刘鸿文版材料力学课件全套5

第十一章交变应力第十一章交变应力§11-1交变应力与疲劳极限§11-2影响持久极限的因数目录1、构件有加速度时动应力计算（1）直线运动构件的动应力gaKd1（2）水平面转动构件的动应力2、构件受冲击时动应力计算（1）自由落体冲击问题)211(stdΔhK（2）水平冲击问题stdgvK2gaKnd动响应=Kd×静响应§11-1交变应力疲劳极限目录交变应力的基本参量在交变荷载作用下应力随时间变化的曲线，称为应力谱。随着时间的变化，应力在一固定的最小值和最大值之间作周期性的交替变化，应力每重复变化一次的过程称为一个应力循环。一个应力循环tOminmaxΔ目录通常用以下参数描述循环应力的特征(1)应力比rmaxminr(2)应力幅minmax(3)平均应力m)(21minmaxm一个非对称循环应力可以看作是在一个平均应力m上叠加一个应力幅为的对称循环应力组合构成。目录r=-1：对称循环；r0：拉压循环；r=0：脉动循环。r0：拉拉循环或压压循环。疲劳极限将若干根尺寸、材质相同的标准试样，在疲劳试验机上依次进行r=-1的常幅疲劳试验。各试样加载应力幅均不同，因此疲劳破坏所经历的应力循环次数N各不相同。以为纵坐标，以N为横坐标（通常为对数坐标），便可绘出该材料的应力—寿命曲线即S-N曲线如图（以40Cr钢为例）注：由于在r=-1时，max=/2，故S-N曲线纵坐标也可以采用max。目录104105106107108550650750850Nmax/MPa从图可以得出三点结论：(1)对于疲劳，决定寿命的最重要因素是应力幅。(2)材料的疲劳寿命N随应力幅的增大而减小。(3)存在这样一个应力幅，低于该应力幅，疲劳破坏不会发生，该应力幅称为疲劳极限，记为-1。目录104105106107108550650750850Nmax/MPa对低碳钢，其MPa500~400b其弯曲疲劳极限MPa220~170)(b1-拉压疲劳极限MPa160~120)(t1-对于铝合金等有色金属，其S-N曲线没有明显的水平部分，一般规定时对应的称为条件疲劳极限，用表示。76010~105N01Nmax目录11-4.影响持久极限的因数1.构件外形的影响目录构件外形的突然变化，例如构件上有槽、孔、缺口、轴肩等，将引起应力集中11dKK11dKK或有效应力集中因数理论应力集中因数maxnK2.零件尺寸的影响——尺寸因数11)(dd)(1光滑零件的疲劳极限1试样的疲劳极限目录3.表面加工质量的影响——表面质量因数11)(1磨削加工（试样）1其他加工一般情况下，构件的最大应力发生于表层，疲劳裂纹也多于表层生成。表面加工的刀痕、擦伤等将引起应力集中，降低持久极限。所以表面加工质量对持久极限有明显的影响。看表11.2不同表面粗糙度的表面质量因数查看表11.1尺寸因数第十三章能量法§13-1概述在弹性范围内，弹性体在外力作用下发生变形而在体内积蓄的能量，称为弹性应变能，简称应变能。物体在外力作用下发生变形，物体的变形能在数值上等于外力在加载过程中在相应位移上所做的功，即=WV§13-2杆件变形能计算一、轴向拉伸和压缩WVFFlllF21EAlFF21EAlFEAlFN2222lNxxEAxFVd)(2)(2二、扭转WVmmeM21ppepeeIGlTIGlMIGlMM222122lpxxIGxTVd)(2)(2三、弯曲WV纯弯曲：横力弯曲：lxxIExMVd)(2)(2eM21IElMMee21IElMIElMe222213-3变形能的普遍表达式1F2F3F123332211212121FFFWV即：线弹性体的变形能等于每一外力与其相应位移乘积的二分之一的总和。)(xN)(xN)(xM)(xM)(xT)(xTLLPLNGIdxxTEIdxxMEAdxxFV2)(2)(2)(222所有的广义力均以静力方式，按一定比例由O增加至最终值。任一广义位移与整个力系有关，但与其相应的广义力呈线性关系。iiF例：试求图示悬臂梁的应变能，并利用功能原理求自由端B的挠度。Fxl解：xFxM)(lEIlFxIExMV6d2)(322BwFW21，得由WVEIFlwB33例题：悬臂梁在自由端承受集中力F及集中力偶矩M0作用。设EI为常数，试求梁的应变能。LFMeAB解：⑴弯矩方程FxMxMe)(⑵变形能EILFEIFLMEILMdxFxMEIdxEIxMVeeLeL622)(212)(222222LFM0AB⑶当F和M0分别作用时EILFVEILMVe623221VVV21⑷用普遍定理EILMEIFL)()(230EILMEIFLeMAFAAe2)()(2EILMEIFMEILFMFwWVeeAeA22621212232§13-4互等定理ji•位移发生点荷载作用点12F1F2F11121F21222F11121，外力所作的功：，后作用先作用21FF1212221112121FFFVe，外力所作的功：，后作用先作用12FF2121112222121FFFVeF21222F11121功的互等定理:212121FF位移互等定理:，则得若21FF2112例：求图示简支梁C截面的挠度。1CwB221BCMwF解：由功的互等定理IElFMwFC1621得：IElMwC1621由此得：F例：求图示悬臂梁中点C处的铅垂位移。C1CwB221BCMwF解：由功的互等定理IElFMwFC2221得：IEMlwC821由此得：F13-5卡氏定理332211212121FFFWV1F2F3F123i若只给以增量，其余不变，在作用下，原各力作用点将产生位移iFiF,,,,21i变形能的增加量：iiiiFFFFV221121iF略去二阶小量，则：iiFFFV2211如果把原有诸力看成第一组力，把看作第二组力，根据互等定理：iFiiiiFFFF2211所以：iiFViiFV0iFiiFV变形能对任一载荷Fi的偏导数，等于Fi作用点沿Fi方向的位移卡氏第二定理推导过程使用了互等定理，所以只适用线弹性结构。横力弯曲：LiLiiidxFxMEIxMdxEIxMFFV)()()2)((2桁架杆件受拉压：njjjjNEALFV122njijNjjjNiiFFEALFFV1轴受扭矩作用：LiPiidxFxTGIxTFV)()(13-6单位载荷法莫尔积分1F2FCMx()Mx0()MxMx()()01F2FCClxIExMVd2)(2lxIExMVd2)]([200lxIExMxMVd2)]()([(2011F2FC0F10FC10F1F2F作功：0F0V作功：、21FFV上又作功：在0F1101VVW共做功11VWlxIExMxMVVd2)]()([(1200MxEIxMxEIxMxMxEIxlll202022()[()]()()ddd10MxMxEIxl()()dMxMxEIxl()()0dMxMxEIxl()()0d莫尔定理（莫尔积分）MxMxEIxl()()0dllplNNxIExMxMxIGxTxTxAExFxFd)()(d)()(d)()(000对于组合变形：注意：上式中应看成广义位移，把单位力看成与广义位移对应的广义力例：试用莫尔定理计算图(a)所示悬臂梁自由端B的挠度和转角。FABABABlxxx11xxMFxxMbB)(,)()(,)1(0所示如图截面作用一单位力在解：vMxMxEIxBl()()0dlxIEFx02dEIFl331)(,)()(,)2(0xMFxxMcB所示如图截面作用一单位力偶在BlMxMxEIx()()0dlxIEFx0dEIFl22§13-7计算莫尔积分的图乘法在应用莫尔定理求位移时，需计算下列形式的积分：lxIExMxMd)()(lxxMxMd)()(对于等直杆，EI=const，可以提到积分号外，故只需计算积分直杆的M0(x)图必定是直线或折线。tg)(xxMllxxMxxxMxMd)(tgd)()(tgxCCMIEMxIExMxMCld)()(顶点顶点23lh13lh二次抛物线例：试用图乘法求所示悬臂梁自由端B的挠度和转角。LFIEMxIExMxMwClBd)()(32212lFlIEIEFl33FlF解（1）求自由端的挠度FlFm=1(2)求自由端的转角1212FlIEB顺时针IEFl22例：试用图乘法求所示简支梁的最大挠度和最大转角。qlql28/l/4M325823222maxlqllIEw53844qlEI解（1）简支梁的最大挠度2183212maxqllIEqlEI324ql28/（2）求最大转角最大转角发生在两个支座处例：试用图乘法求所示简支梁C截面的挠度和A、B截面的转角。CL12TU34解：2812MlIEwCIElm162l/4AEIml1213mlEI6顺时针BEIml1223mlEI3逆时针例：试用图乘法求所示悬臂梁自由端B的挠度和转角。CL12TU35解：432312lqllIEwBqlEI48ql22BEIlql13212qlEI36顺时针ql22例：试用图乘法求图示悬臂梁中点C处的铅垂位移。CL12TU36解：mlIEwC812mlEI28例：图示梁，抗弯刚度为EI，承受均布载荷q及集中力X作用。用图乘法求：(1)集中力作用端挠度为零时的X值；(2)集中力作用端转角为零时的X值。CL12TU37F解：(1)212322322132aqlaFaaFalIEC0ql28/)(83alaqlFF(2)211212322132qlFaFalIEC0ql28/)32(43alaqlF例：图示梁的抗弯刚度为EI，试求D点的铅垂位移。CL12TU38解：32232aPaIECPaEI3例：图示开口刚架，EI=const。求A、B两截面的相对角位移θAB和沿P力作用线方向的相对线位移ΔAB。CL12TU39解：ABPaEI21813212123233PaEIAB0例：用图乘法求图示阶梯状梁A截面的转角及E截面的挠度。CL12TU40解：APaEIPaEI22125612162212PaEI212322312133IEPaIEPaE13123PaEI例：图示刚架，EI=const。求A截面的水平位移ΔAH和转角θA。C