1、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 構(gòu)件的承載能力分析第二章構(gòu)件的承載能力分析第一節(jié)承載能力分析的基本知識第二節(jié)軸向拉伸和壓縮第二章構(gòu)件的承載能力分析圖2-1氣動夾具活塞桿的受力情況a)氣動夾具簡圖b)活塞桿的受力圖1汽缸2活塞3工件圖2-2活塞銷的受力情況a)活塞及活塞銷b)活塞銷的受力圖c)活塞銷的局部受力圖1活塞銷2活塞3連桿 圖2-3車床絲杠的受力情況 a)車床 b)車床絲杠的受力圖及內(nèi)力圖圖2-4工件的受力及變形情況a)一端卡盤、一端頂尖固定工件b)兩端頂尖固定工件第一節(jié)承載能力分析的基本知識一、主要任務(wù)各種機(jī)器設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)，都是由若干構(gòu)件組成的。二、變形固體的基本假設(shè)材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是比較復(fù)雜的，

2、為了研究上的方便，必須忽略某些次要的性質(zhì)，只保留它們的主要屬性，將其簡化為一個(gè)理想的模型。(1)連續(xù)均勻假設(shè)認(rèn)為在整個(gè)構(gòu)件體積內(nèi)都毫無空隙地充滿著物質(zhì)，而且物體內(nèi)任何部分的性質(zhì)都是完全一樣的。(2)各向同性假設(shè)認(rèn)為材料沿各個(gè)不同方向的力學(xué)性質(zhì)均相同。三、構(gòu)件基本變形形式當(dāng)不同的外力作用于桿件上，桿件將發(fā)生不同形式的變形。四、內(nèi)力、應(yīng)力的計(jì)算第一節(jié)承載能力分析的基本知識圖2-5桿件變形的基本形式a)軸向拉伸b)軸向壓縮c)剪切d)扭轉(zhuǎn)e)彎曲1.內(nèi)力2.截面法第一節(jié)承載能力分析的基本知識圖2-6受拉的二力桿件(1)截在欲求內(nèi)力的截面處，用一截面假想地把桿件截開。第一節(jié)承載能力分析的基本知識(1)

3、截在欲求內(nèi)力的截面處，用一截面假想地把桿件截開。(2)取摒棄一部分，保留一部分，即任意選取其中一部分為研究對象。(3)代將棄去部分對研究對象的作用，以截面上的未知內(nèi)力來代替。(4)平考慮保留部分的平衡，并根據(jù)研究對象的平衡條件，建立平衡方程，以確定未知內(nèi)力的大小和方向。3.應(yīng)力第二節(jié)軸向拉伸和壓縮圖2-7承受軸向拉伸和壓縮的桿件a)起重機(jī)吊物簡圖b)軸向拉伸桿件c)軸向壓縮桿件第二節(jié)軸向拉伸和壓縮圖2-8截面法求內(nèi)力一、桿件內(nèi)力分析第二節(jié)軸向拉伸和壓縮由于合外力的作用線和桿件的軸線重合，由內(nèi)、外力平衡條件可知，桿件任意截面上內(nèi)力的作用線也必與桿的軸線重合，即垂直于桿的橫截面，并通過截面形心。(

4、1)內(nèi)力的大小(2)內(nèi)力的符號軸力的指向背離截面時(shí)，桿受拉，軸力為正；反之桿受壓，軸力為負(fù)；截面法求內(nèi)力如圖2-8所示。圖2-9軸向承受載荷的桿件a)桿件受力情況b)11截面內(nèi)力分析圖c)22截面內(nèi)力分析圖d)桿件的軸力圖第二節(jié)軸向拉伸和壓縮例2-1軸向承受載荷的桿件如圖2-9a所示，沿桿件軸線作用的軸向外力大小為F1=2.5kN，F(xiàn)2=4kN，F(xiàn)3=1.5kN。試畫出桿件的軸力圖。解采用截面法，在桿件AC段內(nèi)以橫截面11將桿件切為兩段，畫出左段的受力圖，如圖2-9b所示，并設(shè)截面11上的軸力為FN1，列平衡方程為二、桿件橫截面上正應(yīng)力的分析與計(jì)算根據(jù)材料的均勻連續(xù)假設(shè)，當(dāng)變形相同時(shí)，受力也相

5、同，橫截面的內(nèi)力均勻分布，方向垂直于橫截面。四、材料的力學(xué)性能1.低碳鋼在軸向拉伸時(shí)的力學(xué)性能2.脆性材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能3.低碳鋼壓縮時(shí)的力學(xué)性能4.鑄鐵壓縮時(shí)的力學(xué)性能5.許用應(yīng)力四、材料的力學(xué)性能圖2-10拉伸試件的幾何尺寸1.低碳鋼在軸向拉伸時(shí)的力學(xué)性能圖2-11低碳鋼的拉伸曲線1.低碳鋼在軸向拉伸時(shí)的力學(xué)性能圖2-12Q235鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線(1)彈性階段在彈性階段(OA段)時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變成正比，1.低碳鋼在軸向拉伸時(shí)的力學(xué)性能應(yīng)力應(yīng)變曲線為一段直線，最高點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力稱為彈性極限，用p來表示。(2)屈服階段當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限時(shí)，應(yīng)力在小范圍內(nèi)波動，但應(yīng)變增加很快，應(yīng)力應(yīng)變曲線是一段接近

6、水平的鋸齒形，這個(gè)階段稱為屈服階段。圖2-13縮頸現(xiàn)象1.低碳鋼在軸向拉伸時(shí)的力學(xué)性能(3)強(qiáng)化階段屈服階段以后，材料重新產(chǎn)生了抵抗變形的能力(CD段)，圖中曲線表明若要試件繼續(xù)變形，就必須增加應(yīng)力，這個(gè)階段稱為強(qiáng)化階段。(4)縮頸階段當(dāng)應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限之后，在試件薄弱處將發(fā)生急劇的局部收縮，出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，如圖2-13所示。1.低碳鋼在軸向拉伸時(shí)的力學(xué)性能圖2-14鑄鐵和玻璃鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變(-)曲線4.鑄鐵壓縮時(shí)的力學(xué)性能4.鑄鐵壓縮時(shí)的力學(xué)性能正應(yīng)力、切應(yīng)力 應(yīng)力的概念FAPm=q正應(yīng)力（垂直于截面的應(yīng)力）q切應(yīng)力（相切于截面的應(yīng)力） 應(yīng)力單位為：1Pa=1N/m2 （帕或帕斯卡)常

7、用單位：MPa（兆帕），1MPa=106 Pa=1N/mm2A截面面積平均應(yīng)力Pm，如圖所示單位面積上內(nèi)力的大小，稱為應(yīng)力單位面積上軸力的大小，稱為正應(yīng)力單位面積上剪力的大小，稱為切應(yīng)力5.許用應(yīng)力機(jī)械設(shè)計(jì)中允許零件或構(gòu)件承受的最大應(yīng)力值。要判定零件或構(gòu)件受載后的工作應(yīng)力過高或過低，需要預(yù)先確定一個(gè)衡量的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是許用應(yīng)力。凡是零件或構(gòu)件中的工作應(yīng)力不超過許用應(yīng)力時(shí)，這個(gè)零件或構(gòu)件在運(yùn)轉(zhuǎn)中是安全的，否則就是不安全的。許用應(yīng)力是機(jī)械設(shè)計(jì)中的基本數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，許用應(yīng)力值一般由國家工程主管部門根據(jù)安全和經(jīng)濟(jì)的原則，按材料的強(qiáng)度、載荷、環(huán)境情況、加工質(zhì)量、計(jì)算精確度和零件或構(gòu)件的重要性等

8、加以規(guī)定。許用應(yīng)力等于考慮各種影響因素后經(jīng)適當(dāng)修正的材料的失效應(yīng)力（靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)中用屈服極限或強(qiáng)度極限，疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中用疲勞極限）除以安全系數(shù)。塑性材料（大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金）以屈服極限為基準(zhǔn),除以安全系數(shù)后得許用應(yīng)力;脆性材料（鑄鐵和高強(qiáng)鋼）以強(qiáng)度極限為基準(zhǔn)，除以安全系數(shù)后得許用應(yīng)力。塑性材料和脆性材料并沒有嚴(yán)格的絕對界限，所以有時(shí)很難預(yù)先確定用屈服極限還是用強(qiáng)度極限為基準(zhǔn)來確定許用應(yīng)力。 一、極限應(yīng)力、許用應(yīng)力和安全系數(shù)一、極限應(yīng)力、許用應(yīng)力和安全系數(shù)許用應(yīng)力許用應(yīng)力：構(gòu)件安全工作時(shí)材料允許承受的最大應(yīng)力：構(gòu)件安全工作時(shí)材料允許承受的最大應(yīng)力。構(gòu)構(gòu)件的工作應(yīng)力必須小于材料的極限應(yīng)力。件的工作

9、應(yīng)力必須小于材料的極限應(yīng)力。塑性材料塑性材料： 0.2ssn或脆性材料脆性材料： bbnn s s、n b b是安全系數(shù): n s s =1.4=1.41.71.7 n b b 2.52.53.03.0極限應(yīng)力極限應(yīng)力：材料喪失正常工作能力時(shí)的應(yīng)力：材料喪失正常工作能力時(shí)的應(yīng)力。塑性變形是塑塑性變形是塑性材料破壞的標(biāo)志性材料破壞的標(biāo)志。屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) 或條件屈服極限或條件屈服極限 為塑性材料為塑性材料的極限應(yīng)力；的極限應(yīng)力；斷裂斷裂是脆性材料破壞的標(biāo)志，因此把抗拉強(qiáng)度是脆性材料破壞的標(biāo)志，因此把抗拉強(qiáng)度 和抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度 ，作為脆性材料的極限應(yīng)力。，作為脆性材料的極限應(yīng)力。 sbby m a

10、 xm inNFA MPaMPaAFN6 . 32184187542222 除低碳鋼、中碳鋼及少數(shù)合金鋼有屈服現(xiàn)象外，大多數(shù)金屬材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象。國標(biāo)規(guī)定，以產(chǎn)生試樣標(biāo)長的0.2%殘余變形時(shí)的應(yīng)力作為其屈服極限，以 表示。 為條件屈服極限。NoImage二、 拉(壓)桿的強(qiáng)度條件 因?yàn)槔▔海U橫截面上的軸力沿截面的法向，故橫截面上只有正應(yīng)力NoImage正應(yīng)力的符號與軸力符號規(guī)定相同，即拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。 強(qiáng)度計(jì)算： 為了使構(gòu)件不發(fā)生拉(壓)破壞，保證構(gòu)件安全工作的條件是：最大工作應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力。這一條件稱為強(qiáng)度條件。 NoImageNoImage 應(yīng)用該條件式可以解決

11、以下三類問題：校核強(qiáng)度 、設(shè)計(jì)截面 、確定許可載荷 。NoImage.強(qiáng)度校核： 已知 FN和 A，可以校核強(qiáng)度，即考察強(qiáng)度是否夠用NoImage.設(shè)計(jì)截面:已知 FN和 ，可以設(shè)計(jì)構(gòu)件的截面A（幾何形狀）NoImage3.確定許用載荷:已知A和，可以確定許用載荷NoImage強(qiáng)度條件的工程應(yīng)用有以下三個(gè)方面3.確定許可載荷例2-2圖2-17所示為某銑床工作臺的進(jìn)給液壓缸，缸內(nèi)的工作壓力q=2MPa，液壓缸內(nèi)徑D=75mm，活塞桿直徑d=18mm，已知活塞桿材料的許用應(yīng)力=50MPa，圖2-17某銑床工作臺的進(jìn)給液壓缸解活塞桿發(fā)生軸向拉伸變形，其橫截面上的軸力為DpdF例4： 某銑床工作臺進(jìn)給油缸如圖所示，缸內(nèi)工作油壓p=2MPa，油缸內(nèi)徑D75mm，活塞桿直徑d18mm，已知活塞桿材料的許用應(yīng)力 50MPa，試校核活塞桿的強(qiáng)度。 NoImage解：1.求活塞桿的軸力。設(shè)缸內(nèi)受力面積為