第八章 组合变形及连接部分的计算
材料力学(I)第八章 组合变形及连接部分的计算
同，故可将同一截面上的弯矩Mz和My按矢量相加。 例如，B截面上的弯矩
sb
12
M max Fl 。 W 4W
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第八章 组合变形及连接部分的计算
在FN 和Mmax共同作用下，危险 截面上正应力沿高度的变化随sb和st
ห้องสมุดไป่ตู้
的值的相对大小可能有图d ,e ,f 三种
情况。危险截面上的最大正应力是拉 应力：
s t ,max
Ft Fl A 4W
可见此杆产生弯一压组合变形。现按大刚度杆来计算应力。
15
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第八章 组合变形及连接部分的计算
2. AC杆危险截面m-m上的最大拉应力st,max和最大压应力
sc,max分别在下边缘f点处和上边缘g点处(图b)：
s t ,max
F M FN M max 或 s c ,max N max A W A W
强度条件为
26
s r 3 [s ] 或
s r 4 [s ]
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第八章 组合变形及连接部分的计算
究竟按哪个强度理论计算相当应力，在不同设计规范中并不
一致。注意到发生扭－弯变形的圆截面杆，其危险截面上危 险点处：
M W
s
T T Wp 2W
2 2
为便于工程应用，将上式代入式（a），（b）可得：
（a）
3. 根据钢管的横截面尺寸算得：
π 2 [ D ( D 2d ) 2 ] 4 40.8 10 4 m 2 π I [ D 4 ( D 2d ) 4 ] 64 868108 m 4 I W 124 10 6 m3 D/2 A
蔡中兵《材料力学》8组合变形及连接部分的计算
具有双对称截 面的梁，它在任何 一个纵向对称面内 弯曲时均为平面弯 曲。
故具有双对称截面的梁在两个纵向对称面内同时承受横向 外力作用时，在线弹性且小变形情况下，可以分别按平面弯曲 计算每一弯曲情况下横截面上的应力和位移，然后叠加。
盐城工学院力学课程组
材料力学
mechanics of materials
x
P
y B
盐城工学院力学课程组
材料力学
mechanics of materials
四、处理组合变形的基本方法
1.外力分析
将外力简化并沿主惯性轴分解,将组合变形分解为基本变形, 使之每个力（或力偶）对应一种基本变形
2.内力分析 求每个外力分量对应的内力方程和内力图,确定危险截面.分
别计算在每一种基本变形下构件的应力和变形
两相互垂直平面内弯曲时的应力计算
F2 a m
z F1 C(y,z)
O
z
my
y
x
m z
O Mz
My m y
在集中力F1 、 F2 作用下（双对称截面梁在水
平和垂直两纵向对称平面内同时受横向外力作用），
梁将分别在水平纵对称面(Oxz)和铅垂纵对称面
(Oxy)内发生对称弯曲。
在梁的任意横截面m-m上，F1 、 F2引起的弯矩为
M y F1 x,
M z F2 ( x a)
盐城工学院力学课程组
材料力学
mechanics of materials
F2 m
a
z F1 C(y,z)
O
z
my
y
x
m z
O Mz
My m y
在F2 单独作用下，梁在竖直平面内发生平面弯曲， z轴为中性轴。
第八章_组合变形与连接件的实用计算
y
z
10
A bh 50106 m2
Wy
1 6
b2h
1 6
52
10 10 9
4.17 10 8 m3
Wz
1 6
bh2
1 6
510 2
10 9
8.33 10 8 m3
5
危险点在切槽截 max
FN A
My Wy
Mz Wz
面的左上角。
1000 5105
x
max
My Wy
Mz Wz
F1
6 F1 2L 6 F2L
hb2
bh2
L
L
y
1、内力分析 2、应力分析 3、强度计算
max
9.979MPa
max
9.979MPa
§8-3 拉伸(或压缩)与弯曲
Ⅰ.横向力与轴向力共同作用
一、受力特点
作用在杆件上的外力既有轴向拉( 压 )力，
还有横向力
F1
F1 产生弯曲变形 F2
F2
F2 产生拉伸变形
二、变形特点 杆件将发生拉伸 (压缩 ) 与弯曲组合变形
三、内力分析 横截面上内力
1、拉(压) ：轴力 FN
2、弯曲
弯矩 MZ 剪力 FS
MZ z
0
x
FN
y
因为引起的剪应力较小，故一般不考虑。
四、应力分析
横截面上任意一点 ( z, y) 处的
正应力计算公式为
1 、拉伸正应力
' FN
A
2、弯曲正应力
'' Mz y
武汉理工大学材料力学课件8 组合变形及连接部分的计算--JK
若横截面周边具有棱角，则无需确定中性轴的位置，直 接根据梁的变形情况，确定最大拉应力和最大压应力点 的位置。 D D
1 1
z
z D2 y 中性轴
D2
y
中性轴
强度条件：
（）若 [ t ] [ c ] [ ], 则 1 （2）若 [ t ] [ c ], 则
t ,max [ t ] ,
z
c ,max
FN M max [ c ] A Wz
(1)若F 的作用点在杆的一对称轴上， F M 则强度条件为： [ t ] t , max A Wz 其中 M Fe
c ,max
F M [ c ] A Wz
23
(2) 若F 的作用点不在杆的任一对称轴上
FN My A Iz
z
c ,max
(2)若 t ] [ c ] [ ] , [
则
FN M max [ c ] A Wz
max Max { t ,max , c ,max } [ ]
20
[例8-3-1] 最大吊重为 P=20kN的简易吊车，如图所 示，AB为工字A3钢梁，许用应力[σ]＝100MPa，试选 T YA 择工字梁型号。 Ty XA D
另外， 和 的正负号可由My和 Mz引起的变形是拉 8 还是压直接判断。
sin cos 则，F引起的应力为： M ( I z I y) y z
二、中性轴的位置 令（y0，z0）是中性轴上任一点，则有： 显然，中性轴是一条通过坐标原点的直线， 设其与z轴的夹角为α，则有：
A Tx
C
B F
A
30° 2m
C
1m
材料力学笔记(第八章)
材料力学（土）笔记第八章 组合变形及连接部分的计算1．概 述工程实际中，构件在荷载作用下往往发生两种或两种以上的基本变形若几种变形所对应的应力（变形）属于同一数量级，则构件的变形成为组合变形对于组合变形下的构件，在线弹性、小变形条件下，可按构件的原始形状和尺寸进行计算 可先将荷载简化为符合基本变形外力作用条件的外力系分别计算构件在每一种基本变形下的内力、应力或变形利用叠加原理，综合考虑各基本变形的组合情况以确定构件的危险截面、危险点的位置及危险点的应力状态，并据此进行强度计算 若构件的组合变形超过了线弹性范围，或虽在线弹性范围内但变形较大则不能按其初始形状或尺寸进行计算，不能用叠加原理工程实际中，经常需要将构件相互连接铆钉、螺栓、键等起连接作用的部件，统称为连接件连接件（或构件连接处）的变形往往比较复杂，而其本身尺寸都比较小在工程设计中，通常按照连接的破坏可能性采用既能反映受力的基本特征，又能简化计算的假设，计算其名义应力然后根据直接试验的结果，确定其相应的许用应力，来进行强度计算这种简化计算的方法，称为工程实用计算法2．两相互垂直平面内的弯曲对于横截面具有对称轴的梁当横向外力或外力偶作用在梁的纵向对称面内时，梁发生对称弯曲 这是，梁变形后的轴线是一条位于外力所在平面内的平面曲线碰到双对称截面梁在水平和垂直两纵向对称平面内同时承受横向外力的作用情况这时梁分别在水平纵对称面（Oxz 平面）和铅垂纵对称面（Oxy 平面）内发生对称弯曲 在梁的任意横截面m-m 上，由1F 和2F 引起的弯矩值依次为1y M F x = 和 2()z M F x a =-梁的任一横截面m-m 上任一点(,)C y z 处与弯矩y M 和z M 相应的正应力分别为'yyM z I σ= 和 ''z z M y I σ=- 由叠加原理，在1F 和2F 同时作用下，截面m-m 上C 点处的正应力为 '''y z y z M M z y I I σσσ=+=-式中y I 和z I 分别为横截面对于两对称轴y 和z 的惯性矩y M 和z M 分别是截面上位于水平和铅垂对称平面内的弯矩且其力矩矢量分别与y 轴和z 轴的正向相一致在具体计算中，也可先不考虑弯矩和坐标的正负号，以其绝对值代入然后根据梁在荷载分别作用下的变形情况，判断由其引起该点处正应力的正负号为确定横截面上最大正应力点的位置，需求截面上中性轴的位置由于中性轴上各点处的正应力均为零，令0y 、0z 代表中性轴上任一点的坐标则由上式可得中性轴方程000yz yzM M z y I I -=由上式可见，中性轴是一条通过横截面形心的直线其与y 轴的夹角为θ，且tan tan y y z I I z M y M I I θϕ==⨯= 对于圆形、正方形等y z ，有由于梁各横截面上的合成弯矩M 所在平面的方位一般不相同所以，虽然每一截面的挠度都发生在该截面的合成弯矩所在平面内梁的挠曲线一般仍是一条空间曲线梁的挠曲线方程仍应分别按两垂直平面内的弯曲来计算，不能直接用合成弯矩计算 确定中性轴位置后，作平行于中性轴的两条直线，分别与横截面周边相切于两点该两点即分别为横截面上拉应力和压应力为最大的点对于工程中常用的矩形、工字型等截面梁其横截面都有都有两个互相垂直的对称轴，且截面的周边具有棱角故横截面上的最大正应力必发生在截面的棱角处于是，可根据梁的变形情况，直接确定截面上最大拉、压应力点的位置，无需定出中性轴 在确定了梁的危险截面和危险点的位置，并算出危险点处的最大正应力之后由于危险点处于单轴应力状态，可按正应力强度条件计算横截面上的切应力，对于一般实体截面梁，其数值较小，可不必考虑3．拉伸（压缩）与弯曲3.1 横向力与轴向力共同作用等直杆受横向力和轴向力共同作用时，杆将发生弯曲与拉伸（压缩）组合变形对于弯曲刚度EI 较大的杆，由于横向力引起的挠度与横截面的尺寸相比很小因此，由轴向力在相应挠度上引起的弯矩可略去不计可分别计算由横向力和轴向力引起的杆横截面上的正应力按叠加原理求其代数和，即得在组合变形下，杆横截面上的正应力max ,max N t t b F M A Wσσσ=+=+ 当材料的许用拉应力和许用压应力不相等时杆内的最大拉应力和最大压应力必须分别满足杆件的拉、压强度条件对于弯曲刚度EI 较小的杆件，在压缩和弯曲组合变形下轴向压力引起的附加弯矩较大，且其转向与横向力引起的弯矩相同因此不能按杆的原始形状来计算，叠加原理也不再适用3.2 偏心拉伸（压缩）作用在直杆上的外力，当其作用线与杆的轴线平行但不重合时，将引起偏心拉伸或偏心压缩 横截面具有两对称轴的等直杆承受矩截面形心为e （称为偏心距）的偏心拉力F 为例 先将作用在杆端截面上A 点处的拉力F 向截面形心1O 点简化得到轴向拉力F 和力偶矩Fe ，将力偶矩分解为ey M 和ez Msin ey F M Fe Fz α==cos ez F M Fe Fy α==式中，坐标轴y 、z 为截面的两个对称轴F y 、F z 为偏心拉力F 作用点（A 点）的坐标于是的得到一个包含轴向拉力和两个在纵对称面内的力偶的静力等效力系此力系将分别使杆发生轴向拉伸和在两相互垂直的纵对称面内的纯弯曲当杆的弯曲刚度较大时，同样可按叠加原理求解在上述力系作用下任一横截面n-n 上的任一点(,)C y z 处相应于轴力N F F =和两个弯矩的正应力，由叠加原理，的C 点处的正应力F F y zFz z Fy y F A I I σ⨯⨯=++ 利用惯性矩与惯性半径间的关系 2y yI A i =⨯，2z z I A i =⨯ 式子可改写为22(1)FF y zz z y y F A i i σ=++ 上式是一个平面方程，表明正应力在横截面上按线性规律变化应力平面与横截面相交的直线（沿该直线0σ=）就是中性轴令0y 、0z 代表中性轴上任一点的坐标，代入即得中性轴方程002210F F y z z y z y i i ++= 在偏心拉伸（压缩）情况下，中性轴是一条不通过截面形心的直线为定出中性轴的位置，可利用其在y 、z 两轴上的截距y a 和z a在上式中，令00z =，相应的0y 即为截距y a ，而令00y =，相应的0z 即为截距z a 由此求得2z y F i a y =-，2y z Fi a z =- A 在第一象限内，F y 、F z 都为正值，则y a 、z a 均为负值即中性轴与外力作用点分别处于截面形心的相对两侧对于周边无棱角的截面，可作两条与中性轴平行的直线与横截面的周边相切两切点即为横街面上最大拉应力和最大压应力所在的危险点将危险点的坐标代入公式即可求得最大拉应力和最大压应力对于周边具有棱角的截面，其危险点必定在截面的棱角处，并可根据杆件的变形来确定 最大拉应力,max t σ和最大压应力,max c σ，其值为,max ,max t F F c yz Fz Fy F A W W σσ⎫⎪=±±⎬⎪⎭ 式子对箱型、工字形等具有棱角的截面都适用当外力的偏心距（F y 、F z ）较小时，中性轴可能不与横截面相交即横截面就可能不出现与轴力异号的应力由于危险点仍处于单轴应力状态，可按正应力的强度条件进行计算3.3 截面核心如前所述，当偏心轴向力F 的偏心距较小时，杆横截面上就可能不出现异号应力 因此当偏心压力F 的偏心距较小时，杆的横截面上可能不出现拉应力外力作用点离形心越近，中性轴距形心就越远当外力作用点位于截面形心附近的一个区域内时，就可以保证中性轴不与横截面相交，这个区域就称为截面核心当外力作用在截面核心的边界上时相对应的中性轴正好与截面的周边相切，利用这一关系就可确定截面核心的边界为确定任意形状截面的截面核心边界，可将与截面周边相切的任一直线视作中性轴 在y 和z 形心主惯性轴上的截距分别为1y a 和1z a可确定与该中性轴对应的外力作用点1按上述方法求得与其对应的截面核心边界上的点2、3、…的坐标连接这些点所得到的一条封闭曲线，即为所求截面核心的边界该边界曲线所包围的带阴影线的区域，即为截面核心圆截面对于圆心O 时极对称的，因此，截面核心的边界对于圆心也是极对称的为一圆心为O 的圆作一条与圆截面周边相切于A 点的直线，将其视为中性轴取OA 为y 轴，于是，该中性轴在y 和z 形心主惯性轴上的截距为1/2y a d =， 1z a =∞圆截面的222/16y z i i d ==，将其代入公式即得与其对应的截面核心边界上点1的坐标2211/16/28z y y i d d a d ρ=-=-=-，2110y z z i a ρ=-= 从而可知，截面核心边界是一个以O 为圆心，/8d 为半径的圆对于边长为b h ⨯的矩形截面，两对称轴y 和z 为截面的形心主惯性轴将与AB 向切的直线①视作中性轴，其在y 和z 轴上的截距分别为，矩形截面2212yb i =，2212z h i = 将上式代入，即得中性轴①对应的截面核心边界点上点1的坐标为2211/12/26z y y i h h a h ρ=-=-=-, 2110y z z i a ρ=-= 同理，分别将与矩形边界相切的直线②、③、④视作中性轴可得对应的截面核心边界上点2、3、4的坐标从而得到了截面核心边界上的4个点当中性轴从截面的一个侧边绕截面的顶点旋转到其相邻边时 将得到一系列通过边界点B 但斜率不同的中性轴而B 点的坐标(,)B B y z 是一系列中性轴共有的 将其代入中性轴方程，经改写后得2222110F F B B B B F F y z y z z y z y z y z y i i i i ++=++= 上式中，B y 、B z 为常数 因此该式就可看作时表示外力作用点坐标(,)F F y z 间关系的直线方程即当中性轴绕B 点旋转时，相应的外力作用点移动的轨迹是一条连接点1、2的直线将1、2、3、4四点中相邻的两点连以直线，即得矩形截面的截面核心边界截面核心为位于截面中央的菱形对于具有棱角的截面，均可按照上述方法确定其截面核心对于周边有凹进部分的截面（例如槽型或T 字型截面等）在确定截面核心边界时，应该注意不能取与凹进部分的周边相切的直线作为中性轴，因为这种直线显然约横截面相交4．扭转与弯曲一般的传动轴通常发生扭转与弯曲组合变形讨论杆件发生扭转与弯曲组合变形时的强度计算直径为d 的等直圆杆AB ，A 端固定，B 端具有与AB 成直角的刚臂，并受铅垂力F 作用，将F 简化为一作用于杆端截面形心的横向力F 和一作用于杆端的力偶矩e M Fa = 杆AB 将发生弯曲与扭转组合变形分别作杆的弯矩图和扭矩图，可见杆的危险截面为固定端截面，内力分量分别为M Fl =， e T M Fa ==由弯曲和扭转的应力变化规律可知危险截面上的最大弯曲正应力σ发生在铅垂直径的上、下两端点对于许用拉应力，压应力相等的塑性材料来说，该两点的危险程度相同 研究任一点，围绕该点分别用横截面、径向纵截面和切向纵截面截取单元体 该点应力状态如图所示，可见该点处于平面应力状态，其三个主应力为132σσσ⎫=⎬⎭ 20σ= 对于塑性材料制成的杆件，选用第三或第四强度理论来建立强度条件用第三、第四强度理论，将上述各应力代入向相应的应力表达式求得相当应力后，即可根据材料的许用应力[]σ来建立强度条件，对杆进行强度计算 其中弯曲正应力/M W σ=，扭转切应力/p T W τ=，对于圆截面杆2p W W =截面周边各点处弯曲正应力的数值和正负号都将随着轴的转动而交替变化这种应力称为交变应力，交变应力下工作的构件另有相应的计算准则5．连接件的实用计算法5.1 剪切的实用计算设两块钢板用螺栓连接后承受拉力F螺栓在两侧面上分别收到大小相等、反向相反、作用线相距很近的两组分布力系的作用 螺栓在这样的作用下，将沿两侧外力之间，并与外力作用线平行的截面m-m 发生相对错动称为剪切面应用截面法，可得剪切面上的内力，即剪力s F在剪切实用计算中，假设剪切面上各点处的切应力相等 于是剪切面上的名义切应力为S sF A τ=式中s A 为剪切面面积，s F 为剪切面上的剪力 通过试验得到剪切破坏时材料的极限切应力u τ，除以安全因数，得许用应力[]τ 剪切强度表示为[]S sF A ττ=≤ 名义切应力并不反映剪切面上切应力的精确理论值只是剪切平面上的平均切应力但对于低碳钢等塑性材料材料制成的连接件，变形较大而临近破坏时剪切面上的切应力将逐渐趋于均匀而且满足剪切强度条件式，不至于发生剪切破坏，从而满足工程需要对于大多数的连接件来说，剪切变形及剪切强度时主要的5.2 挤压的实用计算螺栓连接中，在螺栓与钢板相互接触的侧面上，将发生彼此间的局部承压现象，称为挤压 在接触面上的压力，称为挤压力，并记为bs F挤压力可根据被连接件所受的外力，由静力平衡条件求得当挤压力过大时，可能引起螺栓压扁或钢板在孔缘压皱，从而导致连接松动失效在挤压实用计算中，假设名义挤压应力的计算式为bs bs bsF A σ= 式中，bs F 为接触面上的挤压力；bs A 为计算挤压面面积当接触面为圆柱面时，计算挤压面面积bs A 取为实际接触面在直径平面上的投影面积 理论表明，这类圆柱状连接件与钢板孔壁间接触面上的理论挤压应力沿圆柱的变化情况如图 计算所得的名义挤压应力与接触面中点处的最大理论挤压应力值相近当连接件与被连接构件的接触面为平面时，计算挤压面面积即为实际接触面的面积 通过试验，按名义挤压应力公式得到的材料的极限挤压应力，除以安全因数确定许用挤压应力[]bs σ，则挤压强度条件可表达为[]bs bs bs bsF A σσ=≤ 注意，挤压应力是在连接件和被连接件之间相互作用的当两者材料不同时，应校核其中许用挤压应力较低的材料的挤压强度6．铆钉连接的计算铆钉连接在建筑结构中被广泛采用铆接的方式主要有搭接、单盖板对接和双盖板对接三种搭接和单盖板对接中的铆钉具有一个剪切面（称为单剪）双盖板对接中的铆钉具有两个剪切面（称为双剪）6.1 铆钉组承受横向荷载在搭接和单盖板对接中，由铆钉的受力可见铆钉（或钢板）显然将发生弯曲在铆钉组连接中，在弹性变形阶段两端铆钉的受力与中间铆钉的受力并不完全相同 为简化计算，并考虑到连接在破坏前将发生塑性变形，在铆钉计算中假设①不论铆接的方式如如何，均不考虑弯曲的影响②若外力的作用线通过铆钉组横截面的形心，且同一组内各铆钉的材料与直径均相同，则每个铆钉的受力相等 按照上述假设，即可得每个铆钉的受力1F 为1F F n= 式中，n 为铆钉组中的铆钉数求得每个铆钉的受力1F 后，即可分别校核其剪切强度和挤压强度被连接件由于铆钉孔的削弱，其拉伸强度应以最弱截面（轴力较大，截面积较小）为依据 不考虑集中应力的影响对于销钉或螺栓连接，其分析计算方法与铆钉连接相同6.2 铆钉组承受扭转荷载承受扭转荷载的铆钉组，由于被连接件（钢板）的转动趋势每一铆钉的受力将不再相同令铆钉组横截面形心为O 点 假设钢板的变形不计，可视为刚体于是，每一铆钉的平均切应变与该铆钉截面中心至O 点的距离成正比，其方向垂直于该点与O 点的连线由合力矩定理，每一铆钉上的力对O 点力矩的代数和等于钢板所受的扭转力偶矩e M ，即 e i i M Fe Fa ==∑式中，i F 为铆钉i 所受的力；i a 为该铆钉截面中心至铆钉组截面形心的距离对于承受偏心横向荷载的铆钉组可将偏心荷载F 向铆钉组截面形心O 简化得到一个通过O 点的荷载F 和一个绕O 点旋转的扭转力偶矩e M Fe =若同一铆钉组中每一铆钉的材料和直径均相同则可分别计算由力F 引起的力'i F 和由转矩e M 引起的力''i F铆钉i 的受力为'i F 和''i F 的矢量和求得铆钉i 的受力i F 后，可分别校核受力最大的铆钉的剪切强度和挤压强度。
08组合变形及连接件的计算
2 2
M2 T2 W
强度条件： r 3
M 2 T2 W
§8－4 扭转与弯曲
σ
M W
T Wt
W
d3
32
, Wt
2
d3
16
τ
主应力
1
2 2 2
C1
F
B
T
M
C1 C2
τ
σ C2
τ
σ
§8－4 扭转与弯曲
C1
τ
σ
τ
2
σ
M W
W
d3
32
3
, Wt
T Wt d3
16
2
主应力
1
2 2 2
2 0
2 2 2
第三强度理论相当应力：
r3 1 3 2 4 2
强度条件： r 4
M 2 0.75T 2 W
§8－4 扭转与弯曲
圆截面杆弯扭组合变形时的相当应力：
M T r3 W
2 2
r4
M 0.75T W
2 2
Fa t F M F 2 4 2 a c A W a a 2 2 6
8F a2 4F 2 a
m M=Fa/4 F
m
F a a/2 a/2
§8-3 拉伸(压缩)与弯曲
铸铁压力机框架，立柱横截面尺寸如图所示，材料的许 用拉应力[t]＝30MPa，许用压应力[c]＝120MPa。试按 立柱的强度计算许可载荷F。解：（1）计算横截面的形 心、面积、惯性矩
材料力学第八章组合变形
第八章组合变形及连接部分的计算§8-1 概述由两种或两种以上基本变形的组合——组合变形研究方法：叠加法1.将作用的荷载向杆件形心分解或简化成几组荷载，使杆在每组荷载作用下，只产生一种基本变形；2.计算出每一种基本变形下的应力和变形；3.由叠加原理就可得到杆在组合变形下的应力和变形；§8-1 概述由两种或两种以上基本变形的组合——组合变形组合变形的概念4.确定危险截面，危险点的位置，危险点的应力状态，据此进行强度计算。
杆件处于线弹性变形内，且小变形情况下,常见的组合变形：两垂直平面内的弯曲拉（压）弯组合偏心压缩（拉伸）弯扭组合分析步骤：•外载分解：分解为基本变形组合•内力计算：画轴力、扭矩与（或）弯矩图，确定危险面•应力计算：各基本变形应力分析•强度计算：应力叠加，确定危险点的位置，应力状态A(y ，z )x e o yzfcFφF z F 一、正应力计算= F y （l -x ）= F = F z （l -x ）= F F y =F cos φF z =F sin φF外力内力M M )sin cos (z I y I M yz ϕϕσσσ+-=''+'=——横截面上任一点的应力计算公式。
M zM yA(y ，z )x e o yzfcFφy)sin cos (z I y I M yz ϕϕσσσ+-=''+'=yz y z +y=二、最大正应力和中性轴的位置000=+-z I y I y zϕϕsin cos ——中性轴方程（过截面形心的直线）α00tan y z α=tan zy I I φ=⋅φF斜弯曲时，中性轴与外力作用线不垂直。
F z F例：截面为由端受水平集中力I y ＝280.0cm （1）梁的最大拉应力和最大压应力；（2）固定端截面和2mx yF解：(1) 固定端截面为危险截面A (2)（3）挠度22zy w w w +=σσA(y ，z )oyz Fl拉伸（压缩）和弯曲组合变形。
材料力学第八章组合变形及连接部分的计算
二、叠加原理
构件在小变形和服从胡克定律的条件下，力 的独立性原理是成立的。即所有载荷作用下的内 力、应力、应变等是各个单独载荷作用下的值的 叠加。
解决组合变形的基本方法是将其分解为几种基 本变形；分别考虑各个基本变形时构件的内力、应 力、应变等；最后进行叠加。
§8–1 两相互垂直平面内的弯曲
的强度计算许可载荷F。
解：（1）计算横截面的形心、
面积、惯性矩
F 350
F 350
A 15000mm2
F
M
z0 75mm
FN
y1 z0 y z1
z1 125 mm I y 5.31107 mm4 （2）立柱横截面的内力
50
FN F
150
M F350 75103
50
对圆形、正方形截面
Iy Iz
一般生产车间所用的吊车大梁,两端由钢轨支撑,可以简化为简支 梁,如图示.图中l＝4m。大梁由32a热轧普通工字钢制成，许用应力 ［σ］＝160MPa。起吊的重物重量F＝80kN，且作用在梁的中点， 作用线与y轴之间的夹角α＝5°，试校核吊车大梁的强度是否安全。
F2
M y F1 2L
z
Mz F2 L
x
max
My Mz Wy Wz
F1
6 F1 2L 6 F2L
L
L
y
b2h
bh2
t,max 9.979MPa
c,max 9.979MPa
§8.3 拉伸或压缩与弯曲的组合
一、横向力与ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ向力共同作用
=+
10-3
t ,max
=
c,max
第八章组合变形及连接部分的计算
P2 a
m
z
x
P1
m
x
y
m
z x
My
m
y
P1 在 m—m 面内产生的弯矩为 My = P1 x （使梁在 XZ 平面内弯曲，y 为中性轴）
P2 a
m
z
x
P1
m
x
y
m
MZ z x
My
m
y
P2 在 m—m 面内产生的弯矩为 MZ = P2 (x-a) （使梁在 XY 平面内弯曲，z 为中性轴）
二 、 梁横截面上的应力分析 （任意点 C(y, z) 的正应力）
z
tg Iy tg
Iz
M
y
梁的挠曲线一般仍是一条空间曲线，故梁的扰曲线方程仍应分别 按两垂直面内的弯曲来计算，不能直接用合成弯矩进行计算。
四、 强度分析
中性轴
Байду номын сангаас
作平行于中性轴的两直线分别与
D1 z
o
横截面周边相切于 D1 、D2两点
，D1 、D2 两点分别为横截面上
最大拉应力点和最大压应力点。
D2
A 截面： D 截面：
(max
)A
M zA Wz
M W
yA y
(21.5103)q
(max
)D
M zD Wz
M yD Wy
(16.02103)q
梁的危险点在 A 截面棱角处
max
(max )A
M zA Wz
M yA Wy
(21.5103)q
[]
160106
[q] 160103 7.44kN/m 21.5
§8-1 概述
一、 组合变形概念 : 构件在荷载作用下发生两种或两种 以上的基本变形,则构件的变形称为组合变形。
蔡中兵《材料力学》8组合变形及连接部分的计算
" MZ y
IZ M y F1 x
' My z
Iy
盐城工学院力学课程组
材料力学
mechanics of materials
F2 a m
z F1 C(y,z)
O
z
my
y
x
m z
O Mz
My m
(3) 当F1 和F2共同作用时，应用叠加法y
F2单独作用时
F1单独作用时 F2 和F1 共同作用时
M y F1 x,
M z F2 ( x a)
盐城工学院力学课程组
材料力学
mechanics of materials
F2 m
a
z F1 C(y,z)
O
z
my
y
x
m z
O Mz
My m y
在F2 单独作用下，梁在竖直平面内发生平面弯曲， z轴为中性轴。
在F1 单独作用下，梁在水平平面内发生平面弯曲， y轴为中性轴。
横截面上内力
（1）.拉(压) :轴力 FN
弯矩 Mz
（2）.弯曲 剪力Fs
FS Mz
O
z x
FN
y
因为引起的切应力较小,故一般不考虑.
盐城工学院力学课程组
材料力学
4、应力分析
mechanics of materials
横截面上任意一点 （ z, y） 处的正应 力计算公式为
（ 1）.拉伸正应力
FN
M y z F zF z
Iy
Iy
由 Mz 产生的正应力
Mz y F yF y
Iz
Iz
FN
z
第8章 组合变形及连接部分的计算(10)
zMz
Fy
My
目录
22
横截面上应力分析：
x
z Mz 1
FN
MZ
My
Fy 2 My
压
F A
Mz
Mz y Iz
My
Myz Iy
全 压 区 任 c 意 F A一 M Izzy 点 M Iy yz
cmaxF AW Mzz W Myy
弯曲全 t F A 拉 M Iz 区 zyM Iy yz
tmaxF AW Mzz W Myy
σ
σ或 σ
σ
强度条件： max[]
目录
33
§8-4 扭转与弯曲
绞车的鼓轮轴
目录
34
扭转与弯曲
传动轴
目录
35
扭转与弯曲 FP
目录
36
扭转与弯曲组合变形问题的分析过程
1、分析外力、内力及应力
l
Fa
F
S
a
Fa
T
（+）
Fl
M （-）
F
S平面
y
1
zT
x
2 Mz
1
τ T Wp
σ Mz Wz
2
τ T Wp
r4W 1 M 20.7T 5 2[]
只适用塑性材料的圆截面杆纯弯扭组合变形
式中W 为抗弯截面系数，M、T 为轴危险面的
弯矩和扭矩
W d 3
32
WD3 14 32
41
例题
圆杆直径为d = 0.1m,T = 7kN·m, P = 50kN，
[]=100MPa,按第三强度理论校核强度。
解：拉扭组合,危险点应力状态如图
F
F
F
材料力学第8章 组合变形
b.未通过轴线或形心主惯性轴，向其分解
注意：荷载分解、简化的前提是不改变研究段的内力。
（2）内力分析方法
用截面法计算任意截面的内力，通过内力确定变形的组成
z
Fsz My
Ty
Fsy
M z FN
FN
T
x M z , Fsy M y , Fsz
轴向拉、压 扭转 x,y面内的平面弯曲 x,z面内的平面弯曲
§8-2 两相互垂直平面内的弯曲
F sin
F cos F
（2）求B点的应力
MB FN
WA
12.32103 25103
0.1 0.22
0.1 0.2
6
B
17.23 MPa
（3）求B点30º斜截面上的正应力
300 cos2 30 17.23 cos2 30 12.99 MPa
（4）求B点的主应力
1 0 2 0 3 17.23 MPa
z
面梁，其横截面都有两个相互垂直的对称 轴，且截面的周边具有棱角，故横截面上
Mz
的最大正应力发生在截面的棱角处。于是
，可根据梁的变形情况，直接确定截面上
My
最大拉、压应力点的位置，而无需定出其
y
中性轴。
因危险点为单向应力状态（忽略弯曲切应力的影响）， 故，强度条件为：
max
M y max Wy
F sin
12.32kN m
F cos F
例： 如图示一矩形截面折杆，已知F＝50kN，尺寸如图所示， α＝30°。（1）求B点横截面上的应力；（2）求B点α＝30°截
面上的正应力；（3）求B点的主应力σ1、 σ2、 σ3。
FN
B
MB 100mm
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
m
返回
8-7(8-10) 受拉构件形状如图，已知截面尺寸为 40mm×5mm，承受轴向拉力
。现拉杆开有切口，如不计应力集中影响，当材料的 试确定切口的最大许可深度，并绘出切口截面的应力变化图。
时，
解：
即
整理得：
解得：
mm
返回
8-8(8-11) 一圆截面直杆受偏心拉力作用，偏心距
mm，杆的直径为 70mm，
解：（1）螺栓剪切
（2）钢板挤压
（3）钢板拉伸 第一排截面上应力：
第二排孔截面上拉力与第一排螺钉上的剪力之和等于外力 F，其中第一排螺钉上剪 力为：
故第二排截面上拉应力合力为
于是
返回
8-16(8-26) 两直径
mm 的圆轴，由凸缘和螺栓连接，共有 8 个螺栓布置在
mm 的圆周上，如图所示。已知轴在扭转时的最大切应力为 70MPa，螺栓的
解：18 号工字钢
，
，AB 杆系弯压组合变形。
，
，
=
=
返回
=
=
8-4(8-6) 砖砌烟囱高 kN，受
m，底截面 m-m 的外径 的风力作用。试求：
（1）烟囱底截面上的最大压应力；
m，内径
m，自重
（2）若烟囱的基础埋深
m，基础及填土自重按
用压应力
，圆形基础的直径 D 应为多大？
计算，土壤的许
注：计算风力时，可略去烟囱直径的变化，把它看作是等截面的。
许用拉应力 为 120MPa。试求杆的许可偏心拉力值。
解：圆截面面积 圆截面的弯曲截面系数
即：
， 返回
8-9(8-15) 曲拐受力如图示，其圆杆部分的直径 状态的单元体，并求其主应力及最大切应力。
mm。试画出表示 A 点处应力
解：A 点所在的横截面上承受弯矩和扭矩作用，其值 它们在点 A 分别产生拉应力和切应力，其应力状态如图 8-15a，其中
许用切应力
。试求螺栓所需的直径 。
解：
返回
8-17(8-27) 一托架如图所示。已知外力
，铆钉的直径
与钢板为搭接。试求最危险的铆钉剪切面上切应力的数值及方向。
mm，铆钉
解：（1）在 F 力作用下，因为每个铆钉直径相等，故每个铆钉上所受的力
（2）在 （2）
力偶作用下，四个铆钉上所受的力应组成力偶与之平衡。 （1）
第八章 组合变形及连接部分的计算
8-1 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 8-9 8-10 下页
8-1 14 号工字钢悬臂梁受力情况如图所示。已知
m，
，
，
试求危险截面上的最大正应力。
解：危险截面在固定端
=
=
返回
8-2 受集度为 的均布荷载作用的矩形截面简支梁，其荷载作用面与梁的纵向对称
联解式（1）、（2）得
返回
解：
故 返回
8-14(8-24) 图示一螺栓接头。已知
，螺栓的许用切应力
，
许用挤压应力
。试计算螺栓所需的直径。
解：按剪切强度计算 故
按挤压强度计算：
故选取
的螺栓。
返回
8-15(8-25) 拉力
的螺栓连接如图所示。已知 b=80mm，
螺栓的许用切应力
，钢板的许用挤压应力
力
。试校核接头的强度。
mm，d=22mm， ，许用拉应
解：烟囱底截面上的最大压应力：
=
=
土壤上的最大压应力 ：
即
即
解得：
m
返回
8-5(8-8) 试求图示杆内的最大正应力。力 F 与杆的轴线平行。
解： 固定端为危险截面，其中：
轴力
，弯矩
，
，z 为形心主轴。
=
A 点拉应力最大
=
=
B 点压应力最大
=
=
因此 返回 8-6(8-9) 有一座高为 1.2m、厚为 0.3m 的混凝土墙，浇筑于牢固的基础上，用作 挡水用的小坝。试求：
上页 8-11 8-12 8-13 8-14 8-15 8-16 8-17
8-11(8-21) 试校核图示拉杆头部的剪切强度和挤压强度。已知图中
尺寸
mm，
mm 和
mm，杆的许用切应力
，
许用挤压应力
。
解：
安全
安全
返回
8-12(8-22) 水轮发电机组的卡环尺寸如图所示。已知轴向荷载
，卡
环材料的许用切应力 强度。
，许用挤压应力
。试校核卡环的
解：剪切面
安全
挤压面
安全
返回
8-13(8-23) 正方形截面的混凝土柱，其横截面边长为 200mm，其
基底为边长 a=1m 的正方形混凝土板。柱承受轴向压力
，
如图所示。假设地基对混凝土板的支反力为均匀分布，混凝土的许用切应力为
，试问为使柱不穿过板，混凝土板所需的最小厚度 应为多少？
（1）当水位达到墙顶时墙底处的最大拉应力和最大压应力（设混凝土的密度为 ）；
（2）如果要求混凝土中没有拉应力，试问最大许可水深 h 为多大？
解：以单位宽度的水坝计算： 水压：
混凝土对墙底的压力为：
墙坝的弯曲截面系数： 墙坝的截面面积： 墙底处的最大拉应力 为：
= =
当要求混凝土中没有拉应力时：
即
即
面间的夹角为
，如图所示。已知该梁材料的弹性模量
；梁的尺
寸为 m，
mm，
试校核梁的强度和刚度。
mm；许用应力
；许可挠度
。
解：
= ，强度安全 ，
=
=
刚度安全。
返回
8-3(8-5) 荷载 去不计。
图示一悬臂滑车架，杆 AB 为 18 号工字钢，其长度为
m。试求当
作用在 AB 的中点 D 处时，杆内的最大正应力。设工字钢的自重可略
注：剪力在点 A 的切应力为零。 返回
8-10(8-16) 铁道路标圆信号板，装在外径
mm 的空心圆柱上，所受的最大风
载
，
。试按第三强度理论选定空心柱的厚度。
解：忽略风载对空心柱的分布压力，只计风载对信号板的压力，则信号板受风力 空心柱固定端处为危险截面，其弯矩： 扭矩：
=
mm
第八章 组合变形及连接部分的计算