因此,最大弯曲正应力即为: ▲ 矩形截面抗弯截面系数 bh3 max M Wz Wz 12 h bh2 6 d 4 2 ▲ 圆形截面抗弯截面系数 Wz 64 d d 3 32 2 同理,空心圆截面的抗弯截面系数 Wz D 4 64 (1 4 ) D D 3 32 (1 4 ) 2 c) 组合截面的惯性矩 将组合截面A划分为n个简单图形,设每个简单图形面积分别为A1、A2、……An。 根据惯性矩定义及积分的概念,组合截面A对某一轴的惯性矩等于每个简单图形对同 一轴的惯性矩之和,即: y 例8—1.图8—10所示为T字形截面,求截面对形心轴zC的惯性矩Iz。 解:(1)确定界面形心C的位置 建立坐标系Oyz,将截面分为两个矩形Ⅰ、Ⅱ, 60 其面积及各自的形心纵坐标分别为: 20 40 O Ⅰ yC Z C ZC Ⅱ A1=60×20=1200mm2 yC1=20/2=10mm A2=40×20=800 mm2 yC2=40/2+20=40mm 由形心计算公式,组合截面形心C的纵坐标为 解:(1)求B截面上的弯矩 由截面法,求得: MB ql 2 2 10 300 2 2 4.5 10 5 Nmm A (2)求B截面上c、d处的正应力 q B l QB q b c h d h/2 z y c M B yc Iz 4.5105 30 4 45103 75MPa A MB B d M B yd Iz 4.5105 30 150MPa 2 45103 根据上述表面变形现象,我们对梁内部的变形及受力作如下假设: a.梁的横截面在梁变形后仍保持为平面,且仍与梁轴线正交。此为平面 假设。 b.梁的所有与轴线平行的纵向纤维都是轴向拉长或缩短(即纵向纤维之 间无相互挤压)。此为单向受力假设。 将与底层平行、纵向长度不变的那层纵向纤维称为中性层。中性层即为梁内纵向纤维伸长区与 纵向纤维缩短区的分界层。中性层与横截面的交线被称为中性轴。 My Iz 2.常见截面的惯性矩、抗弯截面系数及组合截面的惯性矩 a) 惯性矩 b/2 b/2 ▲ 矩形截面的惯性矩Iz 根据惯性矩定义有: h/2 C h/2 z I z y 2dA A h 2 h 2 y 2bdy bh3 12 y dy y ▲ 圆形截面的惯性矩Iz I P 2dA y2dA z 2dA I z I y 2I z n I z I z (i) i 1 惯性矩的组合公式 平行移轴定理: I z I z0 Ad 2 wk.baidu.com y C dA z d 截面对任一轴(不通过形心)的惯性矩,等于截面对平行 z0 于该轴的形心轴的惯性矩与一附加项之和,该附加项等于 y0 截面面积与两轴距离平方之积。因该附加项恒为正,所以 ,截面对形心轴的惯性矩最小。 例8—3.求图8—12a所示铸铁悬臂梁内最大拉应力及最大压应力。P=20KN, Iz=10200cm4。 dx 1 2 O1 O2 a y b 12 中性轴 x z y dθ ρ 1 O1 1 O2 a yb 2 2 故ab纵线的正应变则为: ε lab yd yd y lab dx d 上式表明:每层纵向纤维的正应变与其到中性层的距离成线形关系。 3).物理方程与应力分布 由于各纵向纤维只承受轴向拉伸或压缩,于是在正应力不超过比例极限时,由虎克 定律知 20 y yC A1 yc1 A2 yc2 A1 A2 120010 800 40 22mm 200 800 60 (2)求截面对形心轴zC的惯性矩Iz根据组合公式有: 20 O Ⅰ yC Z 40 C ZC Ⅱ I zC I zC () I zC () 由平移轴公式有: 20 y I zC ()= 60 203 12 22 A A A d c z ρy z Iz IP 2 d 4 64 同理,空心圆截面对中性轴的惯性矩为 y Iz IP 2 D 4 64 (1 4 ) 式中D为空心圆截面的外径,α为内、外径的比值。 b)抗弯截面模量 max My m a x Iz Iz M / ymax Iz / ymax只与截面的形状及尺寸相关,称其为抗弯截面模量,用Wz表示 20 2 2 60 20 21.28104 mm4 I zc () 20 40 3 12 40 222 40 20 36.59 10 4 mm 4 故有: I zC I zC () I zC () 57.87 10 4 mm 4 3.横力弯曲时梁的正应力计算 例8—2.图8—11a所示矩形截面悬臂梁,承受均布载荷q作用。已知q=10N/mm, l=300mm。b=20mm,h=30mm。试求B截面上c、d两点的正应力。 将(a)式代入(c)并令 I z y 2dA A A E y 2dA E Iz M 由此可知,中性层的曲率为: 得: 1 M EI z Iz为截面对Z轴的惯性矩 中性层的曲率1/ρ与弯矩M成正比,与EIz成反比。可见,EIz的大小直接决定了梁抵抗 变形的能力,因此称EIz为梁的截面抗弯刚度,简称为抗弯刚度。 将上式代入(a)式,得: E E y (a) 表明横截面上正应力沿截面高度呈线形分布,而中性轴上各点的正应力为零。 σ-max 中性轴 σ+max 4).静力学关系 因: dA 0 (b) z A c y Mx бdA ydA M (c) A 将(a)式代入(b),于是有: y E E A ydA A ydA 0 即: ydA 0 A 由此可见,中性轴过截面形心。 纯弯梁变形时,所有横截面均保持为平面,只是绕各自的中性轴转过一角度,各纵向纤维承 受纵向力,横截面上各点只有拉应力或压应力。 2)纯弯梁变形的几何规律 dx 1 2 中性轴 O1 O2 a y b x 12 z y dθ 1 O1 a 2 ρ y 1 O2 b 2 距中性层为y处的纵线ab的变形量: lab ( y)d dx ( y)d d yd 第八章 梁的应力及强度设计 DESIGN OF BEAMS FOR BENDING STRESSES 一。 对称弯曲正应力 梁横截面上只有弯矩,而剪力为零,此种弯曲为纯弯曲 梁的横截面上同时有剪力与弯矩,这种弯曲称为横力弯曲 1.纯弯梁横截面上的正应力 1).纯弯曲的实验现象及相关假设 a.梁表面的纵向直线均弯曲成弧线,而且,靠顶面的纵线缩短, 靠底面的纵线拉长,而位于中间位置的纵线长度不变。 b.横向直线仍为直线,只是横截面间作相对转动,但仍与纵线 正交。 c.在纵向拉长区,梁的宽度略减小,在纵向缩短区,梁的宽度 略增大。