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湖南大学材料力学-第三章:圆轴扭转I截面几何性质全解
刚度条件: 在工程中,[?]的单位习惯上用 度/m,记为?/m,而按 (3-16) 式求出的?值单位为弧度/m ,此外,等直杆,(3-16) 式中的T 为 Tmax (3-17) ? 上式可改写成 (3-18) [?]:许用单位长度扭转角 通常一根轴必须同时满足强度条件和刚度条件。 按(3-18) 可进行三种不同形式的刚度计算:即 ① 校核刚度 ② 设计截面 ③ 计算许可荷载 例3-4 有一外径D=100mm,内径d=80mm的空心圆轴与一直径d=80mm的实心圆轴用键联接(如图所示)。在A轮输入功率为N1=300马力。在B、C轮处分别负载N2=150马力、N3=150马力。若已知轴的转速为n=300转/分。材料的剪切弹性模量为G=80GPa,轴的扭转许用剪应力[?]=100MPa,许用单位长度扭转角[?]=1?/m ,要求: (1) 校核轴的强度和刚度(不考虑键的影响) (2) 三个轮的位置应如何设置才较为合理 (3) 经合理布置各轮位置后,求C截面相对A截面转角 A B C 2m 1m 1m D 解:① 计算外力偶 为简化计算,1马力取700瓦,?取3 ② 绘制扭矩图 m1 m2 m3 2m 1m 1m + + T (kN?m) ③ 刚度校核 “ AD”轴 “ DC”轴 式中 经校核,全轴刚度足够。 ④ 强度校核 CD轴: 式中 经校核CD轴强度足够。 式中 AD轴: 经校核AD轴强度不够。 ⑤ 合理布置轮的位置,交换轮1和轮2的位置,则轴的受力图和扭矩图如下图所示: m2=3.5kN?m m1=7kN?m m3=3.5kN?m 2m 1m 1m + – T (kN?m) 3.5 3.5 ? Tmax比原来小,?这样布置显然更为合理,原来AD轴强度不够,现再对它进行强度校核 强度足够了。 (Tmax的负号不要代,为什么?) ⑥ 附录I 截面几何性质 dA O y x y x 一、截面静矩与形心位置 1.定义 --截面对y轴静矩 --截面对x轴静矩 Sy 、Sx 面积矩 静矩 量纲 [长度]3 静矩与截面形状、大小、轴的位置有关。 2.静矩与形心的关系 讨论水平面的一块均质薄板,重心与形心重合,通过求重心的方法来求形心,设厚度为t,单位体积重为?,o-xy平面为水平面。 C dA O y x y x 设形心为C,根据合力矩定理,有: 或写成 截面对某轴的静距为零,则该轴必过形心。 3.组合图形的静矩 例:求图示截面的Sy、Sx ,及形心位置。 y 120 o 80 10 10 x 解:将原截面化分为 I、II 两部分 。 y 120 o 80 10 10 x I II 二、极惯性矩、惯性矩、惯性积 定义 截面对o点极惯性矩 截面对x、y轴的惯性积 o x y x y ? dA G与?同量纲 G、E、? 均为反映材料性质的材料常数对各向同性材料 这三个量中,只有两个独立,它们满足下列关系: 四、圆轴扭转时应力与变形 1.横截面上的应力 思路:观察变形,提出变形假设,导出应变与变形的关系(几何关系)。利用材料本身的性质应力-应变关系(称为物理关系),由应变规律得到应力分布规律。利用应力-内力关系(静力关系),可得到用内力表示的应力公式。 ① 各圆周线形状、大小、相邻两圆周线的间距不变。 ② 各纵向线近似于直线,只是倾斜了一个相同的角度。 轴表面变形前的矩形格,变形后成了平行四边形格。 m0 m0 ? 考察变形 从变形的可能性出发 假设:杆横截面像刚性平面一样绕轴线转动。 (刚性平面假设) 此假设只适用于等直圆杆,假设的合理性被实验结果和弹性理论所证实。 设想,从轴上取出微段dx dx 1 2 x z y o 1 2 1 l x m m 1 2 1 2 dx A A? o d? 截面2-2相对于截1-1将有一个相对的扭转角d?,根据刚性平面假设,截面2-2上的任意一半径OA转动到0A’,且保持直线。如将圆轴看成由无数个同心薄壁圆筒组成的,则在这一微段中,组成圆轴的所有薄壁圆筒的扭转角均相等。 将圆轴看成由无数个同心薄壁圆筒组成,然后,再想象从圆轴的dx微段中,取出一半径为? 厚度为d ?的薄壁圆筒 几何关系 1 2 1 2 dx B? A B A? o ? d? d? B? B o ? d? d? dx 式中 为相对扭转角沿杆长度的变化率,记为 物理关系 上式表明:横截面上的剪应力随着到圆心的距离 ?按直线规律变化,在同一半径为?的圆周上,各点的剪应力均相等。 根据剪切胡克定律 横截面上剪应力的合成结果就是该横截面上的扭矩。 静力关系 ?? ? ? r dA ?? ?max dA o —— 极惯性矩 a b 在给定的横截面
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