结构力学中,通常把杆件受到外力作用时产生的基本变形归纳为四种:轴向拉压、剪切、扭转、弯曲。它们的分类依据是:外力怎么作用 → 横截面上产生什么内力 → 构件发生什么变形 → 产生什么应力。它们是从受力—内力—变形—应力这个角度来说的。 分析如下:
拉、压:外力沿杆件轴线作用→横截面上产生轴力→构件沿轴向伸长或缩短→主要是正应力。拉和压方向相反,通常合称“轴向拉压”。
剪:一对大小相等、方向相反、相距很近的横向力作用→横截面上产生剪力→截面之间发生相对错动→主要是切应力。
扭:外力力偶矩作用在垂直于杆轴的平面内→横截面上产生扭矩→截面绕轴线相对转动→ 主要是切应力。
弯:横向力或力偶使杆轴线变弯→横截面上主要产生弯矩,常伴随剪力→弯曲→正应力是主要应力。
从“内力分量”看,杆件横截面上一般有轴力N、剪力Fs、扭矩T、弯矩M;拉压对应N,剪对应Fs,扭对应T,弯对应M(弯曲常伴随剪力)。
从“变形”看:拉压是轴向线变形;剪是截面相对错动;扭是绕轴转角;弯是轴线挠曲和截面转角。
从“应力”看:拉压产生正应力,剪和扭产生切应力,弯曲主要产生正应力(通常伴随切应力)。
概念解释:
1.力偶:力偶是大小相等、方向相反、不共线的两个平行力组成的力系;它对物体的作用只表现为纯转动,其转动效应由力偶矩M=Fd 决定,且与矩心无关。
2.内力:构件受外力后,内部各部分之间产生抵抗变形的相互作用力。材料力学中通常指附加内力(是为了区分物体内部分子间作用力“固有内力”)。结构力学通常指截面上的内力合力(轴力N、剪力Q/V、弯矩M、扭矩T)。
在杆件中,截面上的内力通常可简化为几个分量:
轴力N:沿杆轴方向,拉为正、压为负;
剪力V(或Q):平行于截面;
弯矩M:使杆件弯曲;
扭矩T:使杆件绕轴线扭转。
3.应力:内力的分布集度,即单位面积上的内力,σ=limΔF/ΔA。应力分类:正应力和切应力。垂直于截面的是正应力σ,平行于截面的是切应力τ。
内力和应力的区别:内力是截面上的合力或合力偶,应力是内力在截面上的分布密度(点上的分布集度)。材料力学更关心应力和变形,进行强度校核;结构力学更关心内力分布和整体反应,研究杆系的位移和稳定性。材料力学更强调由应力看强度,结构力学更强调由内力看整体。在结构力学中,内力通常指杆件截面上的轴力、剪力、弯矩,可能还有扭矩。
计算公式:弯矩M=∫yσdA,这里y是到中性轴距离,σ是正应力。扭矩T=∫ρτdA,ρ是到圆心距离。剪力V=∫τdA,但切应力分布不均匀。轴力N=∫σdA。
内力 = 应力在截面上的积分/合力;
应力 = 内力在截面上的分布密度。