第5章 杆件的内力图

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(B”和B’)为控制面。
3.应用截面法求控制面处的轴力
用假想截面分别从控制面A、 B” 、B’、C处将杆截开,假设横
截面上的轴力均为正方向(拉力), 并考察截开后下面部分的平衡, 如右图所示。
§5.2 轴力图与扭矩图
根据平衡方程:
Fx 0
解得各控制面上的轴力分别为:
A截面:FNA F2 - F1 5kN B截面:FNB F2 - F1 5kN B截面:FNB F2 10kN C截面:FNC F2 10kN
M x1 630N m
CD段:
M x 0, M x3 486 0
M x1 486N m
3.建立Mx-x坐标系,画出扭矩图 由所求得的各段的扭矩,得到扭矩图如图所示(在轴上外力偶矩作
用处的截面两侧扭矩发生突变)。
§5.2 轴力图与扭矩图
【例题】试作下图所示圆轴之扭矩图,图中外力矩 Me为已知。
1.确定约束力 取整体为研究对象,受力图如图示:
平衡方程为:
Fx 0, FA F1 F2 0
解得: FA 5kN
§5.2 轴力图与扭矩图
2.确定控制面 依据控制面的确定原则,
选取集中载荷F2作用处的C截 面、约束力FA作用处的A截面, 以及集中载荷F1作用点B处的
上、下两侧用虚线表示的截面
解: 1.将轴分段 (确定控制面)
由题分析知,可以将轴分为AB、BC、CD共3段,各段上任意截面上 的扭矩相同。
§5.2 轴力图与扭矩图
2.应用截面法确定各段圆轴内 的扭矩
AB段:
M x 0, M x1 315 0
M x1 315N m
BC段:
M x 0, M x2 315 315 0
一种内力分量FN。
杆件承受轴向载荷时轴力的特点:杆件只在两个端截面处承受 轴向载荷时,杆件的所有横截面上的轴力都是相同的;如果杆 件上作用有两个以上的轴向载荷,就只有两个轴向载荷作用点 之间的横截面上的轴力是相同的。
轴力图:表示轴力沿杆件轴线方向变化的图形,称为轴力图 (diagram of normal force)。
④ 建立FN一x坐标系,将所求得的轴力值标在坐标系中,画出
轴力图。
§5.2 轴力图与扭矩图 5.2.1 轴力图
【例题5.2】 图示之直杆,在B、C两处作用有集中载荷F1和F2,其中 F1=5kN,F2=10kN。试画出杆件的轴力图。
解:分析:所求问题为画出杆件的轴力图,由题 意知,杆件作用有两个轴向载荷,故在杆件不同 位置处的截面,轴力可能并不相同,因此需要按 照轴力图画法的步骤进行求解。
解:1.将轴分段 (确定控制面) 由题分析知,可以将轴分为AB、BC共2段,各段上任意截面上的扭
矩相同。 2.应用截面法确定各段圆轴内的扭矩 AB段:
Mx(AB) 0, Mx(AB) Me =0 ,Mx(AB) Me
BC段:
§5.2 轴力图与扭矩图
Mx(BC) 0, Mx(BC) Me - 3Me 0 , Mx(BC) 2Me
§5.2 轴力图与扭矩图
4.建立FN-x坐标系,画轴力图
FN-x坐标系中,x坐标轴沿着杆件 的轴线方向,FN坐标轴垂直于x轴。
将所求得的各控制面上的轴力标
在FN-x坐标系中,得到a、b”、b’和c
四点。
因为在A、B”之间以及B’、C之间,
没有其他外力作用,故这两段中的轴
力分别与A(或B”)截面以及C(或B’)截 面相同。这表明a点与b”点之间以及c 点与b’点之间的轴力图为平行于x轴的
§5.1 基本概念与基本方法 5.1.4 杆件内力分量的正负号规则
轴力FN:无论作用在哪一侧截面上,使杆件受拉者为正;受压者为
负。
剪力FQ(FQy或FQz):使截开部分杆件产生顺时针方向转动者为正;逆
时针方向转动者为负。
弯矩M(My或Mz):作用在左侧截面上使截开部分逆时针方向转动;或
者作用在右侧截面上使截开部分顺时针方向转动者为正;反之为负。
-N4 +PD 0 N4 P
N4
PC C PC
PD D
D PD
N
5P
PD
轴力图如右图
2P
+
+
P
x

3P
5.2.2 扭矩图
§5.2 轴力图与扭矩图
传动轴的传递功率P、转速n与外力偶矩T的关系 :
P dW Td T Tn
dt dt
30
T 30P
n
T 9549 P (N m) n
扭矩Mx:扭矩矢量方向与截面外法线方向一致者为正;反之为负。
§5.1 基本概念与基本方法 5.1.5 截面法确定指定横截面上的内力分量
截面法的基本步骤:“八字方针” ① 截开:在所求内力的截面处,假想地用截面将杆件一分为二 ② 保留:任取一部分,弃去另一部分 ③ 代替:弃去部分对留下部分的作用,用作用在截开面上相应
整体与局部的概念:整体是指杆件所代表的某一构件。局部是 指:① 用一截面将杆截成的两部分中的任一部分;② 两相距 无穷小截面所截出的一微段;③ 围绕某一点截取的某种微元 或微元的局部等。
弹性体平衡原理:这种整体平衡与局部平衡的关系,不仅适用 于弹性杆件,而且适用于所有弹性体,因而可以称为弹性体平 衡原理(equilibrium principle for elastic body)。
产生剪切变形。
扭矩: Mx ,使杆件两相邻截面产生绕
杆件轴线的扭转变形。
弯矩: My、Mz,使杆件两相邻截面产
生弯曲变形。
§5.1 基本概念与基本方法 5.1.1 整体平衡与局部平衡的概念
整体平衡与局部平衡:弹性杆件在外力作用下若保持平衡,则 从其上截取的任意部分也必须保持平衡。前者称为整体平衡或 总体平衡(overall equilibrium);后者称为局部平衡(local equilibrium)。
求剪力方程和弯矩方程的步骤:
①确定约束力; ②确定控制面和分段;
③建立坐标系,通常x轴与梁的轴线方向一致,坐标原点一般 取在梁的左端,x轴的正向自左到右,y轴垂直向上;
④分别应用力的平衡和力矩的平衡方程,得到梁上各段的剪力
FQ(x)和弯矩M(x)的表达式。
③建立FN一x坐标系,直接画出轴力图。
§5.2 轴力图与扭矩图
【例题】图示杆的A、B、C、D点分别作用着大小为5P、8P、4P、P 的力,
方向如图,试画出杆的轴力图。
OA
BC
D
PA
PB
PC
PD
N1
A
BC
D
PA
PB
PC
PD
x
解: 由题分析知,轴力的变化可分为4段,即OA、AB、BC、CD段。
(1)求OA段内力N1:设置截面如图
①根据轴上作用的外力偶矩,将轴分段,各分段上轴的任意截 面的扭矩相同。 ②应用截面法,求轴上各分段任意截面上的扭矩。
③建立Mx一x坐标系,直接画出扭矩图。
§5.2 轴力图与扭矩图 5.2.2 扭矩图
【例题5.3】 图示之圆轴,受有四个绕轴线转动的外加力偶,各力偶的 力偶矩的大小和方向均示于图中,其中力偶矩的单位为N·m,轴尺寸单位 为mm。试画出圆轴的扭矩图。
其中:P — 功率,千瓦(kW) n — 转速,转/分(rpm)
T 7024 P (N m) n
其中:P — 功率,马力 (Horsepower)
n — 转速,转/分(rpm)
5.2.2 扭矩图
§5.2 轴力图与扭矩图
扭矩图:扭矩沿杆轴线方向变化的图形,称为扭矩图(diagram of torsional moment)。 绘制扭矩图的步骤:
§5.1 基本概念与基本方法
2.求截面D上的剪力和弯矩 从截面D处将梁截开,取右段为研
究对象。假设D、B两截面之间的距离为 △,由于截面D与截面B无限接近,且位 于截面B的左侧,故所截梁段的长度△ =0。为简单起见,以后的计算中不再标 出△,舍弃的左段对右段的外力为剪力
FQD和弯矩MD,右段的受力分析如右图所
本 章 内 容: §5.1 基本概念与基本方法 §5.2 轴力图与扭矩图 §5.3 剪力图与弯矩图 §5.4 结论与讨论
任意截面上的内力与内力分量
根据空间力系的简化,作用在截面上的内力可以简化为一 主矢FR和主矩M,共有6个分量。
轴力:FN,使杆件沿轴线方向产生拉伸 或压缩变形。
剪力: FQy、FQz,使杆件两相邻截面
1.求截面C上的剪力和弯矩
用假想截面从截面C处将梁截开,
取右段为研究对象,舍弃的左段对右段
的外力为剪力FQC和弯矩MC,右段的受力
分析如右图所示。 列出右段的平衡方程:
Fy 0, FQC FP 0 MC 0, MC MO FPl 0
解得: FQC FP , MC FPl
P
FN
A
Fx 0 FN P 0 FN P
§5.1 基本概念与基本方法
【例题5.1】图示之一端固定另一端自由的梁,称为悬臂梁(canti-
lever beam)。梁承受集中力FP及集中力偶MO作用,如图所示。试确定截面 C及截面D上的剪力和弯矩。
解:分析:所求问题为截面上的内力分 量,故可采用截面法求解,具体步骤 可依截面法的八字方针进行。
的内力(力或力偶)代替。 ④ 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 力对所留部分而言是外力)。
§5.1 基本概念与基本方法 5.1.5 截面法确定指定横截面上的内力分量
例如: 截面法求FN。
P 截开: P 保留: P
A
P
A P
简图
A
代替: 平衡:
Fx 0 N1 PA PB PC PD 0
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N1 5P 8P 4P P 0 N1 2P
§5.2 轴力图与扭矩图
(2)同理,可求得AB、 BC、CD段内力分别为:
N2
BC
D
- N2 PB PC PD 0 N2 3P PB
- N3 PC PD 0 N3 5P N3
示。
列出右段的平衡方程:
Fy 0, FQD FP 0 M D 0, M D FP 0
解得: FQD FP , M D 0
5.2.1 轴力图
§5.2 轴力图与扭矩图
轴向载荷:沿着杆件轴线方向作用的载荷,通常称为轴向载荷 (normal load)。杆件承受轴向载荷作用时,横截面上只有轴力
5.2.1 轴力图
§5.2 轴力图与扭矩图
绘制轴力图的步骤:
① 确定约束力。 ② 根据杆件上作用的载荷以及约束力,确定控制面,也就是轴 力图的分段点。 ③ 应用截面法,用假想截面从控制面处将杆件截开,在截开的 截面上,画出未知轴力,并假设为正方向;对截开的部分杆件 建立平衡方程,确定控制面上的轴力。
§5.1 基本概念与基本方法 5.1.2 杆件横截面上的内力与外力的相依关系
当杆件上的外力(包括载荷与约束力)沿杆的轴线方向发生 突变时,内力的变化规律也将发生变化。
外力突变: 指有集中力、集中力偶
作用的情形;分布载荷间断 或分布载荷集度发生突变的 情形。
内力变化规律:
指表示内力随截面位置 变化的函数或变化的图线。
直线。
而在截面B处,由于集中力F1的作用,轴力发生突变,即截面b”与b’ 轴力发生突变。由此得到杆件的轴力图如右图所示。
§5.2 轴力图与扭矩图
实际中更常用的轴力图的求法:
①根据杆件上作用的轴向载荷(主要指集中载荷),确定不同 截面位置处轴力的变化情况,将杆件分段(杆件上两集中载荷 中间部分的轴力相同)。 ②应用截面法,求不同分段处杆件截面上的轴力。
§5.1 基本概念与基本方法 5.1.3 控制面
在一段杆上,内力按一种函数规律变化,这一段杆的两个 端截面称为控制面(control cross-section)。控制面也就是 函数定义域的两个端点 。
※可能为控制面的截面:
✓集中力作用点两侧截面 ✓集中力偶作用点两侧截面 ✓集度相同、连续变化的分 布载荷起点和终点处截面
3.建立Mx-x坐标系,画出扭矩图
由所求得的各段的扭矩,得到扭矩图如图所示(在轴上外力偶矩作 用处的截面两侧扭矩发生突变)。
§5.3 剪力图与弯矩图
5.3.1 剪力方程与弯矩方程 一般受力情形下,梁内剪力和弯矩将随横截面位置的改变
而发生变化。描述梁的剪力和弯矩沿长度方向变化的代数方程, 分别称为剪力方程(equation of shearing force)和弯矩方程 (equation of bending moment)。
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