剪切与连接件的实用计算
材料力学 第6章 连接件的实用计算
故销钉安全
6.2 连接件的实用计算
D
思考题
(1)销钉的剪切面面积 A
h
(2)销钉的挤压面面积 AbS
d
F
6.2 连接件的实用计算
D
挤压面
思考题
(1)销钉的剪切面面积 A
h
(2)销钉的挤压面面积 AbS
A = πdh
d
剪切面
π(D2 - d2)
F
Abs =
4
挤压面
6.2 连接件的实用计算
冲床的最大冲压力F=400kN，冲头材料的许用压应力[]=440MPa，钢板的
对错动。
F
5. 连接处的破坏形式
6.1 引言
一、基本概念和实例
5. 连接处的破坏形式
FS n
(1)剪切破坏 连接件沿剪切面的剪断
(2)挤压破坏 连接件与被连接件在
相互接触面上因挤压 挤压面
而使连接松动，发生 破坏。
(3)拉伸破坏 被连接件在受连接件 处削弱的截面处，应 力增大，易在连接处 拉断。
F n
挤压面和挤压力为：
F AQ
b
仰视图
Abs
Fbs
F ：切应力和挤压应力
τ Fs F 40 107 0.952MPa
AQ bh 12 35
F
σbs
=
Fbs Abs
=
F cb
=
40 ×107 4.5×12
=
7.4MPa
6.2 连接件的实用计算
例6-2 齿轮与轴由平键连接,已知轴的直径d=70mm， 键的尺寸为b×h×L=20
2. 工程实例
(1) 螺栓连接
可拆卸
M
特点：可传递一般力
连接件强度计算
320M Pa，试校核铆接头的强度。（假定每个铆钉受力相等。）
F b F 解：受力分析如图
F s F bs F 4
t
F
F
1 2 3
F
d
F/4 1 2 3
t
剪应力和挤压应力的强度条件
Fs As F
d
2
110 10 3 . 14 16
3 2
136 . 8 MPa
例8-11 图示的销钉连接中，构件A通过安全销C将 力偶矩传递到构件B。已知荷载F=2kN，加力臂长 l=1.2m，构件B的直径D=65mm，销钉的极限切应力 u=200MPa。试求安全销所需的直径d。
l C B
O
A
F
解：取构件B和安全销为研 究对象，其受力为 由平衡条件
M 0, FS D M Fl
在局部面积上的受压称为挤压或承压。相当复杂 的问题。
工程上对螺栓连接的强度计算，均采用直接实验 为依据的实用计算。 1.
F
剪切的实用计算 剪切面: 螺栓将沿两侧外力之 间、与外力作用线平行的截面 m m m—m发生相对错动，这种变形 F 形式为剪切。m-m截面发生剪切 Fs 变形,称为剪切面 m m
3
F t (b d )
110 10
1 ( 85 16 )
159 . 4 MPa
综上，接头安全。
1 2 3
F F
t
F
d
t
F/4
1 2 3
例8-16 图示悬臂梁，有两块木板钉成T型截面，铁 钉的许用剪力[FS]=800N。求铁钉的间距。
1 .8 k N 200 50
材料力学第二章-剪切与连接件的实用计算
工程力 学
§2-4 挤压问题
第二种破坏方式为铆钉与钢板间的局部 接触，互相挤压，导致破坏。接触面上的压 力称为挤压力。记为Pbs Abs bs bs — 名义挤压应力 P n Abs [ bs ] bs bs u bs u P
u
Pbs
Pbs 工程力 学
Abs bs bs ] [ 强度条件： Pbs
直径投影面
Pbs： 挤压力 Abs：计算挤压面面积 接触面为平面，则计算挤压面为接触面。 接触面为半圆柱面，则计算挤压面为直径投影面。 挤压应力是连接件与被连接件之间的相互 作用，因此，当两者材料不相同时，应校核挤 压许用应力较低的材料的挤压强度。
工程力 学
例 2–3 一销钉连接如图所示。已知外力
P=15kN ，被连接件的厚度分别为 t1=6mm 和 t2=10mm，材料的许用剪应力 [ ]=30MPa，许 用挤压应力[bs]=100MPa，试设计销钉直径。
p
t1
t2 t1
p
工程力 学
解： 作销钉受力图如图示
按剪切强度条件设计 销钉有两个受剪面n –n和m – m
工程力 学
回到例题
截面法 A Q 平均剪应力称为名义剪应力
A u Q n [ ]
u
强度分析 QP
A：受剪面面积 名义极限剪应力 Q m
强度条件为 A [ ] Q
m P
m
P
m P
工程力 学
例2–1 两块矩形截面木杆用两块钢板连接 如图所示，P=60kN，木材顺纹剪切许用应力为 []=1MPa ，木板截面宽度 b=0.15m ，试求接头 的长度L。 P L L
剪切计算及常用材料强度
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。
[]sF 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：332151023.9MPa<[]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dmax max2=[]4F F d Aσσπ=≤所以3max 644400100.034 3.4[]40010F d m cmπσπ⨯⨯≥===⨯⨯(2) 按钢板剪切强度计算t钢板的剪切面是直径为d 高为t 的柱表面。
连接件受力经验计算公式
连接件受力经验计算公式
1. 螺栓连接
- 轴向受力:F=π/4*d^2*σ
其中,F为轴向受力(N),d为螺栓公称直径(mm),σ为许用应力(MPa)。
- 剪切受力:F=0.6*π/4*d^2*τ
其中,F为剪切受力(N),d为螺栓公称直径(mm),τ为许用剪切应力(MPa)。
2. 焊缝连接
- 角焊缝受力:F=0.707*l*a*τ
其中,F为受力(N),l为焊缝长度(mm),a为腿长(mm),τ为许用剪切应力(MPa)。
- 对接焊缝受力:F=π/4*d^2*σ
其中,F为受力(N),d为焊缝直径(mm),σ为许用拉伸应力(MPa)。
3. 键连接
- 平键受力:F=d*l*p*τ
其中,F为受力(N),d为键宽(mm),l为键长(mm),p为键高(mm),τ为许用剪切应力(MPa)。
- 垫圈受力:F=π/4*d^2*σ
其中,F为受力(N),d为垫圈外径(mm),σ为许用压力(MPa)。
4. 销连接
- 剪切受力:F=π/4*d^2*τ
其中,F为剪切受力(N),d为销直径(mm),τ为许用剪切应力(MPa)。
- 压力受力:F=d*l*p
其中,F为压力受力(N),d为销直径(mm),l为销长(mm),p为许用压力(MPa)。
以上公式是基于经验和理论推导得出的,在实际应用中还需要考虑各种安全系数、工艺条件和使用环境等因素,对计算结果进行适当调整。
同时,对于一些特殊情况或复杂载荷工况,可能需要采用有限元分析等更精确的计算方法。
连接件的强度计算
故铆钉连接满足剪切强度要求。
图6-22
② 校核铆钉或钢板的挤压强度。 每个铆钉受到的挤压力为
FC
F 2
52 2
26 kN
挤压面积为
AC d 1610 160 m m2
C
FC AC
26 103 160
162.5 MPa C 320 MPa
故铆钉连接满足挤压强度要求。
3
所以，此连接能承受的最大荷载 F = 314 kN。
图6-24
建筑力学
建筑力学
连接件的强度计算
1.1 剪切与挤压的概念
在工程实际中，机械和结构大都由许多零件或构件连接而成。连接的形式 有铆接、焊接、键连接、销钉连接等。其中，起连接作用的构件称为连接件，如 用来连接钢板的螺栓或铆钉、用来作为连接零件的销轴、用来连接轴和轮子的键 等，如图6-19 所示。
图6-19
这些连接件的受力特点是：作用在构件两侧面上外力合力的大小相等、方向 相反、作用线平行，与轴线垂直且相距很近，如图6-20a 所示；变形特点是：介于 作用力中间部分的截面，有发生相对错动的趋势。构件的这种变形称为剪切变形； 发生相对错动的截面称为剪切面，剪切面平行于作用力的方向，如图6-20b 所示， m‒m 截面为剪切面。F Βιβλιοθήκη 2dt270F
2 25 16 106
120 106
F 120 106 270 2 25 16 106 422.4 kN
(b) 根据Ⅱ‒Ⅱ截面计算，其受力如图6-24e 所示。
FN 2 A2
6F 8
b 4d t
3F 4
270 4 25 16 106
120 106
F 120 106 270 4 2516 106 4 435.2 kN
连接件的实用计算
图示木接头中剪切面积为（ D ）。 A.?l B.lb C.2l? √D.2lb
图示木杆接头，已知轴向力 F＝50kN，截面
宽度 b＝250mm ，木材的顺纹挤压容许应力 [σbs]＝10MPa，须纹许用切应力[τ]＝ 1MPa。 试根据剪切和挤压强度确定接头的尺寸 L和a。
F
Fs
Fs F
剪切：位于两力间的截面发生相对错动 受力特点：作用在构件两侧面上的外力的合 力大小相等、方向相反、作用线相距很近。
τ＝Fs／A
在计算中，要正确确定有几个剪切面，以及 每个剪切面上的剪力。
? bs
?
Fbs Abs
判断剪切面和挤压面应注意的是：
剪切面是构件的两部分有发 生相互错动趋势的平面 挤压面是构件相互压紧部分 的表面
拉伸强度
? ? FN
A
? FP
(b ? d )?
? 23ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5? 103 ? 28.3MPa ? ?? ?
(100 ? 17) ? 10
挤压强度
?
bs
?
FP
?d
? 23.5 ? 103 17 ? 10
? 138MPa ? ?? ?bs
剪切强度（对于铆钉）
FP
? ? Fs
A
?2
?d 2
?
2FP
?d 2
?
F 5
Fsx ? 30kN
C
? ? Fs x Fsmax ? 2Fsx 2 ? Fs2y ? 63.2kN
离2FCs x点最远的铆钉所受剪力最大
2Fsx ? 0.12 ? 4 ? Fsx ? 2 ? 0.12 ? F ? 0.36 ? 0
连接件的实用计算
拉伸强度
FN FP A (b d )
23.5103 28.3MPa
(100 17) 10
挤压强度
bs
FP
d
23.5103 17 10
138 MPa bs
剪切强度（对于铆钉）
FP
Fs
A
2
d 2
2FP
d 2
2 23.5103
3.14 172
4
51.8MPa
Fbs Abs
F ba
bs
F
a
b bs
50103 20mm 250 10
图示钢板铆接件，已知钢板拉伸许用应力［σ］＝
98MPa，挤压许用应力［σbs］＝ 196MPa ，钢板厚度δ ＝10mm，宽度b＝100mm，铆钉直径d＝17mm，铆钉许
用切应力［τ］ ＝137MPa，挤压许用应力［σbs］ ＝ 314MPa。若铆接件承受的载荷FP＝23.5kN。试校核钢板
与铆钉的强度。
图示木杆接头，已知轴向力F＝50kN，截面
宽度b＝250mm，木材的顺纹挤压容许应力
[σbs]＝10MPa，须纹许用切应力[τ]＝1MPa。 试根据剪切和挤压强度确定接头的尺寸L和a。
b F
a
LL
挤压面
F 剪切面FS F F源自A lbLF
b
50 103 250 1
200mm
F
bs
托架受力如图所示。已知F＝100kN，铆钉直径
d＝26mm。求铆钉横截面最大切应力（铆钉受单
剪，即每个铆钉只有一个受剪面）。
360
120
120 C
120 120
F
2Fs x
Fs x
Fm
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16.7106 Pa
16.7MPa
剪切与连接件的实用计算
[例二] 如图螺钉，已知：[]=0.6[s]，求其d:h的合理比值。
h d
d h
F
剪切面
解
s
FN A
4F
d 2
s
当 s ， 分 别 达 到 [] ， [s] 时 ，
FS
F
材料的利用最合理
AS dh
F 0.6 4F 得 d : h 2.4
m
Fbs
可知 m-m为危险截面
FN，max F 140 kN A 2729 6 16 1266 mm 2
s
FN，m a x A
140000 12.66 104
111MPa s
斜杆满足拉伸强度的要求
第四节 铆钉连接的计算
剪切与连接件的实用计算
铆钉连接方式：单剪-----搭接、单盖板对接 双剪-----双盖板对接。
F 剪切面 F
F FS
F
F
F
剪切面
F
F FS
3.剪切强度条件 max
剪切破坏条件 max b
剪切与连接件的实用计算
4.许用剪（切） 应力
τ
τu n
τ u： 采 用 模 拟 试 验 所 得 名义 剪 切 强 度 极 限 n ： 安 全 系 数 1
5.双剪(两个剪切面)试验
压头 试件
F
FS
F
FS AS
2n
d2
2 140 1000
n 162 106
130MPa
得：
4
2、校核挤压强度
n 2.68
取： n 3
F
Fbs
F n
，
s bs
Fbs Abs
Fn td
140 1000 310 16 10 6
292 MPa
s bs
m Fbs
3、校核角钢的拉伸强度
满足挤压强度条件
Fbs
取两根角钢为分离体，作出受力图和轴力图。
第二节 剪切实用计算
剪切与连接件的实用计算
1.剪切受力和变形特点
①受力特点：外力大小相等、方向相反、相距很近、 垂直于轴线
②变形特点：在平行外力之间的截面，发生相对错动 变形。
2.剪切计算只对联接件进行
3.名义切应力
剪力 FS=F
AS
F
FS F
AS AS
受剪面面积
剪切与连接件的实用计算
上刀刃 n 下刀刃 n
F
n FSn
b l
d
O Me
O
Fbs
Me
h/2
nQ n
校核键的剪切强度：
FS 2Me / d 57.1kN
AS
bl
MO 0：
FS
d 2
Me
FS FS 28.6MPa
AS bl
校核键的挤压强度：
Fbs FS 57.1kN
Abs hl/2
sbs
Fbs Abs
Fbs (hl) / 2
第一节 概述
键 连 接
m
铆钉（或螺栓）连接
剪切与连接件的实用计算
榫齿 连接
连接件
在构件连接处起连接作 用的部件。（如：螺栓、 销钉、键、铆钉、木榫接 头、焊接接头等。）
1、假设
剪切与连接件的实用计算
①按照破坏可能性 ② 反映受力基本特征 ③ 简化计算
2、计算名义应力
3、确定许用应力
F
F
直接试验结果
95.2MPa
s
bs
强度满足要求
剪切与连接件的实用计算
[例四某钢桁架的一个结点如图所示。斜杆A由两个63×6的等边角钢组
成，受力P=140kN的作用。该斜杆用螺栓连接在厚度为t=10mm的结点板上，
螺栓直径为d=16mm。已知角钢、结点板和螺栓的材料均为Q235钢，许用应
力为〔σ〕=170MPa,〔τ〕 =130MPa ,〔σbs〕 =300MPa。试选择螺栓个数，
F F
F F
一、铆钉组承受横向荷载
假设：1.不考虑弯曲的影响；2.外力通过铆钉组的形心， 且各铆钉直径相同，则每个铆钉的受力也相等。
每个铆钉受相同的力F 1 =F/n 其中：n为铆钉组中的铆钉个数
计算方法：与上 一节方法相同
二、铆钉组承受扭转荷载
F
剪切与连接件的实用计算
此时每个铆钉的受力不相
同，每个铆钉上所受的力与到 形心的距离成正比，方向垂直 于该点与形心O点的连线。
并校核斜杆A的拉伸强度。
F
F
A A
解：分成三个步骤：1、由剪切强度条件选择个数；2、用挤压强度
条件校核；3、校核斜杆的拉伸强度。
螺栓有两个受剪面
当螺栓直径相同、外力作用线通过形心
时，可假定每个螺栓受相同的力。即每个螺 栓所受力等于P/n
FS
Fn 2
F 2n
1.由剪应力强度条件：
剪切与连接件的实用计算
FS
u
Fu 2 As
u / n
剪切与连接件的实用计算
[例一 ] 图示装置常用来确定胶接处的抗剪强度，如已知 破坏时的荷载为10kN，试求胶接处的极限剪（切）应力。
F
F
①
①
FS
FS
10mm
②③ 胶缝
解：
Байду номын сангаас
F FS 2 5kN
As 0.03 0.01 310 4 m2
u
FS As
5103 3104
dh
d 2
第三节 挤压的实用计算
1.挤压的概念
剪切与连接件的实用计算
FF
F
F
挤压面
压溃(塑性变形)
挤压计算对联接件与被联接件都需进行
2.挤压应力 挤压力
剪切与连接件的实用计算
d
t Fbs
Abs=td
s bs
Fbs Abs
计算挤压面
①挤压面为平面，计算挤压面就是该面
②挤压面为弧面，取受力面对半径的投 影面
3.挤压强度条件： (s bs )max s bs
4.挤压许用应力：由模拟实验测定
剪切与连接件的实用计算
[例三 图示轴与齿轮的平键联接。已知轴直径d=70mm，键的尺寸为
b×h×l=20×12×100mm ， 传 递 的 力 偶 矩 Me=2kN·m ， 键 的 许 用 应 力
[]=60MPa，[s]bs=100MPa。试校核键的强度。
F
e
m Fe Fiai
其中： m为钢板所受的转矩； Fi为每个铆钉所受的力； ai为铆钉截面中心至铆钉组形心的距离
剪切与连接件的实用计算
承受偏心荷载的铆钉组，可将偏心荷载P向形心简化为一 个过O点的荷载和一个绕O点的转矩。
则每个铆钉上所受的力为由横向力引起的力和转矩引起 的力两者的矢量和。