购买

¥18.0

加入VIP
  • 专属下载券
  • 上传内容扩展
  • 资料优先审核
  • 免费资料无限下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 第五节产品中主要构件的受力分析

第五节产品中主要构件的受力分析.ppt

第五节产品中主要构件的受力分析

东洲居士
2019-04-17 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第五节产品中主要构件的受力分析ppt》,可适用于项目管理领域

第五节产品中主要构件的受力分析一、材料的性能表述材料的性能通常有强度和刚度两个方面。强度描述的是构件在外力作用下抵抗破坏的能力。而刚度描述的是构件在外力作用下抵抗变形的能力。产品的某个构件被破坏则引起产品的破坏。功用的失效某构件刚度太低会引起变形两样影响功用甚至造成产品根本无法正常使用。强度和刚度的性能和材料自身性能有关系比如几何尺寸相同的钢材和木材钢材的强度和刚度大于木材又比如玻璃材料其抗压强度表现较好而弯曲强度则表现很差。根据大量的实验把材料按照力学性能分成了两大类别即塑性材料和脆性材料。塑性材料在拉伸和压缩时的弹性极限、屈服极限基本相同对受压和受拉构件都适用。脆性材料的压缩强度极限远比拉伸时大因此脆性材料适用于受压构件。此外塑性材料在破坏前能发生很大的塑性变形便于加工而且抗冲击的能力比较好受应力集中的影响较小。脆性材料难以加工矫正构件安装位置时容易产生裂纹抗冲击的能力差受应力集中的影响较大。铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理性工程材料的性能使用性能*力学性能(机械性能)物理性能化学性能工艺性能使用过程中表现出来的性能各种加工过程中表现出来的性能机械性能(力学性能):在外力作用时表现出的性能。包括:强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力切除后不能恢复的变形称为塑性变形。静载时的机械性能静载:对试样进行缓慢加载()弹性和刚度弹性:材料弹性变形的能力。指标为弹性极限e即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度:材料受力时抵抗弹性变形的能力。比例极限sigmap:应力和应变保持直线关系的最大应力值。()强度强度:材料抵抗塑性变形或断裂的能力。屈服强度(屈服极限)s:材料开始发生明显塑性变形的应力值。抗拉强度b:材料断裂前所承受的最大应力值。s()塑性断裂前材料产生塑性变形的能力。伸长率(延伸率):断裂后拉伸试样的颈缩现象布氏硬度计()硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。)冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力(简称为韧性)。冲击韧性ak:(通过冲击实验测得)。动载时的机械性能TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关)疲劳材料在低于s的重复交变应力作用下长时间工作发生突然断裂的现象。疲劳极限:材料经无限应力循环次数而不发生疲劳断裂的最高应力值用表示。条件疲劳极限:材料在规定应力循环次数后仍不发生断裂时的最大应力值。用(N)表示。钢铁材料规定次数为有色金属合金为。二、材料的受力(一)轴向拉伸与压缩概念与实例轴向拉压的工程实例工程桁架活塞杆FF厂房的立柱轴向拉压的概念:()变形特点:杆沿轴线方向伸长或缩短。()受力特点:FNFNFNFN外力合力作用线与杆轴线重合。以轴向拉压为主要变形的杆件称为拉压杆或轴向承载杆。ABCF轴向拉压杆横截面的内力、应力及强度条件()内力)轴向拉压杆横截面的内力mdashmdash轴力(用FN表示)FNF例:已知外力F求:-截面的内力FN。解:FFmdashsumX=,FNF=,FFN(截面法确定)①截开。②代替FN代替。③平衡FN=F。FNF以-截面的右段为研究对象:内力FN沿轴线方向所以称为轴力。)轴力的符号规定:压缩mdash压力其轴力为负值。方向指向所在截面。拉伸mdash拉力其轴力为正值。方向背离所在截面。FNFFFN(+)FNFFFN(-))轴力图:FNx①直观反映轴力与截面位置变化关系②确定出最大轴力的数值及其所在位置即确定危险截面位置为强度计算提供依据。)轴力图的意义轴力沿轴线变化的图形FF例图示杆的A、B、C、D点分别作用着大小为FA=F、FB=F、FC=F、FD=F的力方向如图试求各段内力并画出杆的轴力图。FNABCDFAFBFCFDO解:求OA段内力FN:设截面如图ABCDFAFBFCFDFNFNDFDFNABCDFAFBFCFDO求CD段内力:求BC段内力:求AB段内力:FN=FFN=FFN=ndashFBCDFBFCFDCDFCFDFN=ndashFFN=FFN=F轴力图如下图示FNxFFFFABCDFAFBFCFDOFN=FFN=FFN=ndashF例等直杆BC,横截面面积为A,材料密度为r,画杆的轴力图求最大轴力解:轴力计算轴力图与最大轴力轴力图为直线推导思路:实验rarr变形规律rarr应力的分布规律rarr应力的计算公式轴向拉压杆横截面的应力)实验:变形前受力后FF)变形规律:横向线mdashmdash仍为平行的直线且间距增大。纵向线mdashmdash仍为平行的直线且间距减小。)平面假设:变形前的横截面变形后仍为平面且各横截面沿杆轴线作相对平移横向线mdashmdash仍为平行的直线且间距增大。纵向线mdashmdash仍为平行的直线且间距减小。横向线mdashmdash仍为平行的直线且间距减小大。纵向线mdashmdash仍为平行的直线且间距增大。)基本概念应力:单位面积上的内力。方向垂直与横截面的应力mdashmdash正应力单位:帕斯卡(Nm))应力的分布规律mdashmdash内力沿横截面均匀分布)应力的计算公式mdashmdash轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式F)正应力的符号规定mdashmdash同内力拉应力为正值方向背离所在截面。压应力为负值方向指向所在截面。)拉压杆内最大的正应力:等直杆:变直杆:)公式的使用条件()轴向拉压杆()除外力作用点附近以外其它各点处。(范围:不超过杆的横向尺寸)(其中n为安全系数,值>)⑶安全系数取值考虑的因素:(a)给构件足够的安全储备。(b)理论与实际的差异。⑴极限应力(危险应力、失效应力):材料发生破坏或产生过大变形而不能安全工作时的最小应力值。ldquosigmajxrdquo(sigmau、sigma)⑵许用应力:构件安全工作时的最大应力。ldquosigmardquo)极限应力、许用应力拉压杆的强度计算)强度条件:最大工作应力小于等于许用应力等直杆:变直杆:le()确定外荷载mdashmdash已知:sigma、A。求:F。FNmaxlesigmaA。rarrF()设计截面尺寸mdashmdash已知:F、sigma。求:A解:AgeFNmax/sigma。)强度条件的应用:(解决三类问题):()校核强度mdashmdash已知:F、A、sigma。求:解:?le?解:例已知一圆杆受拉力F=kN直径d=mm许用应力=MPa试校核此杆是否满足强度要求(校核强度)。解:轴力FN=F=kN应力:强度校核:此杆满足强度要求能够正常工作。FFKNXFNFFN例已知简单构架:杆、截面积A=A=mm材料的许用拉应力st=MPa许用压应力sc=MPa试求:载荷F的许用值F解:轴力分析利用强度条件确定F(A=A=mm许用拉应力st=MPa许用压应力sc=MPa)(二)剪切应力与实例剪切的概念和实例铆钉连接工程实际中用到各种各样的连接如:销轴连接平键连接榫连接剪切受力特点:作用在构件两侧面上的外力合力大小相等、方向相反且作用线相距很近。变形特点:构件沿两力作用线之间的某一截面产生相对错动或错动趋势。FF铆钉连接剪床剪钢板剪切面双剪切剪切面FF连接的破坏形式一般有两种)剪切破坏构件两部分沿剪切面发生滑移、错动)挤压破坏在接触区的局部范围内产生显著塑性变形挤压破坏实例剪切与挤压破坏都是复杂的情况这里仅介绍工程上的实用计算方法名义切应力计算公式:剪切强度条件:mdashmdash名义许用切应力常由实验方法确定实用计算中假设切应力在剪切面(mm截面)上是均匀分布的剪切的实用计算抗剪强度的计算FF剪切面上的内力用截面法mdashmdash剪切强度条件同样可解三类问题挤压力不是内力而是外力挤压面上应力分布也是复杂的实用计算中名义挤压应力公式挤压强度条件:常由实验方法确定mdashmdash挤压面的计算面积挤压的实用计算挤压强度的计算FF挤压强度条件同样可解三类问题挤压强度条件:剪切强度条件:脆性材料:塑性材料:可从设计手册中查得例已知:d=mmb=mmd=mmt=MPasbs=MPas=MPa。试求:F解:剪切强度挤压强度钢板拉伸强度例已知:F=kN,d=mm,b=mm,d=mm,t=MPa,sbs=MPa,s=MPa试校核接头的强度搭接接头解:接头受力分析当各铆钉的材料与直径均相同且外力作用线在铆钉群剪切面上的投影通过铆钉群剪切面形心时通常即认为各铆钉剪切面上的剪力相等若有n个铆钉则每一个铆钉受力强度校核剪切强度:挤压强度:拉伸强度:接头强度足够(三)扭转概念和工程实例卷扬机轴受到扭转搅拌机的轴受到扭转()螺丝刀杆工作时受扭。Me主动力偶阻抗力偶扭转的工程实例()汽车方向盘的转动轴工作时受扭。()机器中的传动轴工作时受扭。扭转的概念受力特点:杆两端作用着大小相等、方向相反的力偶作用且力偶作用面垂直于杆的轴线。变形特点:杆任意两截面绕轴线发生相对转动。主要发生扭转变形的杆mdashmdash轴。()外力偶矩计算设:轴的转速n转/分(r/min)其中某一轮传输的功率为:P千瓦(KW)实际作用于该轮的外力偶矩T则自由扭转杆件的内力计算在工程实际中作用于轴上的外力偶矩往往是未知的已知的是轴的转速和轴上各轮传递的功率。如右图所示的齿轮轴简图轮B是主动轮轮B的输入功率经轴的传递由传动轮A、C输出给其他构件。圆轴受扭时其横截面上的内力偶矩称为扭矩用符号T表示。扭矩大小可利用截面法来确定。TTMeMeABBMeAMexmmT)扭转杆件的内力(截面法)mmT取右段为研究对象:内力偶矩mdashmdash扭矩  取左段为研究对象:()扭转杆件的内力mdashmdash扭矩及扭矩图)扭矩的符号规定:按右手螺旋法则判断。右手的四指代表扭矩的旋转方向大拇指代表其矢量方向若其矢量方向与截面的外法线方向相同则扭矩规定为正值反之为负值。TT例一传动轴如图转速n=rmin主动轮输入的功率P=kW三个从动轮输出的功率分别为:P=kWP=kWP=kW。试作轴的扭矩图。)内力图(扭矩图)表示构件各横截面扭矩沿轴线变化的图形。扭矩图作法:同轴力图计算作用在各轮上的外力偶矩解:MMMMABCD分别计算各段的扭矩MMMMABCDTxMATAMBMxTDMx扭矩图Tmax=kNmiddotm在BC段内MMMMABCDT图(kNmiddotm))圆轴扭转时横截面上的应力()几何关系:由实验找出变形规律rarr应变的变化规律()实验:圆轴扭转时横截面上的应力观察变形规律:圆周线mdashmdash形状、大小、间距不变各圆周线只是绕轴线转动了一个不同的角度。纵向线mdashmdash倾斜了同一个角度小方格变成了平行四边形。扭转平面假设:变形前的横截面变形后仍为平面且形状、大小以及间距不变半径仍为直线。定性分析横截面上的应力()()因为同一圆周上剪应变相同所以同一圆周上切应力大小相等并且方向垂直于其半径方向。()静力关系:由横截面上的扭矩与应力的关系rarr应力的计算公式圆轴扭转时横截面上任一点的剪应力计算式:横截面上的应力及其分布:横截面上mdashmdash抗扭截面模量整个圆轴上mdashmdash等直杆:)公式的使用条件:()等直的圆轴()弹性范围内工作Ipmdash截面的极惯性矩单位:()圆轴扭转时横截面上任一点的切应力(圆轴中taumax的确定)单位:)圆截面的极惯性矩Ip和抗扭截面系数Wp实心圆截面:Odrrd空心圆截面:DdrrOd注意:对于空心圆截面DdrrOd()强度条件:()强度条件应用:)校核强度:扭转变形扭转强度和刚度计算lege)设计截面尺寸:)确定外荷载:le)扭转强度计算等截面圆轴:变截面圆轴:例已知T=kNmt=MPa试根据强度条件设计实心圆轴与=的空心圆轴。解:确定实心圆轴直径确定空心圆轴内、外径重量比较空心轴远比实心轴轻例图示阶梯状圆轴AB段直径d=mmBC段直径d=mm。扭转力偶矩MA=kNbullmMB=kNbullmMC=kNbullm。材料的许用切应力t=MPa试校核该轴的强度。解:、求内力作出轴的扭矩图T图(kNmiddotm)MAMBⅡⅠMCACBBC段AB段、计算轴横截面上的最大切应力并校核强度即该轴满足强度条件。T图(kNmiddotm)(四)受弯构件及应力分布PPPPPPPP工程实际中的弯曲问题)工程实例)梁弯曲的概念PqMRARB产生弯曲变形的杆称为梁梁受到与其轴线垂直的横向力作用要发生弯曲变形平面弯曲的概念只研究矩形截面梁的弯曲矩形截面梁有一个纵向对称面当外力都作用在该纵向对称面内弯曲也发生在该对称面内称之为平面弯曲。因此可以用梁轴线的变形代表梁的弯曲梁的基本形式梁的支座形式和结构实际上是多种多样的。为便于分析研究根据实际约束的主要力学特性将它们归纳为以下三种基本类型。()简支梁:梁的两端均有约束一端可简化为固定铰支座另一端可简化为活动铰支座的梁称为简支梁。()外伸梁:若简支梁有一端或两端伸出支座之外则为外伸梁。体操运动中双杠的每一条杠都可看作外伸梁。()悬臂梁:一端为固定端、另一端自由的梁称为悬臂梁。)梁的载荷与支座反力()梁的载荷#集中力#均布载荷#集中力矩正负号规定:集中力和均布载荷与坐标轴同向为正、反向为负集中力矩逆时针为正、顺时针为负。)梁的支座反力滑动铰支(Ry)固定铰支(RxRy)固定端(MRxRy)RyRxMRy图示法反力未知反力数名称RxRy梁的支承方法及反力)梁的类型根据梁的支撑情况可以将梁分为种类型简支梁一端固定铰支座一端活动铰支座悬臂梁一端固定一端自由外伸梁一端固定铰支座活动铰支座位于梁中某个位置)求支座反力的平衡方程求解梁弯曲问题必须在梁上建立直角坐标系求支座反力要利用外载荷与支座反力的平衡条件举例说明P左边固定铰支座有两个约束反力AB右边活动铰支座个约束反力l再以悬臂梁为例假设该悬臂梁承受均布载荷ql固定端有个约束反力RxRyABMA建立平衡方程求约束反力()纯弯曲梁的横截面上只有弯矩而无剪力的弯曲(横截面上只有正应力而无剪应力的弯曲)。剪力ldquoFsrdquomdashmdash切应力ldquotaurdquo弯矩ldquoMrdquomdashmdash正应力ldquosigmardquo()横力弯曲(剪切弯曲)aaFBAFMxFsxFaFF梁的横截面上既有弯矩又有剪力的弯曲(横截面上既有正应力又有剪应力的弯曲)。)纯弯曲和横力弯曲的概念、梁横截面的正应力)纯弯曲梁横截面上的正应力公式()变形几何关系    弯曲平面假设:梁变形前原为平面的横截面变形后仍为平面且仍垂直于变形后的轴线只是各横截面绕其上的某轴转动了一个角度。纵向纤维假设:梁是由许多纵向纤维组成的且各纵向纤维之间无挤压。应力的分布图:MZysigmamaxsigmamax弯曲正应力计算公式弯矩可代入绝对值应力的符号由变形来判断。当M时下拉上压当M时上拉下压。yxMZyzAsigmaWzmdashmdash截面的抗弯截面系数最大正应力的确定⑴截面关于中性轴对称⑵截面关于中性轴不对称几种常见截面的IZ和WZ圆截面矩形截面空心圆截面空心矩形截面、梁的正应力强度条件材料的许用弯曲正应力中性轴为横截面对称轴的等直梁拉、压强度不相等的铸铁等脆性材料制成的梁Ozyytmaxycmax为充分发挥材料的强度最合理的设计为弯曲正应力强度条件、强度校核mdashmdash、设计截面尺寸mdashmdash、确定外荷载mdashmdashsspoundmaxmaxsMWzsupmaxszWMpound例图示为机车轮轴的简图。试校核轮轴的强度。已知材料的许用应力FaFb()B截面C截面需校核()强度校核()计算简图()绘弯矩图解:B截面:C截面:()结论:轮轴安全弯曲剪应力的强度条件、校核强度、设计截面尺寸、确定外荷载。需要校核剪应力的几种特殊情况:()铆接或焊接的组合截面其腹板的厚度与高度比小于型钢的相应比值时要校核剪应力()梁的跨度较短M较小而Q较大时要校核剪应力。()各向异性材料(如木材)的抗剪能力较差要校核剪应力。、提高梁承载能力的措施)合理安排梁的受力减小弯矩。FABLLMmax=FLFMmax=FLLLFF合理截面形状应该是截面面积A较小而抗弯截面模量大的截面。)合理安排梁的截面提高抗弯截面模量。竖放比横放要好。()放置方式:()抗弯截面模量截面面积截面形状圆 形矩 形槽 钢工字钢()根据材料特性选择截面形状对于铸铁类抗拉、压能力不同的材料最好使用T字形类的截面并使中性轴偏于抗变形能力弱的一方即:若抗拉能力弱而梁的危险截面处又上侧受拉则令中性轴靠近上端。如下图:采用变截面梁如右图:ssordm=)()()(maxxWxMxtttb)(,bh(x)Fs=maxFsxhsuppound同时)设计等强度梁。等强度梁三、材料分布带来的力学性能设计中若需增加构件的强度和刚度除选用高性能的材料外可以采用堆砌材料的方式比如构件加粗加厚构件数量的叠加等也可以用合理的空间结构来实现强度和刚度的增加比如工程型材中的L形材料(角钢)、U形材料(槽钢)和工字型材(工字钢)的断面结构以及加强筋结构和桁架结构。设计原则等强度所谓等强度原则是指使构件的各部分的强度均等。按等强度原理进行结构设计可以使材料得到充分利用减轻重量降低成本。合理配置力流产品中力在各零部件间传递、分配力的传递轨迹称为力线力线的汇集形成力流。通过力流的合理配置可以使产品结构设计更为合理、有效。加粗加厚构件、叠加构件数量往往会引起产品费用升高、重量加大所以不是好的方式合理的空间结构才是设计师追寻的目标。middot力流最短原理按力流最短原理设计传力简捷可以使构件尽量单纯受拉或受压避免受弯和扭这样可使构件尺寸小、刚度好、用材省。反之为提高构件弹性则应加长力流路径。middot力流平缓原则。在构件截面变化处力流容易积聚形成应力集中降低构件强度因此应通过结构(圆角、卸载槽等)设计平缓力流。力平衡通过结构设计部分或全部地平衡产品在工作时所产生的无用力以免构件受力不平衡降低使用寿命。承力结构四、构件的组合带来的力学性能合理的空间结构包含了构件自身的工程结构和构件所组成的空间结构。比如在弯曲受力中工字型材梁的强度要好于圆柱型材在梁的受力中同样的工程材料跨度小的梁受力要好于跨度大的梁。在构件的组合结构中桁架是比较典型的组合方式。桁架带来的力学效应非常明显通常桁架构造的结构比其他结构更稳固、更轻巧。StDemetriosGreekOrthodoxChrch教堂建筑结构由重复的空间结构单元组成拱形结构符合力学要求。

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

评分:

/123

¥18.0

立即购买

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利