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一、內(nèi)力的概念
1. 定義
內(nèi)力,是指由外力作用所引起的、物體內(nèi)相鄰部分之間相互作用力(附加內(nèi)力)。桿件所受到外界施加的力稱為外力。
如圖所示為任意一個物體,它是由無窮多的微粒組成的,構(gòu)件內(nèi)任意相鄰兩個微粒之間存在著相互作用力,作用力的大小與微粒之間的相對位置有關(guān)系。當物體受到外力作用后,物體發(fā)生變形,其內(nèi)部微粒之間的相對位置發(fā)生改變,它們之間的相互作用力隨之發(fā)生改變。我們把這個由外力作用而產(chǎn)生的作用力的改變量稱為附加內(nèi)力,簡稱為內(nèi)力。
2. 內(nèi)力的求法——截面法
顯然內(nèi)力在構(gòu)件的內(nèi)部,想要求解內(nèi)力,只有讓內(nèi)力暴露出來,這樣根據(jù)需要求解內(nèi)力的截面位置,我們采用截面法。假想地把該截面截開,原構(gòu)件是平衡的,截開后的任意一部分也是平衡的,即截面兩側(cè)的任意一部分在外力及截面上的內(nèi)力作用下處于平衡狀態(tài)。因此,可以取截面的任意一側(cè),研究其平衡條件,建立平衡方程,求解該截面上的內(nèi)力。具體截面求解步驟如下。
假想截開:在所求內(nèi)力的截面處(一般是橫截面),假想地用截面將桿件一分為二。
代替:任意取一部分,其舍棄部分對留下部分的作用,用作用在截面上相應的內(nèi)力(力或力偶)代替。
平衡:對留下的部分建立平衡方程,根據(jù)其上已知外力來計算桿在截開面上的未知內(nèi)力(此時,截開面上的內(nèi)力對所保留部分而言是外力)。根據(jù)均勻性連續(xù)性的基本假設,截開后的截面上應該是連續(xù)分布著一任意力,截面上各點處都有內(nèi)力,而空間任意力系的平衡條件只有六個,我們求解不出所有各點的內(nèi)力。根據(jù)力系的簡化,我們把這個內(nèi)力的任意力系向截面的一點簡化,通常向截面的形心簡化,得到一個主矢一個主矩,如下圖所示。
以截面形心為原點,建立直角坐標系如圖x軸垂直于橫截面,即沿桿的軸線方向,y、z軸在截面面內(nèi)。把主矢向三個坐標軸分解可得三個分量:沿著x軸的軸力,沿著y軸和z軸的剪力。
把主矩向三個坐標軸分解可得三個分量:沿著x軸的扭矩,沿著y軸和z軸的彎矩。
把主矩向三個坐標軸分解可得三個分量:沿著x軸的扭矩,沿著y軸和z軸的彎矩。
我們把這六個分量也稱為內(nèi)力,但是要注意這六個分量是內(nèi)力的合力或合力矩。在后面求解桿件的內(nèi)力,就是求軸力、剪力、扭矩和彎矩,因為這幾個內(nèi)力分別對應著桿件的基本變形:拉伸和壓縮變形、剪切變形、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形。
二、應力的概念
應力是內(nèi)力的分布集度(應力是針對某“點”而言的,我們要描述一點的應力時,應該指出這個點的位置及過這個點的平面的方位),為了描述截面上一點的應力,圍繞該點取一個微面積DA,如圖。在這個微面積上內(nèi)力系的合力為DF,由于這個面積足夠小,我們假設其內(nèi)力為均勻分布,則可得到其平均應力,再取平均應力的極限,可得到該點的總應力或全應力,總應力的方向隨著所取點的位置的變化而變化,顯然總應力是矢量,其方向與截面的關(guān)系是任意的。我們再把總應力分解成兩個分量,一個是垂直于截面稱為正應力,一個與截面相切稱為切應力。
平均應力
全應力(總應力)
全應力分解為:垂直于截面的應力稱為“正應力”,位于截面內(nèi)的應力稱為“切應力”。
應力的單位:Pa,通常用:MPa、GPa。
三、位移、變形和應變
1.位移
變形前后物體內(nèi)一點位置的變化,在材料力學中的位移有線位移和角位移,如下圖所示懸臂梁,在自由端施加一集中力,梁發(fā)生彎曲變形。如果考察某一截面的位移,如自由端的位移,顯然截面的形心會產(chǎn)生一個向下的位移,產(chǎn)生了線位移,同時截面的法線方向也產(chǎn)生了變化,即截面發(fā)生了轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生角位移。
2. 變形
在外力作用下物體尺寸和形狀發(fā)生改變。
3. 應變
度量構(gòu)件一點處的變形程度,應變也是針對某“點”而言的。
(1) 線應變(度量物體內(nèi)一點尺寸的改變程度)。
如圖我們考察構(gòu)件內(nèi)任一點A,在A點附件取任意點B,AB的長為Dx,在外力作用下構(gòu)件發(fā)生變形,A、B兩點均產(chǎn)生位移到新的位置,則兩點之間的距離變成了Dx+Ds,設在Dx范圍內(nèi)其變形是均勻的,可得平均線應變
我們對上式取極限,可得到A點的線應變
對于平面問題,如圖所示一個小矩形,在外力作用線變成虛線所示的矩形(尺寸發(fā)生變化),設在Dx,Dy范圍內(nèi)變形是均勻的則有沿x,y方向的平均線應變。
分別取極限得到x、y方向的線應變
(2) 角應變(度量物體內(nèi)一點形狀的改變程度)也稱剪應變或切應變。
定義為直角的改變量。
如圖ab與bc邊互相垂直,變形后為虛線所示,則其角應變?yōu)?/span>
其嚴格的表達式為
(a)圖所示角應變?yōu)榱悖óa(chǎn)生了剛體位移,沒有發(fā)生變形);(b)圖所示角應變?yōu)閍
【本文標簽】:內(nèi)力,、,應力,應變,知,多少,一,、,內(nèi)力,的,概念,定義
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