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1、机械设计基础,第3章机械零件的工作能力分析,第3章机械零件的工作能力分析,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析3.3零件扭转变形时的工作能力分析3.4零件弯曲变形时的工作能力分析3.5零件组合变形时的工作能力分析3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,图3-1轴向拉伸与压缩,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,3.1.1轴向拉伸或压缩的概念杆件受到外部沿轴线方向的拉力或压力（称轴向力）作用而使杆件沿轴向伸长或缩短，这种变形称为轴向拉伸或压缩，如图31所示。产生拉伸或压缩
2、变形的杆件称为拉压杆。,图3-2旋臂式起重机,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,图3-3紧固螺栓,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,图3-4液压缸活塞杆,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,图3-5建筑物中的支柱,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,3.1.2内力分析与应力分析1.轴力和轴力图(1)轴力作用在杆件上的载荷和约束反力统称为外力。,图3-6拉(压)杆横截面上的内力,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,3.1.3轴向拉伸或压缩时的变形计算,图3-9拉杆的变形,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,表3-1几种常
3、用材料的E和值,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,3.1.4材料在拉伸或压缩时的力学性能材料在外力作用下其强度和变形方面所表现出的力学性能，是强度计算和选用材料的重要依据。在不同的温度和加载速度下，材料的力学性能将发生变化。本节主要介绍常用材料在常温（指室温）、静载（加载速度缓慢平稳）情况下，拉伸和压缩时的力学性能。,图3-11拉压试件标准,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,1.(1)低碳钢在拉伸时的力学性能低碳钢是工程上应用最广泛的材料，同时，低碳钢试件在拉伸试验中所表现出来的力学性能最为典型。,图3-12低碳钢拉伸图,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分
4、析,图3-13Q235钢拉伸的-曲线图,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,(2)材料的力学性能指标试件拉断后，材料的弹性变形消失，塑性变形则保留下来，试件长度由原长L0变为Lu。,图3-14铸铁在拉伸时的-曲线图,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,(3)铸铁在拉伸时的力学性能对于脆性材料，例如灰铸铁，从图3-14所示的-曲线可以看出，从开始受拉到断裂，没有明显的直线部分(图中实线)。2.,图3-15低碳钢压缩时的-曲线图,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,图3-16铸铁压缩时的-曲线图,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,1)刚度指标：弹性
5、模量E。2)强度指标：屈服极限s和强度极限b(bc)。3)塑性指标：断后伸长率A和断面收缩率Z。3.1.5轴向拉伸或压缩时的强度计算1.许用应力和安全因数2.轴向拉伸或压缩时的强度计算(1)强度校核若已知杆件尺寸A、载荷F和材料的许用应力，则可验算杆件是否满足强度要求(2)设计截面尺寸若已知杆件的工作载荷及材料的许用应力(3)确定许可载荷若已知杆件尺寸和材料的许用应力，可确定许可载荷,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,3.1.6压杆稳定性的概念 由前所述，对于一般的受压直杆，认为只要满足压缩强度条件，就能保证压杆的正常工作。事实上这一结论仅适合于短粗压杆，而细长压杆并非如此。,3
6、.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,图3-18压杆的稳定性,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,图3-19细长压杆的应用实例,3.1零件轴向拉伸(压缩)变形时的工作能力分析,解决压杆稳定问题的关键是提高临界压力Fcr。工程上提高压杆的稳定性的主要措施有：加固端部约束；减小压杆长度；采用合理的截面形状如图3-20所示。,图3-20合理的截面形状理,3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析,3.2.1剪切与挤压的概念1.,图3-21剪板机剪切钢板,3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析,图3-22铆钉连接,3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析,图3-23螺栓联接,2.,
7、3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析,图3-24挤压的概念,3.2.2剪切与挤压的内力分析与应力分析,3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析,用截面法来研究铆钉在剪切面上的内力。用一截面假想地将铆钉沿剪切面m-m截开，分为上下两部分。任取一部分为研究对象，为了保持平衡，在剪切面内必然有与外力F大小相等，方向相反的内力存在，这个内力叫做剪力，用FQ表示，它是剪切面上分布内力的合力，如图325所示。,图3-25剪切内力与应力分析,3.2零件剪切与挤压变形时的工作能力分析,图3-26挤压应力分析,3.2.3抗剪与挤压强度计算1.抗剪强度条件2.挤压强度条件,3.3零件扭转变形时的工作能力分析,
8、3.3.1扭转的概念驾驶汽车时，司机加在转向盘上两个大小相等、方向相反的切向力，它们在垂直于操纵杆轴线的平面内组成一力偶，如图329所示。同时，操纵杆下端则受到一转向相反的阻力偶的作用。在这两个力偶作用下，操纵杆产生扭转变形。,图3-29汽车转向盘的操纵杆,3.3零件扭转变形时的工作能力分析,图3-30掘土机械中的螺旋钻的空心圆轴,3.3零件扭转变形时的工作能力分析,图3-31扭转变形,3.3.2内力分析与应力分析1.外力偶矩的计算2.转矩与转矩图,3.3零件扭转变形时的工作能力分析,图3-32转矩,3.3零件扭转变形时的工作能力分析,3.3.3圆轴扭转的强度计算由前所述，等截面圆轴扭转时，最
9、大应力发生在最大转矩截面的外周边各点；变截面轴扭转时最大应力则发生在转矩与扭转截面系数之比最大的那个截面上，所以对变截面轴而言，应根据转矩与扭转截面系数的比值来判断其危险截面。,图3-40例3-10图,3.3零件扭转变形时的工作能力分析,3.3.4圆轴扭转的变形和刚度计算1.相对扭转角,图3-41扭转变形,2.单位长度扭转角3.扭转刚度计算,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,3.4.1平面弯曲的概念1.基本概念,图3-42桥式起重机的大梁,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,图3-43承受转子重量的电动机轴,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,图3-44火车轮轴,3.4零件弯曲变形时的工作能
10、力分析,图3-45梁的平面弯曲,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,2.梁的计算简图及其分类(1)梁的简化不论梁的截面形状如何复杂可将梁简化为一根直杆，称为直梁。,图3-46梁的简化,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,(2)梁的支座的简化1)活动铰链支座。2)固定铰链支座。3)固定端支座。(3)载荷的简化1)集中载荷。2)分布载荷。3)集中力偶。(4)梁的基本形式根据梁的支承情况，一般可简化为下列三种形式：1)简支梁。2)外伸梁。,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,3)悬臂梁。3.4.2内力分析与应力分析1.梁弯曲时的内力剪力和弯矩,图3-47剪力和弯矩,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析
11、,图3-48剪力和弯矩的符号规定,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,图3-49例3-11图,2.弯矩图,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,图3-53纯弯曲时正应力的分布规律,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,表3-2常用截面的、计算公式,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,3.4.3梁的抗弯强度分析对于等截面梁，最大正应力产生在最大弯矩作用的截面上，此截面即为危险截面。最大正应力发生在危险截面上离中性轴最远处，即截面对应边缘处，称为危险截面上的危险点。(1)塑性材料,图3-54T形截面,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,(2)脆性材料脆性材料的抗拉能力远小于其抗压能力，为使截面上的压应
12、力大于拉应力，常将梁的横截面做成与中性轴不对称的形状，如T形截面，如图3-54所示。,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,图3-57挠曲线,3.4.4弯曲刚度简介,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,3.4.5提高梁抗弯强度和刚度的措施由前所述，影响梁的抗弯强度的主要因素是弯曲正应力，而弯曲正应力的强度条件为1.合理安排梁的受力情况(1)合理布置支承位置承受均布载荷的简支梁如图3-58a所示，最大弯矩值为1/8ql2，最大挠度为5q/384EI，若将两端支承各向内侧移动2/9l，如图3-58c所示，则最大弯矩降为如图3-58d所示，前者约为后者的5倍，同时因缩短了梁的跨度，使梁的变形大大减小，
13、最大挠度降为011q/384EI。,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,(2)合理配置载荷图3-59a所示为受集中力作用的简支梁。,图3-58受均布截荷的简支梁,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,图3-59受集中力作用的简支梁,3.4零件弯曲变形时的工作能力分析,图3-60不同截面形状,2.合理选择梁的截面形状,3.5零件组合变形时的工作能力分析,3.5.1组合变形的概念前面我们研究的是零件在外力作用下只产生一种基本变形，以及在各基本变形下的强度和刚度计算。但在实际工程中，有很多零件在外力作用下同时产生两种或两种以上基本变形，这种变形称为组合变形。3.5.2拉伸(压缩)与弯曲的组合变形拉伸（
14、压缩）与弯曲的组合变形在工程上是常见的，在这两类载荷作用下，杆件将产生拉伸（压缩）与弯曲的组合变形。,图3-61简易起重机的横梁AB的变形,3.5零件组合变形时的工作能力分析,图3-62立柱的变形,3.5零件组合变形时的工作能力分析,图3-63拉压组合变形外力、内力、应力的分析,3.5零件组合变形时的工作能力分析,1.外力分析2.内力分析3.应力分析4.强度计算3.5.3扭转和弯曲的组合变形扭转和弯曲的组合变形是机械工程中常见的情况，下面讨论轴类零件在弯扭组合变形时的强度计算。以带传动轴为例：,3.5零件组合变形时的工作能力分析,1.外力分析2.内力分析3.应力分析,图3-65弯扭组合变形外力
15、、内力、应力分析,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,一、实验任务测定材料的力学性能：材料的力学性能是强度计算和评定材料的主要依据，通过实验测定各项实验数据。二、实验方法与要求1.实验前的准备2.实验的进行3.实验报告的书写三、材料力学万能试验机介绍和操作,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,在材料力学实验中，总要对试样加载荷，从而测量出试样的承载能力和变形的数据。提供模拟、实验，并给出稳定参数的设备称为试验机，最常用的试验机是万能材料试验机。它可以做拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验。按机器结构和原理区别，试验机有多种类型，一般有液压式和机械式两种。下面着重
16、介绍液压式万能试验机。1.WE-60型液压式万能材料试验机介绍(1)加载系统在试验机后机座上装有两根支柱，支柱支撑着大横梁及工作液压缸，当开机后，电动机带动油泵，将油箱里的油经送油阀送至工作液压缸，推动大活塞使小横梁活动立杆和平台向上移动，试样受到拉伸。,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,(2)测力、示值系统装在试验机上的试样受力后，它受力大小可在测力度盘上直接读出。(3)载荷位移记录系统实验时，在测力系统的齿杠的笔架上装上记录笔，随齿杠的移动而在记录图上描绘。2.操作步骤和注意事项(1)操作步骤1)加载前，测力指针应指在度盘上的“零点”,否则必须加以调整。2)合理选择量
17、程根据估计的最大载荷，装上相应的锤重，使最大值在相应量程的40%80%之间为宜。3)安装试样装夹拉伸试样时，必须使试样处于中心垂直状态，然后调整下夹头的距离，将试样夹紧。,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,4)调整好自动绘图仪的传动装置和笔纸等。5)检查送、回油阀，一定要注意它们均应在关闭位置。6)开动油泵电动机，操纵送油阀，缓缓打开，用慢速均匀加载。7)实验完毕，立即停车取下试样，这时关闭送油阀，缓慢打开回油阀，使油液泄回油箱，于是活动平台回到原始位置，最后将一切机构复原，并清理机器。(2)注意事项1)开车前和停车后送油阀、回油阀一定要置于关闭位置。2)拉伸试样夹住后，
18、不得再调整下夹头的位置，以免带动下夹头升降的电动机烧坏。3)实验时，不得触动摆锤，以免影响实验读数。,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,4)在使用机器的过程中，如果听到异声或发生任何故障应立即停车，切断电源进行检查和复修。四、轴向拉伸实验1.试验目的1)测定低碳钢的屈服极限s，强度极限b，断后伸长率A,断面收缩率Z。2)测定铸铁的强度极限b。3)观察低碳钢拉伸过程的几个阶段，现象及拉伸图。4)比较低碳钢与铸铁二者力学性能的特点，并分析断口形状。2.设备3.实验原理,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,4.试样5.实验方法及步骤6.预习要求1)复习讲课中
19、有关材料拉伸时力学性能的内容：阅读本次实验内容和实验设备介绍中的万能试验机的结构原理、操作方法、注意事项以及有关千分表和游标卡尺的使用方法。,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,2)预习、思考时要考虑到：本次实验的内容和目的是什么；低碳钢在拉伸过程中可分哪几个阶段，各阶段有何特征；试验前、中、后需要测量和记录哪些数据；使用液压式万能试验机有哪些注意事项。五、轴向压缩实验1.实验目的1)测定压缩时低碳钢的屈服极限s，铸铁的强度极限b。2)观察上述两种材料的压缩变形和破坏形式，分析破坏原因。2.设备及量具3.实验原理,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,4.实验方法与步骤1)测量试件直径。2)选择试件的加载范围。3)按照操作规程，安装试件。5.预习要求1)复习讲课中有关材料压缩时力学性能的内容；阅读本次实验内容。,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,2)拉伸和压缩时，低碳钢的屈服点是否相同？铸铁的强度极限是否相同?一、实验目的二、实验设备、仪器三、实验记录和结果1.试件尺寸,表格,2.数据记录及计算(1)低碳钢,3.6基本技能训练材料轴向拉伸(压缩)时的力学性能实验,(2)铸铁(3)绘制-图一、实验目的二、实验设备、仪器三、实验记录和结果1.计算低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限,表格,2.绘制两种材料的变形和断口形状,
