建筑力学 第六章 轴向拉伸与压缩

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遇到向右的F , 轴力 FN 增量为负F。
如果左端是约束,需先求出约束反力(约束反力也是外力) 8kN 8kN 3kN 5kN 3kN 5kN
+
8kN
– 3kN
如果杆件由几段不同截面的等直杆构成,轴力的计算方
法和单一截面的轴力计算方法一样。
O B 4F 3F A
2F B – F + C +
C
D 2F
σ
垂直于截面的应力分量: σ
相切于截面的应力分量: τ σ 正应力(normal stress) τ 切应力(shear stress)
应力单位: 牛顿/米2 ,
1KPa=1000Pa
帕斯卡(Pa)
1GPa=1000MPa
1MPa=1000KPa
应力正负号规定
• 正应力:离开截面的正应力为正,指向 截面的正应力为负。 • 切应力以其对分离体内一点产生顺时针 转向的力矩时为正值的切应力,反之, 则为负的切应力 。 • 切应力的说法只对平面问题有效。
大多数情形下,工程构件的内力并非均匀分布,内力集度 的定义不仅准确而且重要,因为“破坏”或“失效”往往从内 力集度(应力)最大处开始。 △A上的内力平均集度为: (2)应力的表示: F1 ΔF
截面
F
F2
pm
pm称为面积△A上的平 均应力。 当△A趋于零时,pm 的 大小和方向都将趋于某一 极限值。
2A
2A
FN 3F
+ A
D
§6.2轴向拉压杆件横截面上的应力
一. 应力的概念: (1)问题提出: F F F F
1. 两杆的轴力都为F. 2. 但是经验告诉我们,细杆更容易被拉断。同样材料, 同等内力条件下,横截面积较大的拉杆能承受的 轴向拉力较大。 3. 内力大小不能衡量构件强度的大小。 4. 根据连续性假设,内力是连续分布于整个横截面上的, 一般而言,截面上不同点处分布的内力大小和方向都不 同。 5. 要判断杆是否会因强度不足而破坏,还必须知道: ① 度量分布内力大小的分布内力集度-应力。 ② 材料承受荷载的能力。
F
F
受载后
变形后所有纵线都伸长了,所有横线都依然保持为直线, 并且与纵线垂直。
假如将杆假想为由无数根纵向纤维组成。则各纤维的伸长 都相同。因此可作如下假设: (2)平面假设:直杆经历轴向拉(压)时,原为平面的横截
面(横线就代表杆的横截面)在变形后仍为平面。 假如材料是均匀的,那么,相同的内力将引起相同的变形,反 过来,相同的变形必然是由于相同的内力引起的。因为拉压杆 每根纤维的伸长都相同,所以它的任意点的内力集度(应力) 都是相同的。也就是说,拉(压)杆横截面上的应力分布是均 匀的。因此
F a a
F a a
如果只考察中间段,则不管受力方式如何(均布力或集中力), 均可得到相同的应力分布。 我们研究的杆件的横向尺寸相比纵向尺寸来说一般很小,因 此,如非特别说明,可以忽略杆端不同力作用方式的影响。


F
F
计算结果对圣维南原理的证实
圣 文 南 原 理
计算结果对圣维南原理的证实
(6) 危险截面及最大工作应力: 如果等截面直杆受多个轴向外力的作用,由轴力图可以求 出最大轴力,从而求出最大正应力。 如果直杆横截面积变化,则最大轴力处的截面上不一定具 有最大正应力。
FN(kN)
10
+
20
+
5
O
FNmax 50( kN ) 发生在BC段内任一横截面上
18
轴力注意事项
1. 与杆平行对齐画
40kN A 600 B 300 50 55kN 25kN C 500 D 400
2. 标明内力的性质 20kN (F ) N
E
3. 正确画出内力沿 轴线的变化规律 4. 标明内力的符号 5. 注明特殊截面的 内力数值(极值)
FN 3 5(kN) ( )
FN3
25kN
20kN
16
轴力图—例题1
求DE段内的轴力
R
40kN
55kN 25kN
20kN
4
FN4 20(kN) (+)
FN4
20kN
17
轴力图—例题1
40kN A 600 B 300 50 55kN 25kN C 500 D 400 20kN E
FN1=10kN (拉力) FN2=50kN (拉力) FN3= - 5kN (压力) FN4=20kN (拉力) x
(3). 应力的特征: 1 应力定义在受力物体的某一截面上的某一点处,因
此,讨论应力必须明确是在哪一个截面上的哪一点处。
2 在某一截面上一点处的应力是矢量。 3 应力的量纲为ML-1T-2。应力的单位为帕斯卡, 1 Pa=1 N/m2, 1 MPa=106 Pa, 1 GPa=109 Pa 4 根据应力的定义,整个截面上各点处应力与微元面积 dA的乘积的合成,即为该截面的内力。
n n
n
FN
FN
n
FN 0
正轴力对留下部分起拉伸作用,负轴力对留下部分起压缩作用。 正轴力背离截面,负轴力指向截面。 这样规定以后,在进行轴力显示和计算时,无论保留 哪一部分,所求得的任一截面上的轴力的正负号都是 一样的。
轴向拉伸与压缩
讨论题: 1.以下关于轴力的说法中,哪一个是错误的? (A)拉压杆的内力只有轴力; (B)轴力的作用线与杆轴重合; (C)轴力是沿杆轴作用的外力; (D)轴力与杆的横截面和材料无关。
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代替:任取一部分,其弃去部分对留下部分的作用,用作用 在截开面上相应的内力(力或力偶)代替。 ③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)。
截开 在求内力的截面m-m 处, F 假想地将杆截为两部分.
轴向拉压的外力特点:外力的合力作用线与杆的轴线重合。 轴向拉压的变形特点:杆的变形主要是轴向伸缩,伴随横 缩扩。 力学模型如图
P
轴向拉伸:杆的变形是轴向伸长,横向缩短。
P P
轴向压缩:杆的变形是轴向缩短,横向变粗。
P
二、轴力 F
F
F
FN=F FN=F
F
FN
——轴力。单位:牛顿(N)
二、轴力
内力的计算是分析构件强度、刚度、稳定性等问题的 基础。求内力的一般方法是截面法。 1. 截面法的基本步骤:
横坐标——杆的轴线 纵坐标——轴力数值
用 平行于杆轴线的坐标表示横截面的位置,用垂直于杆
轴线的坐标表示横截面上的轴力数值,从而绘出各截面轴力 沿轴线的变化规律的图形,称为 轴力图 . 将正的轴力画在x轴 上侧,负的画在x轴下侧. 6kN
①反映出轴力与截面位置变化
关系,较直观; ②确定出最大轴力的数值及其
轴向拉伸与压缩
一、轴向拉伸和压缩时的内力
二、轴向拉压杆件横截面上的应力 三、轴向拉压杆件的变形与胡克定理
四、材料在轴向拉伸和压缩时的力学性能 五、容许应力与安全系数
六、拉亚杆件的强度条件和强度计算 七、应力集中的概念 八、拉压杆件连接部分的强度计算
§6.1 轴向拉伸和压缩时的内力
一、轴向拉伸和压缩的概念
因此,上式严格成立的条件是: 1、拉(压)杆的截面无突变; 2、所考察的截面到载荷作用点有一定的距离。
荷载作用点附近应力示意图
变形示意图:
(红色实线为变形前的线,红色虚线为红色实线变形后的形状。) 应力分布示意图:
源自文库
(5) 圣维南(Saint-Venant)原理: 圣维南(圣文南)原理指出:“力作用于杆端方式的不同,只 会使杆端距离不大于杆的横向尺寸的范围内受到影响。” 也就是 说,离开荷载作用处一定距离,应力分布与大小不受外载荷作用 q q 方式的影响。
(axial force).
FN
轴力:等截面直杆在经历轴向拉伸或者压缩时,杆中任 一截面上的内力的合力的方向都和杆轴线方向重合,这种 顺延杆轴线方向的内力合力称为轴力。 轴力的正负规定: FN FN FN 0 当轴力方向与截面的外法线 同向时
(背离截面),轴力为正(拉力) 当轴力方向与截面的外法线反向时 (指向截面),轴力为负(压力)
《材料力学》
拉伸与压缩
8
如果杆件受到的外力多于两个,则杆件不同部分 的横截面上有不同的轴力。
F 1 F 1 F 2F 1 2F 2 2F 3 F
2
1
3
FN1=F
2
FN 3 F
3
F
FN 2 F
(压力)
3
2
二、轴力图 1
F1 F2
2
F3
3
F4
1
2
3
问题:如何描述不同截面的轴力既简单又直观? 方法:1. 临用时逐个截面计算; 2. 写方程式; 3. 画几何图线—— 轴力图。
FN(kN)
10
+
20
+
O
x
5
6. 标明内力单位
19
轴力图—练习题
A
1 B
2 C
3 D
试画出图示杆件的轴力图。
F1 F1 F1
FN kN
1 F2
2
F3
3
F4
已知 F1=10kN;F2=20kN; F3=35kN;F4=25kN。
解:1、计算杆件各段的轴力。 AB段
FN1 FN2 F2 FN3
ΔA
分布内力
A
p称为该点的总应力,它反映内力系在该点 的强弱程度,p是一个矢量。
ΔF dF p lim p m lim ΔA0 ΔA0 ΔA dA
F3
p称为该点的应力,它反映内力系在该点的强弱程度,p 是一个矢量。 p是M点的总应力,一般来 F1 说既不与截面垂直,也不与截 τ F2 面相切,可以对其进行分解为 p 两部分: M
F pdA
A
二、拉(压)杆横截面上的应力
拉(压)杆横截面上的内力即为轴力。也就是横截面上
各点应力与微元面积dA的乘积的合成。轴力是和截面垂 直的。因为切应力不可能合成与截面垂直的合力,所以 轴力只可能是正应力的合成,所以
FN dA
A
(1) 变形规律试验及平面假设:
F
变形前 F
当正应力达到某一极限值时,杆件将在最大正应力处产生 破坏。因此,具有最大正应力的截面叫做危险截面。危险截面 上的正应力称为最大工作应力。
危险截面的特点:
1 如截面积相同,则是轴力最大的面;
14
轴力图—例题1
求BC段内的轴力 R
A 40kN B
2
55kN 25kN C D
20kN
E
R
40kN
FN2
FN 2 R 40 0
FN2 R 40 50(kN) ()
15
轴力图—例题1
求CD段内的轴力
R
A
40kN B
55kN 25kN C
3
20kN D
E
FN 3 25 20 0
m F m
代替
取左部分部分作为研究对 象。弃去部分对研究对象 的作用以截开面上的内力 m F m FN
代替,合力为FN .
平衡
对研究对象列平衡方程
m F F
F
x
0 FN F 0
FN = F
m
式中:FN 为杆件任一横截 面 m-m上的内力.与杆的 轴线重合,即垂直于横截 m F m
面并通过其形心.称为轴力
FN dA dA A
A A
FN A
FN: 轴力 σ:正应力
(3) 拉压正应力的正负号规定: F

FN
FN A
规定:正应力和轴力正负号是一致的。正的正应力为 拉应力,负的正应力为压应力。 (4) 公式的应用条件: 必须指出,因为上面推导拉压杆横截面上的正应力时假定横 截面上正应力是均匀的。其实这只在离外力作用点较远的部 分才是正确的。在外力作用点附近,应力分布较为复杂。
10 10 25
BC段
F
0 FN1 F1 10kN
x x
F
0
F4
FN 2 F1 F2 10 20 10kN CD段 Fx 0 FN 3 F4 25kN
2、绘制轴力图。
20
x
轴力沿杆件分段为常量时轴力图的简便作法:
分段点:集中载荷作用点,截面突变处 轴力图的特点:突变值 = 集中载荷值 如果只受集中荷载,则轴力(图)的简便求法: 自左向右,轴 力从0开始, 遇到向左的F, 轴力 FN 增量为正F;
3.1kN
FN 3.1kN O
2.9kN
所在横截面的位置,即确定危
x 2.9kN
险截面位置,为强度计算提供
依据。
轴力图—例题1
一等直杆其受力情况如图所示, 作杆的轴力图.
40kN
55kN 25kN 300
20kN
A
600
B
C
500
D
400
E
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轴力图—例题1
解: 求支座反力
F
x
0, R 40 55 25 20 0
40kN A 600 B 300 55kN 25kN C 500
R 10kN
20kN D 400 E
R
A
40kN B
55kN 25kN C D
20kN E
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轴力图—例题1
求AB段内的轴力
R
A 40kN B 55kN 25kN C D 20kN
1
E
R
FN1
FN1 R 0
FN1 R 10(kN) ()
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