作业2.4 在图示结构中,若钢拉杆BC的横截面直径为10mm,试求拉杆横截面上的应力。设由BC连接的1和2两部分均为刚体。
作业2.4 在图示结构中,若钢拉杆BC的横截面直径为10mm,试求拉杆横截面上的应力。设由BC连接的1和2两部分均为刚体。
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查静力平衡方程的应用和杆件应力的计算。需要将结构拆分为刚体,通过力矩平衡求解拉杆的轴力,再结合横截面面积计算应力。
解题核心思路:
- 拆分刚体:将结构分为两部分(1和2),分别建立平衡方程。
- 联立方程:利用两部分的力矩平衡方程联立求解拉杆的轴力。
- 应力公式:根据轴力和横截面面积计算应力。
破题关键点:
- 正确选取矩心:分别以点A和点E为矩心,简化平衡方程。
- 准确确定力臂:明确各力对矩心的力臂长度,避免计算错误。
步骤1:建立平衡方程
对图(b)(刚体1)取矩
以点A为矩心,列力矩平衡方程:
$\sum M_A = 0 \implies F_1 \cdot (3+1.5) + F_N \cdot 1.5 - F \cdot 3 = 0 \quad \text{①}$
对图(c)(刚体2)取矩
以点E为矩心,列力矩平衡方程:
$\sum M_E = 0 \implies F_1 \cdot 1.5 - F_N \cdot 0.75 = 0 \quad \text{②}$
步骤2:联立方程求解轴力
从方程②得:
$F_1 = \frac{F_N \cdot 0.75}{1.5} = 0.5 F_N$
将$F_1 = 0.5 F_N$代入方程①:
$0.5 F_N \cdot 4.5 + F_N \cdot 1.5 - F \cdot 3 = 0$
化简得:
$F_N = 6 \, \text{kN}$
步骤3:计算应力
拉杆横截面面积:
$A = \pi \left( \frac{d}{2} \right)^2 = \pi \left( \frac{10 \, \text{mm}}{2} \right)^2 = 25\pi \, \text{mm}^2 = 25\pi \times 10^{-6} \, \text{m}^2$
应力计算:
$\sigma = \frac{F_N}{A} = \frac{6000}{25\pi \times 10^{-6}} = \frac{6000}{25 \times 3.1416 \times 10^{-6}} \approx 763943.7 \, \text{Pa} \approx 764 \, \text{MPa}$