四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件的受力分析和強(qiáng)度課件

適用專(zhuān)業(yè)：模具設(shè)計(jì)與制造

目標(biāo)：零件的受力分析及基本變形的判定單元5.四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件的受力分析和強(qiáng)度問(wèn)題情境設(shè)計(jì)2

自動(dòng)送料連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.作三活動(dòng)構(gòu)件的受力圖2.作曲柄安裝軸鍵連接的鍵受力圖3.計(jì)算各力的大小4.分析AB桿變形形式任務(wù)一：壓力機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中連桿、滑塊的受力分析

分析壓力機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的零部件的受力來(lái)判斷其變形形式，解決受力圖和各種變形的受力特點(diǎn)

要求:一、柔性約束的特點(diǎn)：知識(shí)點(diǎn)總結(jié)零件受力分析只能受拉，不能受壓。只能限制延約束的軸線(xiàn)伸長(zhǎng)方向常見(jiàn)的柔性約束：繩子、皮帶、鏈條等柔索對(duì)物體的約束力沿著柔索背向被約束物體膠帶對(duì)輪的約束力沿輪緣的切線(xiàn)方向，為拉力具有光滑接觸面、線(xiàn)、點(diǎn)的約束（光滑接觸約束）摩擦力可忽略

限制接觸點(diǎn)法向運(yùn)動(dòng)二、剛性約束1.固定鉸鏈支座2.中間鉸鏈約束力畫(huà)法同固定鉸鏈3.活動(dòng)鉸鏈支座三、靜力學(xué)公理和物體的受力分析靜力學(xué)公理

公理1力的平行四邊形法則

作用在物體上同一點(diǎn)的兩個(gè)力，可以合成為一個(gè)合力。合力的作用點(diǎn)也在該點(diǎn)，合力的大小和方向，由這兩個(gè)力為邊構(gòu)成的平行四邊形的對(duì)角線(xiàn)確定，如圖所示。公理二：二力平衡公理作用于剛體上的兩個(gè)力使剛體平衡的必要和充分條件是：這兩個(gè)力的大小相等、方向相反、作用線(xiàn)重合。矢量表示法：F1=－F2；公理3加減平衡力系原理推理1力的可傳性作用在剛體上的力是滑動(dòng)矢量，力的三要素為大小、方向和作用線(xiàn)

在已知力系上加上或減去任意的平衡力系，并不改變?cè)ο祵?duì)剛體的作用。作用于剛體上某點(diǎn)的力，可以沿著它的作用線(xiàn)移到剛體內(nèi)任意一點(diǎn)，并不改變?cè)摿?duì)剛體的作用。公理4作用和反作用定律作用力和反作用力總是同時(shí)存在，同時(shí)消失，等值、反向、共線(xiàn)，作用在相互作用的兩個(gè)物體上．若用F表示作用力，又用F’表示反作用力，則

F=-F’在畫(huà)物體受力圖時(shí)要注意此公理的應(yīng)用。公理5剛化原理柔性體（受拉力平衡）剛化為剛體（仍平衡）反之不一定成立，因?qū)傮w平衡的充分必要條件，對(duì)變形體是必要的但非充分的。剛體（受壓平衡）柔性體（受壓不能平衡）

變形體在某一力系作用下處于平衡，如將此變形體剛化為剛體，其平衡狀態(tài)保持不變。力矩力對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，包括力對(duì)物體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，其中力對(duì)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)用力矩來(lái)度量。力矩是力對(duì)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的度量力矩的表示力矩的矩心、力臂大小、轉(zhuǎn)向、作用面正負(fù)號(hào)規(guī)定量綱單位：牛頓.米[N.m]或千牛.米[kN.m]力偶的基本性質(zhì)力偶的基本性質(zhì)力偶無(wú)合力（不能用一力替代，力：移動(dòng)效應(yīng)，力偶：轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)）力偶中兩個(gè)力對(duì)其作用面內(nèi)任意一點(diǎn)之矩的代數(shù)和，等于該力偶的力偶矩（與矩心的選擇無(wú)關(guān)M=Fd）力偶的可移動(dòng)性即等效性（保持轉(zhuǎn)向和力偶矩不變）力偶的可合成性：（M=M1+M2+¨¨+Mn）平面力偶系合成平衡力和力偶都是力學(xué)基本物理量，二者不能等效替代，也不能互相抵消各自的效應(yīng)。但這并不是說(shuō)，二者就沒(méi)有聯(lián)系，力的平移定理就是用來(lái)揭示二者聯(lián)系的一個(gè)定理。力的平移定理力的平移定理實(shí)質(zhì)上是將一個(gè)力分解在同平面的另一個(gè)力和一個(gè)力偶。反之，同平面內(nèi)的一個(gè)力和一個(gè)力偶也可以合成為一個(gè)力。力的平移定理揭示了力對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的實(shí)質(zhì)。比如打乒乓球（圖示），若球拍擊球的作用力不通過(guò)球心，根據(jù)力的平移定理，將力F平移至球心，得到平移力F和附加力偶M，力F使球向前運(yùn)動(dòng)，力偶M使球繞球心轉(zhuǎn)動(dòng)，于是打出的是旋轉(zhuǎn)球。轉(zhuǎn)矩T=50N.m

工程中的轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩Me=9550P(kW)

n(r/min)

(N.m)知識(shí)鏈接：汽車(chē)的行駛平路：功率一定時(shí)，扭矩小，轉(zhuǎn)速大上坡：功率一定時(shí)，扭矩大，轉(zhuǎn)速小P——轉(zhuǎn)軸的功率n——轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速（2）取滑塊為研究對(duì)象；

畫(huà)出主動(dòng)力F

畫(huà)出桿AB對(duì)滑塊的作用力FN

畫(huà)出滑道對(duì)滑塊的約束反力FB，

完成受力圖.

（3）取輪為研究對(duì)象：

畫(huà)出主動(dòng)力距M；

畫(huà)出桿AB對(duì)輪的作用力FA;

畫(huà)出O點(diǎn)的光滑鉸鏈約束反力FOX,FOY；

完成受力圖。

計(jì)算受力大小，解決平衡方程及其應(yīng)用要求：掌握平衡方程及其應(yīng)用

平衡:機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的一種特殊情況平衡狀態(tài)

(相對(duì)于地球處于靜止或勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),如:樓房,橋梁等)。研究這種狀態(tài)的規(guī)律稱(chēng)為靜力分析。

對(duì)構(gòu)件的靜力分析有著十分重要的工程實(shí)際意義，分析的結(jié)果對(duì)于研究構(gòu)件的變形、構(gòu)件的材料選取、尺寸結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計(jì)有直接聯(lián)系。

知識(shí)點(diǎn)總結(jié)平衡的概念平面任意力系的平衡條件:平面任意力系平衡的充要條件：該力系的主矢、主矩分別為零1.平面任意力系的平衡方程：2.平面平行力系的平衡方程：平面任意力系平衡的充要條件：所有各力在兩個(gè)坐標(biāo)軸中每一個(gè)軸上的投影的代數(shù)和等于零，以及這些力對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)的矩的代數(shù)和也等于零.3.平面匯交力系的平衡方程：課內(nèi)練習(xí)：計(jì)算力的大小:已知：OA=R，AB=l,不計(jì)物體自重與摩擦,系統(tǒng)在圖示位置平衡;求:力偶矩M的大小，軸承O處的約束力，連桿AB受力，沖頭給導(dǎo)軌的側(cè)壓力.解:取沖頭B,畫(huà)受力圖.解得解得取輪,畫(huà)受力圖.解得解得解得課后作業(yè)圓柱體A重W,放在水平臺(tái)上，在其中心系著兩條細(xì)繩，分別跨過(guò)滑輪B、C而掛有重物G1和G2。設(shè)G2>G1。試求平衡時(shí)繩AC與水平線(xiàn)的夾角α和D點(diǎn)臺(tái)面的反力。任務(wù)二：材料（低碳鋼、鑄鐵）的拉壓破壞實(shí)驗(yàn)。1.遵守實(shí)驗(yàn)室（教室）相關(guān)規(guī)定2.識(shí)別工具箱的工具，過(guò)程：清理工具——弄清工具的使用方法——保管工具（層層負(fù)責(zé)：個(gè)人－小組長(zhǎng)－組長(zhǎng)－科代表）3.能力要求a.了解材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理，能操作試驗(yàn)機(jī)測(cè)量；b.能獨(dú)立測(cè)量實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，并正確讀取數(shù)據(jù)；c．能正確處理數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能掌握塑性材料和脆性材料拉壓的力學(xué)性能，并了解兩種材料在工程中的實(shí)際應(yīng)用。主要內(nèi)容1.測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的屈服極限σs、抗拉強(qiáng)度σb（拉伸強(qiáng)度極限）、斷后伸長(zhǎng)率δ，斷面收縮率ψ；2.測(cè)定鑄鐵的抗拉強(qiáng)度σb；3.測(cè)定低碳鋼壓縮時(shí)的屈服極限σsc；4.測(cè)定鑄鐵的抗壓強(qiáng)度σbc。5.比較塑性材料與脆性材料的性能及應(yīng)用。

FFFF受力特點(diǎn)：

外力(或外力的合力)沿桿件的軸線(xiàn)作用，且作用線(xiàn)與軸線(xiàn)重合。變形特點(diǎn)：桿沿軸線(xiàn)方向伸長(zhǎng)(或縮短)，沿橫向縮短(或伸長(zhǎng))。知識(shí)點(diǎn)總結(jié)軸向拉伸(壓縮)1）絕對(duì)變形：

規(guī)定：L—等直桿的原長(zhǎng)d—橫向尺寸L1—拉(壓)后縱向長(zhǎng)度d1—拉(壓)后橫向尺寸軸向變形：橫向變形：拉伸時(shí)軸向變形為正，橫向變形為負(fù)；壓縮時(shí)軸向變形為負(fù)，橫向變形為正。軸向變形和橫向變形統(tǒng)稱(chēng)為絕對(duì)變形。

拉(壓)桿的變形

拉(壓)桿的變形

2）相對(duì)變形：

單位長(zhǎng)度的變形量。

和′都是無(wú)量綱量，又稱(chēng)為線(xiàn)應(yīng)變，其中稱(chēng)為軸向線(xiàn)應(yīng)變，′稱(chēng)為橫向線(xiàn)應(yīng)變。

3）橫向變形系數(shù)：′＝′＝-FFmmFFNFF`N由平衡方程可求出軸力的大?。阂?guī)定：FN的方向離開(kāi)截面為正(受拉),指向截面為負(fù)(受壓)。內(nèi)力與應(yīng)力軸力:拉壓桿的內(nèi)力;應(yīng)力:內(nèi)力在截面上的集度Ⅱ、截面法·軸力及軸力圖求內(nèi)力的一般方法——截面法（1）截：（3）代：（4）平：步驟：FFmm(d)FN(a)

FFmm(c)mmFNx（2）?。?b)mmFx若用平行于桿軸線(xiàn)的坐標(biāo)表示橫截面的位置，用垂直于桿軸線(xiàn)的坐標(biāo)表示橫截面上軸力的數(shù)值，所繪出的圖線(xiàn)可以表明軸力與截面位置的關(guān)系，稱(chēng)為軸力圖。

軸力圖桿件橫截面的應(yīng)力和變形1.應(yīng)力的概念：

內(nèi)力在截面上的集度稱(chēng)為應(yīng)力(垂直于桿橫截面的應(yīng)力稱(chēng)為正應(yīng)力，平行于橫截面的稱(chēng)為切應(yīng)力)。應(yīng)力是判斷桿件是否破壞的依據(jù)。應(yīng)力單位是帕斯卡，簡(jiǎn)稱(chēng)帕，記作Pa，即l平方米的面積上作用1牛頓的力為1帕，1N／m2＝1Pa。1kPa＝103Pa，1MPa＝106Pa1GPa＝109Pa

根據(jù)桿件變形的平面假設(shè)和材料均勻連續(xù)性假設(shè)可推斷：軸力在橫截面上的分布是均勻的，且方向垂直于橫截面。所以，橫截面的正應(yīng)力σ計(jì)算公式為：

σ=MPaFN表示橫截面軸力（N）A表示橫截面面積（mm2）FFmmnnFFN2.拉(壓)桿橫截面上的應(yīng)力軸向拉壓桿的強(qiáng)度計(jì)算：

1.強(qiáng)度條件為了使構(gòu)件不發(fā)生拉(壓)破壞，保證構(gòu)件安全工作的條件是：最大工作應(yīng)力不超過(guò)材料的許用應(yīng)力。≤[]應(yīng)用該條件式可以解決以下三類(lèi)問(wèn)題：校核強(qiáng)度、設(shè)計(jì)截面、確定許可載荷

E為材料的拉(壓)彈性模量，單位是Gpa

FN、E、A均為常量，否則，應(yīng)分段計(jì)算。

由此，當(dāng)軸力、桿長(zhǎng)、截面面積相同的等直桿,E值越大，就越小，所以E值代表了材料抵抗拉(壓)變形的能力，是衡量材料剛度的指標(biāo)?；?qū)嶒?yàn)表明，對(duì)拉(壓)桿，當(dāng)應(yīng)力不超過(guò)某一限度時(shí)，桿的軸向變形與軸力FN成正比，與桿長(zhǎng)L成正比，與橫截面面積A成反比。這一比例關(guān)系稱(chēng)為虎克定律。引入比例常數(shù)E，其公式為:2.虎克定律3.材料的塑性指標(biāo)試件拉斷后，彈性變形消失，但塑性變形仍保留下來(lái)。工程上用試件拉斷后遺留下來(lái)的變形表示材料的塑性指標(biāo)。常用的塑性指標(biāo)有兩個(gè):

伸長(zhǎng)率:%斷面收縮率：%L1—試件拉斷后的標(biāo)距L—是原標(biāo)距A1—試件斷口處的最小橫截面面積A—原橫截面面積、值越大，其塑性越好。一般把≥5％的材料稱(chēng)為塑性材料，如鋼材、銅、鋁等。把<5％的材料稱(chēng)為脆性材料，如鑄鐵、混凝土、石料等。試件在拉伸過(guò)程中經(jīng)歷了四個(gè)階段，有兩個(gè)重要的強(qiáng)度指標(biāo)。ob段—彈性階段(比例極限σp彈性極限σe)bc段—屈服階段屈服點(diǎn)

cd段—強(qiáng)化階段

抗拉強(qiáng)度

de段—縮頸斷裂階段

4.低碳鋼曲線(xiàn)分析鑄鐵是脆性材料的典型代表。曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的直線(xiàn)部分和屈服階段，無(wú)縮頸現(xiàn)象而發(fā)生斷裂破壞，塑性變形很小。斷裂時(shí)曲線(xiàn)最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度。鑄鐵的抗拉強(qiáng)度較低。曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的直線(xiàn)部分，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系不符合虎克定律。但由于鑄鐵總是在較小的應(yīng)力下工作，且變形很小，故可近似地認(rèn)為符合虎克定律。通常以割線(xiàn)Oa的斜率作為彈性模量E。5.鑄鐵拉伸時(shí)的力學(xué)性能曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的直線(xiàn)部分，應(yīng)力較小時(shí)，近似認(rèn)為符合虎克定律。曲線(xiàn)沒(méi)有屈服階段，變形很小時(shí)沿與軸線(xiàn)大約成45°的斜截面發(fā)生破裂破壞。曲線(xiàn)最高點(diǎn)的應(yīng)力值稱(chēng)為抗壓強(qiáng)度。鑄鐵材料抗壓性能遠(yuǎn)好于抗拉性能，這也是脆性材料共有的屬性。因此，工程中常用鑄鐵等脆性材料作受壓構(gòu)件，而不用作受拉構(gòu)件。6.鑄鐵壓縮時(shí)的力學(xué)性能極限應(yīng)力：材料喪失正常工作能力時(shí)的應(yīng)力。塑性變形是塑性材料破壞的標(biāo)志。屈服點(diǎn)為塑性材料的極限應(yīng)力