杆件的基本变形
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若构件在某一方向的尺寸远大于其它二方向的尺寸,则统称为杆件。若杆件的轴线为直线,则称为直杆。本书中讨论的杆,若非特别说明,均指直杆。这是一种最简单的构件。
构件在力的作用下所发生的几何尺寸或形状的改变,称为变形。
对于杆件而言,截面内力的最一般情况是六个分量都不为零。由例4.4可见,图中AB段杆上有轴力FN=F1x,故杆将发生沿x轴的伸长或缩短;有扭矩M1x作用,杆将发生绕x轴的扭转;有弯矩M1y、M1z作用,使杆AB分别发生在xy平面、xz平面内的弯曲。因此,杆AB的可能变形是十分复杂的。
对于任何复杂的问题,总可以从简单情况入手。于是,我们可以将杆的基本变形分为三类,即拉伸和压缩、扭转、弯曲,如图4.7所示。
轴向拉伸和压缩——作用于杆的外力都沿杆的轴线,内力为轴力。工程中常见的有拉杆、撑杆、顶杆、活塞杆、钢缆、柱等等。
扭转——作用于杆的外载荷是在垂直于杆轴线的各平面内的力偶,内力称为扭矩。工程中承受扭转的杆通常为圆截面,称之为轴。如各种传动轴、车轮轴、车辆转向轴等。
弯曲——作用于杆的外载荷是与轴线在同一平面内的力偶,内力为弯矩。承受弯曲的杆,通常称为梁。例如桥梁、房梁、地板梁等等。
例4.4中AB段杆上还有剪力FQ=F1y,FQ将使杆发生垂直于x轴的剪切错动。这种变形情况较复杂且局部效应明显,不列入基本变形。
本章先讨论轴向拉压杆的最简单问题,并由此进一步探讨变形体静力学的一般分析方法。其它各种基本变形和复杂组合变形情况下的力学分析,将在后续章节中陆续讨论。