高分悬赏:画受力简图,并计算薄弱处受到的应力

2024-12-23 10:24:30
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回答1:

根据上述现象可以得出如下的结论:

1.各横线代表的横截面在变形后仍为平面,仍垂直于杆轴,只是沿轴向作相对的移动。

2.各纵线代表的杆件的纵向纤维都伸长了相同的长度。

根据材料的均匀连续假设,当变形相同时,受力也相同,因而知道横截面的内力是均匀分布的,且方向垂直于横截面,由此可得出结论:轴向拉伸时,杆件横截面上处产生正应力,且大小相等,若用A表示横截面的面积,N表示该截面的轴力,则正应力的计算公式为:σ=N/A。

当杆轴受压缩时,公式同样适用,只是此时的轴力应为负数。另外,在应用公式时杆的截面积应相同,即应为等截面直杆,否则应分段考虑。

例12-1:如图12.1.2a所示一变截面直杆,横截面为圆形,d1=200mm,d2=150mm,承受轴向载荷F1=30kN,F2=100kN的作用,试求各段截面上的正应力。

         图12.1.2a       图12.1.2b

解:1)计算轴力:AB段的轴力:NAB=-F2+F1=-70kN(压)

        BC段的轴力:NBC=F1=30kN(拉)

        画出轴力图如图12.1.2b所示。

    2)求横截面面积      

AB段的横截面积:
BC段的横截面积:

    3)计算各段正应力

AB段的正应力:
BC段的正应力:

    负号表示AB上的应力为压应力。

二、材料的强度极限

前面讨论了杆件横截面的正应力,要判断它会不会破坏,还需要知道材料的承受能力,这就需要了解材料的力学性能,即在外力作用下材料所表现出来的物理性质,又叫材料的机械性能。

(一)低碳钢在轴向拉伸时的力学性能

低碳钢拉伸时的力学性能用实验的方法研究。实验时采用国家规定的标准试件,试件的几何尺寸如图12.1.3所示,试件中间工作部分的长度叫标距l。

图12.1.3

将试件夹在实验机 (图12.1.4)上,逐渐增加拉力后试件逐渐伸长,记录拉力P和伸长量 的数值,直到拉断为止。以拉力为纵坐标伸长量为横坐标,将两者的关系按一定的比例绘制成曲线,称为拉伸图,如图12.1.5所示。由于伸长量与标距及横截面的大小有关,使得相同的材料由于试件的尺寸不同得到的拉伸图也不同。为消除截面积和标距的影响,将纵坐标除截面积,用应力来表示,横坐标除以标距,用应变来表示。这样的曲线称应力应变图,如图12.1.6所示。一般实验机上都有自动的绘制装置,在实验过程中能自动绘出拉伸图。

图12.1.4 万能材料试验机

图12.1.5 拉伸图
图12.1.6 应力应变图

整个拉伸过程是连续的,为了研究的方便,将拉伸分为四个阶段,即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。

1.弹性阶段

图中OB段,在弹性阶段时应力和应变成正比,应力应变图为一段斜线,把弹性阶段的最高点对应的应力叫弹性极限。用σp来表示。

2.屈服阶段

图中BC段,当应力超过弹性极限时,应变增加很快,应力在很小的范围内波动,应力应变图中是一段接近水平的锯齿形。这种应力基本不变应变显著增加,好象材料对外力屈服一样的阶段称屈服阶段。其中应力的最小值称屈服极限。用σs来表示。

材料达到屈服极限时,由于发生了较大的塑性变形,导致零件失效(不能正常工作)。45钢的屈服级限约为360MPa。

3.强化阶段

图中CG段,屈服阶段以后,材料重新产生了抵抗变形的能力,图12.1.6中上凸的曲线表明若要试件继续变形,必须增加应力,这一阶段称强化阶段。曲线最高点G所对应的应力称为强度极限,以σb表示。45钢的强度级限约为610MPa。

4.颈缩阶段

  图GH段, 当应力到达强度极限之后,在试件薄弱处将发生急剧的局部收缩,出现“颈缩”现象。如图12.1.7所示。由于颈缩处截面面积减小,试件继续变形所需的拉力P也相应减少,用原始截面面积A算出的应力值也随之下降,曲线出现了GH段形状。至H点试件被拉断。
 
   图12.1.7 颈缩现象

 

上述低碳钢拉伸的四个阶段中,有三个有关强度性质的指标,即比例极限σp、屈服极限σs和强度极限σb,σp表示了材料的弹性范围;σs是衡量材料强度的一个重要指标,当应力达到σs时,杆件产生显著的塑性变形,使得无法正常使用;σb是衡量材料强度的另一个重要指标,当应力达到σb时,杆件出现颈缩并很快被拉断。

(二)塑性指标

试件断列裂后,变形中的弹性部分随着荷载的消失而消失了,塑性变形残留了下来,试件断裂后所遗留下来的塑性变形的大小,常用来衡量材料塑性性能。塑性性能的指标有两个,分别是伸长率δ和截面收缩率ψ。

1.伸长率δ

试件拉断后的标距长度l减去原来的标距长度l,除以原标距l的百分比,叫伸长率。

45钢的伸长率为16%。工程上按伸长率的大小将材料分为两类, %的材料称塑性材料,如低碳钢、铝、铜等; %的材料称脆性材料,如铸铁、玻璃、石料等。

2、断面收缩率ψ

试件断裂后断裂处的最小截面积用A1来表示,则断面收缩率

45钢的断面收缩率为40%。

(三)铸铁拉伸时的力学性能

  铸铁是典型的脆性材料,其拉伸时的应力应变图见图12.1.8所示,图中没有明显的直线部分, 从很低应力水平开始就是曲线,采用割线弹性模量。没有屈服、强化、局部变形阶段,断裂时的应力就是强度极限σb,强度极限σb是脆性材料的唯一的强度指标 。铸件的伸长率非常小,拉伸强度σb基本上就是试件拉断时横截面上的真实应力。
图12.1.8

(四)低碳钢压缩时力学性能

图12.1.9中的 实线为低碳钢压缩时的应力应变曲线,虚线为其拉伸时的应力应变图,比较两者可以发现,在屈服阶段以前两曲线完全重合,在屈服阶段以后,压缩时的应力曲线是个无限向上的曲线。说明低碳钢压缩时的弹性极限、屈服极限同拉伸时的相同,压缩时由于压力增加,试件越压越扁,因此没有强度极限。

  
   
    图12.1.9

(五)铸铁压缩时的力学性能

图12.1.10是铸铁压缩时应力应变曲线,与拉伸时相比较,形状相似,但压缩时的强度极限是拉伸时的4-5倍,伸长率也比拉伸时大,其他脆性材也有类似的性质,因此,脆性材料适用于受拉的构件。

铸铁被压断后,破坏面与轴线大致成45 -55 ,即在最大切应力所在的面上破坏,说明了铸铁的抗剪切强度低于抗拉压强度。

 

         图12.1.10

三、许用应力

任何材料都有其能够承受的最大的应力,我们称为极限应力σlim,对于塑性材料,当应力达到屈服极限时,就发生显著的塑性变形,导致零件的失效,因此应取屈服极限为极限应力;对于脆性材料,达到强度极限时引起断裂,因此取强度极限为极限应力。即:

塑性材料:
脆性材料:
在实际工作中,有许多不利的因素无法估计,如其外力的作用、突然的振动冲击等,设计零件时只满足应力不超过极限应力不行的,往往需要留一定的安全储备,规定一个许用应力[σ],要求工作应力不仅小于材料的极限应力,而且要小于许用应力。不同工作场合,要求的安全储备大小是不一样的,重要的场合安全储备必须大一点,安全储备的大小用安全系数n来衡量,三者的关系如下:

安全系数S为大于1的数,确定安全系数必须考虑载荷的性质、材料的均匀程度、工作条件等。在一般工程中,脆性材料的均匀性较差,断裂也比较突然,没有明显的“颈缩”,因此,脆性材料的安全系数应比塑性材料的大。

塑性材料:
脆性材料:
四、强度计算

轴向拉伸和压缩时工作应力的最大值不得超过材料的许用应力,这就是轴向拉伸和压缩时的强度条件。即:

式中:σmax表示最大工作应力;

N表示最大工作应力对应横截面的轴力;

A表示最大工作应力对应横截面的面积;

[σ]为材料的许用应力。

我们把有最大工作应力的截面称为危险截面。显然,强度条件只有对危险截面才有实际的意义。对于等直杆,轴力最大的截面正应力也最大;对于截面直径变化的杆件,如阶梯轴,当轴力相同时,截面积最小的截面正应力最大,但当轴力不同时,需要分段计算各段的应力后,通过比较得出最大的正应力,即找出危险截面。

根据强条件可以解决工程实际中有关强度的三类问题:

1.强度校核 已知N、A、[σ],代入强度条件(式12-5)验算工作时的最大应力σmax,如果小于材料的许用应力[σ],强度即为合格。否则,强度不合格。

2.设计截面 已知N、[σ],可计算构件所需的截面积,即

           
根据A可进一步求出直径d等其它尺寸。

3.确定许可载荷 已知A、[σ],可计算构件能够承受的最大的轴力,即

例12-2:气动夹具如图12.1.11所示,已知气缸内径D=140mm,缸内气压p=0.6MPa,活塞杆材料为20钢,[σ]=80MPa,试设计活塞杆的直径,

解:活塞杆两端受拉力,发生轴向拉伸变形,轴力可以由气体的压强求出,再利用N、[σ]就可以设计截面。

1.计算轴力

kN

2.设计截面

mm
根据 ,得出 mm

因此,取d mm

        图12.1.11

注意在解题目过程中,应首先判断问题是要设计截面,然后设法去求轴力,轴力利用压强可以求出,问题得到解决。另外要注意物理量的单位换算,当轴力、长度用N和mm时,应力的对应单位是MPa.

五、应力集中

  等截面直杆受轴向拉伸和压缩时,横截面上的应力是均匀分布的。但许多构件的截面尺寸有突然的变化,例如图12.1.12a、b所示的直杆上,横截面尺 寸发生了突然的变化,此处的应力会不会是均匀分布的呢?经过理论的分析可以得出截面变化处应力的分布情况,可见在截面尺寸变化附近的局部区域内,应力的数值显著增大,而在稍远处又迅速降低趋于均匀。这种由于构件外形的变化而引起局部应力急剧增大的现象,称为应力集中。

回答2:

参看附图

分析:本实例虽然是立杆,但与悬臂梁的受力是一样的,可以当做悬臂梁来计算

最大弯矩(在完成面处)M=FL=1.5kN×1.125=1687.5Nm

危险截面(在完成面处)A=80×10=800mm^2

危险截面应力Fmax=M/A=1687.5/800=2.1×10^6

如果这样的立柱只有一根的话,这个结果有点大,也就是说很危险