工程构件一般可分为三类。第四章已指出:杆是某一方向尺寸远大于其它二方向尺寸的构件,若杆件的轴线为直线,则称为直杆。此外,若构件在某一方向的尺寸远小于其它二方向的尺寸,称之为板。若构件在x、y、z三个方向的尺寸具有相同的数量级,则称为块体。本课程主要讨论直杆,这是一种最简单的构件。
如同4.4节所述,在空间任意力系的作用下,杆件截面内力的最一般情况是六个分量都不为零,其变形是很复杂的。为了简化讨论,我们将杆的基本变形分成为三类,即拉压、扭转、弯曲,如图4.3所示。前面已经讨论了在轴向载荷作用下杆的拉伸和压缩;现在再来研究杆的另一类基本变形,即扭转问题。
工程中承受扭转的构件是很常见的。如图8.1所示的汽车转向轴,驾驶员操纵方向盘将力偶作用于转向轴AB的上端,转向轴的下端B则受到来自转向器的阻抗力偶的作用,使转向轴AB发生扭转。又如图8.2中的传动轴,轮C上作用着主动力偶矩,使轴转动;轮D输出功率,受到阻力偶矩的作用,轴CD也将发生扭转。
以上二例都是承受扭转的构件实例。由于工程中承受扭转的构件大多为圆截面直杆,故称之为轴。本章亦仅限于讨论直圆轴的扭转问题。
图8.3所示为等截面直圆轴扭转问题的示意图。
扭转问题的受力特点是:在各垂直于轴线的平面内承受力偶作用。如在图8.3中,圆轴AB段两端垂直于轴线的平面内,各作用有一个外力偶M0,此二力偶的力偶矩相等而转向相反,故是满足平衡方程的。
圆轴扭转问题的变形特点是:在上述外力偶系的作用下,圆轴各横截面将绕其轴线发生相对转动;任意两横截面间相对转过的角度,称为相对扭转角,以φ表示。图8.3中,φAB表示截面B相对于截面A的扭转角。必须指出,工程中的传动轴,除受扭转作用外,往往还伴随有弯曲、拉伸(压缩)等其它形式的变形。这类问题属于组合变形,将在以后研究。