构件的承载能力课件

1.认识认识构件在外力作用下的常见变形形式及规构件在外力作用下的常见变形形式及规律。律。2.能判断构件的承载能力能判断构件的承载能力,正确使用维护机器正确使用维护机器.教学目标教学目标:教学内容教学内容:1.构件在外力作用下的常见变形形式。构件在外力作用下的常见变形形式。2.构件在外力作用下的受力、变形和破坏规律。构件在外力作用下的受力、变形和破坏规律。基本知识基本知识o材料的力学性能材料的力学性能n-指变形固体在力的作用下所表现的指变形固体在力的作用下所表现的力学性能。力学性能。o构件的承载能力：构件的承载能力：n强度强度-构件抵抗破坏的能力构件抵抗破坏的能力n刚度刚度-构件抵抗变形的能力构件抵抗变形的能力n稳定性稳定性-构件保持原有平衡状态的能力构件保持原有平衡状态的能力一、承载能力分析的任务一、承载能力分析的任务引子引子o工程实例工程实例:受拉受拉(压压)结构及其失效分结构及其失效分析析曲柄连杆机构曲柄连杆机构连杆连杆P变速器传动轴受力变形、工作失稳变速器传动轴受力变形、工作失稳齿轮齿轮传动轴传动轴构件受力实例构件受力实例2 2构件承载能力的要求构件承载能力的要求u 构件应具备足够的构件应具备足够的强度强度，以保证在规定的，以保证在规定的使用条件下不致发生破坏。使用条件下不致发生破坏。u 构件应具备足够的构件应具备足够的刚度刚度，以保证在规定，以保证在规定的使用条件下不产生过量的变形。的使用条件下不产生过量的变形。u 构件应具备足够的构件应具备足够的稳定性稳定性，以保证在规，以保证在规定的使用条件下不产生失稳现象。定的使用条件下不产生失稳现象。承载能力分析的任务承载能力分析的任务o 由上述三项构件安全工作的基本要由上述三项构件安全工作的基本要求可以看出：如何合理的选用材料（求可以看出：如何合理的选用材料（既安全既安全又经济又经济）、如何恰当的确定构件的截面形状）、如何恰当的确定构件的截面形状和尺寸，便成为构件设计中十分重要的问题。和尺寸，便成为构件设计中十分重要的问题。o 承载能力分析的主要任务是：承载能力分析的主要任务是：研究构研究构件在外力作用下的受力、变形和破坏规律，件在外力作用下的受力、变形和破坏规律，为合理设计构件提供有关强度、刚度和稳定为合理设计构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法。性分析的基本理论和方法。静力分析静力分析静力分析静力分析 受力分析受力分析受力分析受力分析 内力分析内力分析内力分析内力分析应力分析应力分析应力分析应力分析 失效分析失效分析失效分析失效分析稳定设计稳定设计稳定设计稳定设计刚度设计刚度设计刚度设计刚度设计强度设计强度设计强度设计强度设计承载能力分析的任务承载能力分析的任务变形固体的基本假设变形固体的基本假设o连续性假设连续性假设 假设在固体所占有的空间内毫无空隙的充满了物假设在固体所占有的空间内毫无空隙的充满了物质质.o均匀性假设均匀性假设 假设材料的力学性能在各处都是相同的。假设材料的力学性能在各处都是相同的。o各向同性假设各向同性假设假设变形固体各个方向的力学性能都相同假设变形固体各个方向的力学性能都相同因此变形体是因此变形体是“连续、均匀的各向同性体连续、均匀的各向同性体”。1.1.研究对象研究对象变形固体变形固体 均匀连续性假设均匀连续性假设:各向同性假设各向同性假设:弹性小变形条件弹性小变形条件:基本假设基本假设:二、变形固体及其基本假设二、变形固体及其基本假设二、变形固体及其基本假设二、变形固体及其基本假设o2.变形变形构件在载荷作用下，其形状和尺寸发生变化的构件在载荷作用下，其形状和尺寸发生变化的现象；现象；变形固体的变形通常可分为两种：变形固体的变形通常可分为两种：o弹性变形弹性变形载荷解除后变形随之消失的变形载荷解除后变形随之消失的变形o塑性变形塑性变形载荷解除后变形不能消失的变形载荷解除后变形不能消失的变形n材料力学研究的主要是弹性变形，并且只限于弹材料力学研究的主要是弹性变形，并且只限于弹性小变形，即变形量远远小于其自身尺寸的变形性小变形，即变形量远远小于其自身尺寸的变形在构件承载能力的问题中，考察物体的平衡时，仍沿用在构件承载能力的问题中，考察物体的平衡时，仍沿用“刚体刚体”的力学模型。的力学模型。1 1、承载能力分析研究的对象的几何特点、承载能力分析研究的对象的几何特点杆件杆件横向尺寸远小于纵向尺寸的构件横向尺寸远小于纵向尺寸的构件轴线轴线横截面横截面截面形心截面形心三、杆件变形的基本形式三、杆件变形的基本形式在研究问题时，往往将杆件的外形因素忽略，对在研究问题时，往往将杆件的外形因素忽略，对其抽象、简化为其抽象、简化为计算简图计算简图:用用简单的线条、符号表示工程构件和机构等。简单的线条、符号表示工程构件和机构等。2 2、杆件变形的基本形式、杆件变形的基本形式u 轴向拉伸与压缩轴向拉伸与压缩u 剪切与挤压剪切与挤压u 扭转扭转u 弯曲弯曲 两种或两种以上的基本变形组合而成的，两种或两种以上的基本变形组合而成的，称为称为组合变形。组合变形。1.1.内力和内力图内力和内力图 外力外力:构件所受其他物体对它的构件所受其他物体对它的 作用力作用力.包括主动力和约束反力。包括主动力和约束反力。外力作用引起的杆件内部相互作外力作用引起的杆件内部相互作用力的改变量。用力的改变量。内力内力：注意注意:内力随外力内力随外力的大小而变化的大小而变化,与与构件承载能力密切构件承载能力密切相关相关.四、内力、截面法与应力四、内力、截面法与应力FFmmFFNFFN内力内力计算-截面法截面法o步骤n将杆件在欲求内力的截面处假想的切开切开；n取其中任一部分并在截面上画出相应内力内力；n由平衡条件确定内力大小。例：左图 左半部分：Fx=0 FN=F右半部分：Fx=0 FN,=FFNo内力图内力图：表示内力随：表示内力随截面位置变化的曲线。截面位置变化的曲线。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、平步骤：截、弃、代、平 注意注意：截面不能选在外力作用点处的截面上。用平行于杆轴线的用平行于杆轴线的x x坐坐标表示横截面位置标表示横截面位置，用垂，用垂直于直于x x的坐标的坐标F FN N表示横截面表示横截面内力的大小内力的大小，按选定的比，按选定的比例，把内力表示在例，把内力表示在x x-F FN N坐标坐标系中，描出的系中，描出的FFmmxFN作图方法：作图方法：2.2.应力应力o应力的概念：应力的概念：o 内力在截面上的集度称为应力应力 单位:帕斯卡，简称帕，记作Pa，1Pa1Pa 1N1Nm m2 2。1kPa103Pa，常用:兆帕 1MPa106Pa 千兆 1GPa109Pa 工程构件，大多数情形下，内力并非均匀分布，集度的定工程构件，大多数情形下，内力并非均匀分布，集度的定义不仅准确而且重要，因为义不仅准确而且重要，因为“破坏破坏”或或“失效失效”往往从内力集往往从内力集度最大处开始。度最大处开始。P AM平均应力：平均应力：平均应力：平均应力：全应力（总应力）：全应力（总应力）：全应力（总应力）：全应力（总应力）：应力的表示：应力的表示：应力的表示：应力的表示：全应力分解为：全应力分解为：p M 垂直于截面的应力称为垂直于截面的应力称为“正应力正应力”位于截面内的应力称为位于截面内的应力称为“剪应力剪应力”o工程实例工程实例:受拉受拉(压压)结构及其失效分结构及其失效分析析曲柄连杆机构曲柄连杆机构连杆连杆P轴向拉压一一.轴向拉伸与压缩的概念及特点轴向拉伸与压缩的概念及特点FFFF受力特点：受力特点：受力特点：受力特点：外力外力(或外力的合力或外力的合力)沿沿杆件的轴线作用，且作杆件的轴线作用，且作用线与轴线重合。用线与轴线重合。变形特点：变形特点：变形特点：变形特点：杆沿轴线方向伸长杆沿轴线方向伸长(或缩短或缩短)，沿横向缩，沿横向缩短短(或伸长或伸长)。发生轴向拉伸与压缩的杆件一般简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。定义定义定义定义:二、截面法二、截面法 轴力轴力 内力的计算是分析构件强度、刚度、稳定性等问题的内力的计算是分析构件强度、刚度、稳定性等问题的基础。求内力的一般方法是截面法。基础。求内力的一般方法是截面法。1.1.截面法的基本步骤：截面法的基本步骤：截开截开：假想地用截面将杆件一分为二。假想地用截面将杆件一分为二。代替：任取一部分，其弃去部分对留下部分的作用，用作用代替：任取一部分，其弃去部分对留下部分的作用，用作用 在截开面上相应的内力（力或力偶）代替。在截开面上相应的内力（力或力偶）代替。平衡：对留下的部分建立平衡方程，根据其上的已知外力来平衡：对留下的部分建立平衡方程，根据其上的已知外力来 计算杆在截开面上的未知内力（此时截开面上的内力计算杆在截开面上的未知内力（此时截开面上的内力 对所留部分而言是外力）。对所留部分而言是外力）。2.2.轴力轴力轴向拉压杆的内力，用轴向拉压杆的内力，用N N 表示。表示。例如：例如：截面法求截面法求N N。APP简图简图APPPAN截开：截开：截开：截开：代替：代替：代替：代替：平衡：平衡：平衡：平衡：反映出轴力与截面位置变化关系，较直观；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确定出最大轴力的数值及其所在横截面的位置，及其所在横截面的位置，即确定危险截面位置，为即确定危险截面位置，为强度计算提供依据。强度计算提供依据。4.4.4.4.轴力图轴力图轴力图轴力图 N N N N(x x x x)的图象表示。的图象表示。的图象表示。的图象表示。3.3.3.3.轴力的正负规定轴力的正负规定轴力的正负规定轴力的正负规定:N N 与外法线同向与外法线同向,为正轴力为正轴力(拉力拉力)N N与外法线反向与外法线反向,为负轴力为负轴力(压力压力)N 0NNN 0NNx意意义义 轴力图轴力图o轴力图的画法：轴力图的画法：用用平平行行于于杆杆件件轴轴线线的的坐坐标标表表示示杆杆件件截截面面位位置置，用用垂垂直直于于杆杆件件轴轴线线的的另另一一坐坐标标表表示示轴轴力力数数值值大大小小，正轴力画在坐标轴正向，反之画在负向。正轴力画在坐标轴正向，反之画在负向。NP+作法作法x简图简图APP六、轴向拉伸压缩时的强度计算六、轴向拉伸压缩时的强度计算1 1、材料的极限应力、材料的极限应力塑性材料为屈服极限塑性材料为屈服极限 脆性材料为强度极限脆性材料为强度极限 材料的极限应力是指保证正常工作条件下，该材材料的极限应力是指保证正常工作条件下，该材料所能承受的最大应力值料所能承受的最大应力值。屈服极限屈服极限强度极限强度极限Q235 钢：钢：235 372-392 35 钢：钢：31452945 钢：钢：353598 65Mn：343510材料种类材料种类（MPa）（MPa）典型材料的极限应力典型材料的极限应力2 2、工作应力、工作应力？工程实际中工程实际中是否允许：是否允许：答案是：答案是：不允许！不允许！o 工作应力仅取决于外力大小和构件的几何尺寸。工作应力仅取决于外力大小和构件的几何尺寸。只要外力和构件几何尺寸相同，不同材料做成的构只要外力和构件几何尺寸相同，不同材料做成的构件的工作应力也是相同的。件的工作应力也是相同的。o 对于同样的工作应力，为什么有的构件破坏、有对于同样的工作应力，为什么有的构件破坏、有的不破坏？显然这与材料的性质有关。的不破坏？显然这与材料的性质有关。工作应力工作应力杆件轴向拉压时截面的杆件轴向拉压时截面的应力即构件的工作时的实际应力：应力即构件的工作时的实际应力：一般说：一般说：因为断裂破坏比屈服破坏因为断裂破坏比屈服破坏更危险。更危险。3 3、许用应力、许用应力上式中上式中n n是一个大于是一个大于1 1的系数，称为的系数，称为安全系数安全系数构件工作应力的最大允许值等于材料极限应力的若干分之一，构件工作应力的最大允许值等于材料极限应力的若干分之一，这个允许值称为这个允许值称为许用应力许用应力，用符号，用符号