第十五章 动荷载
一、教学目标和教学内容
教学目标
通过本章学习，唤起学生对动荷载问题的注意。
让学生知道动荷载问题的两个方面，目前应当掌握在较简单的工程问题中，动荷载引起杆件的应力、应变和位移的计算。对于材料在动荷载下的力学行为，以后根据工作的需要再进一步补充学习。
让学生掌握动荷载问题的基本知识，如杆件作等加速运动时的应力计算，作等速旋转圆盘的应力分析，简单的自由落体冲击和水平冲击，以及循环应力问题的有关概念。
能够深刻认识动荷系数概念，并能够熟练地进行杆件作等加速运动时的应力计算，作等速旋转圆盘的应力分析，完成简单的自由落体冲击和水平冲击的计算。
教学内容
介绍杆件作等加速运动拉伸、压缩及弯曲时的应力计算。
介绍等角速度旋转的动荷应力计算。
讲解简单冲击时，能量守恒的基本方程，分别导出自由落体冲击和水平冲击时的动荷系数公式，及杆件经受冲击时的应力计算公式。
二、重点难点
重点：建立三类动荷载概念。
掌握杆件作等加速运动时的应力计算。
作等速旋转圆盘的应力分析。
简单的自由落体冲击和水平冲击问题的计算
难点：对动静法和动荷系数的理解。
对于动荷载问题与静荷载问题的联系与区别。
在简单冲击问题中，被冲击杆件冲击点的相应静荷位移的理解和计算，特别是水平冲击时的静荷位移的理解和计算。
三、教学方式
采用启发式教学，通过提问，引导学生思考，让学生回答问题。
四、建议学时
3学时
五、讲课提纲
1、 概述
前面研究了静荷载作用下的强度、刚度和稳定性问题。所谓静荷载（Static Load）是指构件所承受的荷载从零开始缓慢地增加到最终值，然后不再随时间而改变。这时，构件在变形过程中各质点的加速度很小，加速度对变形和应力的影响可以忽略不计。当荷载引起构件质点的加速度较大，不能忽略它对变形和应力的影响时，这种荷载就称为动荷载（Dynamic Load）。
构件在动荷载作用下产生的应力和变形分别称为动应力（Dynamic Stress）和动变形（Dynamic Deformation）。实验表明，在静荷载下服从胡克定律的材料，只要动应力不超过比例极限，在动荷载下胡克定律仍然有效，并且弹性模量也与静荷载时相同。
根据加载速度和应力随时间变化情况的不同，工程中常遇到下列三类动荷载：
1）作等加速运动或等速转动时构件的惯性力。例如起吊重物，旋转飞轮等。对于这类构件，主要考虑运动加速度对构件应力的影响，材料的机械性质可认为与静荷载时相同。
2）冲击荷载（Impact Load），它的特点是加载时间短，荷载的大小在极短时间内有较大的变化，因此加速度及其变化都很剧烈，不易直接测定。冲击波或爆炸是冲击荷载的典型来源。工程中的冲击实例很多，例如汽锤锻造、落锤打桩、传动轴突然刹车等。这类构件的应力及材料机械性质都与静荷载时不同。
3）周期性荷载，它的特点是在多次循环中，荷载相继呈现相同的时间历程。如旋转机械装置因质量不平衡引起的离心力。对于承受这类动荷载的构件，荷载产生的瞬时应力可以近似地按静荷载公式计算，但其材料的机械性质与静荷载时有很大区别。
动荷载问题的研究分为两个方面。一方面是由动荷载引起的应力、应变和位移的计算；另一方面是动荷载下的材料行为。本章属基本知识介绍，只讨论前两种情况下简单问题的应力和位移的计算，对于第三种情况，则只介绍有关的基本概念。以唤起读者对动荷载问题的注意。在解决实际问题时，需遵照有关规范要求进行分析计算。
2 、杆件作等加速直线运动时的应力计算
构件承受静荷载时，根据静力平衡方程确定支反力及内力。当杆件作加速运动时，考虑加速度的影响，由牛顿第二定律可知
（15.1）
式中，为杆杆所受外力的合力，为材料密度，为重力加速度，为杆件的加速度。在静荷载时，（此时，式（15.1）即为静力平衡方程。若令
称为惯性力，则式（15.1）可写成
（15.2）
这样，就可将对运动构件的分析式（15.1）。看成添加惯性力后的平衡问题式（15.2）来处理。这种将运动问题转化成平衡问题来分析的方法，称为达朗伯原理（D’ Alembert’s principle），又称为动静法。下面介绍它的应用。
2.1动荷拉伸压缩时杆的应力
现用起重机以匀加速加吊构件为例，来说明构件作等加速直线运动时动荷应力的计算方法。
图15.1a所示为一被起吊时的杆件，其横截面面积为A，长为l，材料密度为，吊索的起吊力为F，起吊时的加速度为a，方向向上。要求杆中任意横截面Ⅰ.Ⅰ的正应力。
图15.1
仍用截面法，取任一截面Ⅰ.Ⅰ以下部分杆为脱离体，该部分杆长为x（图15.1b），脱离体所受外力有自身的重力，其集度为
（a）
有截面Ⅰ.Ⅰ上的轴力，根据动静法（达朗伯原理），如果把这部分杆的惯性力作用为虚拟的力，其集度为
（b）
方向与加速度a相反（图15.1c）。则作用在这部分杆上的自重、惯性力和轴力（即动荷轴力）可看作是平衡力系。应用平衡条件很易求得动荷轴力。
根据平衡条件，有
由此求得
（c）
将式（a）和（b）代入上式，得
（d）
式中是这部分杆的自重，相当于静荷载。相应的轴力以表示
（e）
称为静荷轴力。于是式（d）可改写成
（f）
由式可见，动荷轴力等于静荷轴力乘以系数以表示：
（15.3）
称为杆件作铅垂匀加速上升运动时的动荷系数，它与加速度a成比例，将式（15.3）代入（f）得
（15.4）
即动荷轴力等于静荷轴力乘以运动荷系数。当时，=1，即动荷轴力等于静荷轴力。
欲求截面上的动荷正应力，可将动荷轴力除以截面面积A即得。
由式（d），有
（g）
式中即为静荷应力，所以上式也可写成：
（15.5）
即动荷应力等于静荷应力乘以动荷系数。
图15.1d示动荷应力图，它是x的线性函数，当时，由式（g）可得最大动荷应力为
（15.6）
同理，欲求动荷伸长或缩短，也可由静荷伸长或缩短乘以动荷系数得到：
（h）
2.2动荷弯曲时梁的应力计算
图15.2a示一由起重机起吊的梁，上升加速度为，设梁长为，梁的密度为。则每单位梁长的自重（静荷集度）为，惯性力为。将静荷集度与惯性力相加，并以表示得：
（i）
称为动荷集度，此式表明动荷集度仍可表为静荷集度乘以动荷系数。于是可以把梁看作为一无重梁，该梁沿全长受集度为的均布荷载作用，如图15.2b所示。
图15。2
适当选择吊装点（图15.2a），可使梁内正弯矩的最大值与负弯矩的最大绝对值相等，其值为
（j）
式中为最大静荷（自重）弯矩。相应的弯矩图示于图15.2c。危险截面的最大动荷应力为
（k）
式中是由静荷载所引起的最大正应力。
不论是动荷拉压问题或动荷弯曲问题，求得最大动荷应力后，仍可像以前那样，来建立强度条件：
（15.7）
式中仍是静荷计算中的许用应力。上式也可写成
（15.8）
此式表明，验算动荷强度时，也可用静荷应力建立强度条件，只要把许用应力除以动荷系数即可。
3、 杆件作等角速度转动时的应力计算
图15.3a示一根长为l，截面面积为A的等直杆OB，其位置是水平的，O端与刚性的竖直轴z连接，设它以角速度绕z轴作等速转动，现来研究其横截面上的动荷应力。
图15.3
由于杆绕O点作匀速转动，由运动学知，杆内任一质点的切向加速度为零，而只有向心加速度，其值为
（15.9）
式中x为质点到转动中心O的距离。相应地就有惯性力，其大小为，方向与向心加速度相反，式中m为质点质量。此惯性力沿杆全长分布，设为材料密度，则其集度为
（a）
与x成比例，如图15.3b所示。
现于离O端x处，用相距为dx的二横截面截取一微段，则其惯性力为
（b）
欲求x截面上的动荷内力，可在x截面处把杆截开，取l.x段杆为脱离体，求出它的惯性力之和。
然后，根据动静法，即得
（c）
动荷应力为
（d）
其分布规律如图15.3c所示。最大动荷应力发生在处，即靠近z轴处，其值为
（15.10）
下面讨论圆环绕通过圆心且垂直于圆环平面的轴作匀角速旋转的情况，如图15.4a所示。机械里的飞轮或带轮等作匀速转动时，若不计轮辐的影响，就是这种情况的实例。
图15.4
设环的宽度为t，平均半径为R，且t远小于R，截面面积为A。圆环作匀角速转动时，有向心加速度，于是各质点将产生离心惯性力，集度为
（e）
其作用点假设在平均圆周上，方向向外辐射，如图15.4b所示。
欲求截面上的动荷内力，可取半个圆环为脱离体（图15.4c），按动静法，脱离体受离心惯性力及动荷轴力的作用而平衡，于是由，有
由此得
（f）
动荷应力为
（15.11）
强度条件为
（15.12）
上式表明，对于同样半径的圆环，其应力的大小与截面积A的大小无关，而与角速度成比例。所以，要保证圆环的强度，须限制圆环的转速。
4、冲击时应力和变形的计算
4.1概述
冲击（Impat）是指因力、速度和加速度等参量急剧变化而激起的系统的瞬态运动。其特点是冲击激励参量的幅值变化快，与系统的固有周期相比持续时间短，频率范围宽。在物体碰撞、炸药爆炸、地震等过程中，都会产生冲击。受冲击作用的结构上会产生幅值很大的加速度和应力。
本节仅讨论简单冲击现象。例如，当一运动物体以某一速度与另一静止物体相撞时，物体的速度在极短的时间内发生急剧的变化，从而受到很大的作用力。这种现象便为冲击。其中运动的物体称为冲击物，受冲击物体称为被冲击物。被冲击物因受冲击而引起的应力称为冲击应力（Impact Stress）。用重锤打桩，吊车突然刹车等都是工程中常见的冲击问题。
由于冲击时间非常短促，而且不易精确测出，因此加速度的大小很难确定。这样就不能引入惯性力，无法用前节介绍的动静法求出冲击时的应力和变形。事实上，精确分析冲击现象是一个相当复杂的问题，因而在工程实际中，一般采用偏于保守的能量法来计算被冲击物中的最大动应力和最大动变形。为了简化计算，还需采用如下几个假设：
① 冲击物的变形很小，可视为刚体；
② 被冲击物的质量引起的应力可单独分析，对冲击影响小，分析冲击时忽略不计；
③ 冲击物与被冲击物接触后，两者即附着在一起运动；
④ 略去冲击过程中的能量损失（如热能的损失），只考虑动能与势能（重力势能和弹性应变能）的转化。
因此，由能量守恒定律可知，在冲击过程中，冲击物所减少的动能T和势能V之和应等于被冲击物所增加的弹性应变能，即
（15.13）
上式为用能量法求解冲击问题的基本方程。
4.2冲击时应力及位移的计算公式
4.2.1自由落体冲击
设以弹簧代表一被冲击构件（图15.5a）。实际问题中，一根被冲击的梁（图15.5b），或被冲击的杆（图15.5c），或其它被冲击的弹性构件都可以看作是一个弹簧，只是各种情况的弹簧常数不同而已。设冲击物的重量为Q，从距弹簧顶端为h的高度自由落下。重物与弹簧接触后速度迅速减小，最后为零，此时弹簧的变形最大，用表示。下面来求的表达式。
由图15.5a可知，弹筑达到最大变形时，冲击物减少的势能为
（a）
由于冲击物的初速度与最终速度都等零，所以没有动能的变化，即
（b）
图15.5
被冲击物的弹性应变能等于冲击荷载在冲击过程中所作的功。由于冲击荷载和位移分别由零增加到最大值和，当材料服从胡克定律时，冲击荷载所做的功为，故有
（c）
将式（a）、（b）和（c）代入基本方程（15.13），得
（d）
设重物Q按静荷载方式作用于构件（弹簧）上时的静位移为，静应力为。在线弹性范围内，变形、应力和荷载成正比，故有
或者写成
， （e）
以式（e）的第一式代入式（d），得
或者写成
由此解出
为了求得位移的最大值，上式中根号前的符号应取正号，故有
（f）
引用记号
（15.14）
称为自由落体冲击动荷系数。因此式（f）成为
（15.15a）
式（e）成为
（15.15b）
（15.15c）
由此可见，只要求出了动荷系数，用分别乘以静荷载、静位移和静应力，即可求得构件受冲击时所达到的最大动荷载、最大位移和最大应力。
下面对动荷系数作进一步说明：
1）冲击物作为突加荷载（即）作用在弹性体上时，由式（15.14）可得。因此在突加荷载作用下，最大应力和最大位移值都为静荷载作用下的两倍。
2）如果已知冲击物与被冲击物接触前一瞬间的速度为，根据自由落体时，可得
（15.15）
3）动荷系数表达式中的静位移的物理意义是：它是以冲击物的重量Q作为静荷载，沿冲击方向作用在冲击点时，被冲击构件在冲击点处沿冲击方向的静位移。计算时，应针对具体结构，按上述意义作具体分析。
4.2.2水平冲击
设重物Q以速度沿水平方向冲击一弹性系统（以弹簧表示），如图15.6所示。当重物与弹性系统接触后，该弹性系统便开始变形。与此同时，重物的速度逐渐减小，当速度降到零时，被冲击点达到最大位移。下面来求的表达式。
图15.6
在冲击过程中，冲击物的高度无变化，则势能减少为零，即；动能减少为；被冲击物的弹性应变能增加为。根据方程（15.13），得
（g）
在线弹性范围内，有
（h）
将式（h）代入式（g），得
解得
于是，水平冲击动荷系数为
（15.17）
故有
前两式中，为静荷载位移，其物理意义与自由落体冲击相同。
上面仅介绍了两种常见冲击情况下的应力及位移计算公式。对于其它冲击情况，例如重物在吊装过程中突然刹车，吊绳受到的拉伸冲击，又如带有飞轮的旋转圆轴突然刹车时的扭转冲，都可以从基本方程（15.13）出发，推导出相应的公式。
4.2.3提高构件抗冲击能力的一些措施
构件受冲击时产生很大的冲击力。因此，必须设法降低冲击应力。从前面的分析中可以看出，冲击应力可以表达为。如果设法减少动荷系数，便能降低冲击应力。由式（15.14）和（15.15）可知，静位移越大，动荷系数就越小。这是因为静位移增大表示构件刚度减小，因而能够更多地吸收冲击物的能量。提高抗冲击能力，主要应从增大静位移着手。但应注意，在设法增加静位移时，应当尽量避免增大静应力。否则，虽然降低了动荷系数，却增加了静应力，其结果未必能降低冲击应力。下面介绍几种减小冲击应力的措施。
（1）设置缓冲装置
在被冲击构件上增设缓冲装置，这样既增大了静位移，又不会改变构件的静应力。例如，在火车车箱架与轮轴之间安装压缩弹簧，在某些机器或零件上加橡皮座垫或垫圈。
（2）改变被冲击构件的尺寸
在某些情况下，增大被冲击构件的体积可以降低动应力。例如，图15.7所示受水平冲击的等直杆，根据式（15.15），冲击应力为
图15.7
由上式可见，杆件的体积越大，冲击应力就越小。基于这种原因，如果把承受冲击的汽缸盖螺栓，由短螺栓（图15.8a）改为长螺栓（图15.8b），增加了螺栓的体积就可以提高螺栓的承受冲击能力。
图15.8
但需注意，上述结论只是对等截面杆有效，不能用于变截面杆。这一点可以图15.9所示两杆来说明。显然，两杆危险截面上的静应力，若两杆材料相同，则静位移，因此。这说明虽然b杆的体积大于a杆的体积，但b杆的冲击应力却大于a杆的冲击应力。因为，在受冲击杆件中，应尽量避免在部分长度内削弱截面。象螺钉这一类零件，不能避免某些部分要削弱。因此，一些承受冲击的螺钉往往不采取图15.10a的形式，而是将无螺纹部分作得细一些（图15.10b），或将无螺纹部分作成空心截面（图15.10c），以使螺钉全长范围内截面大小基本一致。
图15.9
（3）选用低弹性模量的材料
采用弹性模量较低的材料可以增大静位移，从而降低冲击应力。但是需注意，弹性模量低的材料往往强度指标也低，所以采取这项措施时，还必须校核该构件是否满足强度条件。
图15.10
