12讲 梁的切应力强度计算
《梁应力强度计算》课件
《梁应力强度计算》课件一、梁的基本概念1.1 梁的定义梁是一种受弯和/或受剪的受力构件，常用于桥梁、建筑、机器结构等工程中。
1.2 梁的分类（1）按材料分类：钢梁、木梁、混凝土梁等。
（2）按截面形状分类：矩形梁、工字梁、T型梁、I型梁等。
（3）按受力状态分类：简支梁、悬臂梁、连续梁等。
二、梁应力强度计算的基本原理2.1 弹性理论弹性理论是研究弹性体在外力作用下的应力、应变及位移分布的数学理论。
对于梁的应力强度计算，主要应用弹性力学中的平面应变问题和平面应力问题。
2.2 截面应力梁截面上的应力分布不均匀，通常最大应力出现在截面中性轴上，称为截面应力。
2.3 弯曲正应力弯曲正应力是梁截面上与中性轴垂直的应力，其计算公式为：σ= M·y / I，其中M为弯矩，y为截面上的点到中性轴的距离，I为截面的惯性矩。
2.4 剪切应力剪切应力是梁截面上与中性轴平行的应力，其计算公式为：τ= V·x / A，其中V为剪力，x为截面上的点到中性轴的距离，A为截面的面积。
三、梁应力强度计算的方法3.1 静力法静力法是通过对梁受力的分析，确定各部分的受力情况，根据力的平衡条件求解应力。
适用于简单梁结构。
3.2 弹性解析法弹性解析法是利用弹性力学的公式，通过计算梁的弯曲正应力和剪切应力，判断梁的应力强度。
适用于求解复杂梁结构的应力强度。
3.3 有限元法有限元法是利用计算机模拟梁的结构，将梁划分为若干个小的单元，通过对每个单元的应力分析，求解整个梁的应力强度。
适用于求解大型复杂梁结构的应力强度。
四、梁应力强度计算实例4.1 简支梁受集中载荷假设一根简支梁，跨度为L，截面惯性矩为I，截面面积为A，受集中载荷P作用。
求解梁的最大弯曲正应力和剪切应力。
（1）计算弯矩M：M = P·L / 2。
（2）计算截面应力σ：σ= M·y / I。
（3）计算剪切应力τ：τ= V·x / A，其中V为剪力，x为截面上的点到中性轴的距离。
工程力学梁横截面上的切应力及梁的切应力强度条件
三、T字型截面梁的切应力
T字型截面可以看成是由两个矩形组成，下面的 狭长矩形与工字形截面的腹板相似，该部分上的切 应力仍用下式计算：
τ
FS
S
* z
I zb1
最大切应力仍然发生在截面的中性轴上。
四、圆形及环形截面梁的切应力 圆形及薄壁环形截面其最大竖向切应力也都发生在
中性轴上，并沿中性轴均匀分布，计算公式分别为
M+dM
FS dx
σ
现假设用一水平截面将微段梁截 开，并保留下部脱离体，由于脱离 体侧面上存在竖向切应力τ ，根据 切应力互等定理可知，在脱离体的
顶面上一定存在切应力τ '，且 τ '=τ ,如图所示。
dx τ
z y τ' τ
y dx
以FN1、FN2分别代表作用在脱离体左侧面、右侧 面上法向内力的总和，dFS代表水平截面上切应力的 总和，如图所示。
翼缘上的水平切应力可认为沿翼缘厚度是均匀 分布的，其计算公式仍与矩形截面的切应力的形式 相同，即
τ
FS
S
* z
Izδ
式中FS为横截面上的剪力；Sz*为欲求应力点到翼 缘边缘间的面积对中性轴的静矩；Iz横截面对中性轴的 惯性矩；δ为翼缘的厚度。
水平切应力的大小沿水平方向的分布如图所示。实 践和理论推导已经证明，在整个工字型截面上切应力 的方向可用图c表示。从图中表示切应力方向的许多小 箭头来看，它们好象是两股沿截面流动的水流，从上 （或下）翼缘的两端开始，共同朝向中间流动，到腹 板处汇合成一股，沿着腹板向下（或上）到下（或上） 翼缘处再分为两股向两侧流动。对所有的薄壁杆，其 横截面上切应力的方向，都有这个特点。这种现象称 为切应力流。掌握了切应力流的特性，则不难由剪力 的方向确定薄壁杆横截面上切应力的方向。
梁的切应力及其强度条件
100
240
q 6.1kN/m
100
3）抗剪强度
20 S z ,max 180 20 (100 ) 2 100 45 100 2 2 846103 mm3
y
45 45
t max
FS, maxS z ,max bIz
2q 103 846103 [t ] 1.1MPa 4 901473610
D D
0.4m 0.6m
140
B
FB
C
10
FA
y
10
解 1）求内力 FA 66kN D截面的剪力
FB 44kN FS 66kN
t max
FS S z ,max dIz
103 47
A
F=110 kN
10
220
10
220 a
10
C y 10
2）求最大切应力 103 * 2 S z ,max 10310 2 1061 102 mm3
t1max tmax O
tmax
2 h FS 2 t max b h d y 2I z d 2
FS t1 h 2I z
tmin
切应力流
y
最大剪应力一般发生在中性轴上
10 320 10 50kN 50kN 50kN
100
9.5
F1
F2
C B A 1.5 m 1.5 m 1.5 m 1.5 m FA FB
y
解 1）求内力
FA 75kN
FB 75kN
10 320 10
50kN 50kN 50kN
材料力学切应力
材料力学切应力材料力学是研究材料在外力作用下的力学性能和变形规律的学科，其中切应力是材料力学中的重要概念之一。
切应力是指材料内部受到的切削力，是材料在受到外力作用时发生形变的一种力学性质。
在材料力学中，切应力的研究对于材料的强度、塑性变形和破坏等方面具有重要的意义。
首先，我们来了解一下切应力的概念。
切应力是指材料内部受到的切削力，它是由于外力作用而引起的材料内部相对位移所产生的应力。
在材料受到外力作用时，内部各层之间会产生相对位移，从而产生切应力。
切应力的大小与外力的大小、材料的形状和材料的性质有关。
其次，我们来探讨一下切应力的计算方法。
在材料力学中，切应力的计算通常采用横截面上的切应力公式，τ=F/A，其中τ表示切应力，F表示作用力，A表示横截面积。
通过这个公式，我们可以计算出材料在外力作用下所受到的切应力大小。
除了切应力的计算方法，我们还需要了解切应力的影响因素。
切应力的大小受到多种因素的影响，包括外力的大小、作用角度、材料的性质、形状等。
在实际工程中，我们需要综合考虑这些因素，合理地选择材料和设计结构，以减小切应力对材料的影响，保证材料的强度和稳定性。
另外，切应力还与材料的塑性变形和破坏有着密切的关系。
在材料受到外力作用时，如果切应力超过了材料的极限强度，就会导致材料的塑性变形和最终的破坏。
因此，对于切应力的研究对于材料的强度和稳定性具有重要的意义。
在工程实践中，我们需要根据不同材料的特性和外力的作用情况，合理地计算和分析切应力，以保证材料的安全可靠性。
同时，我们还需要通过实验和模拟等手段，深入研究切应力对材料性能的影响规律，为材料的设计和应用提供科学依据。
总之，切应力是材料力学中的重要概念，它对于材料的强度、塑性变形和破坏等方面具有重要的影响。
通过对切应力的研究和分析，我们可以更好地理解材料的力学性能，为工程实践提供科学依据。
因此，我们需要深入研究切应力的计算方法、影响因素和对材料性能的影响规律，以提高材料的使用效率和安全可靠性。
梁的应力和强度计算
梁的应力和强度计算1.梁的基本假设梁的基本假设包括：梁材料是均匀各向同性的，梁截面是平面截面，梁的纵向伸缩变形可以忽略，梁的横向收缩变形可以忽略，梁截面平面保持平直。
2.梁的受力分析在进行梁的应力和强度计算之前，需要对梁的受力进行分析。
常见的梁的受力包括弯曲、剪切和轴向拉压等。
2.1弯曲弯曲是梁的一种主要受力状态，发生在梁受到弯矩作用时。
对于弯曲受力的梁，可以运用梁弯曲理论进行应力和强度计算。
常见的梁弯曲理论包括欧拉-伯努利梁理论和延性梁理论。
2.2剪切剪切是梁的另一种重要受力状态，发生在梁上部分截面受到剪力作用时。
剪切力引起梁截面上的剪应力，可以通过剪切变形理论进行计算。
2.3轴向拉压轴向拉压发生在梁上部分截面受到轴向拉力或压力作用时。
轴向拉力或压力引起梁截面上的轴向应力，可以通过轴向变形理论进行计算。
3.梁的应力分析根据梁的基本假设和受力分析，可以进行梁的应力分析。
梁的应力分析包括黄金区和非黄金区的判断、应力分布的计算和强度设计的确定。
3.1黄金区和非黄金区判断黄金区是指梁截面上应力最大的区域，通常位于材料的纤维处。
在黄金区内，应力达到梁材料的屈服强度。
非黄金区则是指其他区域，应力小于屈服强度。
3.2应力分布计算根据梁的受力和应力分析，可以计算出梁截面上的应力分布。
应力分布的计算可以通过梁的几何形状、外力和边界条件以及材料的性质来确定。
常见的应力分布包括弯曲应力、剪切应力和轴向应力等。
4.梁的强度设计梁的强度设计是根据计算得到的应力分布进行的。
根据材料的强度，可以确定梁的尺寸和形状，以满足梁的极限状态和使用状态的要求。
总结起来，梁的应力和强度计算是梁力学中的基本问题，包括梁的受力分析、应力分布计算和强度设计等内容。
通过合理的计算和设计，可以确保梁的安全和可靠性，提高结构的性能。
梁的应力及强度计算
梁的应力及强度计算梁是一种常见的结构元件，用于承受或分配荷载。
在设计和分析梁的过程中，计算梁的应力及强度是非常重要的。
本文将详细介绍梁的应力及强度计算方法。
首先，梁的应力定义为单位面积上的力，用公式表示为：σ=M*y/I其中，σ表示梁的应力，M表示梁的弯矩，y表示距离中性轴的垂直距离，I表示梁的截面惯性矩。
梁的应力通常包括弯曲应力、剪切应力和轴向应力。
弯曲应力是由于弯曲力引起的应力，计算公式为：σ_b=M*y/I其中，σ_b表示弯曲应力。
剪切应力是由于纵向剪力引起的应力，计算公式为：τ=V*Q/(b*t)其中，τ表示剪切应力，V表示纵向剪力，Q为形状系数，b为梁的宽度，t为梁的厚度。
轴向应力是由于轴向力引起的应力，计算公式为：σ_a=N/A其中，σ_a表示轴向应力，N表示轴向力，A表示梁的截面积。
梁的强度是指在给定的荷载下梁能够承受的最大应力。
在计算梁的强度时，通常需要将不同种类的应力进行合并。
弯曲强度是指梁在弯曲荷载下的抗弯矩能力。
根据材料的弯曲性能和形状，可以采用破坏理论或变形理论计算梁的弯曲强度。
剪切强度是指梁在剪切荷载下的抗剪切能力。
根据材料的剪切性能和梁的几何形状，可以计算出梁的剪切强度。
轴向强度是指梁在轴向荷载下的抗轴向力能力。
轴向强度的计算通常基于材料的抗拉性能。
在进行梁的应力及强度计算时，还需要考虑其他因素，如材料的弹性模量、断裂韧性和安全系数等。
总之，梁的应力及强度计算是结构设计和分析中必不可少的一部分。
通过合理的计算方法，可以确保梁在荷载下的正常工作和安全使用。
梁的应力和强度计算
z dA dM z y dA
dM y
( Stresses in Beams) 将应力表达式代入(1)式，得
FN
A
E
y
dA 0
E
A
ydA 0
待解决问题：
中性轴的位置
中性层的曲率半径ρ
S z ydA 0 A
y M y zE dA 0 A
中性轴通过横截面形心
伽利略（G.Galiieo, 1564-1642）的研究中认为： 弯曲应力是均匀分布的 （《两门新科学的对话》1638 年出版 ） ， 因而得不到正确的公式，大科学家有时 也弄错。
( Stresses in Beams)
C C
Z 中性轴
Z
y
压
C M M
y 拉
C
Z
Z 两部分。
?
( Stresses in Beams)
横截面的 对称轴
横截面
y σ Eε E ρ
M
中性层
中性轴
1、中性轴的位置（Location of the neutral axis) 2、中性层的曲率半径 (Curvature radius of the neutral surface)
?
中性轴
( Stresses in Beams)
强度条件（strength condition)：
梁内的最大工作应力不超过材料的许用应力
1、数学表达式（mathematical formula)
max
M max [ ] W
2、强度条件的应用(application of strength condition)
M max (1) 强度校核 [ ] W M max (2)设计截面 W [ ] (3)确定许可核载 M max W [ ]
梁的应力和强度计算
剪切应力的计算步骤和实例
实例 1. 一根简支梁，跨度为$L$，在跨中受到集中力$F$的作用。求该梁的剪切应力。
2. 一根连续梁，跨度为$L$，在中间支座受到集中力$F$的作用。求该梁的剪切应力。
05
梁的强度计算
强度计算的原理和方法
极限应力法
根据梁的极限应力进行计算，确保梁在承受最大 载荷时不会发生断裂或屈服。
实例
假设有一根简支梁，跨度为L，承受均布载荷q，截面面积为A。根据正应力的计算公式，可以得出正应力的大小 为σ=q*L/2A。如果已知梁的材料和截面尺寸，可以通过查找或试验得到材料的屈服强度或极限强度，并与计算 出的正应力进行比较，以判断梁的强度是否满足要求。
04
梁的剪切应力计算
剪切应力的定义和计算公式
建立梁的力学模型
根据梁的几何形状、材料属性和载荷条件， 建立相应的力学模型。
强度校核
将计算得到的最大应力与材料的许用应力进 行比较，判断是否满足强度要求。
强度计算的注意事项和限制条件
材料属性
了解所用材料的机械性能，如弹性模 量、泊松比、屈服强度等。
支承条件
考虑梁的实际支承条件，如固定、简 支或滑动支承，对计算结果的影响。
剪切应力
在梁的剪切区域，由于相邻截面发生相对错动而产生的应力。
计算公式
剪切应力的大小与作用在剪切面上的外力成正比，与剪切面的面积成反比。公式为：$tau = frac{F}{A}$， 其中$tau$为剪切应力，$F$为作用在剪切面上的外力，$A$为剪切面的面积。
剪切应力的分布和影响
分布
剪切应力在梁的剪切面上是均匀分布的，但在剪切区域之外，由于弯曲应力的存在，剪 切应力会发生变化。
梁的应力和强度计算
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A
A
y
a
1
F
∗ N1
τy
2
a
h/ 2 y
M1 y M dA = ∫ * y1dA Iz Iz A
b
F*2 = ∫ * σ2dA = ∫ * N
A
A
(M + dM)y1 dA
Iz
τy
F∗2 N
dM ∫A* y1dA=τ ybdx Iz
∗ Sz
a
1
a
2
b dx
A
B
3m 34
C
3m
6m
D
14
300
z
a b
148.5
22
4
50
200
14
12
30 32.68
36
最大拉应力发生在B截面上
36×103 ×(350−148.5)×10−3 σ+ = 39800×10−4
最大压应力发生在Fs=0的截面上
σ + =16.5M Pa
32.68×103 ×(350−148.5)×10−3 σ− = 39800× 39800×10−4
∗ A
(2)工字形截面梁的剪应力
y
t
对于图中阴影部分面积对中性轴的静矩
h h − 1 h h h * Sz = b( − 1 )( 1 + 2 2 ) 2 2 2 2 h 1 −y h 1 2 + d( − y)( y + ) 2 2 2 2 b h h d h2 1 = ( − ) + ( 1 − y2 ) 2 4 4 2 4
例题 1:
矩形截面简支梁，加载于梁中点C 如图示 矩形截面简支梁，加载于梁中点C，如图示。求σmax ,τmax。
F
Mmax
h
l2
FL = 4
bh2 W = Z 6
l2
F max Q
F = 2
τmax
F 32 3F 3F Q = = = 4 bh 2 A 2 bh
FL b Mmax 4 = 3FL = σmax = 1 2 W 2bh 2bh2 Z bh 6 3 FL σmax 2 bh2 = 2L = 3F τmax h 4 bh
A=
4
A为圆环形截面面积
二
梁的切应力强度条件
* F SZ τ = S ≤ [τ ] IZb
说明： 说明：1 一般作为强度校核条件 2 许用切应力由剪切实验得到
最大正应力发生在最大弯矩截面的上、下边缘处，该 处的切应力为零，即正应力危险点处于单轴应力状态；
最大切应力通常发生在最大剪力截面的中性轴处，该处 的正应力为零，即切应力危险点处于纯剪切应力状态；
第十二讲 梁的剪应力强度计算
湖南理工学院——曾纪杰
一 几种常见截面梁的剪应力计算公式 (1)矩形截面梁的剪应力 假设： 假设： 1、横截面上的τ方向与FQ平行
Fs
y
2、τ沿截面宽度是均匀分布的
z
(1)矩形截面梁的剪应力
12
F
a x
a
12 dx
M
M+dM
y
h/ 2
z
F*2 − F*1 −τ ybdx = 0 N N
* Sz dM τy = Izb dx
τ =
* F Sz Q
Izb
τ=
* 横截面上的剪力； 截面对中性轴的惯性矩； I F Sz FQ–横截面上的剪力； Z–截面对中性轴的惯性矩； Q
IZb
b–截面的宽度； SZ＊–宽度线一侧的面积对中性轴的静矩. 截面的宽度； 宽度线一侧的面积对中性轴的静矩.
y b
b
* F Sz Q
F b h2 Q
IZ * SZ max
近似计算公式: … F © τ ∪≈ Q hd 1
τmin
F bh2 bh2 = Q − 1 IZd 8 8
(3)圆形和圆环形截面梁的最大剪应力
y
z
d
d D
τmax
4F Q = 3 A
πd
2
τmax = 2
F Q A
细长等值梁
L f5 h
σmax f10 τmax
τ ppσ
例题 2:
F 1
如图所示倒T型外伸梁，已知q=3kN/m， =12kN， =18kN， 如图所示倒T型外伸梁，已知q=3kN/m，F1=12kN，F2=18kN，形心主 q=3kN/m 惯性矩I 。（1 试求梁的最大拉应力和最大压应力及其所在的位置； 惯性矩IZ=39800cm4。（1）试求梁的最大拉应力和最大压应力及其所在的位置； （2）若该梁是由两个矩形截面的厚板条沿图示截面上的ab线（实际是一水平面 胶合而成，为了保证该梁的胶合连接强度， 胶合而成，为了保证该梁的胶合连接强度，水平接合面上的许用切应力值 是多少？ 是多少？ 80 q F 2
ab线上最大切应力发生在BC段
* F SZ S τ= IZb
σ − =15M Pa
* SZ = 200×50×(148.5−25)
* SZ =1235×103mm3
22×103 ×1235×103 τab = 39800×10-4 ×80
τab = 0.85M Pa
[τ] = 0.85MPa
例题 3: 两个尺寸完全相同的矩形截面梁叠加在一起承受荷载如图示,若材料许 用应力为[σ],其许可荷载[F]为多少?如将两根梁用一个螺栓联成一整体,则 其许可荷载[F]为多少?若螺栓材料许用切应力为[τ],求螺栓的最小直径.
F
两梁叠加:
z
h
σmax
z
Mmax 3FL = = 2 2 z W bh
L
b 3FL ≤ [σ] 2 bh
两梁只有一个中性轴
bh2[σ] [F] = 3L
两梁用螺栓连接
σmax =
FL Mmax = σ 2 ≤[ ] W b(2h) z 6
将两个梁连接成 2bh2[σ] [F] = 一个整体后,承载能 3L 力提高一倍.
梁中性层处切应力
τmax
2bh2[σ] 3 F 3 3L h[σ] s = = = 2 A 2 2bh 2L
Байду номын сангаас
中性层剪力
h F =τmax bL = b[σ] s 2
F τ= s A
h b[σ] = 2 2 ≤ [τ ] πd 4
d≥
2hb[σ]
π[τ ]
作业：孙训方，《材料力学》（第五版） 4-32；4-35
d
y
h
h 1
z
O
τmax
τmin
h2 d h2 2 1 1 τ= = − + − y IZ d IZ d 2 4 4 2 4 横截面上的切应力(95--97) (95-横截面上的切应力(95--97) 由腹板承担, ％由腹板承担,而翼缘仅承担了 (3---5) (3--5) ％,且翼缘上的切应力情 F bh2 bh2 dh2 τmax = Q − 1 + 1 况又比较复杂. 况又比较复杂.为了满足实际工 IZ d 8 8 8 程中计算和设计的需要仅分析腹 板上的切应力. 板上的切应力.
对于矩形截面的 Sz
h 1 h S = b( − y)[ y + ( − y)] 2 2 2 bh2 4y2 bh3 = (1− 2 ),QIz = 8 h 12
* z
h/ 2
z
y
h/ 2
y0
τm ax
3 F Q ∴τ y = h2 − 4y2 2 bh3
Q ∪ = 3FQ = 3F © τ … 2bh 2A