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《材料力学》应用技术基础.doc
《材料力学》基础引 言 2
一 杆件受拉压的内力、应力、变形 2
1.1轴向拉压的内力、轴力图 2
1.2 轴向拉压杆横截面上的应力 5
1.3 轴向拉压杆横截面上的变形 8
1.4 圣维南原理 10
1.5 工程结构实例分析 11
二 圆轴扭转 13
2.1、扭转的力学模型及ANSYS建模 13
2.2、圆轴扭转时,横截面上的内力偶矩------扭矩 15
2.3、圆轴扭转时,横截面上的应力、强度条件 15
(1) 横截面上的切应力 15
(2) 极惯性矩与抗扭截面系数 15
三、梁弯曲的内力、变形、应力 16
3.1 梁的弯曲内力、变形 16
3.2 弯曲应力 23
3.3 工程实例: 28
四、压杆稳定 32
4.1、压杆稳定的概念 32
4.2、临界压力 32
4.3、三类压杆的临界载荷 33
4.4、压杆稳定性计算 33
4.5 工程实例4 36
引 言
《材料力学》是机械、土木类工科学生重要的基础课工程计算中应用非常广泛。提高CAE水平
轴向拉压杆件的受力特点:作用于杆件上的合外力的作用线与杆件轴线重合,杆件变形是沿轴线方向的延长或缩短。
对如图1-1a所示的两端受轴向外力作用的杆件,用一假想平面沿任意横截面将杆截为两段,由任一部分的平衡方程,可求得截面上的轴力
= (如图1-1b)
图1-1
一般规定拉伸的轴力为正,压缩的轴力为负。
试用Ansys绘制图1-2a所示杆件的轴力图。(设a=1m).
图1-2a
解:水平方向受力平衡得:
根据平衡方程及杆的各段的轴力方程得到如下理论值:
下面用ANSYS进行绘图计算:有限元模型如图1-2b,绘制轴力图如图1-2c。
从上图可以读取AB段横截面上的轴力为红色区域,值为6000N;从左向右BC段蓝色区域轴力为-12000N;CD段绿色区域轴力值为-4000N。
可见理论值与通过ANSYS计算得到的值相同。
1.2 轴向拉压杆横截面上的应力
轴向拉压杆横截面上的内力分量只有轴力,而轴力是截面上轴向分布内力的合力,即
由于外力合力的作用线与杆轴重合(图1-3a),材料又是均匀连续的,则有试验结果表明,对于细长杆,在离加力端一定距离的大部分区域,其横截面在杆件变形后仍保持平面,杆件各纵向线段的伸长都相等,这表明横截面上只有正应力且是均匀分布的,如图1-3b所示。于是
图1-3
可得轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式
正应力与轴力具有相同的正负符号,即受拉的应力为正,受压的为负。
例1.2:三角架结构尺寸及受力如图1-4a所示。其中,钢杆BD的直径,钢杆CD的横截面面积。试用ANSYS求BD与CD的横截面上的正应力。
解:BD杆横截面积: =m;
CD杆横截面积:
E=
图 1-4
首先用杆单元建模如图1-4c所示:
理论值:根据平衡方程及应力的计算公式得
用ANSYS 分析的应力图为1-4d所示;ANSYS 分析结果:
BD杆横截面上的应力
CD杆横截面上的应力
1.3 轴向拉压杆横截面上的变形
实验表明,杆件在轴向拉力或压力作用下,杆件沿轴线方向将发生伸长或缩短,而在杆件的横向也同时发生缩短或伸长,如图1-5a,b所示。
图1-5
杆沿轴线方向的变形称为轴向变形或纵向变形。
拉压杆的胡克定律 ,式中的比例系数E为材料常数,称为弹性模量。由实验测定。EA称为抗拉(压)刚度。
例 1.3 如图1-6a所示的受多个力作用的等直杆,横截面面积,材料的弹性模量E=200GPa,试求杆件总的纵向变形量。
图1-6a
解:用杆单元画出受力图模型:
用ANSYS画出轴力图;
从上图得出结果:N N N;
理论值为: N N N;
ANSYS分析的变形结果:0.65000E-04(m)。
理论值为:
1.4 圣维南原理
对于作用在物体边界上一小块表面上的外力系可以用静力等效(主矢量、主矩相同)并且作用于同一小块表面上的外力系替换,这种替换造成的区别仅在离该小块表面的近处是显著的,而在较远处的影响可以忽略。其要点有两处:一、两个力系必须是按照刚体力学原则的“等效”力系;二、替换所在的表面必须小,并且替换导致在小表面附近失去精确解。一般对连续体而言,替换所造成显著影响的区域深度与小表面的有关。、;试用ANSYS分析应力分布情况。
1.5 工程结构实例分析
例题1.5.1:以等截面板为研究对象建立有限元分析模型,定性讨论其变形与应力分布情况。其ANSYS模型及变形图如(a1、b1,a2、b2 a3、b3)所示。
例 1.5.2 用ANSYS求解如图1-9a所示桁架结构的节点位移、支座反力和每根杆内的应力。其中,杆的横截面积。
分析过程如下:
表1-1 桁架节
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