材料力学(I)第八章

1、材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案1第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算8-1 概述概述8-2 双对称截面梁在两个相互垂直平面内的弯曲双对称截面梁在两个相互垂直平面内的弯曲 8-2+ 平面弯曲的条件平面弯曲的条件 I-4 惯性矩和惯性积转轴公式惯性矩和惯性积转轴公式 截面的主惯性轴截面的主惯性轴和主惯性矩和主惯性矩8-3 拉伸（压缩）与弯曲的组合变形拉伸（压缩）与弯曲的组合变形8-4 扭转和弯曲的组合变形扭转和弯曲的组合变形8-5 连接件的实用计算法连接件的实用计算法8-6 铆钉和螺栓连接的计算铆钉和螺栓连接的计算*8-7 榫齿连接榫齿连接材材 料料 力力

2、 学学 电电 子子 教教 案案28- -1 概概 述述 构件在荷载的作用下如发生两种或两种以上基本形式的变形，且几种变形所对应的应力（和变形）属于同一数量级，则构件的变形称为组合变形（combined deformation）。 . 组合变形 烟囱（图a）有侧向荷载（风荷，地震力）时发生弯压组合变形。 第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案3 齿轮传动轴（图b）发生弯曲与扭转组合变形（两个相互垂直平面内的弯曲加扭转）。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 吊车立柱（图c）受偏心压缩，发生弯压组合变形

3、。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案4 两个平面内的弯曲(图d)由于计算构件横截面上应力及横截面位移时，需要把两个平面弯曲的效应加以组合，故归于组合变形。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算(d)材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案5 对于组合变形下的构件，在线性弹性范围内且小变形的条件下，可应用叠加原理将各基本形式变形下的内力、应力或位移进行叠加。 在具体计算中，究竟先按内力叠加（按矢量法则叠加）再计算应力和位移，还是先计算各基本形式变形下的应力或位移然后叠加，须视情况而定。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案6.连接件的实用计算 螺

4、栓连接（图a）中，螺栓主要受剪切及挤压（局部压缩）。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 连接件（螺栓、铆钉、键等）以及构件在与它们连接处实际变形情况复杂。FF/2nF/2n材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案7 键连接（图b）中，键主要受剪切及挤压。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案8第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 工程计算中常按连接件和构件在连接处可能产生的破坏情况，作一些简化的计算假设（例如认为螺栓和铆钉的受剪面上切应力均匀分布）得出名义应力（no

5、minal stress）,然后与根据在相同或类似变形情况下的破坏试验结果所确定的相应许用应力比较，从而进行强度计算。这就是所谓工程实用计算法（engineering method of practical analysis）。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案98-2 双对称截面梁在两个相互垂直平面内的弯曲双对称截面梁在两个相互垂直平面内的弯曲 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。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 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，在线性弹性且小变形情况下，可以分别按平面弯曲计算

6、每一弯曲情况下横截面上的应力和位移，然后叠加。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案10第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 图示悬臂梁 x 截面上的弯矩和任意点C处的正应力为： 由于水平外力F1 由于竖直外力F2zIMyyyIMzz 弯曲正应力弯 矩 My(x)=F1 x Mz(x)=F2 (x-a)材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案11这里弯矩的正负号系根据图b所示，由右手螺旋法则按它们的矢量其指向是否与y轴和z轴的指向一致来确定的。在F1和F2共同作用下x 截面上C 点处的正应力为yIMzIMzzyy 第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组

7、合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案12 利用上式固然可求算x 截面上任意点处的弯曲正应力，但对于图中所示那类横截面没有外棱角的梁，由于My 单独作用下最大正应力的作用点和Mz 单独作用下最大正应力的作用点不相重合，所以还不好判定在My和Mz共同作用下最大正应力的作用点及其值。 第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案13 注意到在F1 作用下x 截面绕中性轴y 转动，在F2 作用下x 截面绕中性轴z 转动,可见在F1和F2共同作用下，x 截面必定绕通过y 轴与z 轴交点的另一个轴转动，这个轴就

8、是梁在两个相互垂直平面内同时弯曲时的中性轴，其上坐标为y，z的任意点处弯曲正应力为零。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案14故有中性轴的方程：000yIMzIMzzyy中性轴与y轴的夹角q（图a）为qtantan00zyzyyzIIIIMMyz第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 其中 角为合成弯矩 与y的夹角。22zyMMM材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案15第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算这就表明，只要 IyIz ，中性轴的方向就不与合成弯矩M的矢

9、量重合，亦即合成弯矩M 所在的纵向面不与中性轴垂直，或者说，梁的弯曲方向不与合成弯矩M 所在的纵向面重合。正因为这样，通常把这类弯曲称为斜弯曲（oblique bending）。qtantanzyII材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案16 确定中性轴的方向后，作平行于中性轴的两直线，分别与横截面的周边相切，这两个切点（图a中的点D1，D2）就是该截面上拉应力和压应力为最大的点。从而可分别计算水平和竖直平面内弯曲时这两点的应力，然后叠加。 第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案17(c) 对于如图c所示横截面具有外

10、棱角的梁，求任何横截面上最大拉应力和最大压应力时，可直接按两个平面弯曲判定这些应力所在点的位置，而无需定出中性轴的方向角q。 工程计算中对于实体截面的梁在斜弯曲情况下，通常不考虑剪力引起的切应力。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案18对于图示悬臂梁，试问：4. 该梁自由端的挠度（大小和方向）如何计算？2. 在固定端处梁的中性轴又大致在什么方向？3. 在固定端和F2作用截面之间，梁的中性轴的方向是否随横截 面位置变化？1. 外力F2作用截面处梁的中性轴在什么方向？思考思考: :第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案

11、19 例题例题8-1 图示20a号工字钢悬臂梁（图a）上的均布荷载集度为q (N/m)，集中荷载为 。试求梁的许可荷载集度 q 。已知：a =1 m; 20a号工字钢：Wz=23710-6 m3，Wy=31.510-6 m3；钢的许用弯曲正应力 =160 MPa。)N(2qaF 第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算x材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案20( )解：解：1. 将集中荷载F 沿梁的横截面的两个对称轴分解为ooyqaFF40cos240cosqa383. 0oozqaFF40sin240sinqa321. 0( )x材材 料料 力力 学学 电电

12、子子 教教 案案212. 作梁的计算简图（图b），并分别作水平弯曲和竖直弯曲的弯矩图My 图和Mz 图（图c ,d）。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案223. 确定此梁的危险截面。 A截面上My最大，MyA=0.642 qa2,该截面上Mz虽不是最大，但因工字钢Wy180,且为逆时针转向，于是由tan2a0=1.093 和 2a0=180+ 47.6= 227.6，而a0=113.8。图中据此示出了形心主轴 xC0 和 yC0。IxC0IxyIx, Iy(IxC, IxCyC)(IyC, -IxCyC)IyC02a0材

13、材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案50I第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案514. 该截面的形心主惯性矩为4424424444444422maxmm10321)mm103 .97(4)mm104 .278mm104 .100(212mm104 .278mm104 .1004)(2120CCCCCCCyxyxyxxIIIIIII4422minmm104 .574)(2120CCCCCCCyxyxyxyIIIIIII第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教

14、教 案案5283 拉伸拉伸( (压缩压缩) )与弯曲的组合变形与弯曲的组合变形. 横向力与轴向力共同作用横向力与轴向力共同作用 图a为由两根槽钢组成的杆件，受横向力F和轴向力Ft作用时的计算简图，该杆件发生弯曲与拉伸的组合变形。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案53 轴向拉力会因杆件有弯曲变形而产生附加弯矩，但它与横向力产生的弯矩总是相反的，故在工程计算中对于弯一拉组合变形的构件可不计轴向拉力产生的弯矩而偏于安全地应用叠加原理来计算杆中的应力。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力

15、 学学 电电 子子 教教 案案54 至于发生弯曲与压缩组合变形的杆件，轴向压力引起的附加弯矩与横向力产生的弯矩为同向，故只有杆的弯曲刚度相当大（大刚度杆）且在线弹性范围内工作时才可应用叠加原理。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案55 图a所示发生弯一拉组合变形的杆件，跨中截面为危险截面，其上的内力为FN=Ft， 。该横截面上与轴力FN对应的拉伸正应力t为均匀分布(图b)， ，而与最大弯矩Mmax对应的弯曲正应力在上、下边缘处(图c)，其绝对值FlM41maxAFAFtNt第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连

16、接部分的计算WFlWM4maxb。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案56 在FN 和Mmax共同作用下，危险截面上正应力沿高度的变化随b和t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：WFlAF4tmax, t注意到危险截面最大拉应力作用点（危险点）处为单向应力状态，故可把t,max直接与材料的许用正应力进行比较来建立强度条件。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案57 例题例题 82 图a所示折杆ACB由钢管焊成，A和B处铰支,C 处作用有集中荷载F=10 kN。试求此折杆危

17、险截面上的最大拉应力和最大压应力。已知钢管的外直径D =140 mm，壁厚d =10 mm。 解：解：1.约束力FA=FB= 5 kN。折杆的受力图如图b。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案58 根据对称性，只需分析折杆的一半，例如AC杆；将约束力FA分解为FAx =3 kN和FAy=4 kN后可知，AC 杆的危险截面为m-m(图b)，其上的内力为 FN=-FAx=-3 kNMmax=FAy2= 8 kNm 第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算可见此杆产生弯一压组合变形。现按大刚度杆来计算应力。

18、材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案59 2. AC杆危险截面m-m上的最大拉应力t,max和最大压应力c,max分别在下边缘f点处和上边缘g点处(图b)： WMAFmaxNmax, t（a）WMAFmaxNmax, c3. 根据钢管的横截面尺寸算得：或2422m108 .40)2(4dDDA4844m10868)2(64dDDI36m101242/DIW第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案604. 将FN 和Mmax以及A和W的值代入式(a)得 MPa63.8Pa108 .63m10124mN108m1040.

19、8N103636-324-3maxt, 注意，在弯一压组合变形情况下，| c,max | t,max,故对于拉、压许用应力相等的情况，建立强度条件时应以 |c,max |与许用正应力进行比较。倘若材料的许用拉应力t小于许用压应力c，则应将t,max和|c,max|分别与 t和 c比较。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算MPa65.2Pa102 .65m10124mN108m1040.8N103636-324-3max, c材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案61.偏心拉伸(压缩) 偏心拉伸或偏心压缩是指外力的作用线与直杆的轴线平行但不重合的情况。第八章第八

20、章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 图a所示等直杆受偏心距为e的偏心拉力F作用，杆的横截面的形心主惯性轴为y轴和z轴。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案62(1) 偏心拉偏心拉(压压)杆横截面上的内力和应力杆横截面上的内力和应力 将偏心拉力F向其作用截面的形心O1简化为轴向拉力F和力偶矩Fe，再将该力偶矩分解为对形心主惯性轴y和z的分量Mey和Mez(图b及图c)：第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算Mey=Fe sina =FzF , Mez=Fe cosa =FyF材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案63由于Mey和Mez作

21、用在包含形心主惯性轴的纵向面内，故引起的都是平面弯曲。可见偏心拉伸（压缩）实为轴向拉伸（压缩）与平面弯曲的组合，且当杆的弯曲刚度相当大时可认为各横截面上的内力相同。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案64 图c所示任意横截面nn上的内力为FN=F, My=Mey=FzF, Mz=Mez=FyF横截面上任意点C ( y, z ) 处的正应力为zFyFzzyyIyFyIzFzAFIyMIzMAFN（b）第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案65 在工程计算中

22、，为了便于分析一些问题，常把惯性矩Iy和Iz写作如下形式：2yyAiI 2zzAiI 上列式中的iy和iz分别称为截面对于y轴和z轴的惯性半径(radius of gyration)，其单位为m或mm；它们也是只与截面形状和尺寸有关的几何量截面的几何性质。于是式(b)亦可写作)1 (22zFyFiyyizzAF（c）上式是一个平面方程，它表明偏心拉伸时杆的横截面上的正应力按直线规律变化。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案66 现在来确定横截面绕着转动的中性轴的位置。设中性轴上任意点的坐标为y0，z0，以此代入式(c)并令

23、 =0可得中性轴的方程(2) 偏心拉偏心拉(压压)杆横截面上中性轴的位置杆横截面上中性轴的位置010202yiyzizzFyF可见，偏心拉伸时中性轴为一条不通过横截面形心的直线（图a）。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案67而中性轴在形心主惯性轴y，z上的截距（图b）为Fzyyia2或Fyzzia2第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算由此还可知，中性轴与偏心拉力作用点位于截面形心的相对两侧。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案68中性轴与z轴的夹角b 的正切为aabtan)/)(tan

24、)()()(tan2222yzyzyzFFFyFzzyIIAIAIiiyzziyiaa式中的角a 为偏心拉力作用点与截面形心的连线(亦即力偶矩Fe作用的纵向面）和y轴之间的夹角。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案69 由此式可知： 1. 若偏心拉力作用在形心主惯性轴y上(即tana=0)或者作用在形心主惯性轴z上,则恒有tanb =tana ,即中性轴垂直于力偶矩Fe所在的纵向面；第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算abtantanyzII 2. 当偏心拉力不作用在任何一根形心主惯性轴而tana

25、 0,tana 90时，只要横截面的形心主惯性矩IzIy， 则中性轴就不与力偶矩Fe所在的纵向面垂直。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案70(3) 横截面上危险点的位置横截面上危险点的位置 对于没有外棱角的截面，为找出横截面上危险点的位置，可在确定中性轴位置后作平行于中性轴的直线使与横截面周边相切(图b)，切点D1和D2分别就是最大拉应力和最大压应力的作用点，根据它们的坐标即可确定最大拉应力和最大压应力的值。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 横截面有外棱角的杆件受偏心拉伸时，危险点必定在横截面的外棱角处。(b)材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教

26、案案71它们叠加后的应力则如图d，图中还示出了中性轴的位置。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算例如，矩形截面杆受偏心拉力F作用时,其横截面上分别对应于轴力F，弯矩My=FzF和Mz=FyF的正应力变化规律如图a，b，c所示；材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案72zFyFzFyFWFyWFzAFWFyWFzAFmax, cmax, t由此式还可以看出，如果偏心距e(亦即yF , zF)较小，则横截面上就可能不出现压应力，亦即中性轴不与横截面相交。最大拉应力t,max和最大压应力c,max 作用在外棱角D1和D2处，其值为第八章第八章 组合变形及连接部分的计

27、算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案73 例题例题 试求图示杆件横截面上的最大拉应力和最大压应力。外力F与杆件的轴线平行。 解：解：轴向外力F未通过横截面形心，故杆件受偏心拉伸。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案741. 确定横截面形心的具体位置 横截面的形心C必落在对称轴z上，只需计算形心距参考轴y1的距离(图a)。aaaaaaaaaaaaAzAziiiii2)42()4()(42()22)(4(2121(a)azy16a4a4aC*z材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案7

28、5 该截面的形心主惯性矩Iy可利用惯性矩平行移轴公式可知为4232332)24(12)2(4)2()4(12)4(aaaaaaaaaaaIy形心主惯性矩Iz则为4331112)4(212)(4aaaaaIz第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算2. 确定形心主惯性轴，并求形心主惯性矩 由于包含对称轴在内并通过形心的一对相互垂直的轴就是形心主惯性轴，故图b中的y轴和z轴为形心主惯性轴。(b)azy6a4a4aC*材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案763. 计算横截面上的内力FN=F，My=F2a， Mz=F2a第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连

29、接部分的计算(b)azy6a4a4aC*材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案774. 确定最大拉应力和最大压应力作用点位置并计算应力值 杆的横截面上的点D1处(图b)，对应于FN的为拉应力，对应于My和Mz的是各自最大的拉应力，可见该点为t,max的作用点。横截面上点D2处，除对应于FN的是与其它点处等值的拉应力外，对应于My和Mz的则是各自最大的压应力，可见该点为c,max 的作用点。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算2Nmax, t26415122aFIaMIaMAFzzyy2Nmax, c6617)5 . 0(4aFIaMIaMAFzzyy(b)az

30、y6a4a4aC*D1D2材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案78. . 截面核心截面核心 土建工程中的混凝土或砖、石偏心受压柱，往往不允许横截面上出现拉应力。这就要求偏心压力只能作用在横截面形心附近的某个范围内；这个范围称之为截面核心（core of section）。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 要使偏心压力作用下杆件横截面上不出现拉应力，那么中性轴就不能与横截面相交，一般情况下充其量只能与横截面的周边相切，而在截面的凹入部分则是与周边外接。截面核心的边界正是利用中性轴与周边相切和外接时偏心压力作用点的位置来确定的。材材 料料 力力 学学 电电

31、子子 教教 案案79 图中所示任意形状的截面，y轴和z轴为其形心主惯性轴。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 为确定截面核心的边界(图中的封闭曲线1-2-3-4-5-1)，可作一系列与截面周边相切和外接的直线把它们视为中性轴。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案80Fzyyia2Fyzzia2得出每一与圆边相切或外接的直线（中性轴）所对应的偏心压力作用点的位置，亦即截面核心边界上相应点的坐标yi,ziyizyiai2ziyziai2第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 根据这些直线中每一直线在y轴和z 轴上的截距ayi和azi即可

32、由前面已讲过的中性轴在形心主惯性轴上截距的计算公式材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案81连接这些点所得封闭曲线其包围的范围就是截面核心。应该注意的是，截面核心的每一边界点与对应的截面周边上的切线和外接的直线（中性轴）总是位于截面形心的相对两侧。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案82(1) 圆截面的截面核心： 圆截面对圆心（形心）O是极对称的，因而其截面核心的边界必然也是一个圆心为O的圆。作一条如图所示与截面周边相切的直线，它在形心主惯性轴y和z上的截距为11, 2/zyada而对于圆截面有164/64/224

33、22dddAIAIiizyzy从而82/16/2121dddaiyzy0121zyzai材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案83这就是截面核心边界上点1的坐标。以O为圆心，以d /8为半径所作的圆其包围的范围就是圆形截面的截面核心。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案84 一个外直径为D，内直径为D/2的空心圆截面，试检验该截面的：Diizy852. 该截面核心为半径等于 的圆。D325思考思考: : 1. 对于形心主惯性轴的惯性半径为 , 第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料

34、 力力 学学 电电 子子 教教 案案85(2) 矩形截面的截面核心 图中y轴和z轴为矩形截面的形心主惯性轴。对于这两根轴的惯性半径iy和iz的平方为1212/232bbhhbAIiyy1212/232hbhbhAIizz第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 作与周边相切的直线, , , ，将它们视为中性轴，根据它们在形心主惯性轴 y, z上的截距便可求得截面核心边界上的相应点1，2，3，4。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案86现以计算与周边上切线相应的核心边界点1的坐标y1，z1例作具体计算：截距11 ,2zyaha 核心边界点坐标062/12/1212

35、121zyzyzyaihhhai 对应于周边上其他三条切线的截面核心边界点的坐标可类似地求得，并也已标注以图中。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案87 现在的问题是,确定截面核心边界上的四个点1，2，3，4后，相邻各点之间应如何连接。 实际上这就是说，当与截面相切的直线（中性轴）绕截面周边上一点旋转至下一条与周边相切的直线时，偏心压力的作用点按什么轨迹移动。现以切线绕B点旋转至切线时的情况来说明。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案88前面已讲过，杆件偏心受力时横截面上中性轴的方程为010202yiyzizzF

36、yF当中性轴绕一点B转动时，位于中性轴上的B点的坐标yB，zB 不变，亦即上式中的y0，z0在此情况下为定值yB，zB，而偏心压力的作用点yF，zF在移动，将上式改写为0122FzBFyByiyziz第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算显然，这是关于yF，zF的直线方程。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案89 这表明，当截面周边的切线（中性轴）绕周边上的点转动时，相应的偏心压力的作用点亦即截面核心的边界点沿直线移动。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 于是在确定截面核心边界上的点1，2，3，4后，顺次以直线连接这些点所得到的菱形

37、便是矩形截面的截面核心。该菱形的对角线长度分别为h/3和b/3(如图所示)。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案90 例题例题 84 试确定图示T形截面的截面核心。图中y, z轴 为形心主轴。已知：截面积A=0.6 m2；惯性矩Iy=4810-3 m4, Iz=27.510-3 m4；惯性半径的平方 以及222m108yi222m1058. 4zi。 解解: : 对于周边有凹入部分的截面，例如槽形截面、T形截面等，确定截面核心边界点所对应的中性轴仍然不应与截面相交，也就是在周边的凹入部分只能以外接直线作为中性轴。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料

38、 力力 学学 电电 子子 教教 案案91 图中的6条直线,便是用以确定该T形截面核心边界点1,2 ,6的中性轴；根据它们各自在形心主惯性轴上的截距计算所得核心边界的结果如下表所示：0-0.1021-0.450.45-0.45-0.45ay-0.0740.10241.0800.1023-0.133050.600.2002-0.40中性轴编号中性轴编号 -0.074 -0.102 截面核截面核心边界心边界上点的上点的坐标值坐标值/m 6 对应的截面核对应的截面核 心边界上的点心边界上的点 1.08az 中性轴中性轴的截距的截距/m yzyai2zyzai2第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合

39、变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案92注意到直线（中性轴）， 中顺次编号的相邻直线都是由前一直线绕定点转动到后一直线，故把核心边界点1，2， ，6，顺次连以直线便可得到截面核心的边界。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案938- -4 扭转和弯曲的组合变形扭转和弯曲的组合变形 机械中的许多构件在工作时往往发生扭转与弯曲的组合变形，而且它们多半是实心或空心圆截面杆，图中所示传动轴便是一种典型的情况。土建工程中发生扭弯组合变形的杆件往往是非圆截面的。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形

40、及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案94本节讲述圆截面杆发生扭弯组合变形时的强度计算。 图a所示由塑性材料制造的曲拐在铅垂外力作用下，其AB杆的受力图如图b所示。该杆为直径为d 的圆截面杆。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案95 图c，d示出了AB杆的弯矩图（M 图）和扭矩图（T图）。由于扭弯组合变形情况下不考虑剪力对强度的影响，故未示出剪力图（FS图）。 该AB杆的危险截面为固定端处的A截面。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教

41、 案案96 危险截面上弯曲正应力在与中性轴C3C4垂直方向的变化如图e，扭转切应力沿直径C3C4和C1C2的变化如图f。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 由此可知危险截面上的危险点为C1和C2。由于杆的材料是拉压许用应力相等的塑性材料，C1和C2两点的危险程度相同，故只需对其中的一个点作强度计算即可。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案97 围绕点C1以杆的横截面、径向纵截面和切向纵截面取出单元体，其各面上的应力如图g所示，而32/3dFlWM第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算16/23pdFaWTWT材材 料料 力力 学学

42、电电 子子 教教 案案98点C1处于平面应力状态，其三个主应力为0,421222231按第三强度理论作强度计算，相当应力为22313r4(a)按第四强度理论作强度计算，相当应力为222132322214r3)()()(21(b)第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算3r强度条件为4r或材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案99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：WMWTWT2p为便于工程应用，将上式代入式（a），（b）可得：WTMWTWM22223r24第八章第八章 组合变形及连接部分的计

43、算组合变形及连接部分的计算WTMWTWM22224r75. 023式中，M和T分别为危险截面上的弯矩和扭矩，W为圆截面的弯曲截面系数。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案100 需要注意的是，以上所述对于传动轴的强度计算是静力强度计算，只能用于传动轴的初步设计，此时 的值取得也比较低。事实上，传动轴由于转动，危险截面任何一点处的弯曲正应力是随轴的转动交替变化的。这种应力称为交变应力（alternating stress），工程设计中对于在交变应力下工作的构件另有计算准则。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案101

44、 例题例题 85 图a所示钢制实心圆轴其两个齿轮上作用有切向力和径向力，齿轮C 的节圆（齿轮上传递切向力的点构成的圆）直径dC=400 mm,齿轮D的节圆直径dD=200 mm。已知许用应力 =100 MPa。试按第四强度理论求轴的直径。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案1021. 作该传动轴的受力图（图b），并作弯矩图Mz图和My图（图c, d）及扭矩图T 图（图e）。解：解：第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案1032. 由于圆截面的任何形心轴均

45、为形心主惯性轴，且惯性矩相同，故可将同一截面上的弯矩Mz和My按矢量相加。mN1064)mN1000()mN364(2222zByBBMMM第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算例如，B截面上的弯矩MzB和MyB（图f）按矢量相加所得的总弯矩MB（图g）为：材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案104 由Mz图和My图可知，B截面上的总弯矩最大，并且由扭矩图可见B截面上的扭矩与CD段其它横截面上相同，TB-1000 Nm，于是判定横截面B为危险截面。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案105

46、3. 根据MB和TB按第四强度理论建立的强度条件为75. 0224rWTM第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算Pa10100)mN1000(75. 0)mN1064(622W即Pa1010032/mN137263d亦即mm9 .51m0519. 0)Pa10100(mN13723236d于是得材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案1068- -5 连接件的实用计算法连接件的实用计算法 图a所示螺栓连接主要有三种可能的破坏： . 螺栓被剪断（参见图b和图c）；. 螺栓和钢板因在接触面上受压而发生挤压破坏（螺栓被压扁，钢板在螺栓孔处被压皱）（图d）；. 钢板在螺栓

47、孔削弱的截面处全面发生塑性变形。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 实用计算法中便是针对这些可能的破坏作近似计算的。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案107(1) 剪切的实用计算剪切的实用计算 在实用计算中，认为连接件的剪切面（图b，c）上各点处切应力相等，即剪切面上的名义切应力为sSAF式中，FS为剪切面上的剪力， As为剪切面的面积。sSAF其中的许用应力则是通过同一材料的试件在类似变形情况下的试验（称为直接试验）测得的破坏剪力也按名义切应力算得极限切应力除以安全因数确定。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算强度条件材材 料

48、料 力力 学学 电电 子子 教教 案案108(2) 挤压的实用计算挤压的实用计算 在实用计算中，连接件与被连接件之间的挤压应力（bearing stress）是按某些假定进行计算的。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 对于螺栓连接和铆钉连接，挤压面是半个圆柱形面（图b），挤压面上挤压应力沿半圆周的变化如图c所示，而最大挤压应力bs的值大致等于把挤压力Fbs除以实际挤压面（接触面）在直径面上的投影。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案109第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算故取名义挤压应力为dFdbsbs式中，d 为挤压面高度，d

49、 为螺栓或铆钉的直径。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案110挤压强度条件为bsbs其中的许用挤压应力bs也是通过直接试验，由挤压破坏时的挤压力按名义挤压应力的公式算得的极限挤压应力除以安全因数确定的。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 应该注意，挤压应力是连接件与被连接件之间的相互作用，因而当两者的材料不同时，应校核许用挤压应力较低的连接件或被连接件。工程上为便于维修，常采用挤压强度较低的材料制作连接件。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案111(3) 拉伸的实用计算拉伸的实用计算 螺栓连接和铆钉连接中，被连接件由于钉孔的削弱，其拉伸强度应以

50、钉孔中心所在横截面为依据；在实用计算中并且不考虑钉孔引起的应力集中。被连接件的拉伸强度条件为NAF式中：FN为检验强度的钉孔中心处横截面上的轴力；A为同一横截面的净面积，图示情况下A=(b d )d 。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算FbsFNdbd材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案112 当连接中有多个铆钉或螺栓时，最大拉应力max可能出现在轴力最大即FN= FN,max所在的横截面上，也可能出现在净面积最小的横截面上。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案1138-6 铆钉和螺栓

51、连接的计算铆钉和螺栓连接的计算第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算螺栓连接示例螺栓连接示例材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案114 铆钉连接主要有三种方式：1.搭接（图a），铆钉受单剪；2.单盖板对接（图b），铆钉受单剪；3.双盖板对接（图c），铆钉受双剪。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案115 实际工程结构的铆钉连接都用一组铆钉来传力，在此情况下，由于铆钉和被连接件的弹性变形，所以铆钉组中位于两端的铆钉所传递的力要比中间的铆钉所传递的力大。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组

52、合变形及连接部分的计算 但为了简化计算，并考虑到铆钉和被连接件都将发生塑性变形，在实用计算中如果作用于连接上的力其作用线通过铆钉组中所有铆钉横截面的形心，而且各铆钉的材料和直径均相同，则认为每个铆钉传递相等的力。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案116 搭接和单盖板对接的铆钉连接中，铆钉会发生弯曲，被连接件会发生局部弯曲，在实用计算中对此不加考虑。 销钉连接和螺栓连接的分析计算方法与铆钉连接相同。至于在螺栓连接中使用高强度螺栓，将螺帽拧得很紧以利用螺栓的预紧力藉钢板之间的摩擦力来传递连接所受外力，则不属于这里讨论的范围。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算

53、材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案117. . 作用于连接上的力其作用线通过铆钉组形心作用于连接上的力其作用线通过铆钉组形心 此情况下每一铆钉所传递的力可认为相等，Fi= F / n。据此进行铆钉剪切强度和挤压强度的计算；对被连接件进行挤压强度计算，并按危险截面进行拉伸强度计算。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案118 例题例题 87 某钢桁架的一个节点如图a所示。斜杆A由两根63 mm6 mm的等边角钢组成，受轴向力F =140 kN作用。该斜杆用直径为d =16 mm螺栓连接在厚度为10 mm的结点板上，

54、螺栓按单行排列。已知角钢、结点板和螺栓材料均为Q235钢，许用应力为 =170 MPa, =130 MPa,bs=300 MPa。试选择所需的螺栓个数并校核角钢的拉伸强度。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案1191.按剪切强度条件选择螺栓个数解：解： 由于此连接中各螺栓的材料和直径相同，且斜杆上的轴向力其作用线通过该组螺栓的截面形心，故认为每个螺栓所传递的力相等，为F/n，此处 n 为螺栓个数。 此连接中的螺栓受双剪（图b），每个剪切面上的剪力为nFnFF22/S第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的

55、计算FF/2nF/2n(b)材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案120Pa10130)m1016()N10140(24/2/62332sSndnFAF68. 2n从而求得所需的螺栓个数：n =3取第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算螺栓的剪切强度条件为材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案1212. 校核挤压强度 由于结点板的厚度（10 mm）小于两根角钢肢厚度之和（26 mm）,所以应校核螺栓与结点板之间的挤压强度。每个螺栓所传递的力为 F/n ，亦即每个螺栓与结点板之间的挤压压力为nFFbsFF/2nF/2n(b)材材 料料 力力 学学 电电 子

56、子 教教 案案122第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算而挤压应力为MPa292Pa10292)m1016)(m1010(3/ )N10140(/6333bsbsbsdnFAFd其值小于许用挤压应力bs 300 MPa，满足挤压强度条件。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案123 斜杆上三个螺栓按单行排列（图b）。图c示出了该斜杆（含两角钢）的受力图和轴力FN图。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算3. 校核角钢的拉伸强度 该斜杆在图c中所示的m-m截面上轴力最大，而净截面面积又最小，故为危险截面。材材 料料 力力 学学 电电 子子

57、 教教 案案124FN,max=F=140 kN该截面上：由型钢规格表可查得每根 63 mm6 mm 等边角钢的横截面面积为7.29 cm2，故危险截面的净面积为A = 2(729 mm2 6 mm16 mm) = 1266 mm2从而得危险截面上的拉伸应力：MPa111Pa10111m1066.12N101406243max,NAF其值小于许用拉应力 = 170 MPa，满足拉伸强度条件。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案125 例题例题 88 由两根钢轨铆接成的组合梁，其连接情况如图a，b 所示。在所研究它的梁段内，

58、剪力FS=50 kN为常值。试校核铆钉的剪切强度。计算中偏于安全地不考虑上、下两钢轨间的摩擦。已知：（a）每根钢轨横截面的几何性质为: 面积 A8000 mm2，形心距轨底的高度c=80 mm，对于自身形心轴 z1的惯性矩Iz1=1600104 mm4；（b）铆钉的直径d =20 mm，纵向间距s = 150 mm，许用切应力 95 MPa。第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案126 这两个合力之差 FT1 FT 就是横向两个铆钉所共同承受的剪力 ，它等于每个铆钉承受的剪力 的两倍， 。TFST2FF SF第八章第八章 组

59、合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算 解：解： 1. 图d示出了横向两个为一组的铆钉共同承受剪力的范围内，亦即铆钉的纵向间距s 范围内，上面钢轨其两侧横截面上的弯曲正应力和它们组成的合力FT和FT1 。材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案127 2. 按题文中所用符号，在以下分析中也以A表示一根钢轨的横截面面积，即组合梁半个横截面的面积。FT 和FT1的算式为*max,TdddzzAzAzASIMAyIMAIMyAF*max,SSS1T)(d)(d)(dzzAzAzASIsFMAyIsFMAIysFMAF式中， 为一根钢轨（组合梁的半个横截面）对于组合梁中性轴z 的静矩。

60、*max, zS第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案128从而有*max,ST1TTzzSIsFFFF每个铆钉承受的剪力为zzISsFFF22*max,STS 3. 为计算 的值，先计算 和 Iz 的值。SF*max, zS36342*max,m10640mm1064mm80mm8000cASz)mm80(mm8000(mm101600 2)(2224421cAIIzz4448m10344. 1mm10344. 1第八章第八章 组合变形及连接部分的计算组合变形及连接部分的计算材材 料料 力力 学学 电电 子子 教教 案案1