《扭轉(zhuǎn)變形教學(xué)》課件

扭轉(zhuǎn)變形教學(xué)歡迎來到扭轉(zhuǎn)變形教學(xué)的PPT課件！本課程旨在全面講解扭轉(zhuǎn)變形的基本概念、原理、計(jì)算方法以及工程應(yīng)用。通過本課程的學(xué)習(xí)，您將掌握扭轉(zhuǎn)力矩、扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力等核心概念，并能運(yùn)用這些知識(shí)解決實(shí)際工程問題。我們將結(jié)合理論知識(shí)、實(shí)例分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，幫助您深入理解扭轉(zhuǎn)變形的本質(zhì)，提高分析和解決相關(guān)問題的能力。希望通過本課件的學(xué)習(xí)，您能對(duì)扭轉(zhuǎn)變形有更深刻的認(rèn)識(shí)，為未來的工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。什么是扭轉(zhuǎn)變形？定義與概念定義扭轉(zhuǎn)變形是指物體在受到扭轉(zhuǎn)力矩作用時(shí)，其橫截面繞軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。這種變形主要發(fā)生在軸類零件和一些薄壁結(jié)構(gòu)中。扭轉(zhuǎn)變形的大小通常用扭轉(zhuǎn)角來衡量，表示橫截面的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。概念扭轉(zhuǎn)變形的核心概念包括扭轉(zhuǎn)力矩、扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力等。扭轉(zhuǎn)力矩是引起扭轉(zhuǎn)變形的外力作用；扭轉(zhuǎn)剛度是材料抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力；扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力是橫截面上由扭轉(zhuǎn)力矩引起的內(nèi)力。理解這些概念是掌握扭轉(zhuǎn)變形的基礎(chǔ)。扭轉(zhuǎn)變形的基本原理1圣維南原理圣維南原理指出，如果作用在物體上的力系用一個(gè)靜力等效的力系代替，則在離力作用點(diǎn)足夠遠(yuǎn)的地方，物體的應(yīng)力分布幾乎不受影響。這一原理簡(jiǎn)化了扭轉(zhuǎn)問題的分析，使我們能夠集中研究截面上的應(yīng)力分布。2平面假設(shè)對(duì)于圓軸扭轉(zhuǎn)，平面假設(shè)認(rèn)為，在扭轉(zhuǎn)變形過程中，橫截面仍然保持為平面，且半徑保持為直線。這一假設(shè)是推導(dǎo)圓軸扭轉(zhuǎn)公式的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化了應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算。3胡克定律在彈性范圍內(nèi)，材料的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系，符合胡克定律。這意味著扭轉(zhuǎn)力矩與扭轉(zhuǎn)角之間存在比例關(guān)系，可以通過材料的扭轉(zhuǎn)剛度來描述。扭轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算外力分析首先，需要分析作用在物體上的外力，確定哪些力會(huì)引起扭轉(zhuǎn)變形。這些外力通常表現(xiàn)為力偶或扭轉(zhuǎn)力矩，需要將其轉(zhuǎn)化為等效的扭轉(zhuǎn)力矩。截面法采用截面法，將物體沿橫截面切開，研究截面上的內(nèi)力。根據(jù)靜力平衡條件，可以計(jì)算出截面上的扭轉(zhuǎn)力矩。公式計(jì)算根據(jù)扭轉(zhuǎn)力矩的定義，可以采用公式T=F*d來計(jì)算，其中T是扭轉(zhuǎn)力矩，F(xiàn)是作用力，d是力臂。對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可能需要進(jìn)行分段計(jì)算。扭轉(zhuǎn)剛度的概念定義扭轉(zhuǎn)剛度是指物體抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，通常用單位扭轉(zhuǎn)角所需的扭轉(zhuǎn)力矩來表示。扭轉(zhuǎn)剛度越大，物體抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力越強(qiáng)。計(jì)算公式扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算公式為GJ，其中G是材料的剪切模量，J是截面的極慣性矩。剪切模量反映了材料的抗剪切能力，極慣性矩反映了截面的幾何特性。影響因素影響扭轉(zhuǎn)剛度的因素主要包括材料的剪切模量和截面的幾何形狀。材料的剪切模量越大，截面的極慣性矩越大，扭轉(zhuǎn)剛度越大。扭轉(zhuǎn)角與長度的關(guān)系線性關(guān)系在彈性范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)角與長度呈線性關(guān)系。這意味著，對(duì)于均勻截面的軸，單位長度上的扭轉(zhuǎn)角是相同的。計(jì)算公式扭轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式為φ=TL/GJ，其中φ是扭轉(zhuǎn)角，T是扭轉(zhuǎn)力矩，L是軸的長度，G是材料的剪切模量，J是截面的極慣性矩。應(yīng)用通過測(cè)量扭轉(zhuǎn)角，可以反推出軸的扭轉(zhuǎn)力矩或材料的剪切模量。這一關(guān)系在工程實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，例如扭矩傳感器的設(shè)計(jì)。圓軸扭轉(zhuǎn)變形的特點(diǎn)平面假設(shè)橫截面保持為平面，且半徑保持為直線。1切應(yīng)力分布切應(yīng)力沿半徑線性分布，中心處為零，表面處最大。2扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)角與長度呈線性關(guān)系。3非圓軸扭轉(zhuǎn)變形的復(fù)雜性1翹曲變形橫截面不再保持為平面，發(fā)生翹曲變形。2應(yīng)力集中在尖角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。3計(jì)算困難理論計(jì)算較為復(fù)雜，通常需要借助數(shù)值方法。扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的分布規(guī)律圓軸對(duì)于圓軸，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力沿半徑線性分布，中心處為零，表面處最大。其計(jì)算公式為τ=Tρ/J，其中τ是扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，T是扭轉(zhuǎn)力矩，ρ是半徑，J是截面的極慣性矩。非圓軸對(duì)于非圓軸，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的分布較為復(fù)雜，通常需要借助數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。在尖角處，切應(yīng)力會(huì)發(fā)生集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)容易失效。扭轉(zhuǎn)截面模量的定義與計(jì)算定義扭轉(zhuǎn)截面模量是指截面抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，通常用Wt表示。扭轉(zhuǎn)截面模量越大，截面抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力越強(qiáng)。計(jì)算公式扭轉(zhuǎn)截面模量的計(jì)算公式為Wt=J/r，其中J是截面的極慣性矩，r是截面的最大半徑。對(duì)于圓軸，Wt=πd^3/16，其中d是軸的直徑。應(yīng)用扭轉(zhuǎn)截面模量在軸的設(shè)計(jì)中有著重要的應(yīng)用，可以用來計(jì)算軸的最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，從而判斷軸的強(qiáng)度是否滿足要求。最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的確定公式計(jì)算對(duì)于圓軸，最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的計(jì)算公式為τmax=T/Wt，其中T是扭轉(zhuǎn)力矩，Wt是扭轉(zhuǎn)截面模量。通過該公式，可以快速計(jì)算出軸的最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。數(shù)值方法對(duì)于非圓軸，最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的確定通常需要借助數(shù)值方法，例如有限元分析。通過有限元分析，可以得到截面上應(yīng)力的分布，從而確定最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的位置和大小。實(shí)驗(yàn)測(cè)量通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，也可以確定最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。常用的方法包括應(yīng)變片法和光彈性法。這些方法可以直接測(cè)量截面上的應(yīng)變或應(yīng)力，從而確定最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。材料的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度理論1第一強(qiáng)度理論最大拉應(yīng)力理論，認(rèn)為材料的破壞是由最大拉應(yīng)力引起的。2第二強(qiáng)度理論最大伸長線應(yīng)變理論，認(rèn)為材料的破壞是由最大伸長線應(yīng)變引起的。3第三強(qiáng)度理論最大切應(yīng)力理論，認(rèn)為材料的破壞是由最大切應(yīng)力引起的。該理論在扭轉(zhuǎn)問題中應(yīng)用廣泛。4第四強(qiáng)度理論畸變能理論，認(rèn)為材料的破壞是由畸變能引起的。該理論是目前應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)度理論。扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度的重要性定義扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度是指材料在扭轉(zhuǎn)作用下開始發(fā)生塑性變形的應(yīng)力值。它是衡量材料抵抗扭轉(zhuǎn)塑性變形能力的重要指標(biāo)。重要性在工程設(shè)計(jì)中，需要保證結(jié)構(gòu)在工作過程中不發(fā)生塑性變形，因此扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過控制最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力低于扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度，可以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。扭轉(zhuǎn)失效的模式脆性斷裂材料在扭轉(zhuǎn)作用下突然斷裂，斷口通常垂直于軸線。塑性屈服材料在扭轉(zhuǎn)作用下發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能失效。疲勞斷裂材料在循環(huán)扭轉(zhuǎn)作用下逐漸斷裂，斷口通常有明顯的疲勞條紋。影響扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的因素1材料材料的種類和熱處理狀態(tài)對(duì)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度有顯著影響。高強(qiáng)度合金鋼通常具有更高的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。2幾何形狀截面的幾何形狀，如圓軸、方軸等，以及截面的尺寸，都會(huì)影響扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。圓軸通常具有更高的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。3表面狀態(tài)表面的粗糙程度、缺陷等都會(huì)影響扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。表面粗糙或存在缺陷容易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度降低。工程實(shí)例：軸的扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)確定載荷1選擇材料2計(jì)算尺寸3校核強(qiáng)度4軸的材料選擇鋼材常用材料，如45鋼、40Cr等，具有良好的強(qiáng)度和韌性，適用于一般工況。合金鋼高強(qiáng)度合金鋼，如40CrNiMoA等，具有更高的強(qiáng)度和耐磨性，適用于重載工況。鑄鐵灰鑄鐵、球墨鑄鐵等，具有良好的減振性和耐磨性，適用于低速重載工況。軸的直徑計(jì)算強(qiáng)度條件根據(jù)強(qiáng)度條件τmax≤[τ]，計(jì)算軸的最小直徑。剛度條件根據(jù)剛度條件φ≤[φ]，計(jì)算軸的最小直徑。綜合考慮綜合考慮強(qiáng)度和剛度條件，選擇較大的直徑作為軸的設(shè)計(jì)直徑。安全系數(shù)的考慮定義安全系數(shù)是指材料的強(qiáng)度與實(shí)際工作應(yīng)力之比，用于保證結(jié)構(gòu)的安全可靠性。選擇安全系數(shù)的選擇需要綜合考慮載荷的性質(zhì)、材料的性能、以及失效的后果等因素。通常情況下，安全系數(shù)取1.5-3.0。影響安全系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高，但同時(shí)也意味著材料的利用率降低，導(dǎo)致成本增加。因此，需要在安全性和經(jīng)濟(jì)性之間進(jìn)行權(quán)衡。鍵連接的扭轉(zhuǎn)分析受力分析分析鍵的受力情況，確定鍵所承受的扭轉(zhuǎn)力矩。強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算鍵的剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力，保證鍵的強(qiáng)度滿足要求。設(shè)計(jì)選擇根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，選擇合適的鍵的尺寸和類型。花鍵連接的特點(diǎn)承載能力強(qiáng)花鍵連接具有多個(gè)齒，可以承受較大的扭轉(zhuǎn)力矩。對(duì)中性好花鍵連接具有良好的對(duì)中性，可以保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性。制造復(fù)雜花鍵連接的制造較為復(fù)雜，成本較高。聯(lián)軸器的作用與類型1作用連接兩軸，傳遞動(dòng)力，補(bǔ)償兩軸的對(duì)中誤差，減緩沖擊和振動(dòng)。2固定式聯(lián)軸器剛性聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、凸緣聯(lián)軸器等，適用于兩軸對(duì)中性好的場(chǎng)合。3可移式聯(lián)軸器齒輪聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器、彈性聯(lián)軸器等，適用于兩軸存在對(duì)中誤差的場(chǎng)合。萬向聯(lián)軸器的原理1十字軸通過十字軸實(shí)現(xiàn)兩軸的連接。2夾角允許兩軸存在一定的夾角。3不勻速存在傳動(dòng)的不勻速性。齒輪傳動(dòng)的扭轉(zhuǎn)分析受力分析分析齒輪的受力情況，確定齒輪所承受的扭轉(zhuǎn)力矩。強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力，保證齒輪的強(qiáng)度滿足要求。皮帶傳動(dòng)的扭轉(zhuǎn)分析受力分析分析皮帶的受力情況，確定皮帶所傳遞的扭轉(zhuǎn)力矩。張力計(jì)算計(jì)算皮帶的張力，保證皮帶的張力滿足要求。打滑防止皮帶發(fā)生打滑現(xiàn)象。螺旋傳動(dòng)的扭轉(zhuǎn)分析受力分析分析螺旋的受力情況，確定螺旋所承受的扭轉(zhuǎn)力矩。效率計(jì)算計(jì)算螺旋傳動(dòng)的效率，提高傳動(dòng)效率。自鎖保證螺旋傳動(dòng)的自鎖性能。螺栓連接的扭轉(zhuǎn)分析預(yù)緊力施加足夠的預(yù)緊力，保證連接的可靠性。剪切力計(jì)算螺栓的剪切應(yīng)力，保證螺栓的強(qiáng)度滿足要求。摩擦力利用摩擦力傳遞扭轉(zhuǎn)力矩。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的方法與步驟1準(zhǔn)備準(zhǔn)備試驗(yàn)設(shè)備和試樣。2加載對(duì)試樣施加扭轉(zhuǎn)力矩。3測(cè)量測(cè)量扭轉(zhuǎn)力矩和扭轉(zhuǎn)角。4記錄記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)備的介紹扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)用于對(duì)材料進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的設(shè)備。扭矩傳感器用于測(cè)量扭轉(zhuǎn)力矩的傳感器。角度傳感器用于測(cè)量扭轉(zhuǎn)角的傳感器。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析數(shù)據(jù)處理對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算。曲線繪制繪制扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變曲線。指標(biāo)計(jì)算計(jì)算材料的扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變曲線的解讀彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系。屈服階段應(yīng)力基本不變，應(yīng)變迅速增加。強(qiáng)化階段應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾佣黾?。斷裂階段應(yīng)力達(dá)到最大值，材料斷裂。材料的扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)屈服強(qiáng)度材料開始發(fā)生塑性變形的應(yīng)力值?？估瓘?qiáng)度材料斷裂時(shí)的應(yīng)力值。延伸率材料斷裂時(shí)的塑性變形程度。扭轉(zhuǎn)疲勞的概念定義材料在循環(huán)扭轉(zhuǎn)作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象。特點(diǎn)應(yīng)力遠(yuǎn)低于靜載強(qiáng)度，具有突發(fā)性，難以預(yù)測(cè)。扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力的影響有利可以提高疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力。有害可能導(dǎo)致早期失效?？刂菩枰侠砜刂茪堄鄳?yīng)力的大小和分布。提高扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的措施1材料選擇選擇高強(qiáng)度材料。2熱處理進(jìn)行熱處理，提高材料的強(qiáng)度和韌性。3表面處理進(jìn)行表面處理，提高表面的耐磨性和抗腐蝕性。熱處理對(duì)扭轉(zhuǎn)性能的影響1淬火提高強(qiáng)度和硬度。2回火降低脆性，提高韌性。3退火消除應(yīng)力，改善塑性。冷作硬化對(duì)扭轉(zhuǎn)性能的影響提高強(qiáng)度提高材料的強(qiáng)度和硬度。降低塑性降低材料的塑性和韌性。焊接對(duì)扭轉(zhuǎn)性能的影響應(yīng)力集中焊接區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。殘余應(yīng)力焊接會(huì)引入殘余應(yīng)力。性能下降焊接可能導(dǎo)致材料性能下降。案例分析：汽車傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)載荷分析分析傳動(dòng)軸所承受的扭轉(zhuǎn)力矩。材料選擇選擇高強(qiáng)度合金鋼。尺寸計(jì)算計(jì)算傳動(dòng)軸的直徑和壁厚。強(qiáng)度校核校核傳動(dòng)軸的強(qiáng)度和剛度。案例分析：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的扭轉(zhuǎn)分析氣動(dòng)載荷分析葉片所承受的氣動(dòng)載荷。有限元分析采用有限元分析方法進(jìn)行扭轉(zhuǎn)分析。優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化葉片的幾何形狀，提高扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。案例分析：橋梁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性荷載分析分析橋梁結(jié)構(gòu)所承受的扭轉(zhuǎn)荷載。穩(wěn)定性分析進(jìn)行扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析，保證橋梁的安全可靠性。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的危害與控制1危害引起噪聲，加速磨損，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。2控制采用減振、隔振、阻尼等措施。扭轉(zhuǎn)阻尼的概念1定義阻尼是指系統(tǒng)耗散能量的能力。2類型粘性阻尼、庫侖阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼等。3作用減小振幅，縮短振動(dòng)時(shí)間。扭轉(zhuǎn)控制的常用方法減振采用減振器等減振元件。隔振采用隔振器等隔振元件。阻尼增加系統(tǒng)的阻尼。扭轉(zhuǎn)傳感器的應(yīng)用測(cè)量測(cè)量扭轉(zhuǎn)力矩和扭轉(zhuǎn)角?？刂朴糜谂まD(zhuǎn)控制系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)傳感器選擇合適的扭轉(zhuǎn)傳感器?？刂破髟O(shè)計(jì)合適的控制器。執(zhí)行器選擇合適的執(zhí)行器。算法編寫控制算法。有限元分析在扭轉(zhuǎn)問題中的應(yīng)用網(wǎng)格劃分對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。邊界條件施加邊界條件和載荷。求解進(jìn)行求解計(jì)算。ANSYS軟件在扭轉(zhuǎn)分析中的操作建模建立結(jié)構(gòu)模型。分析進(jìn)行扭轉(zhuǎn)分析。后處理查看結(jié)果。常見扭轉(zhuǎn)問題的解答圓軸如何計(jì)算圓軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力？非圓軸如何計(jì)算非圓軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力？復(fù)合軸如何計(jì)算復(fù)合軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力？扭轉(zhuǎn)變形的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試樣。實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果。如何提高扭轉(zhuǎn)分析能力學(xué)習(xí)理論深入學(xué)習(xí)扭轉(zhuǎn)變形的理論知識(shí)。實(shí)踐應(yīng)用多做練習(xí)，將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題。軟件應(yīng)用熟練掌握有限元分析軟件。扭轉(zhuǎn)變形的未來發(fā)展趨勢(shì)新材料新材料的應(yīng)用將提高扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛度。新方法新的分析方法將提高扭轉(zhuǎn)分析的精度和效率。智能化智能化的扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)將提高結(jié)構(gòu)的安全性。新材料在扭轉(zhuǎn)應(yīng)用中的