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第四章 扭转 第一节 引言 第一节 引言 第二节 扭力偶矩计算与扭矩 第三节 园轴扭转横截面上的应力 第四节 园轴扭转破坏与强度条件 第五节 园轴扭转变形与刚度条件 第六节 简单的静不定轴 * 一、怎样画小变形放大图? ?变形图严格画法,图中弧线; ?求各杆的变形量△Li ,如图; ?变形图近似画法,图中弧之切线。 上次课回顾: C A B C L1 L2 P C 二、外力功与应变能的计算 载荷所做的功: 载荷所做的总功,等于载荷F与相应位移D的乘积的一半。 三、简单的拉压静不定问题 约束力可以通过静力平衡方程求得。 约束力不可以通过静力平衡方程求得。 约束力数量多于静力平衡方程的,称为静不定问题或超静定问题。 保证结构连续性所应满足的变形几何条件,称为变形协调条件或变形协调方程。变形协调条件即为求解静不定问题的补充条件 满足平衡方程;满足变形协调条件;符合力与变形间的物理关系(胡克定律)。 静力学、几何、物理 未知数减去静力平衡方程数,等于静不定数。 第五节 园轴扭转变形与刚度条件 第一节 引言 第二节 扭力偶矩计算与扭矩 第三节 园轴扭转横截面上的应力 第四节 园轴扭转破坏与强度条件 第六节 简单静不定轴 第七节 非园截面轴扭转 g:剪切角 g (剪切应变) j:相对扭转角 外力偶作用平面和杆件横截面平行 A B A B j g m m 扭转 扭转 扭转:以横截面绕轴线作相对旋转为主要特征的变形形式。 扭转角:横截面间绕轴线的相对角位移。 轴:以扭转变形为主要变形的直杆。 扭力偶:作用面垂直于杆轴的外力偶。 本章目的:研究轴的外力、内力、应力与变形、轴的强度与刚度。(园截面轴,包括空心与实心,薄壁截面轴以及非园截面轴) 扭转 一、功率、转速与扭力偶矩之间的关系 扭转 二、扭力与扭矩图 T M x T:矢量方向垂直于横截面的内力偶矩,前述扭矩 按右手法则,矢量方向与横截面的外法线方向一致,扭矩为正,反之为负。 例一 传动轴如图所示,主动轮A输入功率PA=50kW,从动轮B、C、D输出功率分别为PB=PC=15kW,PD=20kW,轴的转速n=300r/min,计算各轮上所受的外力偶矩。 MA MB MC B C A D MD 解:计算外力偶矩 扭转 MA MB MC B C A D MD 477.5N·m 955N·m 637N·m T + - 扭转 扭转 平面假设成立 相邻截面绕轴线作相对转动 横截面上各点的剪(切)应力的方向必与圆周线相切。 扭转实验前 纵线 圆周线 扭转实验后 结论 扭转 二、园轴扭转切应力的一般公式 1 几何方面 A B C D D’ C’ a b c d d’ c’ gp dj dx R r O1 O2 扭转 二、园轴扭转切应力的一般公式 2 物理方面 O1 O2 A B C D r tp tp 扭转 二、园轴扭转切应力的一般公式 3 静力学方面 T O r tpdA dA 扭转 三、园轴扭转最大切应力 令 最大扭转切应力与扭矩成正比,与抗扭截面系数成反比。 扭转 四、薄壁园轴的扭转切应力 δR0 ---薄壁圆筒 m m m T 1 1 扭矩 扭转 低碳钢扭转破坏 铸铁扭转破坏 试样扭转屈服时横截面上的最大应力,称为扭转屈服应力;试样扭转断裂时横截面上的最大应力,称为扭转强度极限。扭转屈服应力和扭转强度极限,统称为扭转极限应力,tu表示。 强度条件 强度条件: , [t]—许用切应力; 轴扭转时,其表层即最大扭转切应力作用点处于纯剪切状态,所以,扭转许用切应力也可利用上述关系确定。 根据强度条件可进行: 强度校核; 选择截面; 计算许可荷载。 理论与试验研究均表明,材料纯剪切时的许用切应力[t]与许用正应力[σ]之间存在下述关系: 对于塑性材料. [t] =(0.5一0.577) [σ] 对于脆性材料, [t] =(0.8—1.0) [σl] 式中, [σ l]代表许用拉应力。 扭转 例 某汽车主传动轴钢管外径D=76mm,壁厚t=2.5mm,传递扭矩T=1.98kN·m,[t]=100MPa,试校核轴的强度。 解:计算截面参数: 由强度条件: 故轴的强度满足求。 同样强度下,空心轴使用材料仅为实心轴的三分之一,故空心轴较实心轴合理。 若将空心轴改成实心轴,仍使 ,则 由上式解出:d=46.9mm。 空心轴与实心轴的截面面积比(重量比)为: 扭转 扭转 一、园轴扭转变形 对于长为l,扭矩T为常数的等截面
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