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1、第五章 轴向拉伸和压缩,【知识目标】 能熟练陈述材料力学的基本概念、基本方法和基本定律。 能正确陈述直杆的轴向拉伸和压缩的强度及变形。,【技能目标】 能正确计算轴向拉、压的内力和应力。 能正确利用轴向拉、压杆件的强度条件，判断其受力情况。,5.1 概述,工程中有很多构件，例如屋架中的杆，是等直杆，作用于杆上的外力的合力的作用线与杆的轴线重合。在这种受力情况下，杆的主要变形形式是轴向伸长或缩短。,屋架结构简图,受轴向外力作用的等截面直杆拉杆和压杆,桁架的示意图,（未考虑端部连接情况）,5.2 轴向拉、压的内力和应力计算,材料力学中所研究的内力物体内各质点间原来相互作用的力由于物体受外力作用而改变
2、的量。也就是由于外力作用于构件而产生的附加内力。,. 内力,根据可变形固体的连续性假设，内力在物体内连续分布。,通常把物体内任一截面两侧相邻部分之间分布内力的合力和合力偶简称为该截面上的内力(实为分布内力系的合成)。,. 截面法轴力及轴力图,(1) 假想地截开指定截面；,(2) 用内力代替另一部分对所取分离体的作用力；,(3) 根据分离体的平衡求出内力值。,步骤：,FN= F,横截面m-m上的内力FN其作用线与杆的轴线重合(垂直于横截面并通过其形心)轴力。取横截面m-m的左边或右边为分离体均可。 轴力的正负按所对应的纵向变形为伸长或缩短规定:当轴力背离截面产生伸长变形为正；反之，当轴力指向截面
3、产生缩短变形为负。,轴力背离截面FN=+F,用截面法求内力的过程中，在截取分离体前，作用于物体上的外力(荷载)不能任意移动或用静力等效的相当力系替代。,轴力指向截面FN= -F,轴力图(FN图)显示横截面上轴力与横截面位置的关系。,试作图a所示杆的轴力图。,例题 5-1,1. 用截面法分别求各段杆的轴力。为求轴力方便，先求出约束力 FR=10 kN。,在AB段用1-1截面将杆截开，以左端杆为分离体（图c），由SFx=0 得 FN1=10 kN(拉力),10kN,例题 5-1,解:,以图d为分离体，由SFx=0，得 FN2=50 kN(拉力),例题 5-1,取截面33右边为分离体（图e），假设轴
4、力为拉力。,同理，FN4=20 kN (拉力),由SFx=0，得FN3= -5 kN （压力）。,例题 5-1,由轴力图可见,2. 以横坐标表示横截面位置，纵坐标表示轴力的大小，由以上结果作轴力图如图所示。,例题 5-1,试作图a 所示杆的轴力图。,例题 5-2,1. 用截面法分别求各段杆的轴力 约束反力为FR=F,例题 5-2,解:,以图c为分离体，得FN1=F 以图e为分离体，得FN3=F,例题 5-2,以图d为分离体，得,例题 5-2,2. 由以上结果画出轴力图如图f所示,例题 5-2,求分布荷载作用的BC段的轴力时，作截面之前不允许用合力2lq2F代替分布荷载。作截面之后，利用平衡方程
5、求轴力时，方可用合力qx1代替分布荷载。 求轴力时，不允许将力沿其作用线段，例如，将作用在D截面的力F移到C截面时，AB、BC段的轴力不变，而CD段轴力为零。,例题 5-2, 应力的概念,受力杆件(物体)某一截面的M点附近微面积DA上分布内力的平均集度即平均应力， ，其方向和大小一般而言，随所取DA的大小而不同。,该截面上M点处分布内力的集度为 ，其方向一般既不与截面垂直，也不与截面相切，称为总应力。,总应力 p,应力量纲：ML-1T-2 应力单位：Pa(1 Pa = 1 N/m2，1 MPa = 106 Pa)。, 拉(压)杆横截面上的应力,(1) 与轴力相应的只可能是正应力s，与切应力无关
6、；,(2) s在横截面上的变化规律横截面上各点处s 相等时可组成通过横截面形心的法向分布内力的合力轴力FN ；横截面上各点处s 不相等时，特定条件下也可组成轴力FN 。,为此：,(1) 观察等直杆表面上相邻两条横向线在杆受拉(压)后的相对位移：两横向线仍为直线，仍相互平行，且仍垂直于杆的轴线。,(2) 设想横向线为杆的横截面与杆的表面的交线。平截面假设原为平面的横截面在杆变形后仍为平面，对于拉(压)杆且仍相互平行，仍垂直于轴线。,(3) 推论：拉(压)杆受力后任意两个横截面之间纵向线段的伸长(缩短)变形是均匀的。根据对材料的均匀、连续假设进一步推知，拉(压)杆横截面上的内力均匀分布，亦即横截面
7、上各点处的正应力s 都相等。,(4) 等截面拉(压)杆横截面上正应力的计算公式 。,注意：,(1) 上述正应力计算公式来自于平截面假设；对于某些特定杆件,例如锲形变截面杆，受拉伸(压缩)时，平截面假设不成立，故原则上不宜用上式计算其横截面上的正应力。,(2) 即使是等直杆，在外力作用点附近，横截面上的应力情况复杂，实际上也不能应用上述公式。,(3) 圣维南(Saint-Venant)原理：“力作用于杆端方式的不同，只会使与杆端距离不大于杆的横向尺寸的范围内受到影响”。,这一原理虽被许多实验所证实，但没有经过严格的理论证明，也没有确切的数学表达式，因此不能随便使用。上图为不能应用圣维南(Sain
8、t-Venant)原理的例子（详见奚绍中编 材料力学精讲，P15)。,试求图a所示正方形砖柱由于荷载引起的横截面上的最大工作应力。已知F = 50 kN。,例题 5-3,1.作轴力图如图所示。分别求各段柱的工作应力。段柱横截面上的正应力,段柱横截面上的正应力,(压应力),(压应力),例题 5-3,结果表明，最大工作应力为 smax= s2= -1.1 MPa (压应力）,例题 5-3,. 拉(压)杆斜截面上的应力,斜截面上的内力：,斜截面上的总应力：,推论：斜截面上各点处轴向分布内力的集度相同，即斜截面上各点处的总应力pa 相等。,式中， 为拉(压)杆横截面上(a =0)的正应力。,斜截面上的
9、正应力(normal stress)和切应力(shearing stress)：,正应力和切应力的正负规定：,思考：1. 写出图示拉杆其斜截面k-k上的正应力sa和切应力ta与横截面上正应力s0的关系。并示出它们在图示分离体的斜截面k-k上的指向。,2. 拉杆内不同方位截面上的正应力其最大值出现在什么截面上？绝对值最大的切应力又出现在什么样的截面上？,3. 对于拉(压)杆知道了其横截面上一点处正应力s0(其上的切应力t0= 0)，是否就可求出所有方位的截面上该点处的应力，从而确定该点处所有不同方位截面上应力的全部情况该点处的应力状态(state of stress)？,5.3 轴向拉、压杆件的
10、强度条件,. 拉(压)杆的强度条件,强度条件保证拉(压)杆在使用寿命内不发生强度破坏的条件：,其中：smax拉(压)杆的最大工作应力，s材料拉伸(压缩)时的许用应力。, 材料的拉、压许用应力,塑性材料：,脆性材料：许用拉应力,其中，ns对应于屈服极限的安全因数,其中，nb对应于拉、压强度的安全因数,常用材料的许用应力约值 (适用于常温、静荷载和一般工作条件下的拉杆和压杆）,. 关于安全因数的考虑,(1) 考虑强度条件中一些量的变异。如极限应力(ss，sp0.2，sb，sbc)的变异，构件横截面尺寸的变异，荷载的变异，以及计算简图与实际结构的差异。,(2) 考虑强度储备。计及使用寿命内可能遇到意
11、外事故或其它不利情况，也计及构件的重要性及破坏的后果。,安全因数的大致范围：静荷载(徐加荷载)下，, 强度计算的三种类型,(3) 计算许可荷载 已知拉(压)杆材料和横截面尺寸，按强度条件确定杆所能容许的最大轴力，进而计算许可荷载。FN,max=As ，由FN,max计算相应的荷载。,(2) 截面选择 已知拉(压)杆材料及所受荷载，按强度条件求杆件横截面面积或尺寸。,(1) 强度校核 已知拉(压)杆材料、横截面尺寸及所受荷载，检验能否满足强度条件 对于等截面直杆即为,试选择如图 (a)所示桁架的钢拉杆DI的直径d。已知：F =16 kN，s=120 MPa。,例题 5-4,1. 用m-m截面将桁
12、架截开由图中(b)所示分离体的平衡方程SMA=0，即,例题 5-4,2. 求所需横截面面积并求钢拉杆所需直径,由于圆钢的最小直径为10 mm，故钢拉杆DI采用f10的圆钢。,例题 5-4,图(a)所示三角架中，AC杆由两根 80 mm 80 mm7 mm等边角钢组成，AB杆由两根10号工字钢组成。两种型钢的材料均为Q235钢，s=170 MPa。试求许用荷载F。,例题 5-5,1. 由结点 A (图b)的平衡方程,例题 5-5,2. 计算各杆的许用轴力,先由型钢表查出相应等边角钢和工字钢的横截面面积，再乘以2得,由强度条件 得各杆的许可轴力：,杆AC的横截面面积,杆AB的横截面面积,例题 5-
13、5,3. 求三角架的许用荷载,先按每根杆的许用轴力求各自相应的许用荷载,该三角架的许用荷载应是F1和F2中值小的一个，所以,例题 5-5,例题 5-5,2. 试分析下述解法是否正确？并说明原因。,这种解法是不正确的，尽管 F 的答案与以上解法的结果相同，这仅是巧合，不是普遍规律，也不满足SFx0的条件。这是因为认为设定两杆的应力同时达到许用应力，一般情况这是不可能的。该题中，F184.6kN时，s2s。,例题 5-5,5.4 拉、压杆的变形、胡克定律,拉(压)杆的纵向变形,基本情况下(等直杆，两端受轴向力)：,纵向总变形Dl = l1-l （反映绝对变形量）,纵向线应变 （反映变形程度）,x
14、截面处沿x方向的纵向平均线应变为,图示一般情况下在不同截面处杆的横截面上的轴力不同，故不同截面的变形不同。,线应变的正负规定：伸长时为正，缩短时为负。,一般情况下，杆沿x方向的总变形,x截面处沿x方向的纵向线应变为,横向变形与杆轴垂直方向的变形,在基本情况下,引进比例常数E，且注意到F = FN，有,胡克定律(Hookes law),适用于拉(压)杆。,式中：E 称为弹性模量(modulus of elasticity)，由实验测定，其量纲为ML-1T-2，单位为Pa；EA 杆的拉伸(压缩)刚度。,胡克定律(Hookes law),工程中常用材料制成的拉(压)杆，当应力不超过材料的某一特征值(
15、“比例极限”)时，若两端受力,胡克定律的另一表达形式：,单轴应力状态下的胡克定律,低碳钢(Q235)：,注意：(1) 单轴应力状态受力物体内一点处取出的单元体，其三对相互垂直平面上只有一对平面上有应力的情况。,(2) 单轴应力状态下的胡克定律阐明的是沿正应力s方向的线应变e 与正应力之间的关系，不适用于求其它方向的线应变。,单轴应力状态下，应力不超过比例极限时：,低碳钢(Q235)：n = 0.240.28。,亦即,横向变形因数(泊松比)(Poissons ratio),单轴应力状态下，当应力不超过材料的比例极限时，某一方向的线应变e 与和该方向垂直的方向(横向)的线应变e的绝对值之比为一常数
16、，此比值称为横向变形因数或泊松比(Poissons ratio)：,(2)横截面B,C及端面D的纵向位移与各段杆的纵向总变形是什么关系？,思考：等直杆受力如图，已知杆的横截面面积A和材料的弹性模量E。,(1)列出各段杆的纵向总变形lAB，lBC，lCD以及整个杆纵向变形的表达式。,位移：,变形：,(3) 图(b)所示杆，其各段的纵向总变形以及整个杆的纵向总变形与图(a)的变形有无不同？各横截面及端面的纵向位移与图(a)所示杆的有无不同？何故？,位移：,变形：,5.5 材料在拉（压）时的力学性质,. 材料的拉伸和压缩试验,圆截面试样：l = 10d 或 l = 5d(工作段长度称为标距)。,矩形截面试样： 或 。,拉伸试样,试验设备 ：,(1) 万能试验机：强迫试样变形并测
