材料力学第5章剪切和挤压.docx

第5章剪切和挤压5.1剪切的概念和实例在工程实际中，为了将构件互相连接起来，通常要用到各种各样的连接例如图5-1 中所示的（a）为拖车挂钩的销轴连接；（b）为桥梁结构中常用的钢板之间的铆钉连接；（c） 为传动轴与齿轮之间的键块连接；（d）为两块钢板间的螺栓连接；（e）为构件中的搭接焊缝 连接这些起连接作用的销轴，铆钉，键块，螺栓及焊缝等统称为连接件这些连接件的体 积虽然比较小，但对于保证整个结构的牢固和安全却具有重要作用因此，对这类零件的受 力和变形特点必须进行研究、分析和计算b）（a）（c） （d）图5-1 工程中的连接现以螺栓连接为例来讨论剪切变形与剪切破坏现象设两块钢板用螺栓连接，如图5-2 （a）所示当钢板受到横向外力N拉伸时，螺栓两侧面便受到由两块钢板传来的两组力P 的作用这两组力的特点是：与螺栓轴线垂直，大小相等，方向相反，作用线相距极近在 这两组力的作用下，螺栓将在两力间的截面m-m处发生错动，这种变形形式称为剪切发 生相对错动的截面称为剪切面，它与作用力方向平行若连接件只有一个剪切面，称为单剪 切，若有两个剪切面，称为双剪切为了进一步说明剪切变形的特点，我们可以在剪切面处 取出一矩形簿层来观察，发现在这两组力作用下，原来的矩形将歪斜成平行四边形，如图 5-2b所示。

即矩形薄层发生了剪切变形若沿剪切面m-m截开，并取出如图5-2c所示的脱 离体，根据静力平衡方程，则在受剪面m-m上必然存在一个与力P大小相等、方向相反的内力2，此内力称为剪力若使推力P逐渐增大，则剪力也会不断增大当其剪应力达到材料的极限剪应力时，螺栓就会沿受剪面发生剪断破坏a) (b) (c)图5-2 螺栓连接的剪切破坏5.2剪切和挤压的实用计算5.2.1剪切的实用计算受剪切的连接件一般大多为短粗杆，且剪切变形均发生在某一局部，要从理论上计算它 们的工作应力往往非常复杂，有时甚至是不可能的即使用精确理论进行分析，所得结果也 会与实际情况有较大的出入因此为了简单有效，对于连接件的强度计算，通常使用实用计 算法或称假定计算法所谓实用计算，一般包括两层含意：其一是假定连接件剪切面上的应 力分布均等，从而算出截面上的平均剪应力，或称“名义剪应力”即QT =—A其中：t 一剪切面上的剪应力（MPa）；Q 一剪切面上的剪力 （N）；A —剪切面面积 （m2）其二是用与受剪构件相同的材料制成试件，在试件与受剪构件受力尽可能相似的条件下进行 直接剪切实验，用所得到的破坏荷载按照同样的名义应力公式算出材料的极限应力=b，将此 极限应力除以适当的安全系数即得到材料的许用剪切应力真]。

这样求出的平均剪应力虽然 只是近似地表达出材料的抗剪强度，但因工程实际中的受剪构件的受力情况与试件在实验中 的受力情况极为相似，所以其计算结果是完全可以满足工程要求的由此可得出其剪切强度 的条件为t = Q w[ t ]A式中的[t ]是材料的许用切应力，它的具体数值可从有关设计规范中查找实验表明， 许用剪应力[t ]与拉伸许用应力[b ]L之间大约具有以下关系:对于塑性材料，[t ]=（0.6〜 0.8） [b ]l ；对于脆性材料，[t ]= （0.8〜1.0） [b ]l5.2.2挤压实用计算连接件在受到剪切的同时，往往还伴随着局部受压现象现仍以螺栓连接为例，当螺 栓受到剪切的同时，在螺柱的半个圆柱面与钢板圆孔表面相接触的表面上也因承受压力而发 生局部压缩变形若压力过大，就可能导致螺栓或钢板产生明显的局部塑性变形而被压溃 这种局部接触面受压的现象称为挤压，受压的局部表面称为挤压面如图5-3所示为钢板孔 壁受挤压破坏的情形：孔被挤压成为长圆孔，导致连接松动，使构件丧失工作能力同理， 螺栓本身也有类似问题因此，对受剪构件除进行剪切强度计算外，还必须要进行挤压强度 计算图5—3 螺栓连接的挤压破坏挤压面上承受的总压力称为挤压力。

它们的压强称为挤压应力，其方向垂直于挤压 面在通常情况下，挤压应力只局限于接触面的附近区域，其分布情况也是非常复杂的，它 与连接件的几何形状及材料的性质有很大关系为简化计算，工程上亦采用实用计算法，即 假设挤压力P是均匀分布在挤压面A.上由此得出挤压面上的名义挤压应力为力 Ajy其中，"一挤压面上的挤压应力（MPa）；P 一挤压面上的挤压力（N）；jyA 一挤压面积（m2）挤压面的计算面积A为实际挤压面的正投影面的面积，其大小应根据接触面的具体情 jy况而定对于图5-1所表示的键块连接，其接触面是平面，就以接触面的实际面积为挤压计算面积，故A. = h x L，即图5-4所示的阴影部分的面积；对于像螺栓、铆钉等一类圆柱 jy 2形连接件，实际挤压面为半个圆柱面，挤压面的计算面积为接触面在直径平面上的投影面积，即图5-5所示的阴影部分的面积，故 Ajy = dh，并假定挤压应力L 是均匀分布在这个直径 投影平面上的图5-4平面的挤压面积图5-5 曲面的挤压面积为了确定连接件的许用挤压应力，我们也是按照连接件的实际工作情况，通过实验来 确定其半圆柱表面被压溃的挤压极限荷载，然后按照名义应力公式算出其在直径正投影面上 的平均极限应力，再除以适当的安全系数，就得到连接件材料的许用挤压应力2 ]jy。

由此 可建立连接件的挤压强度条件为 Jyb . = 2 W[b ].jy A Jyxjy必须指出的是：如果两个接触构件的材料不同，[b ]jy应按抗挤压能力较弱者选取各 种常用材料的:b ].可在有关设计规范中查得根据实验:对于塑性材料，许用挤压应力jy:b ]jy与材料许用拉应力[b ]L有如下关系：” :b ]jy=(1.7〜2) :b ]L由于剪切和挤压同时存在，为保证连接件的强度，材料的剪切强度条件和挤压强度条 件必须同时满足运用强度条件公式，可解决受剪构件的强度校核、截面设计、确定许可载 荷三类强度计算问题5.2计算实例5.3.1强度计算问题例5-1 如图5-6表示齿轮用平键与轴连接在一起已知轴的直径d = 70mm，键的 尺寸为b x h x l = 20 x 12 x 100 mm,传递的力偶矩M =2KN,键的材料许用切应力 [T ]=60MPa，许用挤压应力In \jy = 100MPa试校核键的强度a) (b) (c)图5-6解：1)校核键的剪切强度将平键沿剪切面m-m假想地分成两部分，以键的下部分和 轴一起为研究对象，如图5-6 (b)所示因为假设在m-m截面上剪应力均匀分布，故m-m截面上的剪力2为Q = A -t = bl -t对轴心取矩，由平衡条件工M0 = 0，得Q • — = blT — = M2 2故有2 M ~bld2 x 20020 x 100 x 70=28.6MPa <[\= 60 MPa可见平键满足剪切强度条件。

2)校核键的挤压强度将键的下半部分取出，如图5-6 (c)所示，由剪切面上的剪力Q与挤压面上的挤压力匕的平衡条件，可得blx = lo2 jy由此求得MPa V耿=l°°Mpa2bT 2 x 20 x 28.6o = = = 95.3jy h 12故平键也符合挤压强度要求例5-2 电瓶车挂钩用插销连接，如图5-7所示已知挂钩部分的钢板厚度8 = 8 mm.o 插 销的材料为20钢，其许用切应力[t ]=60MPa许用挤压应力[a]jy=100MPa，又知电瓶车的 拖力F = 15 KN试选定插销的直径d ”(a) (b) (c)图5-7解：1)先按剪切强度条件进行设计⑴求剪切面上的剪力插销有两个剪切面，按截面法将插销沿剪切面截开，见图5-7(c).以插销的中间段为研究对象，根据静力平衡条件可得每一剪切面上的剪力Q = -2 = 7.5 KN⑵求插销受剪切面的面积A = —n d 24⑶求插销的直径根据T=A = ndr由得插销的直径4mm:芈，4 X7.5 x 103 = 13V^TJ 3.14 x 602)再按挤压强度条件进行校核o =% = -^ =——15 X103 = 72.1MPa< Io J = 100 MPajy A 2d8 2 x 13 x 8 x 10-6 jy故挤压强度也是足够的。

查机械设计手册，最后采用d = 14mm的标准圆柱销例5-3 图示为一承受横向拉力N的铆钉接头每块钢板的厚度5 = 8 mm,宽度b = 160 mm,用6个铆钉连接，设铆钉直径』=16 mm已知钢板及铆钉材料均相同，材 料的许用切应力L]=140MPa许用挤压应力1^ ]^ = 330 MPa，许用拉应力[CT]L=170MPa试求此连接的允许荷载N的大小a)(b)(c)(d)(e)图5-8解：由图看出，在这个连接上，每个铆钉只有一个受剪面，故为单剪每个铆钉允许承担的剪力为兀d 2 兀X 162 …八Q = k」= x 140 = 28.14 KN4 4每个铆钉允许承受的挤压力为P=』5卜].=16x8x330 = 42.4 KN比较以上的计算结果，可知在这个接头中，铆钉的抗剪能力低于其承挤压能力， 因此，这个连接的允许荷载应由铆钉的允许剪力Q来决定假设6个铆钉的受力情况 一样，则连接的允许荷载为N = 6Q = 6 x 28.14 = 168.8 KN最后，还应该对钢板是否会被拉断进行校核取其中一块钢板为脱离体，绘出其受 力图和轴力图分别如图5-7(c)和(d)所示.由钢板的轴力图，根据其危险截面计算出钢 板所受到的最大正应力为P P 168.8 x 103 「]*=苛= tS5 =(160 — 2 x 16)x 8 = 164-8 MPa v 叶 T7° MPa因此，该接头的允许荷载为168.8 KN。

由本例题看出，在结构设计中，对结构可能出现的破坏形式必须进行全面分析就本例 而言，该结构可能出现的破坏形式有：（1）铆钉可能被剪断；（2）钢板或铆钉可能在互相接 触处被压溃；（3）钢板可能沿某一削弱截面被拉断等对这些可能出现的破坏部位必须分别 进行强度计算，以满足接头的安全否则由于某一方面的疏忽，就可能给结构留下隐患，以 致造成严重的事故5.3.2剪切破坏问题在工程中我们还会经常遇到利用剪切破坏而达到某一工作目的的情况如剪床切料；联 轴器中安全销过载剪断等这些都是利用剪切破坏而达到某一工作目的的实例对于解决这 类问题必须要满足剪切的破坏条件，即：T = — >T A b其中，T ^ ——材料的剪切强度极限例5-4如图5-9所示为一冲孔装置，冲头的直径d = 25 mm，当冲击力F = 236KN时， 欲将剪切强度极限t b = 300MPa的钢板冲出一园孔试求该钢板的最大厚度8为多少？解：冲孔时，钢板的受剪面为直径d = 25 mm，高度为8 （钢板厚度）的圆柱体侧表 面（即圆柱面），所以受剪面积为：A— = n - d .8由公式—>T b就可求得钢板的厚度，因F = Q，即写 d8>T b236 x 103兀 X 25 X 300=10.02mm图5-9小结本章主要介绍各种联接件（如螺栓、铆钉、销轴、键块等）的假定计算方法（或称简 化实用计算法）。

这类构件的受力特点是：作用在构件两侧的外力大小相等，方向相反；外力的合力作 用线相距很近。