4.构件承载能力分析（课件）-高二《汽车机械基础》同步教学（人民交通版）

构件承载能力分析 构件承载能力分析 本节内容主要解决在常温和静载条件下材料在轴向拉压时的力学性能计算问题。即轴向载荷分析问题。所谓常温就是指室温；静载是指平稳缓慢加载至一定值后不再变化的载荷。 其他类型的承载下的变形问题本书不作讨论，可参考其他相关资料。 构件载荷概论 2023/6/30 构件轴向载荷分析 【案例引入】发动机曲柄连杆机构中的连杆强度分析 在课题二中，已对曲柄连杆机构进行了受力分析、绘制了受力图、并求出有关作用力的大小。现已知连杆横截面最小截面积为10mm2,连杆材料的许用应力[σ ]=60MPa。试校核连杆的强度。 要解决以上发动机连杆受拉（压）时的强度计算与校核任务，必须要具备构件在承受轴向载荷时的应力、许用应力、强度条件等方面的基本知识。 构件轴向载荷 2023/6/30 构件轴向载荷分析 1.内力与应力 当物体受到外力作用时，使组成物体质点间的相互位置发生变化，质点间的相互作用也随之改变，为了维持构件各部分之间的联系，保持构件的形状和尺寸，构件内部各部分之间必定存在着相互作用的力，该力称为内力。 材料相同，粗细不同的两根杆，在受到相同的拉力作用时，尽管两杆的内力相同，但随外力的增加，细杆更容易被拉断。这说明拉杆的强度不仅与轴力的大小有关，还取决于杆件的截面尺寸。材料在单位横截面积上的内力称为应力，用 表示。 在实际工程中，容易碰到材料质地不均匀、承受载荷不确定、近似计算和外界环境作用等情况，为了保证构件具有一定的强度储备，应计算出构件安全工作时，材料所允许承受的最大应力，通常称为许用应力，用 表示。 构件轴向载荷 1 轴向拉伸（或压缩）时的应力 2023/6/30 构件轴向载荷分析 在进行内力分析的时候，我们假设并认为杆横截面上的应力均匀分布，但杆横截面尺寸突然变化，如在杆件上钻孔等，都会造成横截面突变处的局部区域内，应力的急剧增大，离开突变区域稍远处，应力又趋于均匀。通常将这种横截面尺寸突然变化处，应力急剧增大的现象称为应力集中（图41）。 图41 应力集中 构件轴向载荷 2023/6/30 构件轴向载荷分析 2.低碳钢拉伸时的力学性能 构件的强度和变形不仅与构件的尺寸和所承受的载荷有关，而且还与构件所用材料的力学性能（又称材料的力学性能）有关。材料的力学性能是指在外力的作用下，材料在变形和破坏方面表现出的特性。 构件轴向载荷 2023/6/30 构件轴向载荷分析 3.材料压缩时的力学性能 图42、图43所示分别为低碳钢、铸铁拉伸、压缩时的σ-ε 曲线。 图42 低碳钢拉伸、压缩应力应变曲线 1-43 铸铁拉伸、压缩应力应变曲线 2023/6/30 构件轴向载荷分析 塑性材料的δ 和ψ 值都比较大，表示材料破坏前能发生很大的塑性变形。材料塑性好，便于加工，而且抵抗冲击的能力较好，受应力集中的影响较小。脆性材料的δ 和ψ 值都比较小，故难以加工，矫正构件安装位置时容易产生裂纹，抵抗冲击的能力差，受应力集中的影响较大。塑性材料的抗拉能力和抗压能力基本相同，对受拉和受压构件都适用，但价格比脆性材料高。对于其他脆性材料，如硅石、水泥等，其抗压能力也显著地高于抗拉能力。一般脆性材料价格较便宜，因此工程上常用脆性材料做承压构件，不宜用作受拉构件。 2023/6/30 构件轴向载荷分析 在工程实际中，许多构件承受拉力和压力的作用。如图44所示的起重机吊架中，忽略自重，AB，BC 两杆均为二力杆。这类杆件的受力特点是：杆件承受外力的作用线与杆件轴线重合；变形特点是：杆件沿轴线方向伸长或缩短。这种变形形式称为轴向拉伸或压缩，简称拉伸或压缩。这类杆件称为拉杆或压杆。内燃机中的连杆、压缩机中的活塞杆等均属此类。它们都可以简化成图45所示的计算简图。 图44起重机吊架 图45拉、压杆件计算简图 2 轴向拉伸（或压缩）时的强度计算 2023/6/30 构件轴向载荷分析 1.横截面上的正应力 要确定拉压杆横截面上的应力，必须了解其内力系在横截面上的分布规律。由于力与变形有关，因此，首先观察分析杆的变形。取一等截面直杆，事先在其表面画两条横截面的边界线（ab 和cd ）和许多与轴线平行的纵向线【图46a）】，然后在两端沿轴线施加拉力F【图46b）】，可发现： 1）所有纵向线发生伸长，且伸长量相等。 2）横截面边界线沿轴线发生相对平移。ab 、cd 分别移至a′b′ 和c′d′ ，但仍为直线，并仍于纵向线垂直。 图46 拉伸变形现象 2023/6/30 构件轴向载荷分析 根据这一现象可作如下假设：变形前为平面的横截面，变形后仍为平面，但沿轴向发生了平移，此假设称为平面假设。根据平面假设，任意两横