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代入式(1-15),并作如下级数由边界条件(1-9)的第一式,确定其中的系数An等式两边同时乘以,并在区间(-b/2,b/2)积分,得代入式(1-16),得(1-16)第9页,共27页,星期六,2024年,5月得到应力函数(1-17)由式(1-2),可求得由此得(1-18)(1-19)第10页,共27页,星期六,2024年,5月由薄膜比拟可以推断,最大剪应力发生在矩形截面长边的中点,其值为(2-20)将式(1-19)和式(1-20)分别写成(2-21)(2-22)第11页,共27页,星期六,2024年,5月其中和都是仅与比值有关的参数,这两个因子通过计算可以表示如下:由表可见,对于很狭长矩形截面的扭杆,很大,则和都趋近于1/3,这时式(2-21)和(2-22)分别简化为式(1-3)和(1-5)。图2第12页,共27页,星期六,2024年,5月薄壁杆的扭转
实际工程上经常遇到开口薄壁杆件,例如角钢、槽钢、工字钢等,这些薄壁件其横截面大都是由等宽的狭长矩形组成。无论是直的还是曲的,根据薄膜比拟,只要狭长矩形具有相同的长度和宽度,则两个扭杆的扭矩及其横截面剪应力没有多大差别。一开口薄壁杆件的扭转图3a1a2a1a1a3a2a1a3第13页,共27页,星期六,2024年,5月设及分别表示扭杆横截面的第i个狭矩形的长度和宽度,Ti表示该矩形截面上承受的扭矩,T表示整个横截面上的扭矩,?i代表该矩形长边中点附近的剪应力,为单位长度扭转角。则由狭长矩形的结果,得(2-1)(2-2)由式(2-1)得(2-3)这个横截面上的扭转为(2-4)第14页,共27页,星期六,2024年,5月由式(2-3)和式(2-4)消去,得代回式(2-3)和式(2-4),我们得到值得注意的是:由上述公式给出的狭矩形长边中点的剪应力已相当精确,然而,由于应力集中的存在,两个狭矩形的连接处,可能存在远大于此的局部剪应力。(2-5)(2-6)第15页,共27页,星期六,2024年,5月1TTT(2-6)图4(2-6)4第16页,共27页,星期六,2024年,5月(2-6)(2-6)TTT第17页,共27页,星期六,2024年,5月二闭口薄壁杆件的扭转对于闭口薄壁杆件的扭转问题,可以通过薄膜比拟法求得近似解答。如图5所示,假想在薄杆横截面的外边界上张一张膜,保证薄膜外边界的垂度为零,内边界处的垂度为常量。由于杆壁厚度很小,所以沿壁的厚度方向薄膜的斜率可视为常量。于是,在杆壁的厚度处,剪应力的大小应等于薄膜的斜率,即设外边界所包围面积的平均值(即薄壁杆件截面中线所包围的面积)为A,于是有(2-7)(2-8)其中,h为杆壁厚度薄膜的垂度。图5第18页,共27页,星期六,2024年,5月由此得代入式(2-7)得可见,剪应力与杆壁的厚度成反比,最大的剪应力发生在杆壁最薄处。为了求出单位长度扭转角,先求出杆横截面中心线上的应力环量,以A表示中心线所包围的面积,于是有(2-9)第19页,共27页,星期六,2024年,5月(2-10)得如果杆壁为等厚度的,则其中,s为杆截面中心线的长度。若闭口的薄壁杆有凹角在凹角处有可能发生高度的应力集中现象。比值和之间的关系,如图6所示。其中为圆角半径。图6第20页,共27页,星期六,2024年,5月对于薄壁杆的横截面有两个孔的多连通域情况,如图7所示,由于杆壁厚都很小,于是有其中,h1和h2表示薄膜内边界s1和s2的高度。(2-11)图7第21页,共27页,星期六,2024年,5月再分别对两根中心闭合线ACBA和ABDA求应力环量,有(2-13)求得扭矩也可以表示为(2-12)第22页,共27页,星期六,2024年,5月若、为常数,则式(2-13)可变为求得(2-14)(2-15)(2-16)第23页,共27页,星期六,2024年,5月例2两个截面完全相同的变厚度薄壁杆如图8所示,其中(a)为闭口,(b)为开口,试分析两杆件在抗扭转刚度和最大剪应力方面的特点。解(1)开口薄壁杆由式(2-6),得单位长度扭转角:截面扭转刚度:剪应力:最大剪应力:最大剪切力发生在宽度最大处。(a)(b)图8第24页
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