够。第32页，本讲稿共44页FFbh例例2 2：图示钢拉杆受轴向载荷F=40kNF=40kN，材料的许用应力 =100MPa，横截面为矩形，其中h=2bh=2b，试设计拉杆的截面尺寸h h、b b。解：求拉杆的轴力。FN=F=40kN则：拉杆的工作应力为：=FN /A=40 /b h=40000/2b=20000/b =10022所以：b=14mm h=28mm第33页，本讲稿共44页2.7应力集中的概念因构件截面尺寸突然变化而引起局部应力急剧增大的现象。切口、切槽、螺纹、圆孔等其他内容自学第34页，本讲稿共44页FF2.8 2.8
17、剪切和挤压的实用计算剪切和挤压的实用计算1.1.剪切的概念剪切的概念FF在力不很大时，两力作用线之间的一微段，由于错动而发生歪斜，原来的矩形各个直角都改变了一个角度 。这种变形形式称为剪切变形，称为切应变或角应变。受力特点：受力特点：构件受到了一对大小相等，方向相反，作用线平行且相距很近的外力。变形特点：变形特点：在力作用线之间的横截面产生了相对错动或相对错动趋势。第35页，本讲稿共44页F一、剪切的实用计算一、剪切的实用计算切力切力F FQ:Q:剪切面上分布内力的合力。剪切面上分布内力的合力。F用截面法计算剪切面上的内力。FFmmF FQ QF FQ Q第36页，本讲稿共44页切应力切应力切
18、应力在截面上的实际分布规律比较复杂，工程上通常采用“实用计算法”，即假定切力在剪切面上的分布是均匀的。所以:M Pa构件在工作时不发生剪切破坏的强度条件强度条件为:为材料的许用切应力，是根据试验得出的抗剪强度 除以安全系数确定的。工程上常用材料的许用切应力，可从有关设计手册中查得。一般情况下，也可按以下的经验公式确定：钢制构件钢制构件:(0.6(0.60.8)0.8)脆性材料脆性材料:(0.8(0.81.0)1.0)第37页，本讲稿共44页二、挤压的实用计算二、挤压的实用计算在外力作用下，剪切构件除受到剪切作用外，还常常受到挤压的作用。因此，对发生剪切变形的构件，通常除了进行剪切强度计算外，还
19、要进行挤压强度计算。挤压应力挤压应力:假定挤压应力在挤压面上的分布是均匀的。则挤压应力为:F F为挤压力；为挤压力；A Ap p为挤压面积为挤压面积第38页，本讲稿共44页当挤压面为半圆柱侧面时，用挤压面的正投影面作为挤压计算面积，计算得到的挤压应力与理论分析所得到的最大挤压应力近似相等。在挤压的实用计算中，对于铆钉、销钉等圆柱形联接件的挤压面积用 来计算。第39页，本讲稿共44页为了保证构件局部不发生挤压塑性变形，必须使构件的工作挤压应力小于或等于材料的许用挤压应力，即挤压的强度条件强度条件为:塑性材料塑性材料:脆性材料：脆性材料：材料的许用挤压应力，是根据试验确定的。使用时可从有关设计手册
20、中查得，也可按下列公式近似确定。挤压强度条件也可以解决强度计算的三类问题第40页，本讲稿共44页例1:试校核图0-2-1所示带式输送机传动系统中从动齿轮与轴的平键联接的强度。已知轴的直径d48mm，A型平键的尺寸为b14mm，h9mm，L45mm，传递的转矩Ml81481 Nmm，键的许用切应力60MPa，许用挤压应力p130MPa。FFMLblh第41页，本讲稿共44页解：1.以键和轴为研究对象,求键所受的力:Mo(F)0 F 一 M 0 F=2M/d=2 x 181481/48=7561.7 N键联接的破坏可能是键沿mm截面被切断或键与键槽工作面间的挤压破坏。剪切和挤压强度必须同时校核。2
21、.校核键的强度。键的剪切面积Ab l=b（Lb）键的挤压面积为A phl/2=h（Lb）2 键的剪切和挤压强度均满足要求。第42页，本讲稿共44页例2：在厚度 的钢板上欲冲出一个如图所示形状的孔，已知钢板的抗剪强度 ，现有一冲剪力为 的冲床，问能否完成冲孔工作?810解：完成冲孔工作的条件：由平衡方程：FQ =100KNA=8 x 5 x 2+3.14 x 5 x 2 x 5=237mm2=100KN /237 mm2=422 M Pa 所以，该冲床能完成冲孔工作。第43页，本讲稿共44页轴向拉（压）、剪切、挤压拉伸沿c边平行方向，则作用面积为ab剪切和挤压沿ac面，剪切作用面积为bc，挤压作用面积为ca*系数abc第44页，本讲稿共44页