1、第三章机械构件的强度与刚度第三章机械构件的强度与刚度第一节准 备 知 识第二节构件轴向拉伸时的强度计算第三节构件剪切与挤压时的强度计算第四节圆轴扭转时的强度计算与刚度计算第五节构件弯曲变形时的强度计算与刚度计算第六节构件弯曲组合变形时的强度计算第七节构件的疲劳强度第一节准 备 知 识一、内力、截面法1.内力 构件在未受外力作用时，存在着维系其质点间一定的相对位置，使构件保持一定形状的内力内力。这种内力源于构成物质的原子间结合力，不在工程力学研究范围之内。当构件受到外力作用时，构件内部相邻质点间的相对位置要发生变化，因此构件在原有内力的基础上，产生“附加内力”，它力图使各质点恢复其原来的位置。工
2、程力学中所研究的内力即此“附加内力附加内力”。图3-1截面法2.截面法 通过截面，使构件内力显示出来，以便计算其数值的方法，称为截面法。如图3-1a所示的杆，在外力Fp作用下处于平衡状态，力Fp的作用线与杆的轴线重合，要求mn截面处的内力，可用假想平面在该处将杆截开，分成左右两段(图3-1b)。右段对左段的作用用合力FN表示，左段对右段的作用，用合力FN表示，FN和FN就是该截面两边质点相互作用内力的合力。根据作用力与反作用力定律，它们大小相等，方向相反。因此，在计算内力时，只需截取截面两侧的任一段来研究即可。二、杆件的基本变形 机器或结构物中所采用的构件形状是多种多样的，工程力学研究的对象是
3、杆件，即其纵向(长度方向)的尺寸比横向尺寸要大得多的构件。当外力以不同的方式作用于构件时，将使它产生不同形式的变形。具体变形形式虽各式各样，但基本变形形式却只有四种，即拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲。以后各节先分别研究杆件四种基本变形的强度和刚度计算，然后再讨论由几种基本变形组合在一起的组合变形。第二节构件轴向拉伸时的强度计算一、轴向拉伸与压缩的概念 图3-2拉伸与压缩受力杆件工程实际中，承受拉伸与压缩的杆件是很常见的。例如，紧固螺栓(图3-2a)、起重机的吊索及其桁架中的杆(图3-2c)是承受拉伸的杆件；油压千斤顶的活塞杆、如图3-2c所示的支撑杆2是承受压缩的杆件。这些杆件结构各异，加载方式
4、不同，但它们的共同特点是，作用于杆件上外力的作用线都与杆件轴线重合，杆件的变形是沿轴线方向伸长或缩短。图3-2拉伸与压缩受力杆件二、轴向拉伸与压缩时横截面上的内力和应力1.轴力 为了对拉压杆进行强度计算，首先分析内力。设拉杆在外力Fp作用下处于平衡状态(图3-3a)。为了显示拉杆横截面上的内力，运用截面法，将杆沿任一截面mm假想分为两段(图3-3b)。因拉杆的外力均与杆轴线重合，由内、外力平衡条件可知，其任一截面上内力的作用线也必与杆的轴线重合，即垂直于杆的横截面，并通过截面形心。这种内力称为轴力，常用符号FN表示。图3-3截面法轴力FN的大小由左段(或右段)的平衡方程2.横截面上的应力 仅知
5、道拉(压)杆的轴力还无法判断构件的强度。因为力FN虽大，拉(压)杆如果很粗，则不一定会被破坏；反之若FN虽不大，但拉(压)杆很细，却有被破坏的可能。因此，杆件是否破坏，不取决于横截面上内力的大小，而取决于单位面积上内力的大小。单位面积上的内力称为应力，其单位为N/m2，称为帕斯卡，符号为Pa。之间所有纵向纤维的伸长变形是相同的。因此，可以推想它们的受力是相同的，所以在横截面上各点的内力也相同。若以A表示横截面的面积，以表示横截面上的应力，则应力的大小为三、材料在拉伸与压缩时的力学性能图3-4拉伸试件 分析构件的强度时，除计算构件在外力作用下表现出来的应力外，还应了解材料的力学性能。所谓材料的力
6、学性能，图3-4拉伸试件是指材料在外力作用下表现出来的变形和破坏方面的特性，需由实验来确定。在室温下，以缓慢平稳的方式加载进行实验，称为室温拉伸试验，它是测定材料力学性能的基本实验。为了便于比较不同材料的试验结果，试件应按国家标准(GB/T2281987)加工成标准试件(图3-4)。三、材料在拉伸与压缩时的力学性能图3-5低碳钢拉伸试验曲线(-曲线)(一)低碳钢在拉伸时的力学性能 低碳钢是指碳的质量分数在0.3%以下的碳素钢，它在抗拉试验中表现出来的力学性能最典型。1.弹性阶段如图3-5所示的Ob段为弹性阶段。Oa段为直线段，它表明应力与应变成正比，即 Oa段的最高点a所对应的应力p称为比例极
7、限。显然，只有应力低于比例极限时，应力才与应变成正比，材料才服从胡克定律。由a点到b点，应力和应变不再是直线关系，但由于低碳钢a、b两点非常接近，一般可不作严格区分。在Ob段内，若拉力解除，变形可全部消失，这种变形称为弹性变形。若以=FN/A，=l/l代入式(3-1)，可得胡克定律的另一种表达形式2.屈服阶段 如图3-5所示的bc段为屈服阶段。过b点材料出现塑性变形，-曲线上出现一段沿坐标方向上、下微微波动的锯齿形线段，这说明应力变化不大，而变形却迅速增长，材料好像失去了对变形的抵抗能力，这种现象称为材料的屈服材料的屈服。3.强化阶段 图3-5所示ce段为强化阶段。屈服阶段过后，要增加变形就必
8、须增加拉力，材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的强化。强化阶段中的最高点e所对应的应力b是材料承受的最高应力，称为抗拉强度。它是衡量材料强度的另一重要指标。三、材料在拉伸与压缩时的力学性能图3-6缩颈现象4.局部变形阶段 图3-6缩颈现象到达抗拉强度后，试件在某一局部范围内横向尺寸突然缩小，形成缩颈现象(图3-6)。缩颈部分的急剧变形引起试件迅速伸长；缩颈部位截面面积快速减小，试件承受的拉力明显下降，到f点试件被拉断。5.断后伸长率和断面收缩率材料的塑性可用试件断裂后遗留下来的塑性变形来表示。一般有下面两种表示方法：(1)断后伸长率式中l试件标距长度；l1试件拉断后的标距长度。(2)
9、断面收缩率式中A试验前试件的横截面面积；A1试件断口处最小横截面面积。、大，说明材料断裂时产生的塑性变形大，塑性好。工程上通常将5%的材料称为塑性材料，如钢、铜、铝等；5%的材料称为脆性材料，如铸铁、玻璃、陶瓷等。三、材料在拉伸与压缩时的力学性能图3-7其他材料拉伸试验曲线(-曲线)1.屈服强度 图3-7a所示为几种塑性材料拉伸时的-曲线，这些塑性材料没有明显屈服阶段，工程上常采用条件屈服强度0.2作为其强度指标。0.2是产生0.2%塑性应变的应力值(图3-7b)。2.铸铁拉伸时的力学性能 铸铁是工程上广泛应用的脆性材料，它在拉伸时的-曲线是一段微弯的曲线(图3-7c)，它表明应力与应变的关系
10、不符合胡克定律，但在应力较小时，-曲线很接近于直线，故可近似地认为服从胡克定律。由图还可以看出，铸铁在较小的应力下就被突然地拉断，没有屈服和缩颈现象，拉断前变形很小，断后伸长率通常只有0.5%0.6%。铸铁没有屈服现象，拉断时的抗拉强度b是衡量强度的惟一指标。一般说，脆性材料的抗拉强度都比较低。三、材料在拉伸与压缩时的力学性能图3-8低碳钢压缩时的-曲线 低碳钢压缩时的-曲线(图3-8)与其拉伸的-曲线(图3-8虚线所示)相比，在屈服阶段以前，两曲线基本重合。这说明压缩时的比例极限p、弹性模量E以及屈服强度与拉伸时基本相同。屈服阶段以后，试件越压越扁，曲线不断上升，无法测出强度极限。因此，对于
11、低碳钢一般不做压缩实验。三、材料在拉伸与压缩时的力学性能图3-9铸铁压缩时的-曲线 铸铁压缩时的-曲线如图3-9所示。试件在较小的变形下突然破坏，破坏断面的法线与轴线的夹角大致成4555。比较图3-7c与图3-9可知，铸铁的抗压强度比抗拉强度要高出45倍。其他脆性材料也具有这样的性质。四、构件拉伸与压缩时的强度计算(一)许用应力 由前文所述已经知道，机器或工程结构中的每一构件，都必须保证安全可靠的工作，如果构件发生了过大的塑性变形或断裂，则将失去它正常工作的能力，这些现象可统称为失效失效。材料失效时的应力称为极限应力极限应力。对于塑性材料，在材料屈服时就要发生过大的塑性变形而失效，所以屈服强度
12、是它的极限应力；对于脆性材料，它在变形很小时就发生断裂而失效，所以抗拉强度是它的极限应。塑性材料在拉伸、压缩时的屈服强度相同，故拉、压许用应力同为式中s塑性材料的屈服强度，单位为MPa；S安全因数。(二)强度条件 为了保证拉、压构件具有足够的强度，必须使其最大工作应力max小于或等于材料在拉伸(压缩)时的许用应力，即 (3-3)称为拉(压)构件的强度条件，是拉(压)构件强度计算的依据。产生max的截面称为危险截面，式中FN和A分别为危险截面的轴力和横截面面积。根据强度条件，可以解决三个方面的问题：1)强度校核。若已知构件所承担的载荷、构件的尺寸及材料的许用应力，可按式(3-3)检查构件是否满足
13、强度要求。若式(3-3)成立，说明构件强度足够，否则强度不够。2)设计截面。若已知构件所承担的载荷及材料的许用应力，可将式(3-3)改写成AFN/，由此确定构件所需要的横截面面积，然后根据所需截面形状设计截面尺寸。3)确定许可载荷。若已知构件的尺寸和材料的许用应力，可将式(3-3)改写成FNA，由此确定构件所能承受的最大轴力，再根据内外力的静力关系，确定结构所能承受的许可载荷。四、构件拉伸与压缩时的强度计算图3-10例3-1图例3-1一台总重Fp=1.2kN的电动机，采用M8吊环螺钉(外径为8mm，螺纹根部直径为6.4mm)，如图3-10所示。其材料为Q215钢，许用应力=40MPa。试校核吊
14、环螺杆的强度。解吊环螺杆部分的轴力FN=Fp=1.2103N，螺杆横截面上的应力是四、构件拉伸与压缩时的强度计算图3-11例3-2图例3-2三角架由AB与BC两杆铰链连接而成(图3-11a)，两杆的截面均为圆形，材料为钢，许用应力=58MPa。设作用于节点B的载荷Fp=20kN，试确定两杆的直四、构件拉伸与压缩时的强度计算图3-12例3-3图例3-3刚性板AB由杆AC和BD吊起(图3-12a)，已知AC杆的横截面面积A1=10cm2，=160MPa，BD杆的横截面面积A2=20cm2，=60MPa，试确定该结构的许可载荷Fp。第三节构件剪切与挤压时的强度计算一、剪切与挤压的概念及受力分析二、剪
15、切与挤压的实用计算一、剪切与挤压的概念及受力分析图3-13铰制孔用螺栓的挤压与剪切受载 用铰制孔用螺栓联接钢板如图3-13a所示，在外力Fp的作用下，螺栓将沿截面mm发生相对错动。如外力Fp不断增大，将使螺栓沿mm处剪断(图3-13b)。产生相对错动的截面(mm)称为剪切面。二、剪切与挤压的实用计算(一)剪切强度计算 以如图3-13a所示螺栓为例，运用截面法假想地将螺栓沿剪切面mm切开，任取一段为研究对象(图3-13c)，由平衡条件可知，剪切面上必作用有与Fp平行且大小相等、方向相反的切向内力，此内力称为剪力，常用符号FQ表示。剪力FQ在剪切面mm上的分布是比较复杂的，在工程计算中，常用简化的
16、计算方法，称为实用计算法。这种方法认为，剪力FQ是均匀地分布在剪切面A上的，其应力(单位面积上的内力)用字母“”表示，“”称为切应力，单位是Pa。为了保证剪切变形构件安全可靠的工作，剪切强度条件为(二)挤压强度计算 如图3-13d所示，从理论上讲，挤压面上挤压力的分布是不均匀的，最大值在中间。为了简化计算，假定挤压力是均匀分布在挤压面上的。图3-14键的挤压受载设挤压力为Fpjy，挤压面面积为Ajy，以jy表示挤压应力(挤压面上单位面积受力)，则挤压强度条件为二、剪切与挤压的实用计算图3-14键的挤压受载(三)挤压面面积的计算 若挤压面为平面，则挤压面面积为接触面面积。例如，键联接(图3-14
17、)，Ajy=hl/2。若接触面为半圆柱面，例如，铆钉、螺栓、销等圆柱形联接件，其挤压面面积为半圆柱面的正投影面(图3-13e)，Ajy=dt，d为直径，t为螺钉与孔的接触长度。二、剪切与挤压的实用计算例3-4某车床电动机轴与带轮用平键联接(图3-15a)，已知轴的直径d=35mm，键的尺寸bhl=10mm8mm60mm(图3-15b)，传递的转矩T=42N m。键的材料为45钢，许用切应力=60MPa，许用挤压应力jy=100MPa，带轮材料为铸铁，许用挤压应力jy=53MPa。试校核键联接的强度。图3-15键的剪切受载二、剪切与挤压的实用计算图3-16铰制孔用螺栓的受载例3-5两块钢板用螺栓
18、联接(图3-16a)，每块钢板厚度t=10mm，螺栓直径d=16mm，许用切应力=60MPa，钢板与螺栓的许用挤压应力jy=180MPa，求螺栓所能承受的许可载荷F第四节圆轴扭转时的强度计算与刚度计算一、扭转的概念二、扭转时横截面上的内力扭矩、扭矩图三、圆轴横截面上的切应力四、圆轴扭转时的变形五、圆轴扭转时的强度计算与刚度计算一、扭转的概念图3-17构件受扭转的实例 在工程实际中，有很多构件是承受扭转作用而传递动力的。例如，钻床钻孔用的钻头(图3-17a)、汽车转向盘(图3-17b)，以及传动轴AB(图3-17c)等。由这些实例可知，欲使构件产生扭转，在构件的两端所受的力应构成力偶，这对力偶的
19、大小相等、转向相反，并在垂直于构件轴线的平面内。构件扭转变形时，构件任意两横截面皆绕轴线产生相对转动，这种相对转动形成的角位移称为扭转角，并以符号表示(图3-17d)。二、扭转时横截面上的内力扭矩、扭矩图图3-18扭矩图(一)外力偶矩的计算 计算轴的内力，必须已知作用于轴上的外力偶矩。但工程实际中往往不能直接知道外力偶矩的大小，而是知道轴传递的功率P和轴的转速n，这时外力偶矩可按下列公式计算式中Me外力偶矩，单位为Nm；P轴传递的功率，单位为kW；n轴的转速，单位为r/min。(二)扭矩 如图3-18a所示，圆轴在一对大小相等、转向相反的外力偶矩Me的作用下产生扭转变形，此时横截面上就产生了抵
20、抗变形和破坏的内力。用截面法可以把它显示出来，即用假想截面nn将轴截开，取左段为研究对象(图3-18b)。从平衡关系不难看出，扭转时横截面上内力合成的结果必定是一个力偶，这个内力偶矩称为扭矩，用T表示。由静力平衡条件可求出截面上的扭矩二、扭转时横截面上的内力扭矩、扭矩图图3-19扭矩正负号确定 如取右段为研究对象(图3-18c)，同样也可求得T。由于截面两边的力偶互为作用和反作用关系，因此，取截面左段或右段为研究对象所求的扭矩，在数值上是相等的，而转向是相反的。为了使从左段和右段所求得的扭矩在符号上一致，规定采用右手螺旋法则来判定扭矩的正负号。如图3-19所示，如果以右手四指表示扭矩的转向，则
21、拇指的指向离开截面时扭矩为正，反之为负。(三)扭矩图 为了形象地表示各截面扭矩的大小和正负，以便分析危险截面，常需画出扭矩随截面位置变化的函数图像，这种图像称为扭矩图。其画法与轴力图类同，取平行于轴线的横坐标x表示各截面位置，垂直于轴线的纵坐标T表示相应截面上的扭矩，正扭矩画在x轴的上方，负扭矩画在x轴的下方(图3-18d)。二、扭转时横截面上的内力扭矩、扭矩图图3-20传动轴的扭矩例3-6传动轴(图3-20a)的转速n=200r/min，功率由A轮输入，B、C两轮输出。已知PA=40kW，PB=25kW，PC=15kW。要求：画出传动轴的扭矩图；确定最大扭矩Tmax的值；若将A轮与B轮的位置
22、对调(图3-20b)，试分析扭矩图是否有变化?如何变化?最大扭矩Tmax值为多少?两种不同的载荷分布形式哪一种较为合理?三、圆轴横截面上的切应力图3-21圆轴的扭转变形(一)圆轴扭转时横截面上应力分布规律 为了研究应力，先来观察扭转实验的现象。取如图3-21a所示的圆轴，在其表面上画出圆周线和纵向线，形成矩形网格。在扭转小变形的情况下(图3-21b)，可以观察到：1)各纵向线条倾斜了同一角度R，表面上的矩形网格变成了菱形(图3-21b)。2)各圆周线均绕轴线转过一个角度，而圆周线的形状、大小以及圆周线间的距离均未改变(图3-21b)。三、圆轴横截面上的切应力图3-22圆轴扭转的切应力 切应力在
23、横截面上究竟是怎样分布的呢?如图3-22所示，圆轴在扭转时转过了角，截面上的C点和K点分别转到了C点和K点，由图3-22可得：CC=max，=l，KK=l，所以 式中，为圆轴扭转时单位长度内的角变形，称为切应变，即相对角位移。max和分别为C点和K点的半径。三、圆轴横截面上的切应力图3-23实心圆轴受扭时切应力的分布 式(3-8)称为剪切胡克定律，式中G称为切变模量，其单位为Pa，常用单位为GPa。将max=G和=G代入式(a)，得 式(b)说明了圆轴扭转时截面上切应力的分布规律：截面上各点切应力的大小与该点到圆心的距离成正比，轴圆周边缘的切应力最大，圆心处的切应力为零，如图3-23、图3-2
24、4所示。图3-24空心圆轴受扭时切应力的分布(二)扭转切应力的计算1.应力公式 当圆轴某横截面上的扭矩为T、截面半径为R时，截面上距中心(轴心)为处的切应力的计算公式为 式中，Ip是截面的极惯性矩(截面二次极矩)，是只与截面形状和尺寸有关的几何量，其单位为m4或mm4。式中Wn称为圆轴的抗扭截面系数，也是与截面形状和尺寸有关的几何量，其单位为m3或mm3。式(3-11)为圆轴扭转时横截面的最大切应力计算公式，是式(3-9)的特殊形式。三、圆轴横截面上的切应力图3-25圆轴的截面2.圆轴截面的极惯性矩Ip和抗扭截面系数Wn 工程中承受扭转的圆轴常采用实心圆轴和空心圆轴两种形式，其横截面如图3-2
25、5所示。它们的极惯性矩Ip和抗扭截面系数Wn的计算公式分别为(1)实心圆轴式中D轴的直径，单位为m或mm。式中D外径；d孔径；=d/D。四、圆轴扭转时的变形 扭转变形以两个横截面的相对扭转角来度量。通过圆轴扭转试验发现，当最大扭转切应力max不超过材料的剪切比例极限p时，圆轴的扭转角(单位为rad)总是正比于扭矩T和轴的长度l，反比于截面的极惯性矩Ip及材料的切变模量G，即1)GIp越大，则越小，它反映了截面抗扭转变形的能力，称为抗扭刚度。2)扭转角的大小与轴长l有关。为了消除l影响，将式(3-16)两端除以l，得单位长度扭转角，并以符号表示，其单位为rad/m。但在工程中常用(/m)表示，故
26、用1rad=180/代入运算得五、圆轴扭转时的强度计算与刚度计算图3-26传动轴 为了保证扭转圆轴安全的工作，应限制轴上危险截面的最大工作切应力不超过材料的许用切应力，即例3-7传动轴如图3-26所示。已知齿轮1和3的输出功率分别为0.76kW和2.9kW，轴的转速为180r/min，材料为45钢，G=80GPa，=40MPa，=0.25/m，试确定该传动轴的直径d。五、圆轴扭转时的强度计算与刚度计算例3-8汽车传动轴AB(图3-27)由无缝钢管制成，管的外径D=90mm，内径d=85mm，传递的最大转矩为1500Nm，=60MPa。试校核轴的强度。若保持最大切应力不变，将传动轴改用实心轴，试
27、比较两者的重图3-27汽车传动轴第五节构件弯曲变形时的强度计算与刚度计算一、平面弯曲的概念二、梁的计算简图三、梁横截面上的内力剪力和弯矩四、弯矩图五、平面弯曲梁横截面上的正应力六、弯曲强度计算七、弯曲刚度简介一、平面弯曲的概念图3-28构件的弯曲 工程实际中经常会遇到像火车轮轴(图3-28a)、轧钢机轧辊(图3-28c)这样的构件，它们的受力特点和变形特点是：作用在杆件上的外力垂直于杆件轴线，使原为直线的轴线变形后成为曲线，这种形式的变形称为弯曲变形。以弯曲变形为主的杆件习惯上称为梁。一、平面弯曲的概念图3-29有对称轴的梁 工程中多数的梁其横截面皆有一对称轴，通过对称轴和梁的轴线可作一纵向对
28、称面(图3-29)。若梁上的所有载荷都作用在纵向对称面内，梁变形时轴线x也在纵向对称面内弯成一曲线，这种弯曲称为平面弯曲。本节只讨论平面弯曲问题。二、梁的计算简图图3-30铰链支座 梁的支座情况与载荷的作用形式是复杂多样的，为了便于分析计算，必须进行简化。简化时，首先将梁用其轴线表示(图3-28d、e、f)，然后对支座和载荷进行简化。(一)梁支座的简化按照支座对梁的约束情况，通常将支座简化为下列几种形式：1.铰链支座 若支座处梁的横截面可稍稍偏转(绕垂直于载荷作用面的轴偏转)，则在载荷作用面内该支座可简化为铰链支座。二、梁的计算简图图3-31固定端2.固定端 凡是使梁的某截面既不能转动又不能移
29、动的支座，均可简化为固定端。如(l/d)3的长轴承(图3-31a)、夹紧工件的三爪自定心卡盘(图3-31b)、车刀杆(图3-28b)均可简化为固定端。固定端的简化形式与约束力如图3-31c、d二、梁的计算简图图3-32集中力 作用在梁上的载荷，通常可简化为下列三种形式：1.集中力 当力的作用范围相对梁的长度很小时，可简化为作用于一点的集中力。譬如，齿轮的径向力Fr与轴承反力F(图3-32a)，均沿齿宽、轴承宽分布作用于轴上(图3-32b)。当它们的作用宽度相对于轴的长度较小时，可简化为作用于轮宽(轴承宽)中点的集中力(图3-32c)。二、梁的计算简图图3-33集中力偶2.集中力偶 图3-33集
30、中力偶当力偶作用的范围远远小于梁的长度时，可简化为集中作用于某一截面的集中力偶。例如，齿轮轴向力Fa(图3-33a)传到轴上而产生的力偶，分布在齿轮宽度CD上(图3-33b)，因CD较短，可简化为作用于CD中点截面上的集中力偶(图3-33c)，其力偶矩为MC=FaD/2。3.分布载荷 载荷连续分布在梁的全长或部分长度上的“分散力”，称为分布载荷。分布载荷的大小与分布情况，用单位长度上的力q表示(图3-28f)，称为载荷集度，其单位为N/m或kN/m。均质等截面梁的自重，是均匀分布的分布载荷。均匀分布的分布载荷简称为均布载荷。三、梁横截面上的内力剪力和弯矩图3-34梁截面上的内力 分析梁横截面上
31、的内力仍用截面法。设AB梁(图3-34a)跨度为l，在C点作用集中力Fp，取A点为坐标原点，坐标轴x、y，其方向如图3-34a所示。根据静力平衡方程，求出支座反力FA=Fpb/l和FB=Fpa/l。为了分析距原点为x的横截面nn上的内力，用截面法沿横截面nn将梁分为左、右两段(图3-34b、c)。由于整个梁是平衡的，它的任一部分也应处于平衡状态。若以左段为研究对象，由于外力FA有使左段上移和顺时针转动的作用，因此，在横截面nn上必有垂直向下的内力FQ和逆时针转动的内力偶矩M与之平衡，如图3-34b所示。由静力平衡方程即可求出FQ与M之值三、梁横截面上的内力剪力和弯矩图3-35梁受弯时弯矩的符号
32、 为了使同一截面两边的弯矩在正负符号上统一起来，按它的变形情况作如下规定：梁变形后，若凹面向上，截面上的弯矩为正；反之，若凹面向下，截面上的弯矩为负，如图3-35所示。四、弯矩图图3-36受集中力作用梁的弯矩图 在进行梁的强度计算时，为了确定危险截面(往往是最大弯矩值所在的位置)，需要求出梁各横截面上的弯矩沿轴线变化的规律。由式(b)可知，当表示截面位置的x改变时，弯矩将随之改变，因此弯矩是x的函数，其一般表达式为例3-9桥式起重机横梁长l，起吊量为Fp(图3-36a)，不计梁的自重，试画其弯矩图。例3-10齿轮轴受集中力偶作用(图3-37a)，已知MC、a、b、l，试画其弯矩图。四、弯矩图图
33、3-38受均布载荷梁的弯矩图例3-11简支梁自重为均布载荷，载荷集度为q，梁长l(图3-38a)，试画其弯矩图。四、弯矩图图3-38受均布载荷梁的弯矩图四、弯矩图图3-39受集中力和集中力偶作用简支梁的弯矩图例3-12试作简支梁(图3-39a)受集中力Fp和集中力偶M=Fpl作用时的弯矩图。五、平面弯曲梁横截面上的正应力图3-40梁弯曲时的中性层假设一)平面弯曲时梁横截面上的正应力的分布规律 图3-40梁弯曲时的中性层假设在一般情况下，梁横截面上既有弯矩又有剪力，这样的弯曲称为横力弯曲。如果梁横截面上只有弯矩而无剪力，则称为纯弯曲。试验发现，具有纵向对称平面的梁作平面纯弯曲时，表面上画出的各横
34、向线仍保持直线并处处与纵向线正交，但发生了相对转动。综上所述，平面弯曲时，梁横截面上的正应力分布规律是：横截面上各点的正应力与该点到中性轴z的距离y成正比(图3-41)，沿截面宽度方向(离中性轴距离相同的各点)正应力相同；沿截面高度方向正应力按直线规律变化，中性轴上各点(y=0处)正应力为零，离中性轴最远的点正应力最大，故有五、平面弯曲梁横截面上的正应力图3-41梁截面上的弯曲应力(二)弯曲正应力的计算1.应力公式 当梁横截面上的弯矩为M时(图3-41)，该截面距中性轴z距离为y的点的正应力计算公式为式中，Iz是横截面对z轴的惯性矩，是只与截面的形状、尺寸有关的几何量，其单位为m4或mm4。五
35、、平面弯曲梁横截面上的正应力表3-1常用截面的I、W计算公式2.梁横截面的惯性矩I和抗弯截面系数W常用截面的I、W计算公式见表3-1。六、弯曲强度计算图3-42集中力作用下简支梁的弯曲应力 梁的弯曲强度条件是：梁内危险截面上的最大弯曲正应力max不超过材料的许用应力，即例3-13简支梁如图3-42a所示，已知Fr=6kN，=60MPa，l=60cm，a=25cm，b=35cm，试设计实心轴的直径d。六、弯曲强度计算图3-43均布载荷作用下简支梁的弯曲应力图3-43均布载荷作用下简支梁的弯曲应力例3-14管磨机筒体如图3-43a所示，已知筒体支承间跨距l=14.5m，筒体承受均布载荷q=92.4
36、kN/m，筒体内径d=2.2m，壁厚=26mm，筒体材料为Q235钢板，许用应力为=3240MPa。七、弯曲刚度简介图3-45梁的挠曲变形 对于梁的设计来说，不但应有足够的强度，以保证安全，而且应有足够的刚度，以保证正常工作。例如，齿轮轴在工作时变形过大，要影响齿轮的啮合(图3-44);又如吊车梁若变形过大，在行驶时会发生激烈的振动，影响正常工作，甚至脱轨。七、弯曲刚度简介图3-45梁的挠曲变形工程中对受弯构件的最大挠度和最大转角有一定的限制，这种对变形大小的限制，称为刚度条件，即 式中y和分别是梁的许用挠度和许用转角，其值在各工程类设计里都有详细规定。如机械工程中，转轴的许用挠度一般规定为y
37、=(0.00010.0005)l，l为轴的跨度；许用转角一般规定为0.001rad。梁的许用挠度和许用转角可查有关手册。第六节构件弯曲组合变形时的强度计算例3-15如图3-47所示的带传动，已知带轮直径D=50cm，轴的直径d=9cm，跨度l=100cm，带的紧边拉力F1=8000N，松边拉力F2=4000N，轴的材料为35钢，其许用应力=60MPa，试用第三强度理论校核此轴的强度。解由前面分析，可以知道截面C为危险截面，该截面上的弯矩与扭矩值分别为第六节构件弯曲组合变形时的强度计算图3-46组合弯形实例 由弯矩图和扭矩图可知，跨度中点C处为危险截面。在水平力FC(F1+F2)作用下，轴在水平
38、面内弯曲，其最大弯曲正应力在轴直径的两端(如图3-48的C1、C2处)；在扭矩TA=TC作用下，AC段的切应力均相同，截面圆周边达最大值。，的大小由下式确定第六节构件弯曲组合变形时的强度计算图3-47带传动受力分析第六节构件弯曲组合变形时的强度计算图3-48弯扭复合应力状态 如图3-48所示，在危险点C1、C2处同时作用有最大弯曲正应力和最大扭转切应力，它们不是只有正应力的单向应力状态，而是处于既有正应力又有切应力的复杂应力状态。根据第三强度理论，其强度条件可用下式表示 对圆轴弯扭组合弯形的强度条件，经简化可表达为例3-15如图3-47所示的带传动，已知带轮直径D=50cm，轴的直径d=9cm
39、，跨度l=100cm，带的紧边拉力F1=8000N，松边拉力F2=4000N，轴的材料为35钢，其许用应力=60MPa，试用第三强度理论校核此轴的强度。图3-49斜齿轮轴受力分析a)示意图b)简图c)V面受力简图d)V面弯矩图()e)H面受力简图f)H面弯矩图()g)受扭简图第七节构件的疲劳强度一、交变应力及构件的疲劳破坏二、循环特征和持久极限一、概念自检题二、运算自检题一、交变应力及构件的疲劳破坏图3-51疲劳断裂断面外观 前述的强度计算是建立在静载荷的作用情况下。所谓静载荷是指由零缓慢地增加到某一值后保持不变(或变动很小)的载荷。在工程实践中，许多构件的应力往往是随时间作周期性变化的，这种
40、应力称为交变应力。作用在构件上的随时间作周期性改变的载荷称为动载荷。如图3-47、图3-49所示的转轴，虽然作用在它上面的载荷大小、方向均不变化，但由于轴本身的转动，轴内各点的应力是随时间变化的.一、交变应力及构件的疲劳破坏图3-51疲劳断裂断面外观3)断裂面有两个截然不同的区域：一个光滑区，另一个是粗糙区(图3-51),在光滑区内有时可以看到以微裂纹为起始点(称为裂纹源)逐渐扩展的弧形曲线。二、循环特征和持久极限图3-52对称循环(一)循环特征 图3-52对称循环在交变应力作用下，构件内任一点应力在最大应力和最小应力之间变化，如图3-52所示，矿车车轴任一点A转到1位置时应力最大，用max表
41、示；转到2位置时应力为零；转到3位置时应力最小，用min表示；转到4位置时应力为零；再转回到1位置时应力又达到最大。二、循环特征和持久极限图3-53脉动循环(二)持久极限 材料在静载荷作用下抵抗破坏的能力用屈服强度s或用材料在静载荷作用下抵抗破坏的能力用屈服强度s或用抗拉强度b表示。而材料对疲劳破坏的抵抗能力则用持久极限表示。在交变应力作用下，图3-54疲劳曲线材料经过无数次循环而不发生破坏的最大应力称为持久极限，用r表示，下标表示循环特征，如-1、0、+1分别表示对称循环、脉动循环和静应力作用下材料的持久二、循环特征和持久极限图3-54疲劳曲线 材料的持久极限是用专门的试验机测定的，图3-54所示是钢制小试件在弯曲对称循环下最大应力-1与循环次数N的关系曲线，习惯称之为疲劳曲线。从疲劳曲线中可以看出，当循环次数N超过107次以后，-1不再随循环次数增加而降低。
