動載荷及交變應(yīng)力wxg

1、材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)6-1 概述概述6-2 構(gòu)件作等加速直線運動或等速轉(zhuǎn)動時的構(gòu)件作等加速直線運動或等速轉(zhuǎn)動時的 動應(yīng)力計算動應(yīng)力計算6-3 構(gòu)件受沖擊載荷作用時的動應(yīng)力計算構(gòu)件受沖擊載荷作用時的動應(yīng)力計算6-4 交變應(yīng)力下材料的疲勞破壞交變應(yīng)力下材料的疲勞破壞 疲勞極限疲勞極限6-5 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接的疲勞計算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接的疲勞計算材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)6-1 概述概述材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)動荷載動荷載動荷載分類動荷載分類隨時間作急劇

2、變化的載荷，以及作加速運動隨時間作急劇變化的載荷，以及作加速運動或轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中構(gòu)件的慣性力。或轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中構(gòu)件的慣性力。等加速度直線運動產(chǎn)生的慣性力等加速度直線運動產(chǎn)生的慣性力等速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣性力等速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣性力沖擊載荷沖擊載荷材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)交變應(yīng)力交變應(yīng)力交變應(yīng)力的后果交變應(yīng)力的后果構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力隨著時間作交替變化。構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力隨著時間作交替變化。在最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強度，并且在最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強度，并且無明顯塑性變形的情況下，發(fā)生驟然斷裂。無明顯塑性變形的情況下，發(fā)生驟然斷裂。疲勞破壞疲勞破壞疲勞強度校核疲勞強度

3、校核材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)6-2 構(gòu)件作等加速直線運動或等速轉(zhuǎn)動時的動應(yīng)力計算構(gòu)件作等加速直線運動或等速轉(zhuǎn)動時的動應(yīng)力計算材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)動靜法動靜法除了外加載荷，再在構(gòu)件的各點處除了外加載荷，再在構(gòu)件的各點處附加上慣性力附加上慣性力，然后按求解靜載荷問題的程序，求得構(gòu)件的動應(yīng)然后按求解靜載荷問題的程序，求得構(gòu)件的動應(yīng)力。力。慣性力慣性力大小大小方向方向maFd慣性力的方向與加速度的方向相反慣性力的方向與加速度的方向相反材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II

4、)例例 6-2-1 鋼索以等加速度鋼索以等加速度a起吊重物。已知重物的重起吊重物。已知重物的重力為力為P，鋼索的橫截面面積為，鋼索的橫截面面積為A。求鋼索橫截面上的。求鋼索橫截面上的動應(yīng)力。動應(yīng)力。NdFgPaPaP解：解：1. 截面法求鋼索橫截面上的軸力截面法求鋼索橫截面上的軸力附加慣性力附加慣性力外力外力PagP動軸力動軸力)1 (gaPgPaPFNd材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)2. 動應(yīng)力動應(yīng)力靜應(yīng)力靜應(yīng)力動荷因數(shù)動荷因數(shù))1 (gaAPAFNddAPst)1 (gastdgaKd1stddK等加速直線運等加速直線運動的動荷因數(shù)動的動荷因數(shù)材料

5、力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)例例6-2-2 平均直徑為平均直徑為D的薄壁圓環(huán)作等速轉(zhuǎn)動。已知的薄壁圓環(huán)作等速轉(zhuǎn)動。已知角速度角速度 ，圓環(huán)的徑向截面面積，圓環(huán)的徑向截面面積 和材料的密度和材料的密度 。試求圓環(huán)徑向截面上的正應(yīng)力。試求圓環(huán)徑向截面上的正應(yīng)力。D O材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)解解：截取上半部分作受力分析截取上半部分作受力分析 d d2Dqd dqyNdFNdFdF212DAqd單位長度上的慣性力單位長度上的慣性力sin20dDqFdd慣性力的合力在慣性力的合力在y向的分量向的分量0sin2dDq

6、d22DAD O材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)422DAFNdd徑向橫截面上的軸力徑向橫截面上的軸力422DAFFdNd徑向橫截面上的動應(yīng)力徑向橫截面上的動應(yīng)力材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)6-3 構(gòu)件受沖擊載荷作用時的動應(yīng)力計算構(gòu)件受沖擊載荷作用時的動應(yīng)力計算沖擊沖擊2. 不計被沖擊物質(zhì)量，被沖擊物變形在線彈性范圍內(nèi)不計被沖擊物質(zhì)量，被沖擊物變形在線彈性范圍內(nèi)1. 不計沖擊物變形，且沖擊物和被沖擊物接觸后不回彈不計沖擊物變形，且沖擊物和被沖擊物接觸后不回彈3. 不計沖擊過程中的能量損失不計沖擊過程中的能量損失

7、能量法簡化計算的假設(shè)能量法簡化計算的假設(shè)兩物體相對碰撞時，在極短時間內(nèi)，速度發(fā)生有限兩物體相對碰撞時，在極短時間內(nèi)，速度發(fā)生有限變化，產(chǎn)生很大的相互作用力。沖擊時間極短，加變化，產(chǎn)生很大的相互作用力。沖擊時間極短，加速度很難確定，速度很難確定，不能用動靜法不能用動靜法進行分析。進行分析。材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)重量為重量為P的物體由高度為的物體由高度為h的位置自由下落，沖擊的位置自由下落，沖擊一塊和直桿相連的平板。一塊和直桿相連的平板。APBhl一、自由落體沖擊一、自由落體沖擊材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II

8、)不考慮系統(tǒng)沖擊過程中能量的損失，并設(shè)沖擊后重物不考慮系統(tǒng)沖擊過程中能量的損失，并設(shè)沖擊后重物的勢能為的勢能為0。AAAPBdFBBhlPst d 解解:沖擊前沖擊前沖擊后沖擊后)(1dphPE02pE勢能勢能動能動能應(yīng)變能應(yīng)變能01kE02kEddFV21201V材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)AEPlst0222hstdstdststdh211自由落體沖擊的動荷因數(shù)自由落體沖擊的動荷因數(shù)stdhk211由能量守恒可得由能量守恒可得dddFhP21)(221dlEA靜位移靜位移材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)1、

9、增大相應(yīng)的靜位移。例如在發(fā)生沖擊的物體間、增大相應(yīng)的靜位移。例如在發(fā)生沖擊的物體間放置一彈簧放置一彈簧 （ 緩沖彈簧）緩沖彈簧）降低沖擊動荷因數(shù)的措施降低沖擊動荷因數(shù)的措施:自由落體沖擊的動荷因數(shù)自由落體沖擊的動荷因數(shù)stdhk2112、減小沖擊物自由下落的高度。當(dāng)、減小沖擊物自由下落的高度。當(dāng) 即重即重物驟然加在桿件上，物驟然加在桿件上， 。表明驟加載荷引起。表明驟加載荷引起的動應(yīng)力，是將重物緩慢作用引起靜應(yīng)力的動應(yīng)力，是將重物緩慢作用引起靜應(yīng)力2倍。倍。0h2dk材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)若已知沖擊開始瞬間沖擊物與被沖擊若已知沖擊開始瞬間沖擊物

10、與被沖擊物接觸時沖擊物的速度為物接觸時沖擊物的速度為 v，則，則hvg22Khdst112112vgst材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)若沖擊物自高度若沖擊物自高度 h 處以初速度處以初速度v0下落下落vvgh2022Kvgdst11211202vghgst材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)例例6-3-1 重物重物Q自由落下沖擊在自由落下沖擊在AB梁的梁的B點處，求點處，求B點的撓度。點的撓度。材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)解：stQlE IQlEbh33334KhEbhQl

11、dst1121124333344211EbhlQlQhbEKwdstBstddBKw材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)例例6-3-2 圖圖a，b所示簡支梁均由所示簡支梁均由20b號工字鋼制成。號工字鋼制成。E=210 GPa，P =2 kN，h=20 mm 。圖。圖b中中B支座彈簧支座彈簧的剛度系數(shù)的剛度系數(shù)k =300 kN/m。試分別求圖。試分別求圖a，b所示梁的所示梁的最大正應(yīng)力。（不計梁和彈簧的自重）最大正應(yīng)力。（不計梁和彈簧的自重）hP1.5m1.5mzACBzhP1.5m1.5mACB(a)(b)材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交

12、變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)解：解：由型鋼查得由型鋼查得20b號工字鋼號工字鋼的的Wz和和Iz分別為分別為Wz=250103 mm3Iz=2 500104 mm4zWPl 4/max,stEIPlwC483st梁的最大靜應(yīng)力為梁的最大靜應(yīng)力為C 截面的靜位移為截面的靜位移為zhP1.5m1.5mACBMPa6102504/300020003mm214. 0105 . 2102104830002000733材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)動荷因數(shù)動荷因數(shù)7 .14214. 020211211stdhK梁的最大動應(yīng)力梁的最大動應(yīng)力MPa2 .8867 .14ma

13、x,stddK材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)kPEIPl22/483st7 . 5881. 120211dKMPa2 .3467 . 5max,dC 截面的靜位移為截面的靜位移為動荷因數(shù)動荷因數(shù)梁的最大動應(yīng)力梁的最大動應(yīng)力hP1.5m1.5mzACBmm881. 1300222000214. 0材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)二二 、水平?jīng)_擊、水平?jīng)_擊 等截面桿等截面桿AB在在C處受一重量為處受一重量為 G，速度為，速度為v的物體沿水平方的物體沿水平方向沖擊向沖擊 。求：桿在危險點處的動應(yīng)力。求：桿在危險點處的動

14、應(yīng)力 。沖擊前的能量沖擊前的能量2212121vgPmvU解解：st ald BBBCCCdFPAAA沖擊后的能量沖擊后的能量ddFU212由能量守恒可得由能量守恒可得ddFvgP2)()(stddKPK材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)WPaWMstmax)(WPagvKststdd2max)(stdgvK2)()(2stddKPKvgP水平?jīng)_擊時的沖擊動荷因數(shù)水平?jīng)_擊時的沖擊動荷因數(shù)EIPa33stalBCA材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)三、起吊重物時的沖擊三、起吊重物時的沖擊ststd21P21PvgP21U

15、 212ddUF沖擊前沖擊前起重吊索下端掛一重物等速下降，當(dāng)?shù)跗鹬氐跛飨露藪煲恢匚锏人傧陆担?dāng)?shù)跛鏖L度為索長度為l 時突然剎車。求動荷因數(shù)。時突然剎車。求動荷因數(shù)。ldPPdst沖擊后沖擊后stdgvK21材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)6-4 交變應(yīng)力下材料的疲勞破壞交變應(yīng)力下材料的疲勞破壞疲勞極限疲勞極限1. 1. 交變應(yīng)力的概念交變應(yīng)力的概念隨時間作交替變化的應(yīng)力。隨時間作交替變化的應(yīng)力。(a)1234zydktdsin2FFdaaFFFaMxO(b)材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)力力F 和彎矩不隨時間變化

16、，軸以速度和彎矩不隨時間變化，軸以速度 旋轉(zhuǎn)，橫截面旋轉(zhuǎn)，橫截面上任一點上任一點k 到到z 軸的距離為軸的距離為t 的函數(shù)的函數(shù)， , k點的正應(yīng)力為點的正應(yīng)力為tdysin2tIdMIMyzzksin2/隨時間隨時間t t按正弦規(guī)律變化按正弦規(guī)律變化k1234zydktdsin2ttWMzsinsinmax材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)tksinmax曲線曲線 稱為稱為應(yīng)力應(yīng)力譜譜。應(yīng)力重復(fù)變化一。應(yīng)力重復(fù)變化一次的過程，稱為一個次的過程，稱為一個應(yīng)力循環(huán)。應(yīng)力重復(fù)應(yīng)力循環(huán)。應(yīng)力重復(fù)變化的次數(shù)變化的次數(shù) ，稱為應(yīng)，稱為應(yīng)力力循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)。t123

17、4zydktdsin2材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)minmax2. 2. 應(yīng)力幅應(yīng)力幅minmax為了表示交變應(yīng)力變化，引入幾個基本參量為了表示交變應(yīng)力變化，引入幾個基本參量maxminr（拉（拉, ,壓壓, ,彎曲）彎曲）maxminr（扭轉(zhuǎn)）扭轉(zhuǎn)）1. 1. 循環(huán)特征（應(yīng)力比）循環(huán)特征（應(yīng)力比）（拉（拉, ,壓壓, ,彎曲）彎曲）（扭轉(zhuǎn)）扭轉(zhuǎn)）應(yīng)力范圍應(yīng)力范圍or22or應(yīng)力幅應(yīng)力幅材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)max =min (b) t O r =0 脈動循環(huán)（min= 0） （圖 a）特例：r =1

18、 靜應(yīng)力 （max min） （圖 b）(a)對稱循環(huán)： r = 1 （max min）1r非對稱循環(huán)：材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)2. 金屬材料的疲勞破壞金屬材料的疲勞破壞金屬構(gòu)件在長期交變應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂破壞。金屬構(gòu)件在長期交變應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂破壞。(1) 交變應(yīng)力中的最大應(yīng)力達到一定值，但最大應(yīng)力交變應(yīng)力中的最大應(yīng)力達到一定值，但最大應(yīng)力小于靜荷載下材料的強度極限甚至屈服極限，經(jīng)過一小于靜荷載下材料的強度極限甚至屈服極限，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后突然斷裂定的循環(huán)次數(shù)后突然斷裂;(2) 塑性材料在斷裂前也無明顯的塑性變形塑性材料在斷裂前也無明

19、顯的塑性變形;(3) 斷口分為光滑區(qū)和粗糙區(qū)。斷口分為光滑區(qū)和粗糙區(qū)。疲勞破壞的主要特征疲勞破壞的主要特征材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)(1) 疲勞裂紋的形成(2) 疲勞裂紋的擴展疲勞破壞的過程疲勞破壞的過程構(gòu)件中的最大工作應(yīng)力達到一定值時，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，在高應(yīng)力區(qū)形成微觀裂紋，即裂紋源裂紋源。由于裂紋的尖端有高度應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力作用下，微觀裂紋逐漸發(fā)展成宏觀裂紋并不斷擴展。裂紋兩側(cè)的材料時而張開，時而壓緊，形成光滑區(qū)。裂紋源光滑區(qū)粗糙區(qū)材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)疲勞裂紋不斷擴展，有效面積逐漸減小，當(dāng)裂紋長度達到臨界尺寸時，由于裂紋尖端處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，裂紋以極快的速度擴展從而發(fā)生突然的脆性斷裂，形成粗糙區(qū)。(3) 脆性斷裂裂紋源光滑區(qū)粗糙區(qū)材料力學(xué)材料力學(xué) 第六章第六章 動載荷動載荷 交變應(yīng)力交變應(yīng)力 (II)3. 材料的疲勞極限材料的疲勞極限 試驗表明：在同一循環(huán)特征下，交變應(yīng)力中的max越大,發(fā)生疲勞破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)N 越小，即疲勞壽命越短。反之max越小，N 越大，疲勞壽命越長。經(jīng)過無限次循環(huán)不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力稱為材