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第二章軸向拉壓應(yīng)力與剪切第二章軸向拉壓應(yīng)力與剪切材料力學(xué)1軸向拉壓應(yīng)力與剪切工程實(shí)例和基本概念軸向拉壓桿的內(nèi)力和內(nèi)力圖軸向拉壓桿的應(yīng)力和強(qiáng)度計(jì)算材料在拉壓時(shí)的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)力集中的概念拉壓部分小結(jié)剪切與擠壓的強(qiáng)度計(jì)算2工程實(shí)例和基本概念一、工程實(shí)例:活塞桿、廠房的立柱、工程桁架等。FFFABCF3受力簡(jiǎn)圖:二、軸向拉壓的概念:(1)受力特點(diǎn):作用于桿兩端的外力合力作用線(xiàn)與桿軸線(xiàn)重合。(2)變形特點(diǎn):桿沿軸線(xiàn)方向伸長(zhǎng)或縮短。FFFFFN1FN1FN2FN24軸向拉壓桿的內(nèi)力和內(nèi)力圖一、外力和內(nèi)力的概念2.內(nèi)力:物體內(nèi)部各粒子之間的相互作用力。附加內(nèi)力:由外力作用而引起的物體內(nèi)部各粒子之間相互作用力的改變量(材料力學(xué)中的內(nèi)力)。1.外力:一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體的相互作用力(荷載、支反力)。5FFaFFFF6二、內(nèi)力的確定——截面法(基本方法)1、截開(kāi)—欲求哪個(gè)截面的內(nèi)力,就假想的將桿從此截面截開(kāi),桿分為兩部分。2、代替—取其中一部分為研究對(duì)象,移去另一部分,把移去部分對(duì)留下部分的相互作用力用內(nèi)力代替。3、平衡—利用平衡條件,列出平衡方程,求出內(nèi)力的大小。7三、軸向拉壓桿的內(nèi)力1.外力——F2.內(nèi)力——FN(軸力)(1)軸力的大?。海ń孛娣ù_定)FF1—1FFN①截開(kāi)。②代替,用內(nèi)力“FN”代替。③平衡,∑X=0,FN-F=0,FN=F。8FN+FN-(2)軸力的符號(hào)規(guī)定:原則—根據(jù)變形壓縮—壓力,其軸力為負(fù)值。方向指向所在截面。拉伸—拉力,其軸力為正值。方向背離所在截面。9(3)軸力圖:軸力沿軸線(xiàn)變化的圖形①取坐標(biāo)系②選比例尺③正值的軸力畫(huà)在X軸的上側(cè),負(fù)值的軸力畫(huà)在X軸的下側(cè)。+FNx①反映出軸力與截面位置變化關(guān)系,較直觀;②確定出最大軸力的數(shù)值及其所在橫截面的位置,即確定危險(xiǎn)截面位置,為強(qiáng)度計(jì)算提供依據(jù)。(4)軸力圖的意義10(5)注意的問(wèn)題①在截開(kāi)面上設(shè)正的內(nèi)力方向。②采用截面法之前,不能將外力簡(jiǎn)化、平移。FNPFFFFN11[例1]圖示桿的A、B、C、D點(diǎn)分別作用著大小為5F、8F、4F、F的力,方向如圖,試畫(huà)出桿的軸力圖。FN1ABCDFAFBFCFDOABCDFAFBFCFD解:求OA段內(nèi)力FN1:設(shè)截面如圖12同理,求得AB、BC、CD段內(nèi)力分別為:FN2=–3F
FN3=5FFN4=FFN2CDFCFDFN3DFDFN4BCDFBFCFDABCDFAFBFCFDO13軸力圖如右圖示FNx2F3F5FFABCDFAFBFCFDO5kN8kN3kN3kN5kN14試作圖a所示桿的軸力圖。例題2-2FFFl2ll(a)ABCD151.用截面法分別求各段桿的軸力約束反力為FR=F例題2-2FR2FFFq11233(b)l2llxABCD解:16以圖c為分離體,得FN1=F以圖e為分離體,得FN3=F例題2-2(c)11AF33D(e)2FFFqFR11233(b)l2llxABCD17以圖d為分離體,得例題2-2BqFFx1A22(d)2FFFqFR11233(b)l2llxABCD18FN
圖FFF+-+(f)2.由以上結(jié)果畫(huà)出軸力圖如圖f所示例題2-2FFFl2ll(a)ABCD19求分布荷載作用的BC段的軸力時(shí),作截面之前不允許用合力2lq=2F代替分布荷載。作截面之后,利用平衡方程求軸力時(shí),方可用合力qx1代替分布荷載。求軸力時(shí),不允許將力沿其作用線(xiàn)段,例如,將作用在D截面的力F移到C截面時(shí),AB、BC段的軸力不變,而CD段軸力為零。例題2-2FFFl2ll(a)ABCD20解:x坐標(biāo)向右為正,坐標(biāo)原點(diǎn)在自由端。取左側(cè)x段為對(duì)象,內(nèi)力FN(x)為:[例2]圖示桿長(zhǎng)為L(zhǎng),受分布力q=kx作用,方向如圖,試畫(huà)出桿的軸力圖。Lq(x)FN(x)xq(x)FNxO–21軸向拉壓桿的應(yīng)力和強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題提出:FFFF1.內(nèi)力大小不能全面衡量構(gòu)件強(qiáng)度的大小。2.構(gòu)件的強(qiáng)度由兩個(gè)因素決定:①內(nèi)力在截面分布集度應(yīng)力;
②材料承受荷載的能力。2F2F22一、應(yīng)力的概念截面某點(diǎn)處內(nèi)力分布的密集程度在大多數(shù)情形下,工程構(gòu)件的內(nèi)力并非均勻分布,集度的定義不僅準(zhǔn)確而且重要,因?yàn)椤捌茐摹被颉笆А蓖鶑膬?nèi)力集度最大處開(kāi)始。2324mmF1F2F3F41、一般受力桿:——ΔA上的平均應(yīng)力F1F2pστcF1F2△F△FN△FT△Ac(1)、定義:25(2)單位:——帕斯卡(帕)——“剪應(yīng)力”,平行于橫截面——“正應(yīng)力”,垂直于橫截面——C點(diǎn)處的總應(yīng)力千帕兆帕吉帕262、軸向拉壓桿:——ΔA上的平均正應(yīng)力——C點(diǎn)處的正應(yīng)力二、軸向拉壓桿橫截面上正應(yīng)力的確定推導(dǎo)的思路:實(shí)驗(yàn)→變形規(guī)律→應(yīng)力的分布規(guī)律→應(yīng)力的計(jì)算公式△FNFΔAσFC271、實(shí)驗(yàn):2、變形規(guī)律:橫向線(xiàn)——仍為平行的直線(xiàn),且間距增大。變形前受力后FF縱向線(xiàn)——仍為平行的直線(xiàn),且間距減小。285、應(yīng)力的計(jì)算公式:由可得由于“均布”,可得——軸向拉壓桿橫截面上正應(yīng)力的計(jì)算公式3、平面假設(shè):變形前的橫截面,變形后仍為平面且各橫截面沿桿軸線(xiàn)作相對(duì)平移4、應(yīng)力的分布規(guī)律——均布F297、正應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定——同內(nèi)力拉伸——拉應(yīng)力,為正值,方向背離所在截面。壓縮——壓應(yīng)力,為負(fù)值,方向指向所在截面。6、拉壓桿內(nèi)最大的正應(yīng)力:等直桿:變直桿:8、公式的使用條件(1)軸向拉壓桿(2)除外力作用點(diǎn)附近以外其它各點(diǎn)處。(范圍:不超過(guò)桿的橫向尺寸)30(1)公式中各值單位要統(tǒng)一10、注意的問(wèn)題9、圣維南原理:作用于桿上的外力可以用其等效力系代替,但替換后外力作用點(diǎn)附近的應(yīng)力分布將產(chǎn)生顯著影響,且分布復(fù)雜,其影響范圍不超過(guò)桿件的橫向尺寸。(2)“FN”代入絕對(duì)值,在結(jié)果后面可以標(biāo)出“拉”、“壓”。31三、軸向拉壓桿任意斜面上應(yīng)力的計(jì)算1、斜截面上應(yīng)力確定(1)內(nèi)力確定:(2)應(yīng)力確定:①應(yīng)力分布——均布②應(yīng)力公式——FNα=FN=F。FFFFFNα322、符號(hào)規(guī)定⑴、α:斜截面外法線(xiàn)與x軸的夾角。x軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)到n軸“α”規(guī)定為正值;x軸順時(shí)針轉(zhuǎn)到n軸“α”規(guī)定為負(fù)值。⑵、σα:同“σ”的符號(hào)規(guī)定⑶、τα:在保留段內(nèi)任取一點(diǎn),如果“τα”對(duì)其點(diǎn)之矩為順時(shí)針?lè)较蛞?guī)定為正值,反之為負(fù)值。334、σ、τ最大值的確定3、說(shuō)明:計(jì)算時(shí)“α”、“σα”、“τα”連同它們的符號(hào)代入。⑴:(2):橫截面上。,450斜截面上。,34四、拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算1、極限應(yīng)力、許用應(yīng)力⑴、極限應(yīng)力(危險(xiǎn)應(yīng)力、失效應(yīng)力):材料發(fā)生破壞或產(chǎn)生過(guò)大變形而不能安全工作時(shí)的最小應(yīng)力值?!唉襧x”(σu、σ0)⑵、許用應(yīng)力:構(gòu)件安全工作時(shí)的最大應(yīng)力?!啊拨摇场保ㄆ渲衝為安全系數(shù)值>1)⑶安全系數(shù)取值考慮的因素:(1)給構(gòu)件足夠的安全儲(chǔ)備。(2)理論與實(shí)際的差異。352、強(qiáng)度條件:等直桿:變直桿:3、強(qiáng)度計(jì)算:(1)、校核強(qiáng)度——已知:F、A、〔σ〕。求:(2)、設(shè)計(jì)截面尺寸——已知:F、〔σ〕。求:A解:A≥FNmax/〔σ〕。解:?36(3)確定外荷載——已知:〔σ〕、A。求:F。解:FNmax≤〔σ〕A?!鶩。37[例]已知一圓桿受拉力F=25kN,直徑d=14mm,許用應(yīng)力[]=170MPa,試校核此桿是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。解:①軸力FN
=F
=25kN②應(yīng)力:③強(qiáng)度校核:④結(jié)論:此桿滿(mǎn)足強(qiáng)度要求,能夠正常工作。FF25KNXFN38解:1、畫(huà)FN圖XFN40KN60KNABC例:已知:變截面直桿ABC的〔σ〕=100MPa,AB、BC各段的橫截面均為正方形求:AB、BC各段邊長(zhǎng)100kN40kN392、邊長(zhǎng)的確定:A≥FNmax/〔σ〕。ABC≥FNBC/〔σ〕=40*103/100=400mm2AAB≥FNAB/〔σ〕=100*103/100=1000mm2XFN40KN60KNABC100kN40kN40已知:三角架ABC的〔σ〕=120MPa,AB桿為2根80*80*7的等邊角鋼,AC為2根10號(hào)槽鋼,AB、AC兩桿的夾角為300。求:此結(jié)構(gòu)所能承擔(dān)的最大外荷載FmaxXYFNACFNAB300F300例:ABCF30041解:1、F與FN的關(guān)系2、FNmax的確定查表:AAB=10.86*2=21.72cm2AAC=12.75*2=25.5cm2XYFNACFNAB300F423、確定Fmax:Fmax=130.32KN43[例]已知三鉸屋架如圖,承受豎向均布載荷,載荷的分布集度為:q=4.2kN/m,屋架中的鋼拉桿直徑d=16mm,許用應(yīng)力[]=170MPa。試校核剛拉桿的強(qiáng)度。鋼拉桿4.2mq8.5m44①整體平衡求支反力解:FAyFByFAx鋼拉桿8.5mq4.2mAB45③應(yīng)力:④強(qiáng)度校核與結(jié)論:
此桿滿(mǎn)足強(qiáng)度要求,是安全的。FCyFCxFN②局部平衡求軸力:
qFAyFAxC46[例]簡(jiǎn)易起重機(jī)構(gòu)如圖,AC為剛性梁,吊車(chē)與吊起重物總重為F,為使BD桿最省料,角應(yīng)為何值?已知BD桿的許用應(yīng)力為[]。分析:xLhqFABCD47
BD桿面積A:解:
BD桿內(nèi)力FNBD:取AC為研究對(duì)象,如圖FAyFAxFNBDxqFABCL48③求VBD的最小值:49材料在拉壓時(shí)的力學(xué)性質(zhì)一、試驗(yàn)條件:常溫靜載。二、試驗(yàn)準(zhǔn)備:1、試件——國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試件。拉伸試件——兩端粗,中間細(xì)的等直桿。壓縮試件——很短的圓柱型:h=(1.5——3.0)dhdLd圓形截面:L=10d;L=5d。矩形截面:L=11.3;L=5.65502、設(shè)備——液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。51三、低碳鋼拉伸試驗(yàn)1、試驗(yàn)方法:逐級(jí)加載法。2、拉伸圖:(F-ΔL曲線(xiàn))。3、應(yīng)力——應(yīng)變圖:(σ-ε曲線(xiàn))。F△L、、、、、、、、、、、、、、、、△LFεσ524、低碳鋼拉伸時(shí)的四個(gè)階段⑴、彈性階段:ob。其中oa為直線(xiàn)段;ab為微彎曲線(xiàn)段。σp——為比例極限;σe——為彈性極限。⑵、屈服階段:bc。σs——屈服極限(屈服段內(nèi)最低的應(yīng)力值)。它是衡量材料強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)。⑶、強(qiáng)化階段:ce。σb
——強(qiáng)度極限(拉伸過(guò)程中最高的應(yīng)力值)。它是衡量材料強(qiáng)度的另一個(gè)指標(biāo)。σpεσσeσsoabcefσbd53⑷、局部變形階段(頸縮階段):ef。在此階段內(nèi)試件的某一橫截面發(fā)生明顯的變形,至到試件斷裂。5、延伸率:截面收縮率:它們是衡量材料塑性的兩個(gè)指標(biāo)。6、區(qū)分塑性材料和脆性材料:以常溫靜載下的δ大小。塑性材料:延伸率δ≥5%的材料。脆性材料:延伸率δ<5%的材料。547、卸載規(guī)率:當(dāng)拉伸超過(guò)屈服階段后,如果逐漸卸載,在卸載過(guò)程中,應(yīng)力——應(yīng)變將按原有直線(xiàn)規(guī)律變化。8、冷作硬化:在常溫下將鋼材拉伸超過(guò)屈服階段,卸載后短期內(nèi)又繼續(xù)加載,材料的比例極限提高而塑性變形降低的現(xiàn)象。9、時(shí)效硬化:在常溫下將鋼材拉伸超過(guò)屈服階段,卸載后在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)又繼續(xù)加載,材料的比例極限提高而塑性變形降低的現(xiàn)象。d0d1d2εPεeσpεσσeσsoabcefσbd55四、其它塑性材料的拉伸試驗(yàn)σ0.2——產(chǎn)生的塑性應(yīng)變?yōu)闀r(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。(又稱(chēng)為名義屈服極限)五、鑄鐵拉伸試驗(yàn)無(wú)明顯的直線(xiàn)段;無(wú)屈服階段;無(wú)頸縮現(xiàn)象;延伸率很小。σb——強(qiáng)度極限。E——割線(xiàn)的彈性模量。es0.2s0.2%e
ss
b
56六、低碳鋼的壓縮試驗(yàn)彈性階段,屈服階段均與拉伸時(shí)大致相同。超過(guò)屈服階段后,外力增加面積同時(shí)相應(yīng)增加,無(wú)破裂現(xiàn)象產(chǎn)生。七、鑄鐵的壓縮試驗(yàn)壓縮的強(qiáng)度極限遠(yuǎn)大于拉伸的強(qiáng)度極限。破壞面大約為450的斜面(由最大剪應(yīng)力引起的)。塑性差。其它脆性材料壓縮時(shí)的力學(xué)性質(zhì)大致同鑄鐵,工程上一般作為抗壓材料。e
sσbεσσpσeσsoabc57八、小結(jié)衡量材料力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo):σp(σe)、σs、σb、E、δ、χ。衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo):σs、σb。衡量材料塑性的指標(biāo):δ、χ。[]njxss=:許用應(yīng)力{}bsjxssss,,2.0:=極限應(yīng)力58應(yīng)力集中的概念一、應(yīng)力集中:由于截面尺寸的突然改變而引起局部應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象。F1F1σmaxF1σsF1>Fe59三、表現(xiàn)的性質(zhì):局部性質(zhì)。四、材料對(duì)應(yīng)力集中的反映:(靜載)塑性材料——影響小。脆性材料——影響大。二、應(yīng)力集中系數(shù):與材料無(wú)關(guān),為一大于1的應(yīng)力比值。σmax——局部最大應(yīng)力,σ——認(rèn)為同一截面均勻分布時(shí)的平均應(yīng)力。60軸向拉壓小結(jié)一、軸向拉壓的概念:1、受力特點(diǎn):作用于桿兩端的外力合力作用線(xiàn)與桿軸線(xiàn)重合。2、變形特點(diǎn):桿沿軸線(xiàn)方向伸長(zhǎng)或縮短。二、軸力的確定——截面法(基本方法)1、截開(kāi)——欲求哪個(gè)截面的內(nèi)力,就假想的將桿從此截面截開(kāi),桿分為兩部分。2、代替——取其中一部分為研究對(duì)象,移去另一部分,把移去部分對(duì)留下部分的相互作用力,用內(nèi)力代替。3、平衡——利用平衡條件,列出平衡方程,求出內(nèi)力的大小。61注意的問(wèn)題①在截開(kāi)面上設(shè)正的內(nèi)力方向。②采用截面法之前,不能將外力簡(jiǎn)化、平移。三、軸力圖的繪制軸力的符號(hào)規(guī)定:壓縮—壓力,其軸力為負(fù)值。方向指向所在截面。拉伸—拉力,其軸力為正值。方向背離所在截面。四、應(yīng)力:截面某點(diǎn)處內(nèi)力分布的密集程度1、拉壓橫截面正應(yīng)力的分布規(guī)律——均布2、拉壓橫截面應(yīng)力的計(jì)算公式:重點(diǎn)623、拉壓桿內(nèi)最大的正應(yīng)力:等直桿:變直桿:4、公式的使用條件(1)、軸向拉壓桿(2)、除外力作用點(diǎn)附近以外其它各點(diǎn)處。(范圍:不超過(guò)桿的橫向尺寸)5、拉壓斜截面上應(yīng)力確定631、極限應(yīng)力、許用應(yīng)力、安全系數(shù)的概念2、強(qiáng)度條件:3、強(qiáng)度計(jì)算:(1)、校核強(qiáng)度(2)、設(shè)計(jì)截面尺寸?A≥FNmax/〔σ〕。?(3)確定外荷載FNmax≤〔σ〕A?!鶩。?五、拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算重點(diǎn)六、材料在拉壓時(shí)的力學(xué)性質(zhì)1、低碳鋼拉伸重點(diǎn)64(1)、彈性階段;屈服階段;強(qiáng)化階段;局部變形階段(頸縮階段)。σp——為比例極限;σe——為彈性極限。σs——屈服極限σb
——強(qiáng)度極限σpεσσeσsoabcefσbd(2)、延伸率:截面收縮率:(3)、區(qū)分塑性材料和脆性材料:以常溫靜載下的δ大小。65(4)、卸載規(guī)律、冷作硬化、時(shí)效硬化的概念。(5)、σ0.2——名義屈服極限的含義2、鑄鐵拉伸試驗(yàn)無(wú)明顯的直線(xiàn)段;無(wú)屈服階段無(wú)頸縮現(xiàn)象;延伸率很小。σb——強(qiáng)度極限。e
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b
3、低碳鋼的壓縮試驗(yàn)彈性階段,屈服階段均與拉伸時(shí)大致相同。超過(guò)屈服階段后,外力增加面積同時(shí)相應(yīng)增加,無(wú)破裂現(xiàn)象產(chǎn)生。εσσpσeσsoabc664、鑄鐵的壓縮試驗(yàn)壓縮的強(qiáng)度極限遠(yuǎn)大于拉伸的強(qiáng)度極限。破壞面大約為450的斜面(由最大剪應(yīng)力認(rèn)起的)。塑性差。其它脆性材料壓縮時(shí)的力學(xué)性質(zhì)大致同鑄鐵,工程上一般作為抗壓材料。e
sσb5、衡量材料力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo):σp(σe)、σs、σb、E、δ、χ。衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo):σs、σb。衡量材料塑性的指標(biāo):δ、χ。[]njxss=:許用應(yīng)力{}bsjxssss,,2.0:=極限應(yīng)力67本章拉壓部分結(jié)束686970低碳鋼717273鑄鐵74一、工程實(shí)例剪切鋼板;在鋼板上沖圓孔;兩塊鋼板用鉚釘相連接;兩塊鋼板用焊縫相連接。剪切與擠壓的強(qiáng)度計(jì)算鋼板刀刃鉚釘FF焊縫FF沖頭鋼板Ⅰ剪切的概念75FFmmFFFFmm二、剪切的概念受力特點(diǎn):作用于構(gòu)件兩側(cè)面上的外力合力大小相等,方向相反,且作用線(xiàn)相距很近。變形特點(diǎn):兩力之間相鄰截面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。剪切面:相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的面。76一、外力:F。二、內(nèi)力:(截面法)剪力Fs=F。三、應(yīng)力:(實(shí)用剪應(yīng)力,名義剪應(yīng)力)假設(shè)——剪切面上只存在剪應(yīng)力,而且其分布是均勻的。方向:同剪力的方向。Ⅱ剪切的實(shí)用計(jì)算mmFFFFsτ772、許用剪應(yīng)力:四、強(qiáng)度計(jì)算1、強(qiáng)度條件:3、強(qiáng)度計(jì)算:⑴校核強(qiáng)度,⑵設(shè)計(jì)截面,⑶確定外荷載。78一、基本概念:2、擠壓面——相互壓緊的表面。其面積用Abs表示。3、擠壓力——擠壓面上的力。用Fbs表示。4、擠壓應(yīng)力——擠壓面上的壓強(qiáng)。用σbs表示。1、擠壓——構(gòu)件之間相互接觸表面產(chǎn)生的一種相互壓緊的現(xiàn)象。Ⅲ擠壓的實(shí)用計(jì)算FF791、強(qiáng)度條件:三、強(qiáng)度計(jì)算:2、強(qiáng)度計(jì)算:⑴校核強(qiáng)度,⑵設(shè)計(jì)截面尺寸,⑶確定外荷載。二、擠壓應(yīng)力的確定:(實(shí)用的擠壓應(yīng)力,名義擠壓應(yīng)力)假設(shè):擠壓面上只存在擠壓應(yīng)力,且擠壓應(yīng)力分布均勻。方向:垂直于擠壓面。80五、小結(jié)——接頭處的強(qiáng)度計(jì)算1、剪切的強(qiáng)度計(jì)算:2、擠壓的強(qiáng)度計(jì)算:3、軸向拉伸的強(qiáng)度計(jì)算:1、實(shí)際的擠壓面為平面時(shí)——按實(shí)際平面面積計(jì)算。四、擠壓面面積的確定dtAbs=dt2、實(shí)際的擠壓面為半圓柱型表面時(shí)——按其對(duì)應(yīng)的直經(jīng)平面計(jì)算。σbsmax≈Fbs/dt81例:木榫接頭如圖所示,a=b=12cm,h=35cm,c=4.5cm,P=40KN,試求接頭的剪應(yīng)力和擠壓應(yīng)力。解::受力分析如圖∶③:擠壓應(yīng)力計(jì)算:剪切面∶A=bh:剪應(yīng)力計(jì)算:剪力:Fs=F剪應(yīng)力:擠壓面:Abs=bc擠壓力:Fbs=F擠壓應(yīng)力:PPbF
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