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1、2、应力和应变2、应力和应变 在任何工程结构中独立的部件或构件将承受来自于部件的使用状况或工作的外部环境 的外力作用。如果组件就处于平衡状态,由此而来的各种外力将会为零,但尽管如此,它们共 同作用部件的载荷易于使部件变形同时在材料里面产生相应的内力。 有很多不同负载可以应用于构件的方式。负荷根据相应时间的不同可分为: (a)静态负荷是一种在相对较短的时间内逐步达到平衡的应用载荷。 (b)持续负载是一种在很长一段时间为一个常数的载荷, 例如结构的重量。这种类型的 载荷以相同的方式作为一个静态负荷; 然而,对一些材料与温度和压力的条件下,短时间的 载荷和长时间的载荷抵抗失效的能力可能是不同的。 (
2、c)冲击载荷是一种快速载荷(一种能量载荷)。振动通常导致一个冲击载荷, 一般平衡 是不能建立的直到通过自然的阻尼力的作用使振动停止的时候。 (d)重复载荷是一种被应用和去除千万次的载荷。 (e)疲劳载荷或交变载荷是一种大小和设计随时间不断变化的载荷。 上面已经提到，作用于物体的外力与在材料里面产生的相应内力平衡。因此,如果一个 杆受到一个均匀的拉伸和压缩，也就是说, 一个力,均匀分布于一截面,那么产生的内力也 均匀分布并且可以说杆是受到一个均匀的正常应力,应力被定义为 应力=负载 P /压力 A, 因此根据载荷的性质应力是可以压缩或拉伸的,并被度量为牛顿每平方米或它的倍数。 如果一个杆受到轴向
3、载荷，即是应力，那么杆的长度会改变。如果杆的初始长度 L 和 改变量L 已知，产生的应力定义如下: 应力=改变长L /初始长 L 因此应力是一个测量材料变形和无量纲的物理量 ,即它没有单位;它只是两个相同单位 的物理量的比值。 一般来说,在实践中,在荷载作用下材料的延伸是非常小的, 测量的应力以*10-6 的形式 是方便的, 即微应变, 使用的符号也相应成为 ue。 从某种意义上说，拉伸应力与应变被认为是正的。压缩应力与应变被认为是负的。因 此负应力使长度减小。 当负载移除时， 如果材料回复到初始的， 无负载时的尺寸时， 我们就说它是具有弹性的。 一特定形式的适用于大范围的工程材料至少工程材料
4、受载荷的大部分的弹性, 产生正比于 负载的变形。 由于载荷正比于载荷所产生的压力并且变形正比于应变, 这也说明,当材料是 弹性的时候, 应力与应变成正比。 因此胡克定律陈述, 应力正比于应变。 这定律服从于大部分铁合金在特定的范围内, 甚至以其合理的准确性可以假定适用于 其他工程材料比如混凝土，木材，非铁合金。 当一个材料是弹性的时候，当载荷消除之后，任何负载所产生的变形可以完全恢复,没 有永久的变形。 材料的弹性范围即是适用于胡克定律的范围，已经表明, 应力/应变=常数 常数被赋予符号 E，被称为弹性模量或杨氏模量。因此 E =应力/应变 杨氏模量 E 一般认为在拉伸和压缩里是一样的，大多数
5、工程材料有一个高的数值。典 型的，钢的 E = 200 * 109 N / m2,所以它将被观察到,Eq.应变通常是非常小的。 在最常见的工程应用中应变很少会超过 0、1%。对任何材料，杨氏模量的实用价值,通 常是提供了一个标准的材料测试标本。 4、工程机械概述4、工程机械概述 正如我们环顾四周，我们看到世界的“东西”：机器全，设备，工具;事情，我们已经 设计，建造和使用;木材，金属，陶瓷制成的东西，和塑料。我们从经验知道，有些事情是 比别人做得更好，他们去年更长，成本更低，更安静，看起来更好，或者更容易使用。理想 的情况，但是， 每个这样的项目已按设计一些“功能要求， ”由设计者认为，也就是
6、说，它的设计，以 回答这个问题， “究竟是什么职能应是执行？在工程世界” ，频繁的主要功能是如此的支持， 由于一些装载重量，惯性，压力式， 从我们家中的光束，飞机的一个机翼等，必须对产品的材料，尺寸适当的融合，和紧固 件生产结构，将执行一个较合理的成本合理的一生中其职能可靠。 在实践中，工程力学方法用于在两个完全不同的方式： 1.任何新设备的发展需要一个互动，形式，尺寸，材料，载荷，耐久性，安全性和 cost. 2.迭代审议。当一个设备出现故障，往往是要进行一项研究，以查明故障原因，并找出 潜在的纠正措施。我们最优秀的设计往往演变的薄弱环节，通过逐步消除。 对许多工程师，上述过程都可以被证明是
7、绝对精彩和愉快的，更不用提有利可图。 在任何“真正”的问题从来就没有足够好的，有用的信息，我们很少知道实际的载荷和 精确操作的任何条件，准确的分析很少。虽然我们可以精确的数学，综合分析，一般只是近 似，不同技能的人可以得到不同的解决方案。在工程力学研究中，大多数问题都将得到充分 的“理想化”允许独特的解决方案，但应该清楚， “现实世界”远不如理想，而且你通常会 在命令必须执行一些理想化获得一个解决方案。 在技术领域中，我们将考虑的是通常称为“静”与“材料力学” ， “静”指的是对固定设 备作用力学风和“材料力学”指的是这些部队在结构上的影响。 尽管许多设备都没有，事实上，静态的，这里开发的方法
8、是完全适用于动态的情况如果 与动态相关联的额外负荷，考虑。每当动态势力相对较小的静态负荷，系统通常被认为是静 态的。 在工程力学，我们赞赏逼近了在任何类型的固有的各种现实问题： 首先，我们将要讨论的事情，这是在“均衡” ，即没有加速。但是，如果我们仔细观察 的话，一切都正在加速。我们会考虑很多构件是“失重” ，但是他们从来没有的。我们将按 照部队的这种行为在一个“点” ，但所有力量在一个区域的行为。我们会考虑的某些部分 “刚性” ，但所有机构将在负荷下变形。 我们会作出这样的假设显然是错误的。但是，这些假设应始终呈现的问题更容易，更容 易处理。你会发现，他们的目标是使尽可能多的简化假设没有严重
9、退化的结果。 一般来说，没有明确的方法来确定如何彻底，或如何精确地说，对待一个问题 ： 如果我 们的分析过于简单，我们可能无法获得相关的答案，如果我们的分析过于详细，我们可能无 法获得任何答案。它通常是最好先从相对简单的分析，然后添加更多的细节，因为需要得到 实际的解决办法。 在过去的二十年来， 一直在为解决以往无法解决的问题， 进行电脑化方法的途径巨大增 长，因为所需的时间来解决这些问题将被禁止。在同一时间内，计算机能力和使用成本下降 了几个数量级。我们正经历一个“个人电脑”校园涌入，在家里，和商业活动中。 6、轴的设计、轴的设计 轴是一个旋转或者说是固定的构件,通常是圆形截面,轴上安装有齿
10、轮、滑轮、飞轮和其他 能量传递构件。如果一个轴上装有几个齿轮或者滑轮，轴的不同部分将受到不同的扭矩，因 为总能量在轴的不同的点逐渐损失。因此，必须要标注出轴的各个部分承受的扭矩。然后研 究弯矩的分布,最好画出剪力和弯矩的草图。(徒手画也行) 就使用方面来说，轴通常是一种旋转构件用来传递能量。尤其在过去的使用中,是一 个固定轴带动旋转的车轮，滑轮等等。然而,一般用法的话是不区分轴是否旋转的。另一方面, 在一个驾马车的时代里,我们所说的轴就是汽车上的车轴。总轴或主轴,首先有一个力推动,能 量被从皮带或链条上传递下来。皮带和链条通常是沿着轴的方向排着。 放在主轴和发动机 之间的轴通常被称为传动轴。机
11、器中较短的轴通常被称为梭。 从这个初步检查,在机械学中有这样一个问题,我们标示出扰度最大和扭矩最大的截面。如 果这些最大值发生在同一截面,那么那段截面所需要的直径也就确定了,当整根轴需要同样 直径那么就取最大值。如果最大值不发生在同一区段,那么比较两个最值处所确定的直径大 小，取较大的作为轴的直径。轴的直径在各个截面通常不同,有时因为结构的原因。在这种 情况下,就要检查应力或确认每段所需要的直径。设计师使确定所有的部分在应力的作用下 安全运行,并且要注意孔，键槽和其他的应力突变。 中空的轴有时候也很有用处，尽管它们比实心的要贵。它们有自身的优点，相比较之下 它们强度更大。 因为外部纤维在抵抗应
12、力方面更有效， 同时在热处理上反映更好因为同时在 内外表面淬火。所以所谓的空心轴也偶尔有需要，但是它们的边缘通常是做成大倾角的，为 了去除锐边，这方面存在缺陷。 偏差在轴的设计中有重要的意义，标准的扭矩偏差从机械轴的每米0.25度到传动轴的1 度每米或者直径20偏差1度。甚至短轴在硬度上也成为了一个特殊的问题，当施加一个突然 地冲击，例如汽车上的曲轴。这个冲击产生了一个扭转振动，通常是由汽车上的扭振阻尼器 抵消的。 准许的偏差的数值很少， 可能是因为数值的范围大并且每种情况都有其独特性， 按照经验来 说对于一个传动轴的偏差不允许超过 0.0005L。L 表示支撑端面之间的距离。尽管需要更高 的
13、刚度。最理想的情况是，在传动轴上，把齿轮，滑轮安装在轴承附近以便减小力矩。如果 厚膜润滑应用在轴承上,轴承的宽度偏差应只是一小部分的油膜厚度;如果斜度过多,轴颈上 会出现咬合。一个调心轴承可以消除这种麻烦如果偏差可以接受。 在机械工具方面，刚度是一个需要特殊考虑的问题,因为它关系到精度。如果一个轴支 持一个齿轮需要比它携带v型滑轮更多的考虑偏差。 质心是对称的和旋转体的旋转中心点并不一致。这是因为a从一个实际的观点出发是不可能 使质量分布均匀使质心和几何中心重合b轴,在荷载作用下,使身体转动,而移动的质心离开 真正的轴,经过轴承的中心线。 旋转先从几何轴线开始,但在一些速度下， 质心便宜的离心
14、力 将和偏轴力相等,轴和与它相接触的部分会剧烈震动，因为离心力变更了轴旋转地方向。这 样的速度被称为临界速度。在临界转速以上,运行平衡再次达到，那是的旋转中心是质心 （因为平衡了离心力） 。高速涡轮机经常操作临界转速以上。额外的临界速度,高于先前,成 功的获得,但相应的振动的振幅逐渐减少。 许多轴有三个或更多的轴承支撑,这意味着这个问题是静不定。材料强度的资料上给出了求 解方法。设计觉得一个问题应该同时考虑经济问题。举例来说,如果一行三人或三人以上的 轴轴承支持是必要的,保守的假设的制造成本可能更低-给予力矩的设计，一个略粗的轴的 额外费可能比一份精心的设计分析要低。 8、带传动和链传动、带传
15、动和链传动 除了齿轮、皮带、链是广泛应用。皮带、链代表主要类型的柔性传动构件。Fig.8.1 显示这 些构件和齿轮减速器结合一个典型的工业应用。 在这个应用程序说明了皮带,齿轮传动,链都 是可以用来使之达到最佳效果。 转缸式发动机是由电力马达发展而来的,但是马达通常运转在很高的速度而传出的扭矩又太 低和最终传动的应用不匹配。对于一个给定的能量传递,扭矩值增加和转速的降低是成比例 的。 所以有些减速技术往往是可取的。一般来说,皮带传动应用在转速相对比较高的场合,一级 减速是从电动机或马达上直接的减速。一个较小的驱动滑轮连接到马达轴,而大直径滑轮被 连接到一个平行轴上同时具有较低的速度。 带传动的
16、驱动滑轮也被称为滑轮。 带传动的线性 速度通常是 10-30m/s,也导致了作用在皮带上的拉力相对较小。 这是四个主要带传动类型:平坦的、圆的、V、同步。平带轮可以用于中心距离较长的带滑轮 驱动之间。另一方面,V 和同步带是用于短中心的距离。不含同步带，在滑轮和皮带只间会 发生滑动，滑轮是用铸铁或钢制成的。 V 型带传动一种被广泛使用的类型的带,尤其是在工业传动和车辆应用上。 V 型传动将皮带紧 紧嵌到滑轮槽内， 增加了摩擦力并且允许传送更大的扭矩在滑动发生之前。 平皮带驱动产生 很噪音小、 并且从系统中吸收更多的振动比起v型或其他传动。 一个平皮带传动效率约为98%, 这是几乎和齿轮传动一样。然而,V 型传动的效率驱动在 70%至 96%之间变化。 一个同步带,有时被称为定时皮带,在内部圆周表面安有齿型。一个同步带不会打滑,从而以 一种恒定的角速度比例。 然而,如果非常大的比例降低速度在传动上需求,齿轮减速机是很好的,因为他们能在相 对小的空间内完成大幅度减速。 齿轮减速的终端轴通常是高扭矩并且低速的。 如果对速度和 转矩的应用都有需求。它可以直接耦合到驱动的机
