剪切计算

一、剪切应力的计算
要获得剪切面上的应力，应当首先考查剪切面上的内力。

当构件受剪切作用时，在剪切面上自然要产生内力，内力的大小和方向可用裁面法求得。

还是以螺栓受力为例，如图5-9所示。

利用裁面法将螺栓沿剪切面m-m 截开，取其中的一部分为研究对象(本例取下半部分)，由平衡条件可知，螺栓上半部分对下半部分的作用力的合力与外力F 是一对平衡力，它们大小相等、方向相反、作用线相互平行，该力F s 与剪切面m-m 相切，称之为剪力。

图5-9 截面法求取剪力示意图
根据平衡条件可知，为保持下半部分螺栓的平衡，作用在剪切面上的内力F s 与外力F 平衡，运用平衡方程可求出内力即剪力的大小为：
F s ＝F (5-1)
虽然已经求得了剪切内力，但还不能对直接求取剪切应力，因为还不知道剪切面上的应力分布情况。

一般情况下，剪力在剪切面上的分布是很复杂的，像螺栓在外力的作用下不仅发生剪切变形，还有微小的拉伸变形、弯曲变形等。

如果进行精确计算，难度很大，但由于螺栓长度比较短、剪切面比较小，所以发生的拉伸变形、弯曲变形可以忽略不计，所以常采用较为实用的工程计算方法。

此时只考虑连接件的主要变形——剪切变形，可以认为这时的剪切面上只有剪力作用，面且剪力在剪切面上是均匀分布的。

因此，剪切面上的剪切应力(通常称为剪应力或切应力)大小为：
s
F A τ=
(5-2)
式中，τ称为剪应力，F s 为剪切面上的剪力，A 为受剪构件的剪切面面积。

剪应力τ的单位与正应力一样，用MPa(N ／mm 2)或Pa(N ／m 2)来表示。

注意，利用式(5-2)很出的剪应力数值，实际上是平均剪应力、是以剪切面上的剪力均匀分布这一假定为前提的，故又称为名义剪应力，名义剪应力实际上就是剪切面上的平均剪应力。

二、剪切应变的计算
为分析物体受剪力作用后的变形情况，从剪切面上取一直角六面体分析。

如图5-10所示，在剪力作用下，相互垂直的两平面夹角发生了变化，即不再保持直角，则此角度的改变量γ称为剪应变、又称切应变。

它是对剪切变形的一个度量标准，通常用弧度(rad)来度量。

在小变形情况下，γ可用tanγ来近似，即
tan ee ff ae bf γγ''≈=
=
'
ae bf dx '==
(5-3)
图5-10 物体受剪力作用、作用后的变形以及剪切应力应变关系示意图
三、剪应力互等定理简介
在受力物体中，我们可以围绕任意一点，用六个相互垂直的平面截取一个边长为dx ，dy ，dz 的微小正六而体，作为研究的单元体(如图5-11所示)。

在单元体中的相互垂直的两个平面上，剪应力(绝对值)的大小相等，它们的方向不是共同指向这两个平面的交线，就是共同背离这两个平面的交线。

即
ττ'= (证明见§6-3)
图5-11 单元体示意图
1. 剪切胡克定律
通过实验可以获得剪切应力与应变的关系曲线，如图5-10(c)所示。

实验证明：当剪应力不超过材料的剪切比例极限τp 时，剪应力τ与剪应变γ成正比例，这就是剪切胡克定律，可以写为：
G τγ=
(5-4)
式中的比例常数G 称为材料的剪切弹性模量。

它的常用单位是GPa 。

钢的剪切弹性模量G 值约为80GPa 。

对于各向同性材料，G 值可由下式得出：
2(1)E
G μ=
+
(5-5)
2.剪切强度计算 (1) 剪切强度条件
剪切强度条件就是使构件的实际剪应力不超过材料的许用剪应力。

[]s
F A ττ=
≤
(5-6)
这里[τ]为许用剪应力，单价为Pa 或MPa 。

由于剪应力并非均匀分布，式(5-2)、(5-6)算出的只是剪切面上的平均剪应力，所以在使用实验的方式建立强度条件时，应使试件受力尽可能地接近实际联接件的情况，以确定试样
F
F
失效时的极限载荷τ0，再除以安全系数n ，得许用剪应力[τ]。

[]n ττ=
(5-7)
各种材料的剪切许用应力应尽量从相关规范中查取。

一般来说，材料的剪切许用应力[τ]与材料的许用拉应力[σ]之间，存在如下关系： 对塑性材料：
[]0.60.8[]τσ=
对脆性材料：
[]0.8 1.0[]τσ=
(2) 剪切实用计算
剪切计算相应地也可分为强度校核、截面设计、确定许可载荷等三类问题，这里就不展开论述了。

但在剪切计算中要正确判断剪切面积，在铆钉联接中还要正确判断单剪切和双剪切。

下面通过几个简单的例题来说明。

例5-1 图5-12(a)所示电瓶车挂钩中的销钉材料为20号钢，[τ]＝30MPa ，直径d=20mm 。

挂钩及被连接板件的厚度分别为t ＝8mm 和t 1＝12mm 。

牵引力F=15kN 。

试校核销钉的剪切强度。

图5-12 电瓶车挂钩及其销钉受力分析示意图
解：销钉受力如图5-12(b)所示。

根据受力情况，销钉中段相对于上、下两段沿m-m 和
n-n 两个面向左错动。

所以有两个剪切面，是一个双剪切问题。

由平衡方程容易求出：
2s F F =
销钉横截面上的剪应力为：
332
151023.9MPa<[]
2(2010)4s F A ττπ-⨯===⨯⨯
故销钉满足剪切强度要求。

例5-2 如图5-13所示冲床，F max =400KN ，冲头[σ]=400MPa ，冲剪钢板的极限剪应力τb =360 MPa 。

试设计冲头的最小直径及钢板最大厚度。

图5-13 冲床冲剪钢板及冲剪部分受力示意图
解：(1) 按冲头压缩强度计算d
max max
2
=
[]4
F F d A
σσπ=≤
所以
3
max 6
44400100.034 3.4[]40010F d m cm πσπ⨯⨯≥===⨯⨯
(2) 钢板的剪切面是直径为d 高为t 的柱表面。

max
s b F F A dt ττπ=
=≥
所以
3
max 26
400100.0104 1.043.41036010b F t m cm d πτπ-⨯≤===⨯⨯⨯⨯
例5-3 如图5-14所示螺钉受轴向拉力F 作用，已知[τ]=0.6[σ]，求其d ：h 的合理比值。

图5-14 螺钉受轴向拉力示意图
解：螺杆承受的拉应力小于等于许用应力值：
24[]N F F A d σσπ=
=≤
螺帽承受的剪应力小于等于许用剪应力值：
[]s F F A dh ττπ=
=≤
当σ、τ同时分别达到[σ]、[τ]时．材料的利用最合理，既
2
40.6F F dh d ππ=
所以可得 : 2.4d h =
------=extPart_01C9B6CD.
第二节 冲压常用材料的化学成分和力学
性能
一、黑色金属
二、有色金属
三、非金属
一、黑色金属
1.深拉深用冷轧钢板发化学成分和力学性能 1）深拉深钢板的化学成分 深拉深用冷轧钢板主要有08Al 、08F 、08、及10、15、20钢。

其化学成分如表8—44所示。

表8—44 深拉深冷轧薄钢板的化学成分（GB/T5213—1985和GB/T710—1991）
（2）影响钢板冲压性能的主要因素化学成分、金属组织、力学性能和表面质量等均影响冲压性能
在上述钢号中用量最大的是08钢，并有沸腾钢与镇静钢之分，沸腾钢08F价廉，表面质量好，但偏析比较严重，且有“应变时效”倾向，对于冲压性能要求高，外观要求严格的零件不适合。

08Al镇静钢板价格较高，但性能均匀，“应变时效”倾向小，适用于汽车、拖拉机覆盖件的拉深。

1）08钢中主要元素对冲压性能的影响（表8—45）
表8—45主要元素对08钢冲压性能的影响
2）深拉深冷轧薄板铁素体晶粒度的标准（表8—46）
表8—46深拉深冷轧薄钢板铁素体晶粒级别
1)铝镇静钢08Al按其拉深质量分为三级：ZF
—拉深最复杂零件；HF—拉深很复杂零件；F—拉深复
杂零件
2)其他深冲薄钢板（包括热轧板）按冲压性能
分级为：Z—最伸拉深件；S—深拉深件；P—普通拉深
件
3)深拉深冷轧薄钢板的力学性能（表8—47）
表8—47深拉深冷轧薄钢板的力学性能（GB/T5213—1985和GB/T710—1991）
4)深拉深冷轧薄钢板的杯突试验冲压深度（表8—48）表8—48深拉深冷轧薄钢板的杯突试验冲压深度（GB/T5213—1985和GB/T710—1991）
2.常用材料的力学性能
（1）黑色金属材料的力学性能（表8—49）
表8—49黑色金属材料的力学性能
（2）钢在加热时的抗剪强度（表8—50）
表8—50钢在加热状态的抗剪强度（单位：MPa）
(3) 普通碳素钢冷弯实验指标（8-51）
表8—51普通碳素钢冷弯试验指标（GB700—1988）
注：B—试样宽度二、有色金属
有色金属的力学性能（表8—52）表8—52有色金属的力学性能
三、非金属
（1）非金属材料的极限抗剪强度（表8—53） 表8—53 非金属材料的极限抗剪强度 （单位：MPa ）
（2）非金属材料加热时的抗剪强度（表8—54）表8—54非金属材料加热时的抗剪强度
注：表列抗剪强度用于普通凸模冲裁时的计算值。