材料力学课件第十三章动荷载.ppt

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1、1,材料力学,第十三章 动载荷,第十三章 动荷载,131 基本概念132 加速运动问题的动响应133 冲击荷载问题的动响应,一、动载荷:载荷不随时间变化(或变化极其平稳缓慢)且使构件各部件加速度保持为零(或可忽略不计),此类载荷为静载荷。载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化(系统产生惯性力),此类载荷为动载荷。,13-1 基本概念,二、动响应:构件在动载荷作用下产生的各种响应(如应力、应变、位移等),称为动响应。实验表明:在静载荷下服从虎克定律的材料,只要应力不超过比例极限,在动载荷下虎克定律仍成立且E静=E动。,动载荷,三、动荷系数:,动载荷,四、动应力分类:,1.简单动应力:加速度可

2、以确定,采用“动静法”求解。,2.冲击载荷:速度在极短暂的时间内有急剧改变,此时,加 速度不能确定,要采用“能量法”求解;,3.交变应力:应力随时间作周期性变化,属疲劳问题。,4.振动问题:求解方法很多。,13-2 加速运动问题的动响应,方法原理:DAlemberts principle(动静法),动载荷,达朗伯原理认为:处于不平衡状态的物体,存在惯性力,惯性力的方向与加速度方向相反,惯性力的数值等于加速度与质量的乘积。只要在物体上加上惯性力,就可以把动力学问题在形式上作为静力学问题来处理,这就是动静法。,例1 起重机钢丝绳的有效横截面面积为A,已知,单位 体积重为,以加速度a上升,试校核钢丝

3、绳的强度(不计绳 重)。,解:受力分析如图:,动应力,一、直线运动构件的动应力,动载荷,L,动荷系数:,强度条件:,动载荷,若:,满足,不满足,例2 起重机钢丝绳长60m,名义直径28cm,有效横截面面积A=2.9cm2,单位长度重量q=25.5N/m,=300MPa,以a=2m/s2的加速度提起重50kN 的物体,试校核钢丝绳的强度。,G(1+a/g),Nd,L q(1+a/g),动载荷,解:受力分析如图:,动应力,例3 重为G的球装在长L的转臂端部,以等角速度在光滑水平面上绕O点旋转,已知许用应力,求转臂的截面面积(不计转臂自重)。,强度条件,动载荷,解:受力分析如图:,w,GG,L,O,

4、二、转动构件的动应力:,小心,飞轮炸裂!,例4 设圆环的平均直径D、厚度t,且 tD,环的横截面面积为A,单位体积重量为,圆环绕过圆心且垂直于圆环平面的轴以等角速度旋转,如图所示,试确定圆环的动应力,并建立强度条件。,内力分析如图2,动载荷,解:惯性力分析,见图,应力分析,强度条件,动载荷,最大线速度:,13-3 冲击荷载问题的动响应,方法原理:能量法(机械能守恒),动载荷,在冲击物与受冲构件的接触区域内,应力状态异常复杂,且冲击持续时间非常短促,接触力随时间的变化难以准确分析。工程中通常采用能量法来解决冲击问题,即在若干假设的基础上,根据能量守恒定律对受冲击构件的应力与变形进行偏于安全的简化

5、计算。,冲击物为刚体;冲击物不反弹;不计冲击过程中的声、光、热等能量损耗(能量守恒);冲击过程为线弹性变形过程。(保守计算),2.动能 T,势能 V,变形能 U,冲击前、后,能量守恒:,最大冲击效应:冲击后的动能为零,T2=0,一个冲击力的变形能为U2=(1/2)Pdd,1.假设:,动载荷,3.动荷系数为Kd:,动载荷,冲击前后能量守恒,且,一、轴向自由落体冲击问题,冲击前:,冲击后:,j:冲击物落点的静位移。,动载荷,动载荷,讨论:,(2)突加荷载,二、不计重力的轴向冲击:,冲击前:,冲击后:,冲击前后能量守恒,且,动载荷,动荷系数,三、冲击响应计算,动荷系数,求动应力,解:求静变形,等于静

6、响应与动荷系数之积.,例5 直径0.3m的木桩受自由落锤冲击,落锤重5kN,求:桩的最大动应力。E=10GPa,静应力:,动应力:,动载荷,19,动载荷,例6 在水平平面内的杆AC,绕通过A点的垂直轴以匀角速 转动,图示是它的俯视图。杆的C端有一重为W的集中质量。如因发生故障在B点卡住而突然停止转动,试求杆AC内的最大冲击应力。设杆AC的质量可以不计。,解:求冲击系统的动荷系数,20,动载荷,计算最大静应力,计算最大冲击应力,计算冲击点在静载下的变形位移,动载荷,四、梁的冲击问题,1.假设:冲击物为刚体;不计被冲击物的重力势能和动能;冲击物不反弹;不计声、光、热等能量损耗(能 量守恒)。,动载

7、荷,冲击前、后,能量守恒,所以:,动载荷,五、动响应计算:,解:求C点静挠度,动响应计算等于静响应计算与动荷系数之积.,例7 结构如图,AB=DE=L,A、C 分别为 AB 和 DE 的中点,求梁在重物 mg 的冲击下,C 面的动应力。,动载荷,动荷系数,求C面的动应力,25,动载荷,例8 直角拐杆,已知材料的剪切弹性模量G=80103MPa,弹性模量E=200103MPa,BC段的长l1=300mm,AB段的长l=800mm,杆横截面直径d=60mm。重物W=100N,下落高度h=50 mm。试求杆的最大动正应力和最大动切应力。,26,动载荷,解:求冲击点C处的静位移用能量法可求得冲击点C处

8、的静位移,=2.1110-4m,计算动荷系数,27,动载荷,=3.77MPa,计算静载时的最大应力,=0.7MPa,计算最大动应力,MPa,MPa,28,动载荷,1.直径d=30cm,长度L=1m的圆木桩,下端固定,材料E=10GPa。重为Q=5KN的重锤从离木桩顶为h=1m的高度自由落下,木桩顶放置直径,厚度 的橡皮垫,橡皮E=8MPa,求动荷系数。如果无橡皮垫,动荷系数又是多少。,解:,无橡皮垫,课堂练习,29,动载荷,13-21 如图所示折杆,A端固定,B端支承于轴承中,今有重物W自高度h=l以初速度v下落至D点,E、G为已知。求梁受冲击时最大的相当应力(按第三强度理论考虑)。,30,动

9、载荷,13-24 10号工字梁的C端固定,A端铰于空心钢管AB上。钢管的内径和外径分别为30mm和40mm,B端亦为铰支。梁及钢管同为A3钢。当重为300N的重物落于梁的A端时,试校核杆AB的稳定性。规定稳定安全系数nst=2.5。,31,第十三章 练习题,一、轴上装一钢制圆盘,盘上有一圆孔。若轴与圆盘以匀角速度 旋转。试求轴内的最大正应力。解:圆盘结构上的不对称性是引起轴内弯曲正应力的原因。引起轴弯曲的惯性力:,动载荷,32,二、杆AB下端固定,在C点受到以匀速 沿水平运动的重物Q冲击。设AB杆的E、I及W均为已知。试求杆内的最大冲击应力。解:水平冲击无势能变化,,动载荷,33,三、直径d=30cm,长度L=1m的圆木桩,下端固定,材料E=10GPa。重为Q=5KN的重锤从离木桩顶为h=1m的高度自由落下。求下列两种情况下的动荷系数:木桩顶放置直径,厚度 的橡皮垫,橡皮E=8MPa.无橡皮垫。解:,动载荷,34,本章结束,

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