工程力学扭转变形要点.ppt

对于空心圆截面： d D O ? d? ④ 应力分布 （实心截面） （空心截面） 工程上采用空心截面构件：提高强度，节约材料，重量轻， 结构轻便，应用广泛。 ⑤ 确定最大剪应力： 由 知：当 Wp — 抗扭截面系数（抗扭截面模量），几何量，单位：mm3或m3。 对于实心圆截面： 对于空心圆截面： 三、等直圆杆扭转时斜截面上的应力 低碳钢试件： 沿横截面断开。 铸铁试件： 沿与轴线约成45?的螺旋线断开。 因此还需要研究斜截面上的应力。(应力状态理论研究） 四、圆轴扭转时的强度计算 强度条件： 对于等截面圆轴： ([?] 称为许用 剪应力。) 强度计算三方面： ① 校核强度： ② 设计截面尺寸： ③ 计算许可载荷： [例] 功率为150kW，转速为924转/分的电动机转子轴如图， 许用剪应力 [?]=30M Pa, 试校核其强度。 T m 解：①求扭矩及扭矩图 ②计算并校核剪应力强度 ③此轴满足强度要求。 D3 =135 D2=75 D1=70 A B C m m x §等直圆杆在扭转时的变形 · 刚度条件 一、扭转时的变形 由公式 知：长为 l一段杆两截面间相对扭转角? 为 二、单位扭转角? ： 或 三、刚度条件 或 GIp反映了截面抵抗扭转变形的能力，称为截面的抗扭刚度。 [? ]称为许用单位扭转角。 刚度计算的三方面： ① 校核刚度： ② 设计截面尺寸： ③ 计算许可载荷： 有时，还可依据此条件进行选材。 [例]长为 L=2m 的圆杆受均布力偶 m=20Nm/m 的作用，如图，若杆的内外径之比为? =0.8 ，G=80GPa ，许用剪应力 [?]=30MPa，试设计杆的外径；若[?]=2o/m ，试校核此杆的刚度，并求右端面转角。 解：①设计杆的外径 40Nm x T 代入数值得： D ? 0.0226m。 ② 由扭转刚度条件校核刚度 40Nm x T ③右端面转角为： [例4] 某传动轴设计要求转速n = 500 r / min，输入功率P1 = 500 马力， 输出功率分别 P2 = 200马力及 P3 = 300马力，已知：G=80GPa ，[? ]=70M Pa，[? ]=1o/m ，试确定： ①AB 段直径 d1和 BC 段直径 d2 ？ ②若全轴选同一直径，应为多少？ ③主动轮与从动轮如何安排合理？ 解：①图示状态下,扭矩如图， 500 400 P1 P3 P2 A C B T x –7.024 – 4.21 (kNm) 由刚度条件得： 500 400 P1 P3 P2 A C B T x –7.024 –4.21 (kNm) 综上： ②全轴选同一直径时 ③ 轴上的绝对值最大的扭矩越小越合理，所以，1轮和2轮应该换位。换位后,轴的扭矩如图所示,此时,轴的最大直径才为 75mm。 T x – 4.21 (kNm) 2.814 §等直圆杆的扭转超静定问题 解决扭转超静定问题的方法步骤： 平衡方程； 几何方程——变形协调方程； 补充方程：由几何方程和物理方程得； 物理方程； 解由平衡方程和补充方程组成的方程组。 [例]长为 L=2m 的圆杆受均布力偶 m=20Nm/m 的作用，如图，若杆的内外径之比为? =0.8 ，外径 D=0.0226m ，G=80GPa，试求固端反力偶。 解：①杆的受力图如图示，这是一次超静定问题。 平衡方程为： ②几何方程——变形协调方程 ③ 综合物理方程与几何方程，得补充方程： ④ 由平衡方程和补充方程得： 另:此题可由对称性直接求得结果。 §非圆截面等直杆在自由扭转时的应力和变形 非圆截面等直杆：平面假设不成立。即各截面发生翘曲不保持平面。因此，由等直圆杆扭转时推出的应力、变形公式不适用，须由弹性力学方法求解。 一、自由扭转：杆件扭转时，横截面的翘曲不受限制，任意两相邻截面的翘曲程度完全相同。 二、约束扭转：杆件扭转时，横截面的翘曲受到限制，相邻截面的翘曲程度不同。 三、矩形杆横截面上的剪应力: h 3 b h t 1 T t max 注意！ b 1. 剪应力分布如图： （角点、形心、长短边中点） 2. 最大剪应力及单位扭转角 h 3 b h t 1 T t max 注意！ b 其中： 其中：It—相当极惯性矩。 注意！ 对于W t 和 It ，教材与手册上有如下定义： 查表求? 和? 时一定要注意，表中? 和? 与那套公式对应。 h 3 b h t 1 T t max 注意！ b [例8] 一矩形截面等直钢杆，其横截面尺寸为：h = 100 mm， b=50mm，长度L=2m，杆的两端受扭转力偶 T=4000N·m 的作用 ，钢的G =80GPa ，[?]=100M Pa