弯曲应力 欧阳光明（2021.03.07） 6-1 求图示各梁在m －m 截面上A 点的正应力和危险截面上最大正应力。 题 6-1图 解：（a ）m KN M m m ?=-5.2m KN M ?=75.3max
MPa A 37.20108.490104105.28 23=????=--σ （压） （b ）m KN M m m ?=-60m KN M ?=5.67max MPa A 73.6110 5832106106082 3=????=--σ （压） （c ）m KN M m m ?=-1m KN M ?=1max MPa A 67.3810 6.251099.010182 3=????=--σ （压） 6-2 图示为直径D ＝6 cm 的圆轴，其外伸段为空心，内径d ＝4cm ，求轴内最大正应力。 解：)1(3243 1απ-=D W x 6-3T 字形截面铸铁梁的尺寸与所受载荷如图示。试求梁内 最大拉应力与最大压应力。已知Iz=10170cm4，h1=9.65cm ，h2=15.35cm 。 解：A 截面：
Mpa 95.371065.9101017010402831 max =????=--σ （拉） Mpa 37.501035.1510 1017010402831min -=????-=--σ（压） E 截面 Mpa 19.301035.15101017010202832 max =????=--σ （拉） Mpa 98.181065.910 1017010202832min -=????-=--σ （压） 6-4 一根直径为d 的钢丝绕于直径为D 的圆轴上。 （1） 求钢丝由于弯曲而产生的最大弯曲正应力（设钢丝处于 弹性状态） （2） 若d ＝lmm ，材料的屈服极限s σ=700MPa ，弹性模量 E=210GPa ，求不使钢丝产生残余变形的轴径D 。 解：EJ M =ρ1 6-5 矩形悬臂梁如图示．已知l= 4 m ，32=h b ，q=10kN/m ，许用应力[σ]=10Mpa 。试确定此梁横截面尺寸。 解：m KN ql M ?=??==80410212122max 6-6 20a 工字钢梁的支承和受力情况如图所示。若[σ]＝160MPa ，试求许用载荷P 。 解：3237cm W =P 3 2 [][]P W M 32102371016066= ???=?=-σ （M 图） P 32
4-1 试作下列各轴的扭矩图。 （a ） (b) 4-4 图示圆截面空心轴，外径D=40mm ，内径d=20mm ，扭矩m kN T ?=1，试计算mm 15=ρ的A 点处的扭矩切应力A τ以及横截面上的最大和最小的扭转切应力。
解：P A I T ρ?= )1(32 44απ-=D I p 又mm 20d = D=40mm 5.0==∴D d α 41244310235500)5.01(32)1040(14.3m I p --?=-???= MPa Pa I T P A 7.63107.6310 23550010151016123 3=?=????==∴--ρτ P W T =max τ 9433431011775)5.01(16 )1040(14.3)1(16--?=-???=-=απD W P a Pa W T P MP 9.84109.8410 11775101693 max =?=??==∴-τ 当2'd =ρ时 MPa Pa I T P 4.42104.4210 23550010101016123 3'min =?=????==--ρτ 4-6 将直径d=2mm ，长l=4m 的钢丝一端嵌紧，另一端扭转一整圈，已知切变模量G=80GPa ，试求此时钢丝内的最大切应力m ax τ。 解：r G ?=τ dx d R r R ?? =∴ R=mm d 12= 3331057.1414.321012101---?=???=??=?=∴l dx d R r R π? MPa Pa r G 6.125106.1251057.11080639=?=???=?=∴-τ （方法二：π?2=， l=4 ，P GI Tl =? ，324d I P π=，r Ip W p = ,l Gd W T P πτ==max ）
大学物理实验A(II)考试复习题 1．有一个角游标尺，主尺的分度值是°，主尺上29个分度与游标上30个分度等弧长，则这个角游标尺的最小分度值是多少？ 30和29格差1格，所以相当于把这1格分成30份。这1格为°=30′，分成30份，每份1′。 2．电表量程为：0～75mA 的电流表，0～15V 的电压表，它们皆为级，面板刻度均为150小格，每格代表多少？测量时记录有效数字位数应到小数点后第几位(分别以mA 、V 为记录单位)？为什么？ 电流表一格小数点后一位 因为误差, 电压表一格小数点后两位,因为误差，估读一位 ***3．用示波器来测量一正弦信号的电压和频率，当“Y轴衰减旋钮”放在“2V/div”档，“时基扫描旋钮”放在“div”档时，测得波形在垂直方向“峰－峰”值之间的间隔为格，横向一个周期的间隔为格，试求该正弦信号的有效电压和频率的值。 f=1/T=1÷×= U 有效=÷根号2= ***4.一只电流表的量程为10mA ，准确度等级为级；另一只电流表量程为15mA ，准确度等级为级。现要测量9mA 左右的电流，请分析选用哪只电流表较好。 量程为10mA ，准确度等级为级的电流表最大误差,量程为15mA ，准确度等级为级,最大误差,所以选用量程为15mA ，准确度等级为级 5. 测定不规则固体密度 时，，其中为0℃时水的密度，为被测物在空气中的称量质量，为被测物完全浸没于水中的称量质量，若被测物完全浸没于水中时表面附 有气泡，试分析实验结果 将偏大还是偏小？写出分析过程。 若被测物浸没在水中时附有气泡，则物体排开水的体积变大，物体所受到的浮力变大，则在水中称重结果将偏小，即m 比标准值稍小，可知0ρρm M M -=将偏小 6．放大法是一种基本的实验测量方法。试写出常用的四种放大法，并任意选择其中的两种方法，结合你所做过的大学物理实验，各举一例加以说明。 累计放大法 劈尖干涉测金属丝直径的实验中，为了测出相邻干涉条纹的间距 l ，不是仅对某一条纹测量，而是测量若干个条纹的总间距 Lnl ，这样可减少实验的误差。 机械放大法 螺旋测微器，迈克尔孙干涉仪读数系统
弯曲应力 6-1 求图示各梁在m－m截面上A点的正应力和危险截面上最大正应力。 题6-1图 解：（a）m KN M m m ? = - 5.2m KN M? =75 .3 max 4 8 8 4 4 10 8. 490 64 10 10 64 m d J x - - ? = ? ? = = π π MPa A 37 . 20 10 8. 490 10 4 10 5.2 8 2 3 = ? ? ? ? = - - σ（压） MPa 2. 38 10 8. 490 10 5 10 75 .3 8 2 3 max = ? ? ? ? = - - σ
（b ）m KN M m m ?=-60 m KN M ?=5.67max 488 331058321210181212m bh J x --?=??== MPa A 73.6110 583210610608 2 3=????=--σ （压） MPa 2.104105832109105.678 23max =????=--σ （c ）m KN M m m ?=-1 m KN M ?=1max 4 8106.25m J x -?= 3 6108.7m W x -?= cm y A 99.053.052.1=-= MPa A 67.3810 6.251099.01018 2 3=????=--σ （压） MPa 2.128106.251018 3 max =??=-σ 6-2 图示为直径D ＝6 cm 的圆轴，其外伸段为空心，内径d ＝4cm ，求轴内最大正应力。
解：)1(32 43 1απ-= D W x ??? ? ? -???= -463 )64(11032 6π 3 6 1002.17m -?= 346 33 21021.2132 10632 m D W x --?=??= = ππ MPa 88.521002.17109.06 3 1=??=-σ MPa 26.551021.2110172.16 3 1=??= -σ MPa 26.55max =σ 6-3 T 字形截面铸铁梁的尺寸与所受载荷如图示。试求梁内最大拉应力与最大压应力。已知I z =10170cm 4，h 1=9.65cm ，h 2=15.35cm 。 解：A 截面： Mpa 95.371065.910 101701040283 1 max =????=--σ （拉）
弯曲应力 6-1 求图示各梁在m －m 截面上A 点的正应力和危险截面上最大正应力。 题 6-1图 解：（a ）m KN M m m ?=-5.2 m KN M ?=75.3max 488 44 108.49064 1010 64m d J x --?=??==ππ MPa A 37.20108.490104105.28 23=????=--σ （压）
MPa 2.38108.4901051075.3823max =????=--σ （b ）m KN M m m ?=-60 m KN M ?=5.67max 488 3310583212 10181212m bh J x --?=??== MPa A 73.6110583210610608 2 3=????=--σ （压） MPa 2.10410 5832109105.67823max =????=--σ （c ）m KN M m m ?=-1 m KN M ?=1max 48106.25m J x -?= 36108.7m W x -?= cm y A 99.053.052.1=-= MPa A 67.38106.251099.01018 2 3=????=--σ （压） MPa 2.12810 6.2510183max =??=-σ 6-2 图示为直径D ＝6 cm 的圆轴，其外伸段为空心，内径d ＝4cm ，求轴内最大正应力。
解：)1(32431απ-=D W x ??? ? ?-???=-463)64(110326π 361002.17m -?= 346 33 21021.213210632m D W x --?=??==ππ MPa 88.5210 02.17109.063 1=??=-σ MPa 26.551021.2110172.16 3 1=??=-σ MPa 26.55max =σ 6-3 T 字形截面铸铁梁的尺寸与所受载荷如图示。试求梁内最大拉应力与最大压应力。已知I z =10170cm 4，h 1=9.65cm ，h 2=15.35cm 。 解：A 截面： Mpa 95.371065.910 1017010402831max =????=--σ （拉）
6-1试作图示等直杆的轴力图。 解：取消A端的多余约束，以代之，则（伸长），在外力作用下杆产生缩短变形。 因为固定端不能移动，故变形协调条件为： 故 故 返回 6-2图示支架承受荷载各杆由同一材料制成，其横截面面积分 别为，和。 试求各杆的轴力。 解：设想在荷载F作用下由于各杆的变形，节点A移至。 此时各杆的变形及如图所示。现求它们之 间的几何关系表达式以便建立求内力的补充方程。
即： 亦即： 将，，代入， 得： 即： 亦即： （1） 此即补充方程。与上述变形对应的内力如图所示。根据节点A的平衡条件有： ； 亦即：（2） ；， 亦 即： （3） 联解（1）、（2）、（3）三式得：
（拉） （拉） （压） 返回 6-3 一刚性板由四根支柱支撑，四根支柱的长度和截面都相同，如图所示。如果荷载F作用在A点，试求这四根支柱各受力多少。 解：因为2，4两根支柱对称，所以，在F力作用下：
变形协调条件： 补充方程： 求解上述三个方程得： 返回 6-4 刚性杆AB的左端铰支，两根长度相等、横截面面积相同的钢杆CD和EF 使该刚性杆处于水平位置，如图所示。如已知，两根钢杆的横截面面 积，试求两杆的轴力和应力。 解：， （1） 又由变形几何关系得知： ，（2） 联解式（1），（2），得， 故，
返回 6-5(6-7) 横截面为250mm×250mm的短木柱，用四根40mm×40mm×5mm的等边角钢加固，并承受压力F，如图所示。已知角钢的许用应力，弹性模量；木材的许用应力，弹性模量。试求短木柱的许可荷载。 解：（1）木柱与角钢的轴力由盖板的静力平衡条件： （1） 由木柱与角钢间的变形相容条件，有 （2） 由物理关系： （3） 式（3）代入式（2），得
4-1. 试求图示各梁中截面1、2、3上的剪力和弯矩，这些截面无限接近于截面 C 或 D 。设p 、q 、a 均为已知。 解：（c ） （1）截开1截面，取右段，加力 （2）求力 2112 322qa a qa a P M qa qa P Q -=?-?-==+= （3）截开2截面，取右段，加力 （4）求力 2222 122qa M a qa a P M qa qa P Q -=+?-?-==+= （d ） （1）求约束反力 N R N R D A 300 100== （2）截开1截面，取左段，加力 (d) B (f) B (c) M=qa 2 M M M=qa 2 B
（3）求1截面力 Nm R M N R Q A A 202.010011-=?-=-=-= （4）截开2截面，取左段，加力 （5）求2截面力 Nm R M N R Q A A 404.010022-=?-=-=-= （6）截开3截面，取右段，加力 （7）求3截面力 Nm P M N P Q 402.020023-=?-=== （f ） （1）求约束反力 qa R qa R D C 2 5 21== （2）截开1截面，取左段，加力 Q 1 M 1 2 B M B
（3）求1截面力 2112 1 21 qa a qa M qa Q -=?-=-= （4）截开2截面，取右段，加力 （5）求2截面力 2 2222 3qa M a P M qa R P Q D -=-?=-=-= 4-3. 已知图示各梁的载荷P 、q 、M0和尺寸a 。(1)列出梁的剪力方程和弯矩方 程；(2)作剪力图和弯矩图；(3)确定Q max 和M max 。 q (c) 2a a M 0 =qa 2 C B A (d) a a M 0=Pa C B A (f) a a 2M 0 C B A M 0 (e) a a P C B A a 2P D (g) a/2 a/2 C B A q (h) a a P C B A a 6P D A C Q M 1 B D M=qa R Q 2 M (a) a a M 0=2P C B A (b) a a C B A q
6-1 求图示各梁在m －m 截面上A 点的正应力和危险截面上最大正应力。 题 6-1图 解：（a ）m KN M m m ?=-5.2 m KN M ?=75.3max 488 44 108.49064 101064 m d J x --?=??= = ππ MPa A 37.20108.490104105.282 3=????=--σ （压） MPa 2.3810 8.4901051075.38 23max =????=--σ （b ）m KN M m m ?=-60 m KN M ?=5.67max 488 331058321210181212m bh J x --?=??== MPa A 73.6110 583210610608 2 3=????=--σ （压） MPa 2.10410 5832109105.678 23max =????=--σ （c ）m KN M m m ?=-1 m KN M ?=1max 4 8106.25m J x -?=
3 6108.7m W x -?= cm y A 99.053.052.1=-= MPa A 67.3810 6.251099.01018 2 3=????=--σ （压） MPa 2.128106.251018 3 max =??=-σ 6-2 图示为直径D ＝6 cm 的圆轴，其外伸段为空心，内径d ＝4cm ，求轴内最大正应力。 解：)1(32 43 1απ-= D W x ??? ? ? -???= -463 )64(11032 6π 3 6 1002.17m -?= 346 33 21021.2132 10632 m D W x --?=??= = ππ MPa 88.521002.17109.063 1=??= -σ MPa 26.5510 21.2110172.16 3 1=??=-σ MPa 26.55max =σ 6-3 T 字形截面铸铁梁的尺寸与所受载荷如图示。试求梁内最大拉应力与最大压应力。 已知I z =10170cm 4 ，h 1=，h 2=。 解：A 截面： Mpa 95.371065.910 101701040283 1 max =????=--σ （拉） Mpa 37.501035.1510 1017010402 8 31 min -=????-=--σ（压）
材料力学考研真题 1 一、作图示结构的内力图，其中P=2qa,m=qa2/2。(10分) 二、已知某构件的应力状态如图，材料的弹性模量E=200GPa,泊松比μ=0.25。试求主应力，最大剪应力，最大线应变，并画出该点的应力圆草图。（10分） 三、重为G的重物自高为h处自由落下，冲击到AB梁的中点C，材料的弹性模量为E，试求梁内最大动挠度。（8分）
四、钢制平面直角曲拐ABC，受力如图。q=2.5πKN/m，AB段为圆截面，[σ]=160MPa，设L=10d，P =qL,试设计AB段的直径d。（15分） x 五、图示钢架，EI为常数，试求铰链C左右两截面的相对转角（不计轴力及剪力对变形的影响）。（12分） 六、图示梁由三块等厚木板胶合而成，载荷P可以在ABC梁上移动。已知板的许用弯曲正应力为[σ]=10Mpa，许用剪应力[τ]=1Mpa，胶合面上的许用剪=0.34Mpa，a=1m，b=10cm，h=5cm，试求许可荷载[P]。（10分）应力[τ] 胶
七、图示一转臂起重机架ABC ，其中AB 为空心圆截面杆D=76mm ，d=68mm ，BC 为实心圆截面杆D 1=20mm ，两杆材料相同，σp =200Mpa ，σs =235Mpa ，E=206Gpa 。取强度安全系数n=1.5，稳定安全系数n st =4。最大起重量G=20KN ，临界应力经验公式为σcr =304-1.12λ（Mpa ）。试校核 此结构。（15分） 八、水平曲拐ABC 为圆截面杆，在C 段上方有一铅垂杆DK ，制造时DK 杆短了△。曲拐AB 和BC 段的抗扭刚度和抗弯刚度皆为GI P 和EI 。且GI P =4 5 EI 。 杆DK 抗拉刚度为EA ，且EA=225EI a 。试求： （1）在AB 段杆的B 端加多大扭矩，才可使C 点刚好与D 点相接触？ （2）若C 、D 两点相接触后，用铰链将C 、D 两点连在一起，在逐渐撤除所加扭矩，求DK 杆内的轴力和固定端处A 截面上的内力。（15分） 九、火车车轴受力如图，已知a 、L 、d 、P 。求轴中段截面边缘上任意一点的循环特征r ，平均应力σm 和应力幅σa 。（5分） 2 一、作梁的内力图。（10分）
第四章 缺口试件的力学性能 前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转乃至硬度试验等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，但实际生产中存在的构件，绝大多数都不是截面均匀无变化的的光滑体，往往存在着截面的急剧变化，例如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可以视为缺口（切口）。由于缺口的存在，在载荷（静载荷或冲击载荷）作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”，从而影响到金属材料的力学性能。 §4.1 静载荷作用下的缺口效应 一、缺口试样在弹性状态下的局部应力和局部应变 1. 应力集中和应变集中 一薄板的中心边缘开缺口，并承受拉应力σ作用。缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口截面其他部分材料来的承担，因而缺口根部的应力最大。或者说，远离缺口处的截面上的力线的分布是均匀的，而在缺口截面上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，出现所谓应力集中的现象。 应力集中程度以应力集中系数表示之： max max l t n l n K σσσσ= －缺口截面轴向最大应力 －缺口净截面平均轴向应力（名义应力）
K t 和材料性质无关，只决定于缺口几何形状（所以又称为几何应力集中因子或弹性应力集中因子）。例如： 1t K =+圆孔：3t K ≈ （无限宽板） 应力集中必然导致应变集中，在弹性状态下，有： E σε= 则： max max l t n l t n n K K K E E εσσεεε?== =?=? 即在弹性状态下，应力集中系数和应变集中系数相同。 2. 多轴应力状态 由图可见，薄板开有缺口承受拉应力后，缺口根部还出现了横向拉伸应力σx ，它是由材料的横向收缩引起的。可以设想，加入沿x 方向将薄板分成很多细小的纵向拉伸试样，每一个小试样受拉伸后都能产生自由变形。根据小试样所处的位置不同，它们所受的纵向拉伸应力σy 大小也不一样，越靠近缺口根部，σy 越大，相应的纵向应变εy 也越大（应力应变集中）。每一个小试样在产生纵向应变εy 的同时，必然也要产生横向收缩应变εx ，且εx =-νεy 。如果横向应变能自由进行，则每个小试样必然相互分离开来。但是，实际上薄板是弹性连续介质，不允许各部分自由收缩变形。由于这种约束，各个小试样在相邻界面上必然产生横向拉应力σx ，以阻止横向收缩分离。因此，σx 的出现是金属变形连续性要求的结果。在缺口截面上σx 的分布是先增后减，这是由于缺口根部金属能自由收缩，所以根部的σx =0。自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此σx 逐渐增加。当增大到一定数值后，随着σy 的不断减小，σx 也随之减小。（薄板，平面应力，z 向变形自由，σz =0，
第四章缺口试件的力学性能 前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转乃至硬度试验等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，但实际生产中存在的构件，绝大多数都不是截面均匀无变化的的光滑体，往往存在着截面的急剧变化，例如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可以视为缺口（切口）。由于缺口的存在，在载荷（静载荷或冲击载荷）作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”，从而影响到金属材料的力学性能。 §4.1 静载荷作用下的缺口效应 一、缺口试样在弹性状态下的局部应力和局部应变 1. 应力集中和应变集中 一薄板的中心边缘开缺口，并承受拉应力σ作用。缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口截面其他部分材料来的承担，因而缺口根部的应力最大。或者说，远离缺口处的截面上的力线的分布是均匀的，而在缺口截面上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，出现所谓应力集中的现象。 应力集中程度以应力集中系数表示之： max max l t n l n K σ σ σ σ = －缺口截面轴向最大应力 －缺口净截面平均轴向应力（名义应力）
K t 和材料性质无关，只决定于缺口几何形状（所以又称为几何应力集中因子或弹性应力集中因子）。例如： 12t c K ρ=+圆孔：3t K ≈ （无限宽板） 应力集中必然导致应变集中，在弹性状态下，有： E σε= 则： max max l t n l t n n K K K E E εσσεεε?== =?=? 即在弹性状态下，应力集中系数和应变集中系数相同。 2. 多轴应力状态 由图可见，薄板开有缺口承受拉应力后，缺口根部还出现了横向拉伸应力σx ，它是由材料的横向收缩引起的。可以设想，加入沿x 方向将薄板分成很多细小的纵向拉伸试样，每一个小试样受拉伸后都能产生自由变形。根据小试样所处的位置不同，它们所受的纵向拉伸应力σy 大小也不一样，越靠近缺口根部，σy 越大，相应的纵向应变εy 也越大（应力应变集中）。每一个小试样在产生纵向应变εy 的同时，必然也要产生横向收缩应变εx ，且εx =-νεy 。如果横向应变能自由进行，则每个小试样必然相互分离开来。但是，实际上薄板是弹性连续介质，不允许各部分自由收缩变形。由于这种约束，各个小试样在相邻界面上必然产生横向拉应力σx ，以阻止横向收缩分离。因此，σx 的出现是金属变形连续性要求的结果。在缺口截面上σx 的分布是先增后减，这是由于缺口根部金属能自由收缩，所以根部的σx =0。自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此σx 逐渐增加。当增大到一定数值后，随着σy 的不断减小，σx 也随之减小。（薄板，平面应力，z 向变形自由，σz =0，
弯曲应力 6-1求图示各梁在m－m截面上A点的正应力和危险截面上最大正应力。 题 6-1图 解：（ a）M m m 2.5KN m M max 3.75 KN m J x d 410 410 8490.8 108 m4 6464 A 2.510 34102 20 .37 MPa（压） 490.8108
3.751035102 max490 .810 8 38.2MPa （ b）M m m60 KN m M max 67.5KN m J x bh 31218310 85832 10 8 m 4 1212 A 6010 3610 2 61.73 MPa（压） 5832108 67 .510 39102 max583210 8104.2MPa （ c）M m m1KN m M max1KN m J x25.610 8 m4 W x7.810 6 m3 y A 1.520.530.99cm A 110 30.99102 38 .67 MPa（压） 25.6108 max 110 3 128 .2 MPa 25.6108 6-2 图示为直径 D ＝ 6 cm的圆轴，其外伸段为空心，内径d＝ 4cm，求轴内最大正应力。
解： W x1 D 3 (1 4 ) 32 63 10 6 1 (4) 4 32 6 17.02 10 6 m 3 W x2 D 3 63 10 6 21.21 10 4 m 3 32 32 1 0 .9 10 3 52 .88 MPa 17 .02 10 6 1 1.172 10 3 55.26 MPa 21 .21 10 6 max 55 .26 M P a 6-3 T 字形截面铸铁梁的尺寸与所受载荷如图示。试求梁内最大拉应力与最大压应力。 4 解： A 截面： max 1 40 10 3 8 9.65 10 2 37.95 M p a （拉） 10170 10
第6章 圆轴的扭转 6.1 扭转的概念 扭转是杆件变形的一种基本形式。在工程实际中以扭转为主要变形的杆件也是比较多的，例如图6-1所示汽车方向盘的操纵杆，两端分别受到驾驶员作用于方向盘上的外力偶和转向器的反力偶的作用；图6-2所示为水轮机与发电机的连接主轴，两端分别受到由水作用于叶片的主动力偶和发电机的反力偶的作用；图6-3所示为机器中的传动轴，它也同样受主动力偶和反力偶的作用，使轴发生扭转变形。 图6—1 图6—2 图6—3 这些实例的共同特点是：在杆件的两端作用两个大小相等、方向相反、且作用平面与杆件轴线垂直的力偶，使杆件的任意两个截面都发生绕杆件轴线的相对转动。这种形式的变形称为扭转变形（见图6-4）。以扭转变形为主的直杆件称为轴。若杆件的截面为圆形的轴称为圆轴。 图6—4 6.2 扭矩和扭矩图 6.2.1 外力偶矩 作用在轴上的外力偶矩，可以通过将外力向轴线简化得到，但是，在多数情况下，则是通过轴所传递的功率和轴的转速求得。它们的关系式为 n P M 9550 （6-1） 其中：M ——外力偶矩（N ·m ）; P ——轴所传递的功率（KW ）； n ——轴的转速（r ／min ）。 外力偶的方向可根据下列原则确定：输入的力偶矩若为主动力矩则与轴的转动方向相同；输
入的力偶矩若为被动力矩则与轴的转动方向相反。 6.2.2 扭矩 圆轴在外力偶的作用下，其横截面上将产生连续分布内力。根据截面法，这一分布内力应组成一作用在横截面内的合力偶，从而与作用在垂直于轴线平面内的外力偶相平衡。由分布内力组成的合力偶的力偶矩，称为扭矩，用n M 表示。扭矩的量纲和外力偶矩的量纲相同，均为N·m 或kN·m 。 当作用在轴上的外力偶矩确定之后，应用截面法可以很方便地求得轴上的各横截面内的扭矩。如图6-5（a ）所示的杆，在其两端有一对大小相等、转向相反，其矩为M 的外力偶作用。为求杆任一截面m-m 的扭矩，可假想地将杆沿截面m-m 切开分成两段，考察其中任一部分的平衡，例如图6-5（b ）中所示的左端。由平衡条件 0)(=∑F M X 可得 M M n = 图6—5 注意，在上面的计算中，我们是以杆的左段位脱离体。如果改以杆的右端为脱离体，则在同一横截面上所求得的扭矩与上面求得的扭矩在数值上完全相同，但转向却恰恰相反。为了使从左段杆和右段杆求得的扭矩不仅有相同的数值而且有相同的正负号，我们对扭矩的 正负号根据杆的变形情况作如下规定：把扭矩当矢量，即用右手的四指表示扭矩的旋转方向，则右手的大拇指所表示的方向即为扭矩的矢量方向。如果扭矩的矢量方向和截面外向法线的方向相同，则扭矩为正扭矩，否则为负扭矩。这种用右手确定扭矩正负号的方法叫做右手螺旋法则。如图6-6所示。 按照这一规定，园轴上同一截面的扭矩（左与右）便具有相同的正负号。应用截面法求扭矩时，一般都采用设正法，即先假设截面上的扭矩为正，若计算所得的符号为负号则说明扭矩转向与假设方向相反。 当一根轴同时受到三个或三个以上外力偶矩作用时，其各 图6-6 扭矩正负号规定 段横断面上的扭矩须分段应用截面法计算。 6.2.3 扭矩图 为了形象地表达扭矩沿杆长的变化情况和找出杆上最大扭矩所在的横截面，我们通常把扭矩随截面位置的变化绘成图形。此图称为扭矩图。绘制扭矩图时，先按照选定的比例尺，以受扭杆横截面沿杆轴线的位置x 为横坐标，以横截面上的扭矩n M 为纵坐标，建立n M —x 直角坐标系。然后将各段截面上的扭矩画在n M —x 坐标系中。绘图时一般规定将正号的
1 弯曲问题的分析过程：弯曲问题的分析过程：弯曲内力弯曲应力弯曲变形解决刚度问题尽量从理论上分析——一般然后实验上验证——个别 2 拉压扭转弯曲伸长量转角挠度deflection 挠度转角rotation 转角工程上的梁变形问题不容忽视?影响使用影响使用?引发破坏引发破坏?产生不安全感产生不安全感?减少冲击、振动减少冲击、减少冲击?利用变形作为开关利用变形作为开关提高性能 3 梁的强度梁的刚度保证梁的具有足够抵抗破坏的能力保证梁不发生过大的变形过大变形的危害: 例1：车床主轴变形过大，影响其加工精度。车床主轴变形过大，影响其加工精度。例2：高层建筑上部变形过大，会使其中的居民产生不安全感。高层建筑上部变形过大，会使其中的居民产生不安全感。 4 第六章§6–1 概述弯曲变形 §6–2 梁的挠曲线近似微分方程及其积分 §6–3 按叠加原理求梁的挠度与转角 §6–4 §6– 5 §6– 6 简单超静定梁的求解方法简单超静定梁的求解方法梁的刚度校核如何提高梁的承载能力 5 §6－１概述研究范围：等直梁在对称弯曲时位移的计算。研究范围：等直梁在对称弯曲时位移的计算。研究目的：①对梁作刚度校核；研究目的：对梁作刚度校核；②解超静定梁（为变形几何条件提供补充方程）。解超静定梁（为变形几何条件提供补充方程）。 6 康奈尔大桥法国最高的大桥 7 房屋的横梁 8 天线 9 原子力显微镜探头流体机械中的悬臂阀门 10 梁的弯曲变形实验 11 一、度量梁变形的两个基本位移量 1.挠度：横截面形心沿垂直于轴线方向的线位移。表示。 1.挠度：横截面形心沿垂直于轴线方向的线位移。用w表示。挠度表示同向为正，反之为负。与 w 同向为正，反之为负。C v C1 θ dx dw P x θ 2.转角： 2.转角：横截面绕其中性轴转转角动的角度。表示，动的角度。用θ 表示，顺时针转动为正，反之为负。针转动为正，反之为负。 f 挠曲线：变形后，轴线变为光滑曲线，该曲线称为挠曲线。 二、挠曲线：变形后，轴线变为光滑曲线，该曲线称为挠曲线。其方程为：其方程为： w =w(x) 小变形三、转角与挠曲线的关系：θ = dw 转角与挠曲线的关系：tg dx θ < 1o (0.0175rad ) ? θ = w' (1) 12 13 14 §6-2 梁的挠曲线近似微分方程及其积分 15 一、挠曲线近似微分方程M z ( x) = ρ EI z 1 (1) w M>0 由高等数学的知识： w "( x) > 0 w M<0 w "( x) < 0 x 1 w "( x) 小变形=± ≈ 3 ρ ( x) (1 + w '2 ) 2 x ± w "( x) M z (x) ∴ w "( x ) = ± EIz M (x ) w" = L (2 ) EI z 式（2）就是挠曲线近似微分方程。就 是挠曲线近似微分方程。 16 对于等截面直梁，挠曲线近似微分方程可写成如下形式： EIw" (x) = M(x) 二、求挠曲线方程（弹性曲线）求挠曲线方程（弹性曲线） 1.微分方程的积分EIw"( x) = M ( x) EIw '( x ) = ∫ ( M ( x ))dx + C1 EIw ( x ) = ∫ ( ∫ ( M ( x ))d x )d x + C1 x + C 2 2.位移边界条件 P A C B D 17 P 支点位移条件：wA = 0 连续条件：光滑条件：讨论：讨论： wB = 0 wC ?= wC + wD = 0 θD = 0 = θC右或写成 wC 左 = wC 右或写成θC ? = θC+ θC 左①适用于小变形情况
2P 2P 2P 2P 机密★启用前 江苏大学2004年硕士研究生入学考试试题 考试科目：材料力学 考生注意：答案必须写在答题纸上，写在试题及草稿纸上无效！（考本卷应使用计算器 ) 第一题 填空题 (共10分) 01 (5分) 图示组合图形，由两个直径相等的圆截面组 成，此组合图形对形心主轴ｙ的惯性矩Ｉy 为 ＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 02 (5分) 图（a ）、（b ）、（c ）为三根材料相同的 圆截面直杆，受到重量Q 相同，且从同一高 度Ｈ自由下落的物体冲击，若动荷系数可按 计算，则它们的动荷系数由大到 小的顺序是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿， 它们的最大冲击应力由大到小的顺序 是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 第二题 选择题 (共10分) 01 (5分) 图示等截面直杆的抗拉刚度为ＥＡ，其变形能应为下列式中 的哪一个？ （A ）Ｕ＝5 L ／（６ＥＡ）； （B ）Ｕ＝３ L ／（２ＥＡ）； （C ）Ｕ＝９ L ／（４ＥＡ）； （D ）Ｕ＝１３ L ／（４ＥＡ）。 正确答案是＿＿＿＿＿＿。 共 4 页 第 1 页 st H K d δ2
46m 10 02 (5分) 三轮汽车转向架圆轴有一盲孔（图a ），受弯曲交变应力作用，经常发生疲劳断裂。 后将盲孔改为通孔（图b ），提高了疲劳强度。其原因有四种答案： （A ）提高应力集中系数； （B ）降低应力集中系数； （C ）提高尺寸系数； （D ）降低尺寸系数。 正确答案是＿＿＿＿＿＿。 第三题 (10分) 一根圆轴所传递的功率Ｐ＝５.５kW ，转速ｎ＝２００r ／min ，［τ］＝４０ ＭＰa 。试设计轴的直径ｄ。 第四题 (２0分) 作右图示梁的Ｑ、Ｍ图。 第五题 (２0分) 图示结构中，ＦＢ为圆杆，直径ｄ＝３０mm ，材料的许用应力［σ］＝１２０ＭＰa 。 ＡＥ梁为T 字形截面，尺寸如图示，Ｃ为形心，Ｉz ＝７．４６× 材料的许用拉应力［σt ］＝４０ＭＰa ，许用压应力［σc ］＝６０ＭＰa 。试校核该结构的强度。
一、 传动轴如图19-5（a ）所示。主动轮A 输入功率kW N A 75.36=，从动轮D C B 、、输出功率分别为kW N kW N N D C B 7.14,11===，轴的转速为n =300r/min 。试画出轴的扭矩图。 解 （1）计算外力偶矩：由于给出功率以kW 为单位，根据（19-1）式： 1170300 75 .3695509550=?==n N M A A (N ·m ) 351300 11 95509550=?===n N M M B C B (N ·m ) 468300 7 .1495509550=?==n N M D D (N ·m ) （2）计算扭矩：由图知，外力偶矩的作用位置将轴分为三段：AD CA BC 、、。现分别在各段中任取一横截面，也就是用截面法，根据平衡条件计算其扭矩。 BC 段：以1n M 表示截面Ⅰ－Ⅰ上的扭矩，并任意地把1n M 的方向假设为图19-5（b ）所示。根据平衡条件0=∑x m 得： 01=+B n M M 3511-=-=B n M M (N ·m ) 结果的负号说明实际扭矩的方向与所设的相反，应为负扭矩。BC 段内各截面上的扭矩不变，均为351N ·m 。所以这一段内扭矩图为一水平线。同理，在CA 段内： M n Ⅱ＋0=+B C M M Ⅱn M = －B C M M -= －702(N ·m ) AD 段：0=D n M M －Ⅲ 468==D n M M Ⅲ(N ·m ) 根据所得数据，即可画出扭矩图[图19－5（e ）]。由扭矩图可知，最大扭矩发生在CA 段内，且702max =n M N ·m 二、 如图19-15所示汽车传动轴AB ，由45号钢无缝钢管制成，该轴的外径D =90mm ，壁厚t =2.5mm ，工作时的最大扭矩M n ＝1.5kN·m ，材料的许用剪应力][τ＝60MPa 。求（1）试校核AB 轴的强度；（2）将AB 轴改为实心轴，试在强度相同的条件下，确定轴的直径，并比较实心轴和空心轴的重量。 解 （1）校核AB 轴的强度： 944 .090 5.22902=?-=-= =D t D D d α (a ) (c ) m (d ) (e ) 图19-5 (b )
2P 2P 2P 2P 江苏大学2004年硕士生入学考试材料力学试题 第一题 填空题 (共10分) 01 (5分) 图示组合图形，由两个直径相等的圆截面组 成，此组合图形对形心主轴ｙ的惯性矩Ｉy 为 ＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 02 (5分) 图（a ）、（b ）、（c ）为三根材料相同的 圆截面直杆，受到重量Q 相同，且从同一高 度Ｈ自由下落的物体冲击，若动荷系数可按 计算，则它们的动荷系数由大到 小的顺序是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿， 它们的最大冲击应力由大到小的顺序 是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 第二题 选择题 (共10分) 01 (5分) 图示等截面直杆的抗拉刚度为ＥＡ，其变形能应为下列式中 的哪一个？ （A ）Ｕ＝5 L ／（６ＥＡ）； （B ）Ｕ＝３ L ／（２ＥＡ）； （C ）Ｕ＝９ L ／（４ＥＡ）； （D ）Ｕ＝１３ L ／（４ＥＡ）。 正确答案是＿＿＿＿＿＿。 02 (5分) 三轮汽车转向架圆轴有一盲孔（图a ），受弯曲交变应力作用，经常发生疲劳断裂。 后将盲孔改为通孔（图b ），提高了疲劳强度。其原因有四种答案： st H K d δ2
4 6m 10 （A ）提高应力集中系数； （B ）降低应力集中系数； （C ）提高尺寸系数； （D ）降低尺寸系数。 正确答案是＿＿＿＿＿＿。 第三题 (10分) 一根圆轴所传递的功率Ｐ＝５.５kW ，转速ｎ＝２００r ／min ，［τ］＝４０ ＭＰa 。试设计轴的直径ｄ。 第四题 (２0分) 作右图示梁的Ｑ、Ｍ图。 第五题 (２0分) 图示结构中，ＦＢ为圆杆，直径ｄ＝３０mm ，材料的许用应力［σ］＝１２０ＭＰa 。 ＡＥ梁为T 字形截面，尺寸如图示，Ｃ为形心，Ｉz ＝７．４６× 材料的许用拉应力［σt ］＝４０ＭＰa ，许用压应力［σc ］＝６０ＭＰa 。试校核该结构的强度。 第六题 (１0分) 试求图示单元体主应力及最大剪应力， 并将主平面在单元体上标出。
《材料力学》课程参考资料 一、教材类参考资料 1、孙训方，方孝淑，关来泰编，孙训方，胡增强修订，材料力学（I，II），第 四版，北京：高等教育出版社，2002（★★） 2、范钦珊主编，材料力学，北京：高等教育出版社，2000（■） 3、李庆华主编，材料力学（第二版），西南交通大学出版社，2000（■） 4、干光瑜等编，材料力学（建筑力学第二分册），第三版，北京：高等教育出 版社，2000（★） 5、单辉祖主编，材料力学（I,II），第四版，北京：高等教育出版社，2003 6、刘鸿文主编，材料力学（I,II），第四版，北京：高等教育出版社，2000 7、蒋智翔编，材料力学（上、下册），北京：清华大学出版社，1985 8、宋子康，蔡文安编，材料力学，上海：同济大学出版社，1997 9、蒋平编著，工程力学基础(I)，北京：高等教育出版社，2003 10、吴代华主编，材料力学，武汉：武汉工业大学出版社，1988 11、王燮山著，奇异函数及其在力学中的应用，北京：科学出版社，1993 12、刘鸿文主编，高等材料力学，北京：高等教育出版社，1985 （■）我院曾选用的教材； （★）我院选用的教材（少学时和专科）（56学时的理论授课学时） （★★）我院选用的教材（多学时）（80学时的理论授课学时） 二、学习指导书和习题集 1、胡增强编，材料力学学习指导（配合主教材孙训方等编《材料力学》（第四 版）（I，II））,北京：高等教育出版社，2003 2、老亮，赵福滨，郝松林，吴荣礼合编，材料力学思考题集，北京：高等教育 出版社，2005 3、胡增强编，材料力学习题解析,北京：中国农业机械出版社，1983 4、苏翼林主编，材料力学难题分析，北京：高等教育出版社，1988 5、奚绍中编，材料力学精讲，成都：西南交通大学出版社，1993 6、苟文选，材料力学典型题解析及自测习题，西安：西北工业大学出版社，2000 7、陈乃立，陈倩编，材料力学学习指导（配合主教材孙训方等编《材料力学》 （第四版）（I，II）），北京：高等教育出版社，2004 8、江苏省力学学会科普委员会编著，理论力学、材料力学考研与竞赛试题精解，