《受扭構(gòu)件截面》課件

受扭構(gòu)件截面探討受扭構(gòu)件的截面特性和設(shè)計方法,幫助您更好地分析和設(shè)計這類結(jié)構(gòu)。本課件將深入介紹受扭構(gòu)件的應(yīng)力分布、承載能力和各種設(shè)計考慮因素。課程目標深入理解扭轉(zhuǎn)運動的基本原理通過本課程,學(xué)習(xí)如何準確分析和描述構(gòu)件在扭轉(zhuǎn)作用下的應(yīng)力狀態(tài)和變形特征。掌握各類截面扭轉(zhuǎn)分析方法從基本的圓截面和矩形截面,到復(fù)雜的薄壁開口和閉合截面,全面學(xué)習(xí)不同截面形狀下的扭轉(zhuǎn)分析。應(yīng)用扭轉(zhuǎn)理論進行結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)會根據(jù)扭轉(zhuǎn)理論計算構(gòu)件的抗扭強度和抗扭剛度,并將其應(yīng)用于實際工程設(shè)計中。掌握扭轉(zhuǎn)問題的分析方法包括數(shù)值分析和試驗研究兩種方法,為解決復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)問題提供技術(shù)支持。扭轉(zhuǎn)運動簡介扭轉(zhuǎn)運動是一種重要的運動形式,其中一個物體或結(jié)構(gòu)件繞自身的縱軸旋轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)運動經(jīng)常發(fā)生在建筑結(jié)構(gòu)、機械裝置和工程構(gòu)件中,需要仔細分析和設(shè)計。扭轉(zhuǎn)運動的主要特點包括產(chǎn)生扭矩、扭角與扭矩成線性關(guān)系、應(yīng)力分布不均勻等。準確預(yù)測和控制扭轉(zhuǎn)運動對工程結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。扭矩與扭角關(guān)系扭矩與扭角之間存在直接的線性關(guān)系。扭矩越大,結(jié)構(gòu)件的扭角就越大;扭矩越小,結(jié)構(gòu)件的扭角就越小。這個關(guān)系可以用一個簡單的公式來表示:T=GJθ/L,其中T為扭矩,θ為扭角,G為剪切模量,J為截面極慣性矩,L為構(gòu)件長度。扭矩T扭角θ大大小小圓截面扭轉(zhuǎn)1應(yīng)力分布截面上應(yīng)力呈線性分布2最大應(yīng)力最大剪應(yīng)力發(fā)生在截面邊緣3抗扭強度截面抗扭強度與截面直徑的三次方成正比圓截面在受扭時表現(xiàn)出良好的應(yīng)力分布特性。截面上的剪應(yīng)力呈線性分布，最大應(yīng)力發(fā)生在截面邊緣。這種應(yīng)力分布有利于材料的充分利用，使圓截面的抗扭強度與截面直徑的三次方成正比。矩形截面扭轉(zhuǎn)應(yīng)變分布在矩形截面中，最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在截面角部，而中心部分的剪應(yīng)變較小。截面屬性矩形截面的扭轉(zhuǎn)剛度取決于斷面尺寸，長寬比越大，剛度越小。應(yīng)力分布截面上的切應(yīng)力分布是非均勻的，四個角部的切應(yīng)力最大。單開口薄壁截面扭轉(zhuǎn)1應(yīng)力分布單開口薄壁截面受扭時,截面上的應(yīng)力分布呈非線性走勢。開口處的應(yīng)力最大,而閉合端的應(yīng)力較小。2剪應(yīng)力集中由于截面形狀的不對稱性,單開口薄壁構(gòu)件在受扭時會產(chǎn)生剪應(yīng)力集中,這需要在設(shè)計時予以考慮。3變形特點單開口薄壁截面受扭時,會產(chǎn)生扭曲變形和翹曲變形。開口端的翹曲變形較大,需要在設(shè)計時予以控制。雙開口薄壁截面扭轉(zhuǎn)1開口面積開口面積越大，截面抗扭能力越弱2應(yīng)力分布應(yīng)力集中在開口處3受扭變形開口截面容易發(fā)生翼板變形雙開口薄壁構(gòu)件在受扭轉(zhuǎn)作用時，開口面積大、應(yīng)力集中于開口處，容易發(fā)生翼板變形。因此需要重點關(guān)注構(gòu)件的開口度對承載能力的影響。此類構(gòu)件一般采用開口截面的扭轉(zhuǎn)理論進行分析和設(shè)計。單閉合薄壁截面扭轉(zhuǎn)1扭轉(zhuǎn)作用力作用于閉合薄壁截面的扭矩會產(chǎn)生剪應(yīng)力分布。2剪應(yīng)力分析通過分析截面上的剪應(yīng)力分布,可確定構(gòu)件的抗扭能力。3應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系扭轉(zhuǎn)時,截面上的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性比例關(guān)系。4強度計算基于最大切應(yīng)力理論,可計算構(gòu)件的抗扭強度。對于單閉合薄壁截面,由于截面積呈封閉狀,因此在扭轉(zhuǎn)作用下會產(chǎn)生均勻分布的剪應(yīng)力。通過分析截面上的剪應(yīng)力分布特征,可確定該類構(gòu)件的抗扭強度和剛度性能。雙閉合薄壁截面扭轉(zhuǎn)計算原理雙閉合薄壁截面的受扭特性與單閉合薄壁截面相似,使用相同的計算公式,但需要考慮兩個閉合腔體共同承擔(dān)的扭矩。應(yīng)力分布在兩個閉合腔體的薄壁上,扭矩會產(chǎn)生切應(yīng)力,需要檢查薄壁板的極限承載能力。應(yīng)變控制由于存在兩個獨立的腔體,需要分別控制每個腔體的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變,確保整體穩(wěn)定。薄壁開口截面特性開口特點薄壁開口截面會呈現(xiàn)翼緣和腹板的結(jié)構(gòu)特點，轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中是需要特別注意的問題。抗扭剛度開口截面的抗扭剛度會明顯低于閉合截面，這一特點需要在設(shè)計中加以考慮。失穩(wěn)行為薄壁開口截面容易發(fā)生局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)，這需要通過加強措施來提高其穩(wěn)定性。薄壁閉合截面特性1扭矩分布均勻?qū)τ诒”陂]合截面，扭矩沿周邊分布均勻，不會出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。2抗扭剛度高薄壁閉合截面具有較高的抗扭剛度，可以承受較大的扭轉(zhuǎn)變形。3應(yīng)力分布友好薄壁閉合截面的應(yīng)力分布較為均勻，不會出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。4適用于構(gòu)件受扭薄壁閉合截面常用于設(shè)計受扭構(gòu)件，如管道、箱形梁等。受扭構(gòu)件抗扭強度計算抗扭強度計算是確保受扭構(gòu)件能夠承受設(shè)計扭矩的關(guān)鍵。它主要包括計算構(gòu)件截面承受的最大扭應(yīng)力并與材料允許扭應(yīng)力進行對比。不同形狀的截面,如圓形、矩形、薄壁開口和閉合等,其抗扭強度計算公式均有所不同。工程師需要根據(jù)具體構(gòu)件的截面形狀,選用相應(yīng)的計算公式,確保構(gòu)件可靠性。受扭構(gòu)件抗扭剛度計算4剛度系數(shù)表示截面的扭轉(zhuǎn)剛度25K彈性模量材料的基本特性之一2.5J扭矩引起構(gòu)件扭轉(zhuǎn)的力矩0.05rad扭角構(gòu)件在扭矩作用下發(fā)生的角度變形計算受扭構(gòu)件的抗扭剛度需要考慮材料的彈性模量和構(gòu)件的截面特性。扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)可以表示為扭矩與扭角的比值,反映了構(gòu)件抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。具體計算公式根據(jù)不同截面形狀而有所不同。扭轉(zhuǎn)與彎曲組合作用應(yīng)力疊加當構(gòu)件受到扭轉(zhuǎn)和彎曲作用時,各截面上會產(chǎn)生疊加的應(yīng)力,需要進行綜合考慮。承載能力降低扭轉(zhuǎn)與彎曲的組合作用會導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力相比單一作用時有所降低。剛度變化扭轉(zhuǎn)和彎曲的協(xié)同作用會改變構(gòu)件的整體剛度特性,需要進行綜合分析。破壞模式變化組合作用下,構(gòu)件的破壞模式可能發(fā)生變化,需要重點關(guān)注。扭轉(zhuǎn)與軸壓組合作用荷載組合當構(gòu)件同時受到扭轉(zhuǎn)力矩和軸向壓力時,需要考慮兩種作用的組合效應(yīng)。這種荷載組合常見于建筑和機械結(jié)構(gòu)中。應(yīng)力分析組合作用下,構(gòu)件截面上產(chǎn)生的應(yīng)力包括扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和軸向壓應(yīng)力。兩種應(yīng)力的協(xié)同作用會顯著影響構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性。變形特征扭轉(zhuǎn)和軸壓的組合會導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形。需要考慮這種組合變形對構(gòu)件使用性能的影響。扭轉(zhuǎn)與剪力組合作用1剪應(yīng)力分布在受到扭矩和剪力共同作用時，截面上的剪應(yīng)力分布會發(fā)生改變。在薄壁截面中尤為明顯。2承載能力計算組合作用下構(gòu)件的承載能力需要同時考慮剪切和扭轉(zhuǎn)的影響，采用相應(yīng)的組合公式進行計算。3變形確定扭轉(zhuǎn)與剪力的組合作用會導(dǎo)致更加復(fù)雜的變形模式,需要采用疊加原理進行分析。扭轉(zhuǎn)的特殊情況在工程實踐中,可能出現(xiàn)一些特殊的扭轉(zhuǎn)情況,如細長薄壁構(gòu)件、單側(cè)受力、扭轉(zhuǎn)與其他作用力組合等。這些情況下,構(gòu)件的應(yīng)力分布和變形狀態(tài)具有特殊性,需要進行深入的理論分析和試驗研究,以確保構(gòu)件的安全性和可靠性。例如,細長薄壁構(gòu)件在受扭時可能出現(xiàn)大撓度和局部屈曲,需要考慮構(gòu)件的整體穩(wěn)定性;單側(cè)受力會引起截面內(nèi)應(yīng)力不均勻分布,需要評估局部應(yīng)力集中的影響;扭轉(zhuǎn)與彎曲、軸壓或剪力的組合作用會造成復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),需要采用疊加或組合作用的理論進行分析。扭轉(zhuǎn)設(shè)計原則保證足夠強度設(shè)計時應(yīng)確保構(gòu)件在承受扭矩作用下不會發(fā)生破壞或失效?？刂谱畲笞冃蜗拗婆まD(zhuǎn)角度變形,避免對結(jié)構(gòu)及使用功能的不利影響。優(yōu)化截面尺寸選擇合理的截面尺寸,兼顧承載能力和經(jīng)濟性。減小應(yīng)力集中合理布置開口和焊接構(gòu)造,減少應(yīng)力集中,提高抗扭能力。實例1：圓截面受扭1應(yīng)力分布在圓截面上存在線性應(yīng)力分布2扭矩強度強度與截面極慣性矩有關(guān)3扭角變形與截面扭轉(zhuǎn)剛度成反比對于圓截面受扭構(gòu)件，應(yīng)力分布為線性分布，截面極慣性矩越大，其抗扭強度就越高。同時，其扭轉(zhuǎn)角變形與截面扭轉(zhuǎn)剛度成反比，剛度越高變形就越小。這些特點在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要充分考慮。實例2：矩形截面受扭1應(yīng)力分布矩形截面受扭時,截面上的應(yīng)力呈線性分布,邊角位置的切應(yīng)力最大。2抗扭強度矩形截面的抗扭強度與截面的長寬比有關(guān),長寬比越大,抗扭強度越高。3抗扭剛度矩形截面的扭轉(zhuǎn)剛度受截面慣性矩的影響,長寬比越大,扭轉(zhuǎn)剛度越高。實例3：單開口截面受扭1應(yīng)力分布單開口薄壁截面在受扭作用下，截面上的應(yīng)力分布呈非均勻狀態(tài)，邊緣部位的切應(yīng)力最大。2變形特征截面會發(fā)生扭曲變形，開口邊緣位移最大。這種變形可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。3抗扭強度與實心截面相比，單開口薄壁截面的抗扭強度相對較低，需要特別注意。單閉合截面受扭1應(yīng)力分析單閉合截面在受扭時會產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布2剪應(yīng)力分析沿截面周長剪應(yīng)力不均勻分布3變形分析截面會產(chǎn)生扭曲變形和彎曲變形4截面性能相比開口截面,具有更高的抗扭剛度單閉合薄壁截面受扭時,其應(yīng)力和變形呈現(xiàn)復(fù)雜分布。沿周長的剪應(yīng)力不均勻,且截面會產(chǎn)生扭曲和彎曲變形。但由于截面特性,它具有較高的抗扭剛度,在設(shè)計時更有優(yōu)勢。實例5：雙開口截面受扭1雙開口薄壁截面兩個開口的壁厚較薄的截面形式2扭轉(zhuǎn)受力分析對開口截面施加扭矩會導(dǎo)致復(fù)雜的應(yīng)力和變形狀態(tài)3抗扭性能計算需要考慮截面形狀、尺寸、材料等因素進行分析本節(jié)將深入探討雙開口薄壁截面在受到扭矩作用時的力學(xué)行為。我們將分析截面形狀對應(yīng)力分布和變形的影響,并給出詳細的抗扭性能計算公式和方法。這對于設(shè)計和分析這類構(gòu)件的抗扭性能非常重要。實例6：雙閉合截面受扭雙閉合截面特征雙閉合截面是由兩個封閉的區(qū)域組成的橫截面，如矩形中空截面。這種截面具有較高的抗扭剛度和抗扭強度。應(yīng)力分布與中心軸在雙閉合截面受扭時，應(yīng)力分布沿截面周長呈線性變化。扭矩的作用軸通過截面重心?？古姸扔嬎悴捎媒孛鏄O矩計算方法，可以準確預(yù)測雙閉合截面的抗扭強度。這種方法考慮了截面形狀的影響。設(shè)計建議為了提高抗扭性能,可以采用雙閉合薄壁截面,并優(yōu)化截面形狀及尺寸。扭轉(zhuǎn)的極限狀態(tài)12M彈性極限扭矩構(gòu)件達到彈性極限后的抗扭承載能力15M塑性極限扭矩構(gòu)件完全進入塑性工作狀態(tài)的極限承載能力4°扭斷角構(gòu)件在承載能力耗竭時的最大扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)的極限狀態(tài)包括彈性極限、塑性極限和扭斷三個階段。構(gòu)件在承載能力耗竭時會出現(xiàn)大扭轉(zhuǎn)角、局部損壞等失效情況。結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要合理控制構(gòu)件在極限狀態(tài)下的承載能力和變形。扭轉(zhuǎn)問題的數(shù)值分析扭轉(zhuǎn)問題的數(shù)值分析利用有限元方法可以更好地模擬實際構(gòu)件的復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。通過建立三維有限元模型,可以精確計算各截面的應(yīng)力分布和變形,為構(gòu)件的抗扭設(shè)計提供可靠依據(jù)。計算精度計算效率數(shù)值分析方法可以全面考慮各種因素,為抗扭設(shè)計提供可靠依據(jù)。但同時也需要注意建模精度和計算效率之間的平衡。扭轉(zhuǎn)問題的試驗研究研究主要目的通過實驗獲取構(gòu)件在受扭作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和形變特征,驗證理論分析模型。研究內(nèi)容包括不同截面類型的單元構(gòu)件試驗和整體構(gòu)件試驗。測試觀察構(gòu)件的抗扭強度、剛度、破壞模式等。試驗方法采用靜力加載方式,使用扭轉(zhuǎn)試驗機施加逐步增加的扭矩,測量構(gòu)件的扭角變形。試驗結(jié)果為修訂理論計算公式提供依據(jù),為工程設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。本章小結(jié)扭轉(zhuǎn)理論總結(jié)本章詳細闡述了各種截面構(gòu)件在受扭作用下的應(yīng)力分析、強度與剛度計算方法。從基本的圓截面到復(fù)雜的薄壁開口和閉合截面,綜合介紹了扭轉(zhuǎn)問題的理論分析。工程實踐應(yīng)用在分析理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合常見的工程實例,說明了受扭構(gòu)件的設(shè)計計算方法,為實際工程設(shè)計提供了指導(dǎo)。試驗研究方法最后