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第五章 扭转 ​

5.1 受力与变形特点 ​

5.1.1 受力特点 ​

外力偶作用面与杆件横截面平行。

5.1.2 变形特点 ​

纵向线转过一角度,产生切应变(剪切角)。杆件横截面绕轴线发生相对转动。

5.2 外力偶矩的计算 ​

5.2.1 直接计算 ​
  • Me=F⋅dM_e=F\cdot d(作用于盘上的力偶)
  • m=(F1−F2)⋅D2m=(F_1-F_2)\cdot\dfrac{D}{2}(皮带传动)
5.2.2 按输入功率和转速计算 ​

已知轴的转速为 nn (r/min),输出功率为 PP (kW),求外力偶矩 MeM_e:

P=dWdt=Me dφdt=MeωP×1000=Me⋅2πn60Me=60000P2πn≈9550Pn(N⋅m)\begin{aligned} P &= \frac{dW}{dt}=\frac{M_e\,d\varphi}{dt}=M_e\omega\\ P\times 1000 &= M_e\cdot\frac{2\pi n}{60}\\ M_e &= \frac{60000P}{2\pi n}\approx 9550\frac{P}{n}\quad(\text{N}\cdot\text{m}) \end{aligned}

Me=60000P2πn≈9550Pn(N⋅m)M_e=\frac{60000P}{2\pi n}\approx 9550\frac{P}{n}\quad(\text{N}\cdot\text{m})

结论: 即低速轴更粗,高速轴更细。

5.3 圆轴扭转时的应力与强度分析 ​

5.3.1 纯剪切与薄壁圆筒 ​

对于薄壁圆筒(壁厚 t≤r010t\le\dfrac{r_0}{10}):

扭转假设

圆周线大小、间距、形状不变;纵向线倾斜同一角度。

τ=T2πr02t\tau=\frac{T}{2\pi r_0^2t}

5.4 切应力互等定理 ​

切应力互等定理

在相互垂直的两个平面上,切应力必然成对出现,且数值相等、方向垂直于两平面的交线。其方向表现为:两个切应力要么同时指向交线,要么同时背离交线。

5.4.1 力学本质 ​

该定理是由单元体的力矩平衡条件(∑M0=0\sum M_0=0)推导得出的。

  • 在扭转中的体现: 当圆轴受扭时,横截面上产生的切应力 τ\tau 必然伴随着纵向截面(过轴线的截面)上大小相等的切应力。
  • 破坏现象: 对于木材等纵向抗剪能力较弱的材料,在受扭时常沿纵向裂开,这就是切应力互等定理的直观体现。
5.4.2 纯剪切状态 ​

当单元体的各个面上只有切应力而无正应力时,称该点处于纯剪切 (Pure Shear) 状态。

5.4.3 剪切虎克定律 ​

τ=Gγ,G=E2(1+μ)\tau=G\gamma,\quad G=\frac{E}{2(1+\mu)}

5.4.4 圆轴扭转应力公式推导 ​
  1. 几何关系: γρ=ρdφdx=ρθ\gamma_\rho=\rho\dfrac{d\varphi}{dx}=\rho\theta(切应变与半径 ρ\rho 成正比)
  2. 物理关系: τρ=Gγρ=Gρdφdx\tau_\rho=G\gamma_\rho=G\rho\dfrac{d\varphi}{dx}
  3. 静力学关系: T=∫Aτρ⋅ρ dA=Gdφdx∫Aρ2dA=GIpdφdxT=\displaystyle\int_A\tau_\rho\cdot\rho\,dA=G\dfrac{d\varphi}{dx}\int_A\rho^2dA=GI_p\dfrac{d\varphi}{dx}
5.4.5 应力公式 ​

横截面上任意一点的切应力:

τρ=TρIp\tau_\rho=\frac{T\rho}{I_p}

横截面上的最大切应力(边缘点 ρ=R\rho=R):

τmax⁡=TRIp=TWt\tau_{\max}=\frac{TR}{I_p}=\frac{T}{W_t}

其中 IpI_p 为极惯性矩,Wt=IpRW_t=\dfrac{I_p}{R} 为抗扭截面模量。

Ip=∫Aρ2dA,Wt=IpRI_p=\int_A\rho^2dA,\quad W_t=\frac{I_p}{R}

5.4.6 截面几何参数 ​
  • 圆轴: Ip=πd432,Wt=πd316I_p=\dfrac{\pi d^4}{32},\quad W_t=\dfrac{\pi d^3}{16}
  • 圆环: Ip=π(D4−d4)32,Wt=π(D4−d4)16DI_p=\dfrac{\pi(D^4-d^4)}{32},\quad W_t=\dfrac{\pi(D^4-d^4)}{16D}

5.5 圆轴扭转变形与刚度计算 ​

5.5.1 变形公式 ​
  • 单位长度扭转角:

    θ=dφdx=TGIp\theta=\frac{d\varphi}{dx}=\frac{T}{GI_p}

  • 相对扭转角 φ\varphi:

    1. 阶梯轴/分段等扭矩:φ=∑i=1nTiliGiIpi\varphi=\sum_{i=1}^{n}\dfrac{T_il_i}{G_iI_{pi}}
    2. 变截面或连续变扭矩:φ=∫0lT(x)GIp(x) dx\varphi=\int_0^l\dfrac{T(x)}{GI_p(x)}\,dx

GIpGI_p 称为杆的抗扭刚度。

5.5.2 强度条件与刚度条件 ​
  1. 强度条件: τmax⁡=Tmax⁡Wt≤[τ]\tau_{\max}=\dfrac{T_{\max}}{W_t}\le[\tau]
  2. 刚度条件: θmax⁡=Tmax⁡GIp⋅180π≤[θ](∘/m)\theta_{\max}=\dfrac{T_{\max}}{GI_p}\cdot\dfrac{180}{\pi}\le[\theta]\quad(^\circ/\text{m})

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