第三章_杆件横截面上的应力应变分析

工程力学中的应力-应变分析如何进行？工程力学中的应力应变分析如何进行？在工程力学的领域中，应力应变分析是一项至关重要的工作。

它不仅帮助我们理解材料在受力时的行为，还为工程设计和结构安全性评估提供了关键的依据。

那么，应力应变分析究竟是如何进行的呢？要进行应力应变分析，首先得清楚什么是应力和应变。

简单来说，应力是材料内部单位面积上所承受的力，而应变则是材料在受力作用下发生的相对变形。

我们先来看应力。

应力可以分为正应力和切应力。

正应力是垂直于作用面的应力分量，比如一根杆子受到拉伸，其横截面上的应力就是正应力。

切应力则是平行于作用面的应力分量，像轴在扭转时，其横截面上就会产生切应力。

计算应力时，需要明确受力的情况和作用面的面积。

以简单的拉伸为例，如果一个杆子受到的拉力为 F，横截面积为 A，那么正应力就等于 F/A。

但实际情况往往复杂得多，可能涉及到不均匀的受力分布或者复杂的几何形状。

接下来谈谈应变。

应变分为线应变和角应变。

线应变表示长度的相对变化，比如杆子在拉伸时长度的增加量与原长的比值就是线应变。

角应变则反映了角度的变化，常见于物体的扭转或剪切变形。

为了准确测量应变，通常会使用各种应变测量仪器，比如电阻应变片。

这些仪器能够将微小的应变转化为电信号，从而实现测量和记录。

在实际的工程问题中，应力和应变之间存在着一定的关系，这就是材料的本构关系。

不同的材料具有不同的本构关系，比如线性弹性材料遵循胡克定律，即应力与应变成正比；而对于塑性材料，其应力应变关系则更加复杂。

要进行应力应变分析，第一步是确定结构的受力情况。

这包括外力的大小、方向和作用点，以及内部约束力的分布。

通过对结构进行力学建模，可以将复杂的实际结构简化为便于分析的力学模型。

然后，根据所选的力学模型，运用相应的力学原理和公式来计算应力和应变。

这可能涉及到材料力学中的拉伸、压缩、弯曲、扭转等各种基本变形的理论，以及结构力学中的静定和超静定结构的分析方法。

第三章杆件的应力与强度计算一.基本要求1.拉伸与压缩变形1.1熟练掌握应力的计算，理解胡克定律。

1.2了解常用材料在拉伸和压缩时的机械性质及其测量方法。

1.3理解许用应力、安全系数和强度条件，熟练计算强度问题。

2.扭转变形2.1理解纯剪切的概念、切应力互等定理和剪切胡克定律。

2.2理解圆轴扭转时应力公式推导方法，并熟练计算扭转应力。

2.3理解圆轴扭转强度条件的建立方法，并熟练计算强度问题。

3.弯曲变形3.1理解弯曲正应力的概念及其公式推导方法，熟练掌握弯曲正应力及强度问题。

3.2理解弯曲切应力的概念及其公式推导方法，掌握简单截面梁弯曲切应力的计算及弯曲切应力强度条件。

4.剪切与挤压变形：了解剪切和挤压的概念，熟练掌握剪切和挤压的实用计算方法。

5.熟练掌握常用截面的形心、静矩、惯性矩的计算及平行移轴公式。

3.1 引言本章讨论了拉伸或压缩、扭转变形和弯曲变形的应力和强度计算，以及剪切和挤压的实用计算。

3.2 拉压杆的应力与应变一．轴向拉（压）杆横截面上的应力1）平面假设：变形前后横截面保持为平面，而且仍垂直于杆轴线，如图2-8所示。

根据平面假设得知，横截面上各点正应力σ相等，即正应力均匀分布于横截面上，σ等于常量。

2）由静力平衡条件确定σ的大小由于dN=σ⋅dA，所以积分得则式中：σ—横截面上的正应力FN—横截面上的轴力A—横截面面积此式对于过集中力作用点的横截面不适应。

3）正应力σ的正负号规定为：拉应力为正，压应力为负。

对于的变截面直杆，在考虑杆自重（密度ρ）时，有FN=⎰σdA=σA Aσ=FN Aσx=FNx Ax其中FN=P+ρAx⋅x若不考虑自重，则FNx=P对于等截面直杆，最大正应力发生在最大轴力处，也就是最易破坏处。

而对于变截面直杆，最大正应力的大小不但要考虑FNx，同时还要考虑Ax。

例1 起吊三角架，如图2-10所示，已知AB杆由2根截面面积为10.86cm的角钢制成，2P=130kN，α=30 。

答案……………题目在后边一、判断题1错；2错；3错；4对；5错。

二、填空题2 强度、刚度、稳定性；3 运动效应、变形效应、内；4 连续性、应力和位移等力学量；5 弹性、塑性。

三、选择题1C；2C；3D；4C；5D；6C；7C。

第二章杆件的内力分析一、判断题1对；2错；3错；4错；5错；6错；7错；8对；9错。

二、填空题1 顺时针；2 上凹下凸；3 极；4 相同、不同、相同；5 相同、大于；6 斜直线、抛物线、极值。

三、选择题1A；2B；3C；4A；5A；6D；7C；8C；9A。

第三章杆件横截面上的应力应变分析一、判断题1错；2对；3对；5错；6错；7错；8对；9对；10错；11对；12错；13对。

二、填空题1 法线、切线、正应力、σ、切应力、τ；2 F/A、横截面上、0、F/2A、45度斜截面上、F/2A、F/A；3 3、EGν、G=E/2(1+ν)、2；4略；5 高速轴所传递的扭矩比低速轴小；6 剪力为零、弯矩是常数的弯曲；7 材料服从胡克定律、杆件小变形；8 集中力作用的一侧；9 略；10 上下边缘、中性轴上。

三、选择题1C；2D；3B；4B；5C；6C；7C；8C；9A；10B。

第四章杆件的变形分析一、判断题1错；2对；3对；4错；5错；6错；7错；8错；9对；10错；11对。

二、填空题1 拉压刚度、变形、扭转刚度、变形；2略；3略；4 垂直于轴线、中性轴；5略；6 固定端的挠度和转角都为零；7 弯矩最大处；8略；9 梁材料为线弹性、梁变形为小变形；10 波纹板对其中性轴的惯性矩大于同样截面的平板。

三、选择题1D；2D；3D；4B；5D；6D；7B；8D；9A。

第五章应力状态和应变状态分析一、判断题1对；2错；3错；4错；5错；6错；7对；8对；9对；10错；11对。

二、选择题1A；2A；3C。

第六章材料的力学性能略。

第七章压杆稳定一、判断题1错；2对；3错；4错；5错；6错；7对；8错；9对；10错；11错；12对。

第三章 杆件的基本变形这一章主要研究材料力学的有关内容，主要研究各种构件在外力作用下的内力和变形。

在保证满足强度、刚度和稳定性的前提下，为构件选用适宜的材料、确定合理的截面形状和尺寸，以达到即安全又经济的目的。

材料力学的研究对象主要是“杆件”，所谓杆件是指纵向（长度方向）尺寸远比横向（垂直于长度方向）尺寸大的多的构件，例如柱、梁和传动轴等。

杆有两个主要的几何因素，即横截面和轴线。

横截面指的是垂直于轴线方向的截面，后者即为所有横截面形心的连线。

杆件在外力作用下产生的变形，因外力作用的方式不同而有下列四种基本形式：（1） 轴向拉压变形；（2） 剪切变形；（3） 扭转变形，（4） 弯曲变形。

在工程实际中，有些构件的变形虽然复杂，但总可以看作是由以上几种基本变形组合而成，称为组合变形。

第1节 拉伸和压缩在工程结构和机器中，有许多构件是轴向拉伸和压缩作用。

本节主要讨论轴向拉伸的压缩时杆的内力和变形，并对材料在受拉、压时的力学性能进行研究，从而得出轴向拉、压杆的强度计算方法。

1、 内力与截面法1、内力的概念杆件在外力作用下产生变形，其内部的一部分对另一部分的作用称为内力。

显然，若外力消失，则内力也消失，外力增大，内力也增大。

但是对一定的材料来说，内力的增加只能在材料所特有的限度之内，超过这个限度，物体就会破坏。

所以，内力与强度是密切相关的。

2、截面法设一直杆，两端受轴向拉力F作用。

为了求出此杆任一截面m-m上的内力，，我们可以假想用一个平面，沿截面m_m将杆截断，把它分成Ⅰ、Ⅱ两部分，取Ⅰ段作为研究对象。

在Ⅰ段的截面m_m上到处都作用着内力，其合力为F N。

F N是Ⅱ段对Ⅰ段的作用力，并与外力F相平衡。

由于外力F的作用线沿杆件轴线，显然，截面m_m上的内力的合力也必然沿杆件轴线。

对Ⅰ段建立平衡方程：F N-F=0 得 F N＝F将受外力作用的杆件假想地切开用以显示内力，并以平衡条件来确定其合力的方法，称为截面法。

第三章杆件横截面上的应力应变分析利用截面法可以确定静定问题中的杆件横截面上的内力分量，但内力分量只是横截面上连续分布内力系的简化结果，仅根据内力并不能判断杆件是否有足够的强度。

如用同一种材料制成粗细不同的两根杆，在相同的拉力作用下，两杆的轴力是相同的，当拉力增大时，细杆必定先被拉断。

这说明拉杆的强度不仅与轴力大小有关，还与横截面面积有关，因此还必须引入内力集度的概，即应力的概念。

本章在此基础上分别讨论了杆件在拉压、扭转和弯曲三种基本变形和组合变形下横截面上应力的分布规律，导出了应力计算公式，为后面对杆件进行强度计算打下了基础。

第一节应力、应变及其相互关系一、正应力、剪应力观察图3-1a所示受力杆件，在截面上围绕K点取微小面积，其上作用有微内力，于是在上内力的平均集度为：（3-1）亦称为面积上的平均应力。

一般来说截面上的内力并不均匀分布，因此平均应力随所取ΔA的不同而变化。

当ΔA趋向于零时，的大小方向都将逐渐趋于某一极限。

(3-2)式中,p称为K点的应力，它反映内力系在K点的强弱程度。

p是一个矢量，一般说既不与截面垂直，也不与截面相切。

通常将其分解为垂直于截面的应力分量和相切于截面的应力分量(图3-1b)。

称为正应力，称为切应力。

在国际单位制中，应力的单位是牛顿/米2（N/M2），称为帕斯卡，简称帕（Pa）。

由于这个单位太小，通常使用兆帕（MPa），1MPa = 106Pa。

二、正应变、切应变杆件在外力作用下，其尺寸或几何形状将发生变化。

若围绕受力弹性体中任意点截取一个微小正六面体（当六面体的边长趋于无限小时称为单元体），六面体的棱边边长分别为Δx 、Δy 、Δz （图3-2 ）。

把该六面体投影到xy平面（图3-2b）。

变形后，六面体的边长和棱边夹角都将发生变化(图3-2c)。

变形前长为Δx的线段MN，变形后长度为Δx+Δs。

相对变形(3-3)表示线段MN单位长度的平均伸长或缩短，称为平均应变。

当Δx趋向于零，即点N趋向于M点时，其极限为(3-4)式中，ε称为M点沿x方向的线应变或正应变，ε为无量纲量。