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第十章 组合变形 ​

你偷走了我的影子,不论你在哪里,我都会一直想着你。 —— 马克·李维

10.1 概述 ​

组合变形

构件在外力作用下,同时发生两种或两种以上基本变形(拉伸/压缩、剪切、扭转、弯曲)的情况,称为组合变形。

工程实际中的构件往往同时承受多种载荷,如:

  • 斜弯曲(双向弯曲)
  • 拉伸(压缩)与弯曲的组合
  • 偏心拉伸(压缩)
  • 弯曲与扭转的组合
  • 拉伸(压缩)、弯曲与扭转的组合

组合变形的分析方法——叠加原理

对于线弹性小变形构件,组合变形中各基本变形引起的应力、位移可以分别计算,然后进行叠加。适用条件:

  1. 材料服从胡克定律(线弹性)。
  2. 变形很小,各基本变形的独立性成立(互不影响)。
  3. 应力与载荷成线性关系。

10.2 斜弯曲(双向弯曲) ​

斜弯曲

当梁的横向力不通过梁的纵向对称面(或与形心主轴不重合)时,梁的弯曲变形发生在两个相互垂直的平面内,这种弯曲称为斜弯曲。

10.2.1 应力计算 ​

设梁的截面具有两个形心主轴 yy 和 zz,外力 FF 与 zz 轴的夹角为 φ\varphi(在横向平面内)。将外力分解为沿 yy 和 zz 方向的两个分力:

Fy=Fcos⁡φ,Fz=Fsin⁡φF_y=F\cos\varphi,\quad F_z=F\sin\varphi

它们分别在 xzxz 平面和 xyxy 平面内产生平面弯曲。截面上任一点 (y,z)(y,z) 处的正应力为两个平面弯曲应力的代数和:

σ(x,y,z)=Mz(x)Izy+My(x)Iyz\sigma(x,y,z)=\frac{M_z(x)}{I_z}y+\frac{M_y(x)}{I_y}z

其中 MzM_z 为绕 zz 轴的弯矩(引起 yy 方向的弯曲),MyM_y 为绕 yy 轴的弯矩(引起 zz 方向的弯曲)。符号由弯矩方向及点的位置决定(拉正压负)。

10.2.2 中性轴位置 ​

中性轴上各点正应力为零:

MzIzy+MyIyz=0\frac{M_z}{I_z}y+\frac{M_y}{I_y}z=0

即中性轴是一条过截面形心的直线,其斜率与弯矩分量和惯性矩有关。中性轴将截面分为拉、压两个区域。

10.2.3 最大正应力 ​

最大正应力发生在距中性轴最远的点(通常是截面的角点):

σmax⁡=∣Mz∣Wz+∣My∣Wy\sigma_{\max}=\frac{|M_z|}{W_z}+\frac{|M_y|}{W_y}

其中 Wz=Iz/ymax⁡W_z=I_z/y_{\max},Wy=Iy/zmax⁡W_y=I_y/z_{\max}(若考虑正负号,需取代数叠加)。

斜弯曲强度条件

σmax⁡=∣MzWz±MyWy∣≤[σ]\sigma_{\max}=\left|\frac{M_z}{W_z}\pm\frac{M_y}{W_y}\right|\le[\sigma]

对于矩形、工字形等具有两个对称轴的截面,σmax⁡=∣Mz∣Wz+∣My∣Wy\sigma_{\max}=\dfrac{\vert M_z\vert }{W_z}+\dfrac{\vert M_y\vert }{W_y}。

10.3 拉伸(压缩)与弯曲的组合 ​

10.3.1 横向力与轴向力同时作用 ​

当杆件同时承受轴向力 FNF_N 和横向力(产生弯矩 MM)时,截面上的正应力为:

σ=FNA±MW\sigma=\frac{F_N}{A}\pm\frac{M}{W}

符号取决于轴力是拉还是压,弯矩方向与所求点位置。

10.3.2 偏心拉伸(压缩) ​

偏心拉伸(压缩)

外力作用线平行于杆的轴线但不通过截面形心时,杆件发生偏心拉伸或压缩。可等效为轴向拉伸(压缩)和弯曲的组合。

设偏心力 FF 作用点坐标为 (ey,ez)(e_y,e_z)(在截面形心坐标系中),则等效内力为:

FN=F,My=Fez,Mz=FeyF_N=F,\quad M_y=Fe_z,\quad M_z=Fe_y

(符号需根据力作用点位置确定)。截面上任一点 (y,z)(y,z) 的正应力:

σ=FA+FeyIzy+FezIyz\sigma=\frac{F}{A}+\frac{Fe_y}{I_z}y+\frac{Fe_z}{I_y}z

(拉为正,压为负;弯矩符号按实际方向确定)。

10.3.3 截面核心 ​

截面核心

对于仅受压(或仅受拉)的构件,若偏心压力(或拉力)的作用点位于截面形心附近的某个区域内,则截面上不出现拉应力(或不出现压应力),该区域称为截面核心。

确定截面核心的方法是:使中性轴与截面边界相切,求出对应的偏心距,这些偏心距包围的区域即为截面核心。常见截面的截面核心:

  • 矩形截面:核心为菱形,顶点在对称轴上,距形心 h/6h/6 和 b/6b/6。
  • 圆形截面:核心为同心圆,半径 d/8d/8。
  • 圆环形截面:核心为同心圆,半径 D2+d28D\dfrac{D^2+d^2}{8D}(近似)。

矩形截面核心范围:∣ey∣≤h6,∣ez∣≤b6\text{矩形截面核心范围:}\quad |e_y|\le\frac{h}{6},\quad |e_z|\le\frac{b}{6}

10.4 弯曲与扭转的组合 ​

10.4.1 圆轴弯扭组合 ​

圆轴同时承受弯矩 MM 和扭矩 TT 时,横截面上存在弯曲正应力和扭转切应力。

  • 弯曲正应力 σ=MW\sigma=\dfrac{M}{W}(在上下边缘最大)。
  • 扭转切应力 τ=TWp\tau=\dfrac{T}{W_p}(在圆周表面最大,其中 WpW_p 为抗扭截面系数)。

危险点位于圆轴表面,该点处于平面应力状态(σ\sigma 和 τ\tau 同时存在)。根据第三或第四强度理论,建立相当应力:

弯扭组合的强度条件

对于圆轴,按第三强度理论:

σr3=σ2+4τ2=1WM2+T2≤[σ]\sigma_{r3}=\sqrt{\sigma^2+4\tau^2}=\frac{1}{W}\sqrt{M^2+T^2}\le[\sigma]

按第四强度理论:

σr4=σ2+3τ2=1WM2+0.75T2≤[σ]\sigma_{r4}=\sqrt{\sigma^2+3\tau^2}=\frac{1}{W}\sqrt{M^2+0.75T^2}\le[\sigma]

其中 WW 为弯曲抗弯截面系数,对于圆轴 W=πd332W=\dfrac{\pi d^3}{32},且 Wp=2WW_p=2W,故 TT 项系数有所不同。

10.4.2 弯拉(压)扭组合 ​

若圆轴同时受轴向力 FNF_N、弯矩 MM 和扭矩 TT,则危险点的正应力由轴向力和弯矩共同产生:

σ=FNA+MW\sigma=\frac{F_N}{A}+\frac{M}{W}

切应力仍为 τ=TWp\tau=\dfrac{T}{W_p}。相当应力按第三或第四强度理论计算,将 σ\sigma 和 τ\tau 代入即可。

第三强度理论:σr3=(FNA+MW)2+4(TWp)2≤[σ]第四强度理论:σr4=(FNA+MW)2+3(TWp)2≤[σ]\begin{aligned} \text{第三强度理论:}&\quad \sigma_{r3}=\sqrt{\left(\frac{F_N}{A}+\frac{M}{W}\right)^2+4\left(\frac{T}{W_p}\right)^2}\le[\sigma]\\[6pt] \text{第四强度理论:}&\quad \sigma_{r4}=\sqrt{\left(\frac{F_N}{A}+\frac{M}{W}\right)^2+3\left(\frac{T}{W_p}\right)^2}\le[\sigma] \end{aligned}

10.5 组合变形的一般步骤 ​

  1. 外力分析:将外力向杆件形心简化,分解为产生各基本变形的载荷分量。
  2. 内力分析:画出各基本变形对应的内力图(轴力、剪力、弯矩、扭矩),确定危险截面。
  3. 应力分析:在危险截面上确定危险点,计算各基本变形在该点产生的应力分量。
  4. 强度计算:对于单向应力状态,叠加求最大应力;对于平面应力状态,应用合适的强度理论计算相当应力。
  5. 校核或设计:校核 σmax⁡≤[σ]\sigma_{\max}\le[\sigma] 或 σri≤[σ]\sigma_{ri}\le[\sigma],或由此确定截面尺寸或许用载荷。

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