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带纵缝的环形杆扭转

我有一个关于具有均匀截面的圆轴的简单扭转的问题。给定内半径R1,外半径R2,长度L,剪切模量G,无固定边界条件,外加绕中心轴的力矩T,梁端转角方程为

= T*L/(J*G)

其中J = /4*(R2^4- r1 ^4)

这是来自本科固体力学课本,非常简单。现在的问题是:如果你在光束的横截面上加一条狭缝(见附图),把它变成一个几乎闭合的“C”形会怎样?在狭缝厚度t趋于零的极限条件下,J区极矩不变;然而,直观地说,横梁现在应该更具有扭转顺应性,因为狭缝的内面可以相互剪切(忽略面之间的任何摩擦)。我不确定如何在数学上建模,或者是否有可能这样做。是否有一些修正因子,可以应用于上述方程,一个“等效”极矩的面积为C形?我翻遍了我本科时的固体力学书(R.C. Hibbeler, mechanics of Materials)和马克斯机械工程师手册,但一无所获。我很感激任何关于资源的建议,或者只是知道这是否不可能通过分析来做,如果在某处有一个经验推导的公式,等等。

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形象的图标torsion_rod_C.jpg 566.1 KB
arash_yavari的照片

当你切横截面时,你需要担心翘曲。对于薄的“开放”截面,有一个近似公式(J=1/3 Lt,其中L是长度,t是厚度)。看看下面的链接:

http://en.wikipedia.org/wiki/Torsion_constant

问候,

贾亚迪普。的图片

正如Arash所建议的,这个问题需要使用“开放部分”的概念来分析。就此而言,所提到的问题是一个标准问题,在《弹性理论》或《固体高级力学》一书中都有讨论(在L S Srinath的《固体高级力学》中可以找到,但我不确定那本书在印度以外的地方是否可以找到!)我觉得,除了翘曲,主要的问题是剪应力不能有一个垂直于(狭缝的)自由表面的分量,因为必须有相等的交叉剪切(比如,Tau-xz和Tau-zx)。正如你猜对了,有狭缝的薄轴的扭转柔度要高得多。但是我不记得是否有现成的配方。

问候,

Jayadeep

在Esbach的《工程基础手册》第5-53页找到了答案。对于半径为r,厚度为t的薄壁开口管,“等效”J = 2/3*pi*r*t^3(与维基百科文章相同)。在相同半径下,J比/4(r2^4-r1^4)小得多。

手册中的表格参考了Seely的《Advanced Mechanics of Materials》。

谢谢你的帮助,

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本Finio
微型机器人实验室
bfinio@fas.harvard.edu

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