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清华大学材料力学复合材料杆横截面上的应力分布
复合材料杆横截面上的应力分布
考虑如图1所示的杆,两种材料的杆作为一体受拉,拉力作用在组合截面的形心。设两杆的横截面均为矩形,宽为,其它尺寸如图所示。试分析横截面上正应力分布。
图 1
分析:
由于该杆是由不同材料组成的,因此很可能是拉伸和弯曲的组合变形。因此我们可以把该问题分解为拉伸和弯曲两种情况单独考虑,再叠加起来。
求出力在横截面上的作用点A,此时两杆只有拉伸变形
建立坐标,如图1。设力的作用点A的坐标为。由假设此时该杆的两部分都只发生拉伸变形。这种情况下,可以理解为该杆两部分分别受到作用于各自横截面形心处的拉力和,如图1所示。此时,两个拉力和与力是等效的,有
(1)
(2)
联立(1)、(2)两式求解得:
(3)
由假设此时只有拉伸变形,则力和对A点的和力矩应该为0,即
(4)
将(3)式代入(4)式,解得:
(5)
将作用在组合截面形心的力向A点平移,求出附加力偶。
由理论力学知识,可知将力向A点平移,还必须附加一个力偶才能等效。如图2所示,我们有
(6)
图 2
(3) 计算横截面的正应力分布
将力向A点平移后,可以看作力和力偶的叠加。当只考虑作用在A点的力时,将只发生拉伸变形,两部分的正应力分别为
(7)
图 3
当只考虑力偶的作用时(谢老师已讲) ,设中性轴距轴的距离为,如图3所示,则有
(8)
设两部分对组合截面中性轴的惯性矩分别为和,则
(9)
(10)
所以,两部分的正应力分别为
(11)
将拉伸和弯曲引起的正应力叠加就可以得到总的正应力分布:
(12)
l
A
中性轴
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