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第六章弯曲应力
6.1梁横截面上的正应力
§6.1梁横截面上的正应力当梁上有横向外力作用时,一般情况下,梁的横截面上既又弯矩,又有剪力。mmmm?mm?只有与正应力有关的法向内力元素dA才能合成弯矩只有与切应力有关的切向内力元素?dA才能合成剪力所以,在梁的横截面上一般既有正应力,又有切应力
PPaaCD 若梁在某段内剪力和弯矩均不为零,该段梁的弯曲就是横力弯曲。如AC、DB段。PPPa若梁在某段内各横截面上的弯矩为常量,剪力为零,则该段梁的弯曲就称为纯弯曲,如CD段。ABxx+M+
1、试验梁在加力前先在其侧面上画两条相邻的横向线mm和nn,并在两横向线间靠近顶面和底面处分别划将条纵向线aa和bb。aabbmmnnmm在推导纯弯曲梁横截面上正应力的计算公式时,要综合考虑几何,物理和静力学三方面。取纯弯曲梁来研究。梁的横截面上只有弯矩,其值等于外力偶m。在梁两端加上力偶m。
mmmmnn侧面上的两纵向线aa,bb弯成弧线2、梁变形后,观察到的现象横向线mm,nn仍为直线,但相对转了一个角度且与弯曲后的aa,bb垂直。aabb靠近底面的纵线bb伸长,而靠近顶面的纵线aa缩短aabbmmnn(2)单向受力假设:梁的纵向纤维只产生缩短或伸长变形,纤维之间不存在横向的相互牵拉或挤压作用。3、结论(1)平面假设:变形后梁的横截面仍保持为平面,并仍与变形后的轴线垂直,它绕其上的某一轴旋转了一个角度。
Cdx横截面的转动将使梁的凹边的纵向线段缩短,凸边的纵向线段伸长。由于变形的连续性,中间必有一层纵向线段(如O1O1)无长度改变。此层称为中性层。中性层与横截面的交线称为中性轴。中性轴与横截面的纵向对称轴成正交。用两个横截面从梁中假想地截取长为dx的一段。4、推导公式由平面假设可知,在梁弯曲时这两个横截面将相对地旋转一个角度d?。变形的几何关系
中性层中性轴横截面横截面的对称轴Cdx
将梁的轴线取为x轴,横截面的对称轴取为y轴,中性轴取为z轴。OxyZCdx
在横截面上取距中性轴为y处的纵向线bb作为研究对象,由变形前后关系可得aabbmnnmooy
物理方面由胡克定律?=E?可得物理关系及上式为横截面上正应力变化规律的表达式,该式说明,横截面上任一点处的正应力与该点到中性轴的距离y成正比;在距中性轴为y的同一横线上各点处的正应力均相等。xOyzy
yzOxM静力学方面在横截面上法向内力元素?dA构成了空间平行力系。dAzy根据梁上只有外力偶m这一条件可知,上式中的和My均等于零,而MZ就是横截面上的弯矩M。—截面对z轴的静矩—截面对y、z轴的惯性积—截面对z轴的惯性矩
中性轴过形心且与横截面的对称轴y垂直中性轴必通过横截面的形心yCzyCz中性轴中性轴将横截面分为受拉和受压两部分。M拉压M拉压
因为y是对称轴,所以该式自动满足。中性轴是截面的形心主轴。EIZ称为抗弯刚度M横截面上的弯矩该式为等直梁纯弯曲时横截面上任一点处正应力的计算公式y求应力的点到中性轴的距离式中:横截面对中性轴的惯性矩
讨论应用公式时,一般将M,y以绝对值代入。根据梁变形的情况直接判断?的正,负号。以中性轴为界,梁变形后凸出边的应力为拉应力(?为正号)。凹入边的应力为压应力,(?为负号)。横力弯曲时,梁的横截面上既有正应力?,又有切应力?。剪应力使横截面发生翘曲,横向力会引起与中性层平行的纵截面的挤压应力,纯弯曲时所作的平面假设和单向受力假设都不成立。
弹性力学精确分析结果指出:当梁的跨度大于梁的横截面高度5倍(即L5h)时,切应力和挤压应力对弯曲正应力的影响甚小,可以忽略不计。因此由纯弯曲梁导出的正应力计算公式,仍可以应用于横力弯曲的梁中。在公式推导过程中,是以矩形截面梁为例做出的,其实这只是为了方便,而非必要条件。显而易见,凡是符合平面弯曲条件的梁(即横截面具有一根对称轴,全部外力均作用在梁的纵向对称面内),都可用此公式计算弯曲正应力。在公式推导中应用了胡克定律,故此公式只在应力不超过材料比例极限的范围内适用。
最大正应力发生在横截面上离中性轴最远的点处。当中性轴为对称轴时,用ymax表示最大应力点到中性轴的距离,则横截面上的最大正应力为:令WZ称为抗弯截面模量。M梁横截面上最大正应力的计算公式为矩形截面梁横截面上正应力分布如图所示yZC
常见截面的IZ和WZ圆截面矩形截面空心圆截面空心矩形截面
应分别以横截面上受拉和受压部分距中性轴最远
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