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《材料力学》侯作富主编 C03 扭转
第三章扭转 第三章 扭 转 (Torsion) 3.1 扭转的概念及实例 3.2 外力偶矩的计算 · 扭矩及扭矩图 3.3 纯剪切 3.4 圆轴扭转时的应力 3.5 圆轴扭转时的变形 3.6 *密圈螺旋弹簧的应力和变形 3.7 非圆截面杆扭转的概念 3.8 *薄壁杆件的自由扭转 3.1 扭转的概念及实例 3.1 扭转的概念及实例 3.1 扭转的概念及实例 3.2 传动轴的外力偶矩·扭矩及扭矩图 3.2.1 传动轴的外力偶矩 3.2 传动轴的外力偶矩·扭矩及扭矩图 从式中可以看出, 轴所承受的力偶矩与传递的功率成正比, 与轴的转速成反比。因此, 在传递同样的功率时, 低速轴所受的力偶矩比高速轴大。所以在一个传动系统中, 低速轴的直径要比高速轴的直径粗一些。 3.2.2 扭矩及扭矩图 三 纯剪切应力状态下的应变能密度 当材料在线弹性范围内内工作时, 上述力与位移成正比, 因此, 单元体上外力所作的功为 由剪切胡克定律t=Gg代入得 3.4 圆轴扭转时的应力 1 变形几何关系 3.4 圆轴扭转时的应力 3.4 圆轴扭转时的应力 根据圆周线形状大小不变, 两相邻圆周线发生相对转动的现象, 可以设想, 圆轴扭转时各横截面如同刚性平面一样绕轴线转动, 即假设圆轴各横截面仍保持为一平面, 且其形状大小不变;横截面上的半径亦保持为一直线, 这个假设称平截面假设。 5 应力分布 例:一直径为D1的实心轴, 另一内外径之比a=d2/D2=0.8的空心轴, 若两轴横截面上的扭矩相同, 且最大切应力相等。求两轴外直径之比D2/D1。 例: 在强度相同的条件下, 用d/D=0.5的空心圆轴取代实心圆轴, 可节省材料的百分比为多少? 例: 一厚度为30 mm、内直径为230 mm 的空心圆管, 承受扭矩T=180 kN·m。试求管中的最大切应力, 使用: (1) 薄壁管的近似理论; (2) 精确的扭转理论。 例:一空心圆轴, 内外径之比为a=0.5, 两端受扭转力偶矩作用, 最大许可扭矩为T, 若将轴的横截面面积增加一倍, 内外径之比仍保持不变, 则其最大许可扭矩为T的多少倍?(按强度计算)。 6 强度条件 6 强度条件 3.5 圆轴扭转时的变形 1 扭转时的变形 3.5 圆轴扭转时的变形 3.5 圆轴扭转时的变形 3.5 圆轴扭转时的变形 2 刚度条件 3.5 圆轴扭转时的变形 在工程实际中[j]的常用单位为(o)/m(度/米)。如果使j也采用(o)/m, 则上述的刚度条件又可写成 3.6 密圈螺旋弹簧的应力和变形 1 弹簧丝横截面上的应力 3.6 密圈螺旋弹簧的应力和变形 1 弹簧丝横截面上的应力 3.7 非圆截面杆扭转的概念 等直非圆杆, 如图所示矩形截面杆扭转后横截面将发生翘曲而不再是平面。 3.7 等直非圆杆扭转时的应力和变形 若由于约束条件或受力条件的限制, 造成杆件各横截面的翘曲程度不同, 这势必引起相邻两截面间纵向纤维的长度改变。于是横截面上除切应力外还有正应力。这种情况称为约束扭转。图示即为工字钢约束扭转的示意图。 3.7 等直非圆杆扭转时的应力和变形 杆件扭转时, 横截面上边缘各点的切应力都与截面边界相切。因为, 边缘各点的切应力如不与边界相切, 总可分解为边界切线方向的分量tt和法线方向的分量tn。根据切应力互等定理, tn应与杆件自由表面上的切应力 3.7 等直非圆杆扭转时的应力和变形 在横截面的凸角处, 如果有切应力, 当然可以把它分解成分别沿ab边和ac边法线的分量t1和t2, 但按照上面的证明, t1和t2皆应等于零, 故截面凸角处的切应力等于零。 3.7 等直非圆杆扭转时的应力和变形 非圆截面杆的自由扭转, 一般在弹性力学中讨论。这里只引用弹性力学的一些结果, 并只限于矩形截面杆扭转的情况。 3.7 等直非圆杆扭转时的应力和变形 矩形截面的It和Wt与截面尺寸的关系如下 3.7 等直非圆杆扭转时的应力和变形 短边中点的切应力t1是短边上的最大切应力, 并按以下公式计算: 参考内容 3.7 等直非圆杆扭转时的应力和变形 当m = h/b 10时, 截面成为狭长矩形。这时 扭转构件除需满足强度条件外, 还需满足刚度方面的要求, 否则将不能正常地进行工作。例如机器中的轴如扭转变形过大, 就会影响机器的精密度, 或者使机器在运转过程中产生较大的振动。因此对圆轴的扭转变形需要有一定的限制。通常要求单位长度的扭转角不能超过某一许用值, 即扭转构件应满足刚度条件 式中j是单位长度的扭转角, [j]为单位长度的许用扭转角, 两者的单位皆为rad/m(弧度/米)。 单位长度的许用扭转角[j]是根据载荷
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