【材料力学】Chapter_2

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材料力学第二章详细讲解

材料力学第二章详细讲解

第二章杆件的内力.截面法一、基本要求1.了解轴向拉伸与压缩、扭转、弯曲的概念;2.掌握用截面法计算基本变形杆件截面上的内力;3.熟练掌握基本变形杆件内力图的绘制方法。

表示轴力沿杆件轴线变化规律的图线。

该图一般以平行于杆件轴线的横坐标x轴表示横截面位置,纵轴表示对应横截面上轴力的大小。

正的轴力画在x轴上方,负的轴力画在x轴下方。

当功率P单位为马力(PS),转速为n(r/min)时,外力偶矩为的变形,则该力或力偶在截面上产生正的弯矩,反之为负的弯矩(上挑为正,下压为负)。

4)剪力方程和弯矩方程一般情况下,梁横截面上的剪力和弯矩随截面位置不同而变化。

若以坐标x 表示横截面在梁轴线上的位置,则横截面上的剪力和弯矩可以表示为x 的函数,即)()(S S x M M x F F ==上述函数表达式称为梁的剪力方程和弯矩方程。

5)剪力图和弯矩图为了直观地表达剪力F S 和弯矩M 沿梁轴线的变化规律,以平行于梁轴线的横坐标x 表示横截面的位置,以纵坐标按适当的比例表示响应横截面上的剪力和弯矩,所绘出的图形分别称为剪力图和弯矩图。

剪力图和弯矩图的绘制方法有以下两种:(1)剪力、弯矩方程法:即根据剪力方程和弯矩方程作图。

其步骤为:第一,求支座反力。

第二,根据截荷情况分段列出F S (x )和M (x )。

在集中力(包括支座反力)、集中力偶和分布载荷的起止点处,剪力方程和弯矩方程可能发生变化,所以这些点均为剪力方程和弯矩方程的分段点。

第三,求控制截面内力,作F S 、M 图。

一般每段的两个端点截面为控制截面。

在有均布载荷的段内,F S =0的截面处弯矩为极值,也作为控制截面求出其弯矩值。

将控制截面的内力值标在的相应位置处。

分段点之间的图形可根据剪力方程和弯矩方程绘出。

并注明ma xma xMF S、的数值。

(2)微分关系法:即利用载荷集度、剪力与弯矩之间的关系绘制剪力图和弯矩图。

载荷集度q (x )、剪力F S (x )与弯矩M (x )之间的关系为:)()(S x q dxx dF = )()(S x F dxx dM = )()()(S 22x q dx x dF dxx M d == 根据上述微分关系,由梁上载荷的变化即可推知剪力图和弯矩图的形状。

《材料力学第二章

《材料力学第二章



2.屈服阶段:bc段




当应力超过b点增加到某一数值时,应变有非常明显的增加, 而应力先是下降,然后在很小的范围内波动,在ζ-ε曲线上 出现接近水平线的小锯齿形线段。这种现象称为屈服或流动。 在这个阶段产生严重的塑性变形。 在屈服阶段内的最高应力和最低应力分别称为上屈服极限和 下屈服极限。 流动极限(屈服极限)ζs—下屈服极限(载荷第一次回退时的最 小值) 强度指标通常用拉伸时的屈服极限ζs来表示。 若试件表面光滑,可以看到在应力达到屈服极限后,表面将 出现与轴线大致成450倾角的条纹。这是因为在450的斜截面上 作用着最大切应力,所以这是材料沿最大切应力作用面发生 滑移的结果,这些条纹称为滑移线。
38 . 7 10 N
3

FN A


4
123 MPa
2
20 mm

§2.3
直杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力
设直杆的轴向拉力为F(图a),横截面 面积为A,则横截面上的正应力σ为

FN A F A
设与横截面成α角斜截面k-k的面积为Aα
A A cos
若沿斜截面k-k假想地把杆件分成两部分, 以Fα表示斜截面k-k上的内力 由于斜截面上的应力也是均匀分布的。若以pα表示斜截面k-k上的 应力 F F
F max sin AC W AC 0 F max W sin
sin
BC AB

0 .8 m
0 . 8 m
2
1 . 9 m
0 . 388
2
F max
W sin

1 kN
(2)运用截面法求轴力;

《材料力学第二章》课件

《材料力学第二章》课件
弹性变形与塑性变形的区别
弹性变形是可恢复的,而塑性变形是不可恢复的。
弹性变形能与塑性变形能
弹性变形能
01
物体在弹性变形过程中所吸收的能量,与应力和应变关系呈正
比。
塑性变形能
02
物体在塑性变形过程中所吸收的能量,与应力和应变关系呈非
线性。
弹性变形能与塑性变形能的比较
03
弹性变形能是可逆的,而塑性变形能是不可逆的。
材料力学的重要性
总结词
材料力学是工程设计和科学研究的重要基础,对于保证工程安全、优化产品设 计、降低成本等方面具有重要意义。
详细描述
在工程设计和科学研究中,材料力学提供了对材料行为的深入理解,有助于保 证工程结构的稳定性和安全性,优化产品的设计,降低生产成本,提高经济效 益。
材料力学的基本假设和单位
04
CATALOGUE
变形分析
变形的基本概念
变形
物体在外力作用下,形状 和尺寸发生变化的现象。
弹性变形
当外力去除后,物体能够 恢复原状的变形。
塑性变形
当外力去除后,物体不能 恢复原状的变形。
弹性变形与塑性变形
弹性变形特点
可逆、无残余应变、与外力大小成正比。
塑性变形特点
不可逆、有残余应变、外力达到屈服极限后发生。
建筑结构的优化设计
利用材料力学理论,对建筑结构进行优化设计,降低建筑物的重量 和成本,提高建筑物的性能和寿命。
机械工程中的应用
机械零件的强度和刚度分析
利用材料力学知识,对机械零件的强度和刚度进行分析和计算,确保零件在使用过程中不 会发生断裂或变形。
机械设备的动力学分析
通过材料力学的方法,对机械设备的动力学特性进行分析和计算,确保机械设备在使用过 程中具有良好的稳定性和可靠性。

材料力学 第二章

材料力学 第二章

2 C 2
3D
试画出图示杆件的轴力图。 已知 F1=10kN;F2=20kN;
F1 F1 F1
FN kN
F3 3 F4
F3=35kN;F4=25kN;
解:1、计算杆件各段的轴力。 Fx 0 AB段
FN1
F2
FN2 FN3
10 10
BC段
F
FN1 F1 10kN
x

0 FN 2 F2 F1
必须要考虑应力集中的影响。
当 max达到 b 时,该处首先产生破坏。 陶瓷、玻璃等内部组织均匀的脆性 材料尽量避免尺寸突变。
F 内部组织不均匀的脆性材料制成的构件 灰铸铁构件
内部的不均匀和缺陷往往是应力集中的主要因素,
而零件外形改变所引起的应力集中可能成为次要因素, 对零件的承载力不一定造成明显影响。
A FN
A、轴向拉压; B、离杆件受力区域较远处的横截面。
FN A

正应力,拉应力为“+”,压应力为 “-” FN 轴力 A 横截面面积
* 公式同样适用于杆件横面尺寸沿轴线缓慢变化的变截面直杆。
1N 1Pa 2 1m
1N 1MPa 2 1mm
FN ( x) ( x) A( x)
x 是横截面的位置。
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。
§2.3.1 圣维南原理
如何确定轴向拉伸(压缩)的内力和内力图? m F
m

材料力学第二章

材料力学第二章
圣维南原理Saint-Venaes
拉压杆横截面上的应力Stresses over the cross section 1.试验观察 Experimental observation
变形后横线仍为直线,仍垂直于杆件轴线,只是间距增大. Transversal line after deformation : straight; perpendicular to the axis.
E= tanα -elastic modulus 弹性模量
1.等直杆或小锥度杆Straight bar(or stepped bar) with uniform section, or with small taper ; 2.外力过轴线 The applied force P acts through the centroid of the cross section; 3.当外力均匀地加在截面上,此式对整个杆件都 适用,否则仅适用于离开外力作用处稍远的截面 The normal stress distribution in an axially loaded member is uniform, except in the near vicinity of the applied load (known as Saint-Venant's Principle) .
§4~5 Mechanical Properties of Materials
材料的力学性能 拉伸试验与应力-应变图Tensile Tests and Stress-Strain Diagram 低碳钢拉伸应力-应变曲线Tensile Stress-Strain Curve for Mild Steel 卸载与再加载路径Unloading and Reloading Path 名义屈服极限Conditional Yield Limit 脆性材料拉伸应力-应变曲线Stress-Strain Curves for Brittle Materials 复合与高分子材料的力学性能Strength Properties of Composite Materials

材料力学第2章

材料力学第2章

2-2截面,即BC段:
BC
FN 2 30 103 N 100MPa 6 2 A2 300 10 m
FN 4 20 103 N 100MPa 6 2 A3 200 10 m
(压应力)
3-3截面,即DE段:
DE
(压应力)
23
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2.3.3 拉压杆斜截面上的应力
4
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由上可知苹果把中的内力和外力(重力)是有关 系的,它随外力作用而产生,是由于外力的作用而 引起的“附加内力”,有别于物体中微观粒子间的 作用力,这就是材料力学中的内力。 2.2.2 轴力、截面法、轴力图 当直杆轴向拉伸或压缩时,所产生的内力是沿杆 件轴线的,故称为轴力。由于内力是受力物体内相邻 部分的相互作用力,可用截面法来分析内力 。
32
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例题 2.5
解: 由于杆的轴力FN沿杆长是变化的,材料有两种 ,截面为变截面,所以在运用式(2-10)计算 杆长度改变量时,应按FN 、E、A的变化情况, 分别计算每段长度的改变量,最后的代数和即 为杆纵向总变形量Δl 。
先画出杆的轴力图, 见(b)图。各段的纵向 伸长或缩短量分别为:
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截面法的基本步骤如下:
1)截开: 2)代替: 3)平衡:
F
x
0 : FN F 0, FN F
轴力的正负号规定: a.拉杆的变形是沿纵向伸长, 其轴力规定为正,称为拉力; b.压杆的变形是沿纵向缩短,其轴力规定为负,称 为压力。
6
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为了表示轴力随横截面位臵而变化的情况,可选 取一定的比例,用平行于杆轴线的坐标表示横截面 的位臵,用垂直于杆轴线的坐标表示横截面上轴力 的数值,从而绘出表示轴力与截面位臵关系的图线 ,称为轴力图。习惯上将正值的轴力画在坐标轴的 上侧,负值的轴力画在下侧。轴力图上可以确定最 大轴力的数值及其所在横截面的位臵。

材料力学 第二章

材料力学 第二章

M点平均应力
F pm A
M F A
p M
(a)
(b)
总应力
p lim
A0
F d F A d A
总应力 p
正应力 : 法向分量, 引起长度改变
切应力 :切向分量,引起角度改变

M F A
M
(a)
(b)
正应力:拉为正,压为负
切应力:对截面内一点产生顺时针力矩的切应力为 正,反之为负
m m x
F
FN
x m m
(d)
F
(a)
F
m
m
m
F
(b)
F
FN
FN
x m m
FN F
F
m
(c)
可看出:杆件任一横截面上的内力,其作用线均与 杆件的轴线重合,因而称之为轴力,用记号FN表示。
轴力的符号规定:
引起伸长变形的轴力为正——拉力(背离截面); 引起压缩变形的轴力为负——压力(指向截面)。
0
FN ,max FN 2 50 kN

课堂练习:
20KN 1 40KN 2
一直杆受力如 20KN 图示,试求1-1 和2-2截面上的 轴力。
20KN 20KN
1 1 40KN
FN 1
2
FN 2
FN 1 0
1
FN 2 40kN

课堂练习:
1
2F F 2
求图示直 杆1-1和 2-2截面 上的轴力
n n B
F
A (f)
例2-1 试作图示杆的轴力图。
40kN 55kN 25kN 20kN
A
600
B
300

材料力学第2章

材料力学第2章
第二章
轴向拉伸和压缩
1
§2.1 轴向拉伸和压缩的概念
当作用于杆上的外力合力的作用线与直杆的轴线 重合时,杆的主要变形是纵向伸长或缩短,这类 构件称为拉杆或压杆。 如图 所示三 角架中的AC 杆为拉杆, BC杆为压杆 。
2
右图所示的桁架 中的杆也是主要 承受拉伸或压缩 变形的。
轴向拉力和轴向压力的 概念可由右图给出,上 图为轴向拉力;下图为 轴向压力。
若设BC段内立柱的单位长度自重为q2、横截面面 积为A2,则:
q2 γ A2 19kN/m 0.37m 0.37m 2.6kN/m
3
15
例题 2.2
(b)图:这是在集中荷载单 独作用下,柱的轴力图。图 中的负号表示轴力为压力。
(c)图:这是在自重荷载单 独作用下,柱的轴力图。即 在B处的轴力为:
①画一条与杆的轴线平行且与杆等长的直线作基 线; ②将杆分段,凡集中力作用点处均应取作分段点; ③用截面法,通过平衡方程求出每段杆的轴力; 画轴力图时,截面轴力一般先假设为正的,这样 ,计算结果是正的,则就表示为拉力,计算结果 是负的,就表示为压力。 ④按大小比例和正负号,将各段杆的轴力画在基 线两侧,并在图上表示出数值和正负号。
7
例题 2.1
图a所示等直杆,求各段内截面上的轴力并作出 轴力图的轴力图。
8
例题 2.1
解: (1) 求约束反力
由平衡方程求出约束力 FR=10 kN。 (2)求各杆段截面轴力 杆件中AB段、BC段、CD段、DE段的轴力是不 同的。分别用四个横截面:1-1、2-2、3-3、4-4 ,截杆并取四个部分为研究对象。
25kN
(e)
20kNFxFra bibliotek 0 : FN 3 F3 F4 0

材料力学第2章2

材料力学第2章2

FN A FP A
平面假设:原为平面的横截面在杆变形后仍然是 平面,只是相对地移动了一段距离。
第二章 轴向拉伸和压缩
斜截面上的应力

拉伸与压缩杆件斜截面上的应力
第二章 轴向拉伸和压缩
斜截面上的应力

考察一橡皮拉杆模型,其表面画有一正置 小方格和一斜置小方格
受力后,正置小方块的直角并未发生改变,而 斜置小方格变成了菱形,直角发生变化。这种现象 表明,在拉、压杆件中,虽然横截面上只有正应力, 但在斜截面方向却产生剪切变形,这种剪切变形必 然与斜截面上的切应力有关。
实验结果表明,若在弹性范围内加载,轴向应变 x与横向应变y之间存在下列关系:
为材料的另一个弹性常数,称为泊松比(Poisson
ratio)。泊松比为无量纲量。
y x
第二章 轴向拉伸和压缩
拉、压杆件的变形分析
例题4
变截面直杆,ADE段为铜制,EBC段为钢制;在A、D、 B 、 C等4处承受轴向载荷。已知:ADEB段杆的横截面面 积AAB =10×102 mm2,BC段杆的横截面面积ABC=5×102 mm2;FP=60 kN;铜的弹性模量Ec=100 GPa,钢的弹性 模量Es=210 GPa;各段杆的长度如图中所示,单位为mm。 试求:直杆的总变形量。
Δdx x = dx
FN dx EA x dx

x
E
可见,无论变形均匀还是不均匀,正应力与正应变之间的 关系都是相同的。 x x


E
第二章 轴向拉伸和压缩
拉、压杆件的变形分析
横向变形与泊松比
杆件承受轴向载荷时,除了轴向变形外,在垂直于杆 件轴线方向也同时产生变形,称为横向变形。

材料力学第二章

材料力学第二章

(b)c= 3 ~ 4 (b)t
断口与轴线约成45o
第二章
轴向拉伸与压缩
2.4 强度条件
构件失效
断裂与屈服,相应极限应力
s - 塑性材料 u b - 脆性材料
许用应力 构件工作应力的最大容许值 u [ ] n ≥ 1 安全因数 n
[ ] [ ]
s b
nb ns
缩颈与断裂
第二章
轴向拉伸与压缩
3.卸载规律与冷作硬化现象
卸载规律:
d
线性卸载,如图中 dd′直线段 冷作硬化现象:
d
材料预加塑性变形后重新加载,
比例极限提高,塑性变形降低。
d
第二章
卸载与再加载规律
轴向拉伸与压缩
e-弹性极限
e -弹性应变
p-塑性应变
冷作硬化:由于预加塑性变形, 使 e 或 p 提高的现象
轴向拉伸与压缩
[例2]直杆在A、B、C、D面中心 处受到外力6kN、10kN、8kN、4kN 的作用,方向如图a所示,求此杆 各段的轴力,并作轴力图。
解:分段计算各段内的轴力:
(1)AB段 用截面1-l假想将杆截开, 取左段进行研究,设截面上的轴力 FN1为正方向,受力如图b所示,由 平衡条件得
FN1-6kN=0,
第二章
轴向拉伸与压缩
3. 拉压杆横截面上的应力
问题提出:
P P P P
1)内力大小不能衡量构件强度的大小。
2)强度:①内力在截面分布集度应力;
②材料承受荷载的能力。 3)定义:由外力引起的内力集度。
第二章
轴向拉伸与压缩
轴向拉伸变形
第二章
轴向拉伸与压缩
平面假设
第二章

材料力学 第02章 轴向拉伸和压缩及连接件的强度计算

材料力学 第02章 轴向拉伸和压缩及连接件的强度计算
O e
弹屈 性服 阶阶 段段
强 化 阶 段
颈 缩 阶 段
33/113
2.3 材料在拉伸或压缩时的力学性能 2.3.1 低碳钢Q235拉伸时的力学性能-弹性阶段
Oa段应力与应变成正比
s Ee
s
b a
弹性模量E是直线Oa的斜率 Q235 E≈200GPa
直线部分的最高点a所对应的应力称为 比例极限,sp Oa段材料处于线弹性阶段
(2) 杆AB段上与杆轴线夹45°角(逆时针方向)斜截面上的正应力 和切应力。
A 1 300 mm B 500 kN 300 mm 2 C 3 300 kN 400 mm
26/113
D
200 kN
2.2 拉压杆截面上的内力和应力 【例2-3】解
A 1 300 mm B 500 kN 300 mm 2 C
内力相同,
但是常识告诉我们,
F F
直径细的拉杆更容易破坏。
求得各个截面上的轴力后,并不能直接判断杆件是否具有足 够的强度。必须用横截面上的应力来度量杆件的受力程度。 用横截面上的应力来度量杆件的受力程度。
18/113
2.2 拉压杆截面上的内力和应力 2.2.2 1 拉压杆横截面上的应力
a
F
c
c' d'
F4
D
FN4
F
x
0 FN4 F4 0
FN4 20 kN 拉
16/113
同一位置处左右侧截面上的内力分量具有相同的正负号
2.2 拉压杆截面上的内力和应力 【例】解
1
FR A F1
F1=40kN,F2=55kN,F3=25kN,F4=20kN
2
F2 B

材料力学第二章内力计算(3课时合并)

材料力学第二章内力计算(3课时合并)



FR
关 系

M



观察变形 提出假设
变形的分布规律
应力的分布规律
建立公式
Mechanics of Material
Chapter02 Calculation of internal force
教学要求 了解杆件内力的普遍情况 掌握拉压、扭转、弯曲的内力计算方法,熟悉截 面法的应用,绘制内力图
x
Mb /l
Mechanics of Material
弯曲变形的内力计算
y
q
A xC
FAy
l
FS q l / 2
B 例5 简支梁受均布载荷作用
x
FBy 解: FAy= FBy= ql/2
F S x = q l / 2 q x 0 x l
x M x = q lx / 2 q x 2 / 2
变形后的轴线
变形后轴线为对称面内的平面曲线
用梁轴线代替梁
Mechanics of Material
弯曲变形的内力计算
梁的力学模型的简化 梁的简化 取梁的轴线代替梁 载荷类型 支座的类型
静定梁的基本形式 简支梁(simply supported beam) 外伸梁(overhanging beam) 悬臂梁(cantilever beam)
Mechanics of Material
Chapter02 Calculation of internal force
Mechanics of Material
弯曲变形的内力计算
Mechanics of Material
弯曲变形的内力计算 关于对称弯曲
纵向对称面
具有纵向对称面

材料力学第2章 PPT课件

材料力学第2章 PPT课件

NAB
P
4
BC

N BC ABC
26 103 142 106

133106 N
/ m2

133MPa
30
NBC
B
P
2.5 拉(压)杆斜截面上的应力
沿斜截面kk(如图), p
k
p
将杆截分为二。
(a)

k
研究左段杆的平衡, p k
得到斜截面kk上内力 (b)
p
k
P P
(a)
量时才能应用。
对于阶梯杆或轴力分段变化的杆件:
l
N i li EAi
(2-9)
当轴力 N x和横截面积 A x沿杆轴线x方
向连续变化时,有
l

l
N (x)dx EA( x)
(2-10)
二、横向变形 泊松比
设杆件变形前的横向尺寸为b,变形后为b1, 则杆的横向线应变为
p
p b1 b
圣维南原理 —— 虽然力作用于杆端的 方式不同,只要它们是静力等效的,则杆件 中应力分布仅在作用点附近不大的范围内(不 大于杆的横向尺寸)有明显影响。
P
P
应力等效
P/2
PP//2AP
PP//A2
P/2
例2-2 图所示铰接支架,AB为圆截面杆,
直径为d=16mm,BC为正方形截面杆,边长为
a=14mm。若载荷P=15kN,试计算各杆横截面
p


p
sin

0
2
sin 2
(2-5) (2-6)
2.当 90o时(纵截面) 90 90 0
即与轴线平行的纵截面上的正应力为0。

材料力学第二章

材料力学第二章

n x
min

(4) 当 = 900 时, 0,
2 0
k
36
材料在拉伸和压缩时的力学性能
力学性能:材料在受力后的表现出的变形和破坏特性。 不同的材料具有不同的力学性能 材料的力学性能可通过实验得到。 ——常温静载下的拉伸压缩试验
国家标准《金属拉伸试验方法》(GB228-2002)
e p
49
冷作硬化
在常温下把材料预拉到强化 阶段然后卸载,当再次加载 时,试样在线弹性范围内所
l 10d 或 l 5d
d
h
l 11.3 A 或 l 5.65 A
压缩试件——很短的圆柱型:
h = (1.5——3)d
为了避免试样在试验中 失稳
39
3、试验设备
(1)万能材料试验机 (2)变形仪
变形传感器
40
二、拉伸试验( Tensile tests)
1、 低碳钢拉伸时的力学性质
2
轴向拉压的概念及实例
一、工程实例
3
4
5
二、受力特点
外力的合力作用线与杆的轴线重合
三、变形特点
沿轴向伸长或缩短
四、计算简图
F 轴向拉伸 F F 轴向压缩
6
F
轴向拉压杆截面的内力
一、求内力
m
F
m
F
设一等直杆在两端轴向拉力 F 的作用下处于平衡,欲求杆 件 横截面 mm 上的内力.
7
1、截面法
(3) 应力应变图 表示应力和应变关系的 曲线,称为应力-应变图 (stress-strain diagram)
F
为了消除试样尺寸的影响,
把拉力F除以试样的原始面积A, 得正应力;同时把 l 除以标距 的原始长度l ,得到应变。

材料力学 - 第二章

材料力学 -  第二章
第二章
§2.1 §2.2
轴向拉伸与压缩
拉伸与压缩的概念和实例 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力
§2.3 §2.4 §2.5 §2.6 §2.7
§2.8
直杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力 材料拉伸时的力学性能 材料压缩时的力学性能 失效、安全因数和强度计算 轴向拉伸或压缩时的变形
拉伸、压缩超静定问题
x
2、根据斜杆的强度,求许可载荷 查表得斜杆AC的面积为A1=2×4.8cm2
1 1 F1 A1 120 10 6 2 4.8 10 4 2 2 57.6 10 3 N 57.6kN
FN 1 2 F1 A1
3、根据水平杆的强度,求许可载荷 查表得水平杆AB的面积为A2=2×12.74cm2
从平面假设可以判断: (1)所有纵向纤维伸长相等
(2)因材料均匀,故各纤维受力相等 (3)内力均匀分布,各点正应力相等,为常量
F
a b
a
b
c
d
c d
F
FN dA
A
dA A
A
FN A
FN A
该式为横截面上的正应力σ计 算公式。正应力σ和轴力FN同号。 即拉应力为正,压应力为负。
在拉(压)杆的横截面上,与轴 力FN对应的应力是正应力 。根据连 续性假设,横截面上到处都存在着内 力。于是得静力关系:
FN dA
A
观察变形:
F
a b
a
b
c
d
c d
F
横向线ab、cd 仍为直线,且 仍垂直于杆轴 线,只是分别 平行移至 a’b’、 c’d’。
平面假设—变形前原为平面的横截面, 变形后仍保持为平面且仍垂直于轴线。

材料力学第二章

材料力学第二章


引 言(Introduction)
内力主矢与内力主矩(Resultant
Force and Resultant Moment)
F1 F2
分布内力
F3 Fn F1
FR
内力主矢与主矩
F3
M

引 言(Introduction)
内力分量(Components of the Internal Forces)

引 言(Introduction)
FQ FN
FN
FQ
第2章 杆件的内力与内力图
基本概念与基本方法

基本概念与基本方法
整体平衡与局部平衡的概念
叠加原理
FP1
y
My FR
在一定条件下, 杆件所有内力分 量作用的效果, 可以视为各个内 力分量单独作用 效果的叠加。通 常可归结为 三 组平面内内力分 量与外力:
FQ FN FN FQ
弯矩M(My 或F )一使截开部分杆件产生顺时针 剪力FNx或FN—无论作用在哪一侧截面上,使杆 扭矩M (FQy或Mz)一作用在左侧面上使截开部分 轴力FQx—扭矩矢量方向与截面外法线方向一致 Qz 逆时针方向转动;或者作用在右侧截面上使截开部 方向转动者为正;逆时针方向转动者为负。 者为正;反之为负。 件受拉者为正;受压者为负。 分顺时针方向转动者为正;反之为负。
FQ
FR
Mx FN MB
M
在确定的坐标系中,轴力、剪力、扭矩、 弯矩及其可能产生的变形效应。

引 言(Introduction)
内力的正负号规则(Sign Rule of Internal
Forces)
同一位置处左、右侧截面上内力 分量必须具有相同的正负号。 FN FQ FN

材料力学 第二章

材料力学  第二章

2—1试求图示各杆1—1和2—2横截面上的轴力,并作轴力图.(a)解:;;(b)解:;;(c)解:;。

(d)解:。

2—2 试求图示等直杆横截面1—1,2—2和3-3上的轴力,并作轴力图。

若横截面面积,试求各横截面上的应力。

解:返回2-3试求图示阶梯状直杆横截面1—1,2—2和3—3上的轴力,并作轴力图。

若横截面面积,,,并求各横截面上的应力。

解:返回2-4 图示一混合屋架结构的计算简图。

屋架的上弦用钢筋混凝土制成。

下面的拉杆和中间竖向撑杆用角钢构成,其截面均为两个75mm×8mm的等边角钢。

已知屋面承受集度为的竖直均布荷载。

试求拉杆AE和EG横截面上的应力。

解:=1)求内力取I-I分离体得(拉)取节点E为分离体,故(拉)2)求应力75×8等边角钢的面积A=11。

5 cm2(拉)(拉)2-5(2-6)图示拉杆承受轴向拉力,杆的横截面面积。

如以表示斜截面与横截面的夹角,试求当,30,45,60,90时各斜截面上的正应力和切应力,并用图表示其方向.解:2-6(2—8) 一木桩柱受力如图所示。

柱的横截面为边长200mm的正方形,材料可认为符合胡克定律,其弹性模量E=10 GPa。

如不计柱的自重,试求:(1)作轴力图;(2)各段柱横截面上的应力;(3)各段柱的纵向线应变;(4)柱的总变形.解:(压)(压)返回2—7(2—9)一根直径、长的圆截面杆,承受轴向拉力,其伸长为。

试求杆横截面上的应力与材料的弹性模量E。

解:2—8(2-11)受轴向拉力F作用的箱形薄壁杆如图所示。

已知该杆材料的弹性常数为E,,试求C与D两点间的距离改变量。

解:横截面上的线应变相同因此返回2—9(2—12) 图示结构中,AB为水平放置的刚性杆,杆1,2,3材料相同,其弹性模量E=210GPa,已知,,,。

试求C点的水平位移和铅垂位移。

解:(1)受力图(a),.(2)变形协调图(b)因,故=(向下)(向下)为保证,点A移至,由图中几何关系知;2—10(2-15)图示圆锥形杆受轴向拉力作用,试求杆的伸长。

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material is elastic ∴
L PL = L = CC = CC E EA
E A : axial rigidity of the bar compare with P EA k = CC L = k we have L = CC EA
or
f
Cable : used to transmit large tensile forces the cross-section area of a cable is equal to the total cross-sectional area of the individual wires, called effective area, it is less than the area of a circle having the same diameter also the modulus of elasticity (called the effective modulus) of a cable is less than the modulus of the matee
-6 6.887 P x 10-6 + 11.26 P x 10-6 A + 11.26 P x 10 CCCCCCCC = CCCCCCCCCCCCC 450 + 225 225
substitute for P A = 1 mm and solve the equation for P = Pmax = 23,200 N = 23.2 kN
continuously along the bar, the above equation no longer suitable
5
consider a bar with varying cross-sectional area and varying axial force
for the element dx,
= = 0.0088 in C
this displacement is downward Example 2-4 a tapered bar AB of solid circular cross section with length L is supported to a tensile load P, determine
the changes in length of each segment are N1L1 = CC 1 EA N2 L 2 = CC 2 EA N3L3 = CC 3 EA
and the change in length of the entire bar is = + + 1 2 3 the same method can be used when the bar consists of several prismatic segments, each having different axial forces, different dimensions, and different materials, the change in length may be obtained Ni Li n = CCC i=1 Ei Ai when either the axial force N or the cross-sectional area A vary
Chapter 2
2.1 Introduction
Axial Loaded Members
Axial loaded member : structural components subjected only to tension or compression, such as trusses, connecting rods, columns, etc. change in length for prismatic bars, nonuniform bars are determined, it will be used to solve the statically indeterminate structures, change in length by thermal effect is also considered stresses on inclined sections will be calculated several additional topics of importance in mechanics of materials will be introduced, such as strain energy, impact loading, fatigue, stress concentrations, and nonlinear behavior, etc. 2.2 Changes in Length of Axial Loaded Members consider a coil spring with natural length subjected to an axial load P if the material of the spring is linear elastic, then P = k or = fP k : stiffness (spring constant) f : flexibility (compliance) with kf = 1 L
take the free body ABC, MB = 0 and Fy = 0, we have
3
FCE = 2 P
FBD = 3 P
the shortening of BD is BD FBD LBD (3 P) (480 mm) = CCCC = CCCCCCCCC = 6.887 P x 10-6 E ABD (205 GPa) (1020 mm2) CE is (P : N) (P : N)
Example 2-2 the contraption shown in figure AB = 450 mm BD = 480 mm BC = 225 mm CE = 600 mm
ABD = 1,020 mm3 ACE = 520 mm3 E = 205 GPa A = 1 mm Pmax = ? ABC is rigid
and the lengthening of CE
FCE LCE (2 P) (600 mm) = CCCC = CCCCCCCCC = 11.26 P x 10-6 E ACE (205 GPa) (520 mm2)
a displacement diagram showing the beam is deformed from ABC to A'B'C' using similar triangles, we can find the relationships between displacements A'A" B'B" CC = CC A"C' B"C' or A + CE BD + CE or CCCC = CCCC 450 + 225 225
some cross-sectional shapes are shown
1
prismatic bar : a member having straight longitudinal axis and constant cross section consider a prismatic bar with cross-sectional area A and length subjected to an axial load P then and = P/A = /L = E L
calculate at point C C
6
taking moment about D for the free body BDE P3 = P2 b / a = 5600 x 25 / 28 = 5000 lb
on free body ABC RA = P3 - P1 = 5000 - 2100 = 2900 lb then the elongation of ABC is Ni Li N1 L1 N2 L2 n = CCC = CCC + CCC i=1 Ei Ai E A1 E A2 = = (-2900 lb) (20 in) (2100 lb) (34.8 in) CCCCCCCCCC + CCCCCCCCCC (29 x 106 psi) (0.25 in2) (29 x 106 psi) (0.15 in2) - 0.0080 in + 0.0168 in = 0.0088 in (↓)
2
Example 2-1 a L-shape frame b = 10.5 in ABC with c = 6.4 in
spring constant k = 4.2 lb/in pitch of the threads p = 1/16 in if W = 2 lb, how many revolutions of the nut are required to bring the pointer back to the mark ? (deformation of ABC MB are negligible) Wb/c
= 0 => F =
the elongation Then n
of the spring is
= F/k = Wb/ck = np Wb (2 lb) (10.5 in) = CCC = CCCCCCCCCCC = 12.5 revolutions ckp (6.4 in) (4.2 lb/in) (1/16 in)
the elongation is
N(x) dx d = CCCC E A (x ) the elongation of the entire bar is obtained by integrating N(x) dx L L = ∫ d = ∫ CCCC 0 0 E A(x) in the above equation, = P/A is used, for the angle of the sides is 20o, the maximum error in normal stress is 3% as compared to the exact stress, for small, error is less, for large, more accurate methods may be needed Example 2-3 L1 = 20 in A1 = 0.25 in2 L2 = 34.8 in A2 = 0.15 in2 E = 29 x 106 psi a = 28 in b = 25 in P1 = 2100 lb P2 = 5600 lb
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