化工设备机械基础(化机)1-2010年-剪切

工程结构和机器是由若干构件或零件装配起来的，其中起连接作用的部件称为——联接件，如销钉，铆钉，键等。联接件的作用是显而易见的，它的强度问题是材料力学要专门研究的课题。工程事故1998年9月10日，上海东方航空公司一架波音747客机在上海虹桥机场降落前，发现前起落架无法打开，在空中盘旋三个小时排除故障未果，后紧急迫降成功。经事故鉴定，是前起落架的联接销钉材料不合格被剪切破坏所致。电影“紧急迫降”就是根据这起事故改编而成的。第三章受剪构件实用计算第一节剪切变形的概念螺栓的剪切实例PP受力特点：变形特点：连接件作用在连接件两侧面上的分布力的合力大小相等，方向相反，作用线垂直于轴线且相距很近。作用在连接件两侧面上的分布力的合力推着各自作用的部分沿着两力作用线间某一横截面发生相对错动。PPPQ发生相对错动的截面—剪切面；在剪切面上于截面相切的内力—剪力。一.剪切的受力特点和变形特点1.假定剪应力均匀分布；假定挤压应力均匀分布。三.受剪构件的两方面的假定：2.进行实物或模型实验，确定许用应力。二.受剪构件可能的两种破坏形式：1.剪切破坏沿剪切面发生错动.2.挤压破坏由于挤压力过大使接触处的局部区域发生塑性变形。PP第二节剪力、剪应力与剪切强度一、剪力内力QPQQPFx00二、剪应力：受力和变形复杂，假定剪应力均匀分布AQAQ塑性材料：[τ]=（0.6～0.8）[σ]脆性材料：[τ]=（0.8～1.0）[σ]强度校核、截面选择和求许可载荷三、剪切强度条件例4-1P=20kN，销钉16Mn，[τ]=140MPa直径d是多少才能安全起吊。0yF02/PQkNQ10QAAQmmQd54.94第三节挤压的概念和强度条件一、挤压的概念、挤压应力PP2tttdAB挤压是伴随着剪切变形在连接件与被连接件接触表面上所产生的相互压紧现象。接触面间的相互压力称为挤压力。二、挤压强度条件塑性材料：[σ]jy=(1.7-2.0)[σ]脆性材料：[σ]jy=(2.0-2.5)[σ]jyjyjyAPjyjyAPdtAjy2键的计算：•例1图示齿轮用平键与轴联接，已知轴直径d=70㎜，键的尺寸为δ×h×l=20㎜×12㎜×100㎜，传递的扭转力偶矩m=2kN·m，键的许用剪应力[τ]=60MPa，[σp]100MPa，试校核键的强度。解：先校核键的剪切强度。将平键沿n-n截面分成两部分，并把n-n以下部分和轴作为一个整体来考虑如图。对轴心取矩，由平衡方程ΣM=0，得,2mdQkNdmQ14.572剪切面面积为A=2200010020mmlMPaAQ6.281020001014.5763可见，平键满足剪切强度条件。其次较核键的挤压强度。考虑键在n-n截面以上部分的平衡，如图则挤压力P=Q=57.14kN，挤压面积Ap=2hlpppMPaAp3.951010061014.5763可见，平键满足挤压强度条件。第四节剪切变形和剪切虎克定律一、剪切变形、剪应变γ为剪应变或角应变，弧度由剪应力τ决定二、剪切虎克定律剪切弹性模量G，MPaEG)1(2EG三、剪应力互等定理剪应力互等定理：在相互垂直的两个平面上，剪应力必然成对存在，且数值相等；两者都垂直于两个平面的交线，方向则共同指向或背离这一交线。0ZMdxdzdydydzdx)()(第五节应力集中、应力松弛以及热应力在化工中存在的现象o应力集中的概念等截面直杆受轴向拉伸或压缩时，横截面上的应力是均匀分布的。在工程实际中，有些构件往往有切口、切槽、螺纹、圆孔等，以致在这些部位上截面尺寸发生突然变化。实验结果和理论分析表明，在零件尺寸突然改变的横截面上．应力并不是均匀分布的。以下图中间开有圆孔的受拉板为例，在距离小孔较远的I-I截面上，正应力是均匀分布的，记为σ。但在小孔中心所在的Ⅱ-Ⅱ截面上，正应力分布则不均匀，在孔边附近的局部区域内，应力将急剧增加。但在离开圆孔稍远处，应力就迅速降低而趋于均匀。这种因构件截面尺寸突然变化而引起局部应力急剧增大的现象，称为应力集中。实验结果表明：截面尺寸改变得越急剧，角越尖，孔越小，应力集中的程度就越严重。因此，构件应尽可能地避免带尖角的孔和槽，在阶梯轴的轴肩处要用圆弧过渡。o应力松弛在总变形量保持不变，初始的弹性变形随时间的推移逐渐转化为塑性变形并引起构件内应力减小的现象就是应力松驰有一些发生蠕变的构件，其外观尺寸并无明显改变。例如高温管道上的法兰联接螺栓，如果这个在高温条件下工作的螺柱发生了蠕变，二螺母之间的螺柱长度不会增长，但是螺柱已存在的弹性变形会逐渐地转化为塑性变形，同时螺柱的内力下降，并导致法兰密封面与垫片之间压紧力减小而发生泄漏。o热应力在化工中存在的现象及对策0.热应力的产生及特点(上图)1．热应力不是由于热变引起。热变形本身并不产生热应力。只有热变形受到限制并转化成弹性变形，或者是由于限制相邻构件的热变形而引起自身产生了弹性变形，才会产生热应力。所以热应力归根到底是由弹性变形引的，所不同的只是这里的弹性变形不是由施加的外力产生的，而是由受限制的那部分热变形转化而来的.2．热应力既然是由于热变形受限制引起的，所以减小或防止热应力的方法，一个是不要使构件产生热变形，即不要出现温度的变化，这显然是不太可能的。另一个办法就是尽量减少对热变形的限制，譬如管壳式换热器管子受热要伸长，在壳体上加膨胀节、变固定管板为浮头式、填料函式或索性用U形换热管，都可以减少或消除热应力；高温管道的法兰联接，工作时法兰厚度因热膨胀而增厚，为了减小螺柱对它的热变形限制，可以把螺柱没有螺纹的部分车细至等于螺纹根部直径，或者是同时采用加厚的螺母垫圈，增加螺柱二螺母间的长度，这样都可以减少螺柱中的热应力；又如卧式容器的两个支座，其中必须有一个是可以在地面上滑动的，以便使容器可以自由伸缩。这些例子都说明对于热变形只能放行，不能阻挡。3．热应力既然是由于热变形受到限制引起的，所以限制越厉害，热应力也会越大，但是，如果限制过大，致使构件内的热应力达到材料的屈服极限时，热应力值反而会停止增长，所以说这种由于相互限制引起的应力具有所谓的“自限性”意思就是应力不会无限制地增长。如果杆件内的应力是由外载引起的，那么随着外载的增加，应力将不停地增大，直至杆件断裂。作业P54，55第2，7题