扭转时横截面上应力.doc

第三节 扭转时横截面上的应力 一、应力分布规律 　　为了建立扭转的强度条件，在求出了圆轴各截面上的扭矩值后，还需要进一步研究扭转应力的分布规律，因而需要研究扭转变形。下面通过一个具体的实例来看看扭转变形。 　　取一根橡胶圆棒，为观察其变形情况，试验前在圆棒的表面画出许多圆周线和纵向线，形成许多小矩形，见上图。在轴的两端施加转向相反的力偶矩mA、mB，在小变形的情况下，可以看到圆棒的变形有如下特点：　　　 1．变形前画在表面上的圆周线的形状、大小都没有改变，两相邻圆周线之间的距离也没有改变；　　　 2．表面上的纵向线在变形后仍为直线，都倾斜了同一角度(，原来的矩形变成平行四边形。两端的横截面绕轴的中心线相对转动了一个角度(，叫做相对扭转角，见下图。观看动画，理解微元体的获得。  　　通过观察到的表面现象，可以推理得出以下结果：　　　★　各横截面的大小、形状在变形前后都没有变化，仍是平面，只是相对地转过了一个角度，各横截面间的距离也不改变，从而可以说明轴向纤维没有拉、压变形，所以，在横截面上没有正应力产生；　　　★　圆轴各横截面在变形后相互错动，矩形变为平行四边形，这正是前面讨论过的剪切变形，因此，在横截面上应有剪应力；　　　★　变形后，横截面上的半径仍保持为直线，而剪切变形是沿着轴的圆周切线方向发生的。所以剪应力的方向也是沿着轴的圆周的切线方向，与半径互相垂直。由此知道扭转时横截面上只产生剪应力，其方向与半径垂直。 下面进一步讨论剪应力在横截面上的分布规律。 　　为了观察圆轴扭转时内部的变形情况，找到变形规律，取受扭转轴中的微段dx来分析(上图a)。假想O2DC截面象刚性平面一样地绕杆轴线转动d(，轴表面的小方格ABCD歪斜成平行四边形ABCD，轴表面A点的剪应变就是纵线歪斜的角(，而经过半径O2D上任意点H的纵向线EH在杆变形后倾斜了一个角度((，它也就是横截面上任一点E处的剪应变。应该注意，上述剪应变都是在垂直于半径的平面内的。设H点到轴线的距离为(，由于构件的变形通常很小，即 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 所以 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (a) 由于截面O2DC象刚性平面一样地绕杆轴线转动，图上△O2HH与O2DD相似，得 　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　(b) 将式(b)代入(a)式得　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　(1-40) 上式表明，圆轴扭转时，横截面上靠近中心的点剪应变较小；离中心远的点剪应变较大；轴表面点的剪应变最大。各点的剪应变((与离中心的距离(成正比。 　根据剪切虎克定律知道剪应力与剪应变成正比，即(=G·(。在弹性范围内剪应变(越大，则剪应力(也越大；横截面上离中心为(的点上，其剪应力为((；轴表面的剪应力为(。因此有　 (( = G·((　，(=G·( 代入（1-40）式可得 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1-41) 上式即说明了圆轴扭转时横截面上剪应力分布的规律是：横截面上各点的剪应力与它们离中心的距离成正比。圆心处剪应力为零，轴表面的剪应力(最大。分布情况如下图所示。 　　 演示动画 在横截面上剪应力也与剪应变有相同的分布规律。即 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (1-42) 二、横截面上剪应力计算公式与最大剪应力 要计算剪应力，只知道了横截面上剪应力分布规律还不够，还必须分析截面上的扭矩M与剪应力(之间的关系。在截面上任取一距中心为(的微面积dA，作用在微面积上的力的总和((·dA，对中心O的力矩等于((·dA·(。截面上这些力矩合成的结果应等于扭矩M，即 　 将式（1-42）代入得　　　　　　 　 令，称做截面的极惯性矩。则上式可以改写为　　　 　　 再令，称做抗扭截面模量。则得到 　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1-43) 将式(1-43)代入式(1-42)，可得出横截面上任一点的剪应力计算公式 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1-44) 三、极惯性矩J(与抗扭截面模量W(的计算 极惯性矩J(与抗扭截面模量W(是与截面尺寸和形状有关的几何量，可以按下述方法计算。 　(1) 对实心圆轴来说，如上图，可以取一圆环形的微面积dA，则dA=2(·(·d(，因此 　　　　 　　 　　(2) 对内径为d，外径为D的空心圆轴，它的极惯性矩J(与抗扭截面模量W(分别为 ? 　， 　令d/D=(，则 　　 　　 　　应当注意的是：圆形截面的极惯性矩是外圆与内圆的极惯性矩之差；而它的抗扭截面模量却不是外圆与内