《受扭构件截面》课件

受扭构件截面探讨受扭构件的截面特性和设计方法,帮助您更好地分析和设计这类结构。本课件将深入介绍受扭构件的应力分布、承载能力和各种设计考虑因素。课程目标深入理解扭转运动的基本原理通过本课程,学习如何准确分析和描述构件在扭转作用下的应力状态和变形特征。掌握各类截面扭转分析方法从基本的圆截面和矩形截面,到复杂的薄壁开口和闭合截面,全面学习不同截面形状下的扭转分析。应用扭转理论进行结构设计学会根据扭转理论计算构件的抗扭强度和抗扭刚度,并将其应用于实际工程设计中。掌握扭转问题的分析方法包括数值分析和试验研究两种方法,为解决复杂的扭转问题提供技术支持。扭转运动简介扭转运动是一种重要的运动形式,其中一个物体或结构件绕自身的纵轴旋转。扭转运动经常发生在建筑结构、机械装置和工程构件中,需要仔细分析和设计。扭转运动的主要特点包括产生扭矩、扭角与扭矩成线性关系、应力分布不均匀等。准确预测和控制扭转运动对工程结构的安全性至关重要。扭矩与扭角关系扭矩与扭角之间存在直接的线性关系。扭矩越大,结构件的扭角就越大;扭矩越小,结构件的扭角就越小。这个关系可以用一个简单的公式来表示:T=GJθ/L,其中T为扭矩,θ为扭角,G为剪切模量,J为截面极惯性矩,L为构件长度。扭矩T扭角θ大大小小圆截面扭转1应力分布截面上应力呈线性分布2最大应力最大剪应力发生在截面边缘3抗扭强度截面抗扭强度与截面直径的三次方成正比圆截面在受扭时表现出良好的应力分布特性。截面上的剪应力呈线性分布，最大应力发生在截面边缘。这种应力分布有利于材料的充分利用，使圆截面的抗扭强度与截面直径的三次方成正比。矩形截面扭转应变分布在矩形截面中，最大剪应变出现在截面角部，而中心部分的剪应变较小。截面属性矩形截面的扭转刚度取决于断面尺寸，长宽比越大，刚度越小。应力分布截面上的切应力分布是非均匀的，四个角部的切应力最大。单开口薄壁截面扭转1应力分布单开口薄壁截面受扭时,截面上的应力分布呈非线性走势。开口处的应力最大,而闭合端的应力较小。2剪应力集中由于截面形状的不对称性,单开口薄壁构件在受扭时会产生剪应力集中,这需要在设计时予以考虑。3变形特点单开口薄壁截面受扭时,会产生扭曲变形和翘曲变形。开口端的翘曲变形较大,需要在设计时予以控制。双开口薄壁截面扭转1开口面积开口面积越大，截面抗扭能力越弱2应力分布应力集中在开口处3受扭变形开口截面容易发生翼板变形双开口薄壁构件在受扭转作用时，开口面积大、应力集中于开口处，容易发生翼板变形。因此需要重点关注构件的开口度对承载能力的影响。此类构件一般采用开口截面的扭转理论进行分析和设计。单闭合薄壁截面扭转1扭转作用力作用于闭合薄壁截面的扭矩会产生剪应力分布。2剪应力分析通过分析截面上的剪应力分布,可确定构件的抗扭能力。3应力-应变关系扭转时,截面上的应力与应变呈线性比例关系。4强度计算基于最大切应力理论,可计算构件的抗扭强度。对于单闭合薄壁截面,由于截面积呈封闭状,因此在扭转作用下会产生均匀分布的剪应力。通过分析截面上的剪应力分布特征,可确定该类构件的抗扭强度和刚度性能。双闭合薄壁截面扭转计算原理双闭合薄壁截面的受扭特性与单闭合薄壁截面相似,使用相同的计算公式,但需要考虑两个闭合腔体共同承担的扭矩。应力分布在两个闭合腔体的薄壁上,扭矩会产生切应力,需要检查薄壁板的极限承载能力。应变控制由于存在两个独立的腔体,需要分别控制每个腔体的扭转应变,确保整体稳定。薄壁开口截面特性开口特点薄壁开口截面会呈现翼缘和腹板的结构特点，转角处的应力集中是需要特别注意的问题。抗扭刚度开口截面的抗扭刚度会明显低于闭合截面，这一特点需要在设计中加以考虑。失稳行为薄壁开口截面容易发生局部失稳和整体失稳，这需要通过加强措施来提高其稳定性。薄壁闭合截面特性1扭矩分布均匀对于薄壁闭合截面，扭矩沿周边分布均匀，不会出现应力集中的情况。2抗扭刚度高薄壁闭合截面具有较高的抗扭刚度，可以承受较大的扭转变形。3应力分布友好薄壁闭合截面的应力分布较为均匀，不会出现严重的应力集中现象。4适用于构件受扭薄壁闭合截面常用于设计受扭构件，如管道、箱形梁等。受扭构件抗扭强度计算抗扭强度计算是确保受扭构件能够承受设计扭矩的关键。它主要包括计算构件截面承受的最大扭应力并与材料允许扭应力进行对比。不同形状的截面,如圆形、矩形、薄壁开口和闭合等,其抗扭强度计算公式均有所不同。工程师需要根据具体构件的截面形状,选用相应的计算公式,确保构件可靠性。受扭构件抗扭刚度计算4刚度系数表示截面的扭转刚度25K弹性模量材料的基本特性之一2.5J扭矩引起构件扭转的力矩0.05rad扭角构件在扭矩作用下发生的角度变形计算受扭构件的抗扭刚度需要考虑材料的弹性模量和构件的截面特性。扭转刚度系数可以表示为扭矩与扭角的比值,反映了构件抵抗扭转变形的能力。具体计算公式根据不同截面形状而有所不同。扭转与弯曲组合作用应力叠加当构件受到扭转和弯曲作用时,各截面上会产生叠加的应力,需要进行综合考虑。承载能力降低扭转与弯曲的组合作用会导致构件的承载能力相比单一作用时有所降低。刚度变化扭转和弯曲的协同作用会改变构件的整体刚度特性,需要进行综合分析。破坏模式变化组合作用下,构件的破坏模式可能发生变化,需要重点关注。扭转与轴压组合作用荷载组合当构件同时受到扭转力矩和轴向压力时,需要考虑两种作用的组合效应。这种荷载组合常见于建筑和机械结构中。应力分析组合作用下,构件截面上产生的应力包括扭转剪应力和轴向压应力。两种应力的协同作用会显著影响构件的强度和稳定性。变形特征扭转和轴压的组合会导致构件产生弯曲变形和扭转变形。需要考虑这种组合变形对构件使用性能的影响。扭转与剪力组合作用1剪应力分布在受到扭矩和剪力共同作用时，截面上的剪应力分布会发生改变。在薄壁截面中尤为明显。2承载能力计算组合作用下构件的承载能力需要同时考虑剪切和扭转的影响，采用相应的组合公式进行计算。3变形确定扭转与剪力的组合作用会导致更加复杂的变形模式,需要采用叠加原理进行分析。扭转的特殊情况在工程实践中,可能出现一些特殊的扭转情况,如细长薄壁构件、单侧受力、扭转与其他作用力组合等。这些情况下,构件的应力分布和变形状态具有特殊性,需要进行深入的理论分析和试验研究,以确保构件的安全性和可靠性。例如,细长薄壁构件在受扭时可能出现大挠度和局部屈曲,需要考虑构件的整体稳定性;单侧受力会引起截面内应力不均匀分布,需要评估局部应力集中的影响;扭转与弯曲、轴压或剪力的组合作用会造成复杂的应力状态,需要采用叠加或组合作用的理论进行分析。扭转设计原则保证足够强度设计时应确保构件在承受扭矩作用下不会发生破坏或失效。控制最大变形限制扭转角度变形,避免对结构及使用功能的不利影响。优化截面尺寸选择合理的截面尺寸,兼顾承载能力和经济性。减小应力集中合理布置开口和焊接构造,减少应力集中,提高抗扭能力。实例1：圆截面受扭1应力分布在圆截面上存在线性应力分布2扭矩强度强度与截面极惯性矩有关3扭角变形与截面扭转刚度成反比对于圆截面受扭构件，应力分布为线性分布，截面极惯性矩越大，其抗扭强度就越高。同时，其扭转角变形与截面扭转刚度成反比，刚度越高变形就越小。这些特点在结构设计中需要充分考虑。实例2：矩形截面受扭1应力分布矩形截面受扭时,截面上的应力呈线性分布,边角位置的切应力最大。2抗扭强度矩形截面的抗扭强度与截面的长宽比有关,长宽比越大,抗扭强度越高。3抗扭刚度矩形截面的扭转刚度受截面惯性矩的影响,长宽比越大,扭转刚度越高。实例3：单开口截面受扭1应力分布单开口薄壁截面在受扭作用下，截面上的应力分布呈非均匀状态，边缘部位的切应力最大。2变形特征截面会发生扭曲变形，开口边缘位移最大。这种变形可能导致结构稳定性降低。3抗扭强度与实心截面相比，单开口薄壁截面的抗扭强度相对较低，需要特别注意。单闭合截面受扭1应力分析单闭合截面在受扭时会产生复杂的应力分布2剪应力分析沿截面周长剪应力不均匀分布3变形分析截面会产生扭曲变形和弯曲变形4截面性能相比开口截面,具有更高的抗扭刚度单闭合薄壁截面受扭时,其应力和变形呈现复杂分布。沿周长的剪应力不均匀,且截面会产生扭曲和弯曲变形。但由于截面特性,它具有较高的抗扭刚度,在设计时更有优势。实例5：双开口截面受扭1双开口薄壁截面两个开口的壁厚较薄的截面形式2扭转受力分析对开口截面施加扭矩会导致复杂的应力和变形状态3抗扭性能计算需要考虑截面形状、尺寸、材料等因素进行分析本节将深入探讨双开口薄壁截面在受到扭矩作用时的力学行为。我们将分析截面形状对应力分布和变形的影响,并给出详细的抗扭性能计算公式和方法。这对于设计和分析这类构件的抗扭性能非常重要。实例6：双闭合截面受扭双闭合截面特征双闭合截面是由两个封闭的区域组成的横截面，如矩形中空截面。这种截面具有较高的抗扭刚度和抗扭强度。应力分布与中心轴在双闭合截面受扭时，应力分布沿截面周长呈线性变化。扭矩的作用轴通过截面重心。抗扭强度计算采用截面极矩计算方法，可以准确预测双闭合截面的抗扭强度。这种方法考虑了截面形状的影响。设计建议为了提高抗扭性能,可以采用双闭合薄壁截面,并优化截面形状及尺寸。扭转的极限状态12M弹性极限扭矩构件达到弹性极限后的抗扭承载能力15M塑性极限扭矩构件完全进入塑性工作状态的极限承载能力4°扭断角构件在承载能力耗竭时的最大扭转角扭转的极限状态包括弹性极限、塑性极限和扭断三个阶段。构件在承载能力耗竭时会出现大扭转角、局部损坏等失效情况。结构设计时需要合理控制构件在极限状态下的承载能力和变形。扭转问题的数值分析扭转问题的数值分析利用有限元方法可以更好地模拟实际构件的复杂几何形状和复杂应力状态。通过建立三维有限元模型,可以精确计算各截面的应力分布和变形,为构件的抗扭设计提供可靠依据。计算精度计算效率数值分析方法可以全面考虑各种因素,为抗扭设计提供可靠依据。但同时也需要注意建模精度和计算效率之间的平衡。扭转问题的试验研究研究主要目的通过实验获取构件在受扭作用下的应力-应变关系和形变特征,验证理论分析模型。研究内容包括不同截面类型的单元构件试验和整体构件试验。测试观察构件的抗扭强度、刚度、破坏模式等。试验方法采用静力加载方式,使用扭转试验机施加逐步增加的扭矩,测量构件的扭角变形。试验结果为修订理论计算公式提供依据,为工程设计提供参考数据。本章小结扭转理论总结本章详细阐述了各种截面构件在受扭作用下的应力分析、强度与刚度计算方法。从基本的圆截面到复杂的薄壁开口和闭合截面,综合介绍了扭转问题的理论分析。工程实践应用在分析理论的基础上,结合常见的工程实例,说明了受扭构件的设计计算方法,为实际工程设计提供了指导。试验研究方法最后