材料力学第5章剪切和挤压

第5章剪切和挤压

5.1 剪切的概念和实例

在工程实际中，为了将构件互相连接起来，通常要用到各种各样的连接。例如图5-1中所示的（a）为拖车挂钩的销轴连接；（b）为桥梁结构中常用的钢板之间的铆钉连接；（c）为传动轴与齿轮之间的键块连接；（d）为两块钢板间的螺栓连接；（e）为构件中的搭接焊缝连接。这些起连接作用的销轴，铆钉，键块，螺栓及焊缝等统称为连接件。这些连接件的体积虽然比较小，但对于保证整个结构的牢固和安全却具有重要作用。因此，对这类零件的受力和变形特点必须进行研究、分析和计算。

（a）（b）

(c) (d)

图5-1 工程中的连接

现以螺栓连接为例来讨论剪切变形与剪切破坏现象。设两块钢板用螺栓连接，如图5-2（a）所示。当钢板受到横向外力N拉伸时，螺栓两侧面便受到由两块钢板传来的两组力P 的作用。这两组力的特点是：与螺栓轴线垂直，大小相等，方向相反，作用线相距极近。在这两组力的作用下，螺栓将在两力间的截面m-m处发生错动，这种变形形式称为剪切。发生相对错动的截面称为剪切面，它与作用力方向平行。若连接件只有一个剪切面，称为单剪切，若有两个剪切面，称为双剪切。为了进一步说明剪切变形的特点，我们可以在剪切面处取出一矩形簿层来观察，发现在这两组力作用下，原来的矩形将歪斜成平行四边形，如图

5-2b所示。即矩形薄层发生了剪切变形。若沿剪切面m-m截开，并取出如图5-2c所示的脱离体，根据静力平衡方程，则在受剪面m-m上必然存在一个与力P大小相等、方向相反的

内力Q，此内力称为剪力。若使推力P逐渐增大，则剪力也会不断增大。当其剪应力达到材料的极限剪应力时，螺栓就会沿受剪面发生剪断破坏。

(a) (b) (c)

图5-2 螺栓连接的剪切破坏

5.2剪切和挤压的实用计算

5.2.1剪切的实用计算

受剪切的连接件一般大多为短粗杆，且剪切变形均发生在某一局部，要从理论上计算它们的工作应力往往非常复杂，有时甚至是不可能的。即使用精确理论进行分析，所得结果也会与实际情况有较大的出入。因此为了简单有效，对于连接件的强度计算，通常使用实用计算法或称假定计算法。所谓实用计算，一般包括两层含意：其一是假定连接件剪切面上的应力分布均等，从而算出截面上的平均剪应力，或称“名义剪应力”。即 A

Q

=

τ 其中：τ—剪切面上的剪应力（MPa ）； Q —剪切面上的剪力 （N ）； A —剪切面面积 （m 2）。

其二是用与受剪构件相同的材料制成试件，在试件与受剪构件受力尽可能相似的条件下进行直接剪切实验，用所得到的破坏荷载按照同样的名义应力公式算出材料的极限应力b τ,将此极限应力除以适当的安全系数即得到材料的许用剪切应力[τ]。这样求出的平均剪应力虽然只是近似地表达出材料的抗剪强度，但因工程实际中的受剪构件的受力情况与试件在实验中的受力情况极为相似，所以其计算结果是完全可以满足工程要求的。由此可得出其剪切强度的条件为

τ =

A

Q

≤[τ] 式中的[τ]是材料的许用切应力，它的具体数值可从有关设计规范中查找。实验表明，许用剪应力[τ]与拉伸许用应力[σ]L 之间大约具有以下关系：对于塑性材料， [τ]=（0.6～0.8）[σ]L ；对于脆性材料， [τ]=（0.8～1.0）[σ]L 。

5.2.2挤压实用计算

连接件在受到剪切的同时，往往还伴随着局部受压现象。现仍以螺栓连接为例，当螺栓受到剪切的同时，在螺柱的半个圆柱面与钢板圆孔表面相接触的表面上也因承受压力而发生局部压缩变形。若压力过大，就可能导致螺栓或钢板产生明显的局部塑性变形而被压溃。这种局部接触面受压的现象称为挤压，受压的局部表面称为挤压面。如图5-3所示为钢板孔壁受挤压破坏的情形：孔被挤压成为长圆孔，导致连接松动，使构件丧失工作能力。同理，螺栓本身也有类似问题。因此，对受剪构件除进行剪切强度计算外，还必须要进行挤压强度计算。

图5—3 螺栓连接的挤压破坏

挤压面上承受的总压力称为挤压力。它们的压强称为挤压应力，其方向垂直于挤压面。在通常情况下，挤压应力只局限于接触面的附近区域，其分布情况也是非常复杂的，它与连接件的几何形状及材料的性质有很大关系。为简化计算，工程上亦采用实用计算法，即假设挤压力jy P 是均匀分布在挤压面jy A 上。由此得出挤压面上的名义挤压应力为

jy

jy jy A P =

σ

其中，jy σ—挤压面上的挤压应力（MPa ）； jy P —挤压面上的挤压力(N) ； jy A —挤压面积（m 2）。

挤压面的计算面积jy A 为实际挤压面的正投影面的面积，其大小应根据接触面的具体情况而定。对于图5-1所表示的键块连接，其接触面是平面，就以接触面的实际面积为挤压计算面积，故L h

A jy ⨯=

2

，即图5-4所示的阴影部分的面积；对于像螺栓、铆钉等一类圆柱形连接件，实际挤压面为半个圆柱面，挤压面的计算面积为接触面在直径平面上的投影面积，即图5-5所示的阴影部分的面积，故dh A jy =,并假定挤压应力jy σ是均匀分布在这个直径

投影平面上的。

图5-4 平面的挤压面积

图5-5 曲面的挤压面积

为了确定连接件的许用挤压应力，我们也是按照连接件的实际工作情况，通过实验来确定其半圆柱表面被压溃的挤压极限荷载，然后按照名义应力公式算出其在直径正投影面上的平均极限应力，再除以适当的安全系数，就得到连接件材料的许用挤压应力[σ]jy 。由此可建立连接件的挤压强度条件为

σjy =

jy

jy A P ≤[σ]j y ×

必须指出的是：如果两个接触构件的材料不同，[σ]jy 应按抗挤压能力较弱者选取。各种常用材料的[σ]jy 可在有关设计规范中查得。根据实验，对于塑性材料，许用挤压应力[σ]jy 与材料许用拉应力[σ]L 有如下关系：

[σ]jy =(1.7～2) [σ]L

由于剪切和挤压同时存在，为保证连接件的强度，材料的剪切强度条件和挤压强度条件必须同时满足。运用强度条件公式，可解决受剪构件的强度校核、截面设计、确定许可载荷三类强度计算问题。

5.2计算实例

5.3.1强度计算问题

例5-1 如图5-6表示齿轮用平键与轴连接在一起。已知轴的直径=d 70mm ，键的尺寸为1001220⨯⨯=⨯⨯l h b mm ,传递的力偶矩M =2KN ,键的材料许用切应力[τ]=60MPa ,许用挤压应力[]100=jy σMPa 。试校核键的强度。

(a) (b) (c)

图5-6

解：1）校核键的剪切强度。将平键沿剪切面m-m 假想地分成两部分，以键的下部分和轴一起为研究对象,如图5-6（b ）所示 。因为假设在m-m 截面上剪应力均匀分布，故m-m 截面上的剪力Q 为

ττ⋅=⋅=bl A Q 对轴心取矩，由平衡条件∑00=M ，得 M d

bl d Q ==⋅2

2τ 故有

6.2870

1002020022=⨯⨯⨯==

bld M τ MPa []60=<τMPa 可见平键满足剪切强度条件。