第5章扭转应力(1,2,3)

第3章作业参考解答3-1 试作附图中各圆杆的扭矩图。

习题3-1附图解答 各杆的轴力图分别见解答附图(a)、(b)、(c)、(d)。

3-2 一传动轴以每分钟200转的角速度转动，轴上装有4个轮子，如附图，主动轮2输入功率60kW ，从动轮1，3，4依次输出功率15kW ，15kW 和30kW 。

（1）作轴的扭矩图。

（2）将2，3轮的位置对调，扭矩图有何变化？ 解答 (1)各轮上作用的力偶矩为m kN T ×=´´´=716.0200260101531pm kN T ×=´´´=865.2200260106032p ，m kN T ×=´´´=716.0200260101533pm kN T ×=´´´=432.1200260103034p扭矩图见附图(a)，最大扭矩为m kN M x ×=149.2max 。

(2) 2，3轮的位置对调后扭矩图见附图(b)，最大扭矩为m kN M x ×=432.1max 。

(a) M x(c) M x /N ·m(b)M x /kN ·m(d) M x /kN ·m习题3-2附图T 1T 2 T 3 T 4 (a)M x /kN ·m1.432(b) M x /kN ·m3-3 一直径d =60mm 的圆杆，其两端受T =2kN·m 的外力偶矩作用而发生扭转，如附图示。

设轴的切变模量G =80GPa 。

试求横截面上1，2，3点处的切应力和最大切应变，并在此三点处画出切应力的方向。

解答 1，2，3点处的切应力分别为MPaMPa W T p 4.313/22.4716/06.014.320000.031332===´===t t t t 切应力方向见附图(1)。

二、轴向拉伸和压缩之马矢奏春创作创作时间：二零二一年六月三十日2-1 试求图示各杆1-1和2-2横截面上的轴力, 并作轴力图.（a）解：；；（b）解：；；（c）解：；. (d)解：.2-2 试求图示等直杆横截面1-1, 2-2和3-3上的轴力, 并作轴力图.若横截面面积, 试求各横截面上的应力.解：2-3 试求图示阶梯状直杆横截面1-1, 2-2和3-3上的轴力, 并作轴力图.若横截面面积, , , 并求各横截面上的应力.解：2-4 图示一混合屋架结构的计算简图.屋架的上弦用钢筋混凝土制成.下面的拉杆和中间竖向撑杆用角钢构成, 其截面均为两个75mm×8mm的等边角钢.已知屋面接受集度为的竖直均布荷载.试求拉杆AE和EG横截面上的应力.解：=1）求内力取I-I分离体得（拉）取节点E为分离体,故（拉）2）求应力75×8等边角钢的面积A=11.5 cm2(拉)（拉）2-5(2-6) 图示拉杆接受轴向拉力, 杆的横截面面积.如以暗示斜截面与横截面的夹角, 试求当, 30, 45, 60, 90时各斜截面上的正应力和切应力, 并用图暗示其方向.解：2-6(2-8) 一木桩柱受力如图所示.柱的横截面为边长200mm的正方形, 资料可认为符合胡克定律, 其弹性模量E=10 GPa.如不计柱的自重, 试求：（1）作轴力图；（2）各段柱横截面上的应力；（3）各段柱的纵向线应变；（4）柱的总变形.解：（压）（压）2-7(2-9) 一根直径、长的圆截面杆, 接受轴向拉力, 其伸长为.试求杆横截面上的应力与资料的弹性模量E.解：2-8(2-11) 受轴向拉力F作用的箱形薄壁杆如图所示.已知该杆资料的弹性常数为E, , 试求C与D两点间的距离改变量.解：横截面上的线应变相同因此2-9(2-12) 图示结构中, AB为水平放置的刚性杆, 杆1, 2, 3资料相同, 其弹性模量E=210GPa, 已知, , , .试求C点的水平位移和铅垂位移.解：（1）受力图（a）, .（2）变形协调图（b）因, 故=（向下）（向下）为保证, 点A移至, 由图中几何关系知；第三章扭转3-1 一传动轴作匀速转动, 转速, 轴上装有五个轮子, 主动轮Ⅱ输入的功率为60kW, 从动轮, Ⅰ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ依次输出18kW, 12kW,22kW和8kW.试作轴的扭矩图.解：kNkNkNkN3-2(3-3) 圆轴的直径, 转速为.若该轴横截面上的最年夜切应力即是, 试问所传递的功率为多年夜？解：故即又故3-3(3-5) 实心圆轴的直径mm, 长m, 其两端所受外力偶矩, 资料的切变模量.试求：（1）最年夜切应力及两端截面间的相对扭转角；（2）图示截面上A, B, C三点处切应力的数值及方向；（3）C点处的切应变.解：=3-4(3-6) 图示一等直圆杆, 已知, ,, .试求：（1）最年夜切应力；（2）截面A相对截面C的扭转角.解：（1）由已知得扭矩图（a）（2）3-5(3-12) 长度相等的两根受扭圆轴, 一为空心圆轴, 一为实心圆轴, 两者资料相同, 受力情况也一样.实心轴直径为d；空心轴外径为D, 内径为, 且.试求当空心轴与实心轴的最年夜切应力均到达资料的许用切应力）, 扭矩T相等时的重量比和刚度比.解：重量比=因为即故故刚度比==3-6(3-15) 图示等直圆杆, 已知外力偶矩,, 许用切应力, 许可单元长度扭转角, 切变模量.试确定该轴的直径d.解：扭矩图如图（a）（1）考虑强度, 最年夜扭矩在BC段, 且（1）(2）考虑变形（2）比力式（1）、（2）, 取3-7(3-16) 阶梯形圆杆, AE段为空心, 外径D=140mm, 内径d=100mm；BC段为实心, 直径d=100mm.外力偶矩, , .已知：, , .试校核该轴的强度和刚度.解：扭矩图如图（a）（1）强度=, BC段强度基本满足=故强度满足.（2）刚度BC段：BC段刚度基本满足.AE段：AE段刚度满足, 显然EB段刚度也满足.3-8(3-17) 习题3-1中所示的轴, 资料为钢, 其许用切应力, 切变模量, 许可单元长度扭转角.试按强度及刚度条件选择圆轴的直径.解：由3-1题得：故选用.3-9(3-18) 一直径为d的实心圆杆如图, 在接受扭转力偶矩后, 测得圆杆概况与纵向线成方向上的线应酿成.试导出以, d和暗示的切变模量G的表达式.解：圆杆概况贴应变片处的切应力为圆杆扭转时处于纯剪切状态, 图（a）.切应变（1）对角线方向线应变：（2）式（2）代入（1）：3-10(3-19) 有一壁厚为25mm、内径为250mm的空心薄壁圆管, 其长度为1m, 作用在轴两端面内的外力偶矩为180.试确定管中的最年夜切应力, 并求管内的应变能.已知资料的切变模量.解：3-11(3-21) 簧杆直径mm的圆柱形密圈螺旋弹簧, 受拉力作用, 弹簧的平均直径为mm, 资料的切变模量.试求：（1）簧杆内的最年夜切应力；（2）为使其伸长量即是6mm所需的弹簧有效圈数.解：,故因为故圈3-12(3-23) 图示矩形截面钢杆接受一对外力偶矩.已知资料的切变模量, 试求：（1）杆内最年夜切应力的年夜小、位置和方向；（2）横截面矩边中点处的切应力；（3）杆的单元长度扭转角.解：, ,由表得MPa第四章弯曲应力4-1(4-1) 试求图示各梁中指定截面上的剪力和弯矩.解：（a）（b）（c）（d）=（e）（f）（g）（h）=4-2(4-2) 试写出下列各梁的剪力方程和弯矩方程, 并作剪力图和弯矩图.解：（a）（b）时时（c）时时（d）（e）时,时,AB段：（f）BC段：（g）AB段内：BC段内：（h）AB段内：BC段内：CD段内：4-3(4-3) 试利用荷载集度、剪力和弯矩间的微分关系作下列各梁的剪力图和弯矩图.4-4(4-4) 试作下列具有中间铰的梁的剪力图和弯矩图.4-5(4-6) 已知简支梁的剪力图如图所示.试作梁的弯矩图和荷载图.已知梁上没有集中力偶作用.返回4-6(4-7) 试根据图示简支梁的弯矩图作出梁的剪力图与荷载图. 4-7(4-15) 试作图示刚架的剪力图、弯矩图和轴力图.4-8(4-18) 圆弧形曲杆受力如图所示.已知曲杆轴线的半径为R, 试写出任意横截面C上剪力、弯矩和轴力的表达式（暗示成角的函数）, 并作曲杆的剪力图、弯矩图和轴力图.解：（a）（b）4-9(4-19) 图示吊车梁, 吊车的每个轮子对梁的作用力都是F, 试问：（1）吊车在什么位置时, 梁内的弯矩最年夜？最年夜弯矩即是几多？（2）吊车在什么位置时, 梁的支座反力最年夜？最年夜支反力和最年夜剪力各即是几多？解：梁的弯矩最年夜值发生在某一集中荷载作用处., 得：那时,当M极年夜时：,则, 故,故为梁内发生最年夜弯矩的截面故：=4-10(4-21) 长度为250mm、截面尺寸为的薄钢尺, 由于两端外力偶的作用而弯成中心角为的圆弧.已知弹性模量.试求钢尺横截面上的最年夜正应力.解：由中性层的曲率公式及横截面上最年夜弯曲正应力公式得：由几何关系得：于是钢尺横截面上的最年夜正应力为：第五章梁弯曲时的位移5-1(5-13) 试按迭加原理并利用附录IV求解习题5-4.解：（向下）（向上）（逆）（逆）5-2(5-14) 试按迭加原理并利用附录IV求解习题5-5.解：分析梁的结构形式, 而引起BD段变形的外力则如图（a）所示, 即弯矩与弯矩.由附录（Ⅳ）知, 跨长l的简支梁的梁一端受一集中力偶M作用时, 跨中点挠度为.用到此处再利用迭加原理得截面C的挠度（向上）5-3(5-15) 试按迭加原理并利用附录IV求解习题5-10.解：5-4(5-16) 试按迭加原理并利用附录IV求解习题5-7中的.解：原梁可分解成图5-16a和图5-16d迭加, 而图5-16a又可分解成图5-16b和5-16c.由附录Ⅳ得5-5(5-18) 试按迭加原理求图示梁中间铰C处的挠度, 并描出梁挠曲线的年夜致形状.已知EI为常量.解：（a）由图5-18a-1（b）由图5-18b-1=5-6(5-19) 试按迭加原理求图示平面折杆自由端截面C的铅垂位移和水平位移.已知杆各段的横截面面积均为A, 弯曲刚度均为EI.解：5-7(5-25) 松木桁条的横截面为圆形, 跨长为4m, 两端可视为简支, 全跨上作用有集度为的均布荷载.已知松木的许用应力, 弹性模量.桁条的许可相对挠度为.试求桁条横截面所需的直径.（桁条可视为等直圆木梁计算, 直径以跨中为准.）解：均布荷载简支梁, 其危险截面位于跨中点, 最年夜弯矩为, 根据强度条件有从满足强度条件, 得梁的直径为对圆木直径的均布荷载, 简支梁的最年夜挠度为而相对挠度为由梁的刚度条件有为满足梁的刚度条件, 梁的直径有由上可见, 为保证满足梁的强度条件和刚度条件, 圆木直径需年夜于.5-8(5-26) 图示木梁的右端由钢拉杆支承.已知梁的横截面为边长即是0.20m的正方形, , ；钢拉杆的横截面面积.试求拉杆的伸长及梁中点沿铅垂方向的位移.解：从木梁的静力平衡, 易知钢拉杆受轴向拉力40于是拉杆的伸长为=木梁由于均布荷载发生的跨中挠度为梁中点的铅垂位移即是因拉杆伸长引起梁中点的刚性位移与中点挠度的和, 即第六章简单超静定问题6-1 试作图示等直杆的轴力图.解：取消A真个过剩约束, 以代之, 则（伸长）, 在外力作用下杆发生缩短变形.因为固定端不能移动, 故变形协调条件为：故故6-2 图示支架接受荷载各杆由同一资料制成, 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弥补方程.即：亦即：将, , 代入, 得：即：亦即：（1）此即弥补方程.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）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几多.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：弥补方程：求解上述三个方程得：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,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, 并接受压力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.创作时间：二零二一年六月三十日。

第四章 扭转§4—1 工程实例、概念一、工程实例1、螺丝刀杆工作时受扭。

2、汽车方向盘的转动轴工作时受扭。

3、机器中的传动轴工作时受扭。

4、钻井中的钻杆工作时受扭。

二、扭转的概念受力特点：杆两端作用着大小相等方向相反的力偶，且作用面垂直杆的轴线。

变形特点：杆任意两截面绕轴线发生相对转动。

轴：主要发生扭转变形的杆。

§4—2 外力偶矩、扭矩一、外力：m （外力偶矩）1、已知：功率 P 千瓦(KW ），转速 n 转／分(r ／min ； rpm)。

外力偶矩：m)(N 9549⋅=nPm 2、已知：功率 P 马力(Ps)，转速 n 转／分(r ／min ；rpm)。

外力偶矩：m)(N 7024⋅=nPm 二、内力：T （扭矩） 1、内力的大小：（截面法）mT m T mx==-=∑002、内力的符号规定：以变形为依据，按右手螺旋法则判断。

（右手的四指代表扭矩的旋转方向，大拇指代表其矢量方向，若其矢量方向背离所在截面则扭矩规定为正值，反之为负值。

）3、注意的问题：（1）、截开面上设正值的扭矩方向；（2）、在采用截面法之前不能将外力简化或平移。

4、内力图（扭矩图）：表示构件各横截面扭矩沿轴线变化的图形。

作法：同轴力图：§4—3 薄壁圆筒的扭转 一、薄壁圆筒横截面上的应力(壁厚0101r t ≤,0r ：为平均半径） 实验→变形规律→应力的分布规律→应力的计算公式。

1、实验：2、变形规律：圆周线——形状、大小、间距不变，各圆周线只是绕轴线转动了一个不同的角度。

纵向线——倾斜了同一个角度，小方格变成了平行四边形。

3、切应变（角应变、剪应变）：直角角度的改变量。

4、定性分析横截面上的应力(1) 00=∴=σε ；（2）00≠∴≠τγ因为同一圆周上切应变相同，所以同一圆周上切应力大小相等。

⑶ 因为壁厚远小于直径，所以可以认为切应力沿壁厚均匀分布,而且方向垂直于其半径方向。

《材料力学》第3章-扭转-习题解一、习题解析1. 习题3.1：已知一圆形截面的扭转杆，直径d=40mm，材料的剪切弹性模量G=80GPa，剪切应力允许值[τ]=60MPa。

求该杆的最大扭矩M。

【解析】首先，计算扭转杆的极截面惯性矩I_p。

圆形截面扭转杆的极截面惯性矩公式为：\[ I_p = \frac{\pi d^4}{32} \]将d=40mm代入公式，得到：\[ I_p = \frac{\pi \times 40^4}{32} \approx 251327.4 \text{ mm}^4 \]然后，根据扭转杆的剪切应力允许值[τ]，计算允许的最大扭矩M。

剪切应力公式为：\[ \tau = \frac{T}{I_p} \times \rho \]其中，T为扭矩，ρ为半径，ρ=d/2。

将[τ]=60MPa、I_p和ρ代入公式，得到：\[ 60 \times 10^6 = \frac{T}{251327.4} \times \frac{40}{2} \]解得T（最大扭矩）约为：\[ T = 60 \times 10^6 \times \frac{251327.4}{20 \times 40} \approx 376.83 \text{ N}\cdot\text{m} \]2. 习题3.2：一矩形截面扭转杆，尺寸为20mm×40mm，材料的剪切弹性模量G=80GPa，求该杆在扭矩T=200N·m作用下的最大剪切应力。

【解析】矩形截面扭转杆的最大剪切应力公式为：\[ \tau_{\max} = \frac{3T}{2I_p} \times \frac{b}{h} \]其中，b为矩形截面宽度，h为高度。

将T=200N·m、G=80GPa、b=20mm和h=40mm代入公式，首先计算极截面惯性矩I_p：\[ I_p = \frac{b(h^3 + b^3)}{12} \]将b和h代入公式，得到：\[ I_p = \frac{20(40^3 + 20^3)}{12} \approx 53333.3 \text{ mm}^4 \]然后，将I_p、T、b和h代入最大剪切应力公式，得到：\[ \tau_{\max} = \frac{3 \times 200 \times 10^6}{2 \times 53333.3}\times \frac{20}{40} \approx 90.91 \text{ MPa} \]3. 习题3.3：一圆形截面扭转杆，直径d=50mm，长度l=1m，材料的剪切弹性模量G=80GPa，扭矩T=200N·m。

第3章 扭转1、扭转的概念：杆件的两端个作用一个力偶，其力偶矩大小相等、转向相反且作用平面垂直于杆件轴线，致使杆件的任意两个横截面都发生绕轴线的相对转动，即为扭转变形。

2、外力偶矩的计算{}{}{}min /95491000602r KW m N e e n P M P M n=⇒⨯=⨯⨯⋅π 式中，e M 为外力偶矩。

又由截面法：e e M T M T =⇒=-0 T 称为n n -截面上的扭矩。

规定：若按右手螺旋法则把T 表示为矢量，当矢量方向与研究部分中截面的外法线的方向一致时，T 为正；反之为负。

3、纯剪切（1）薄壁圆筒扭转时的切应力 δπττδπ222r M r r M ee =⇒••=（2）切应力互等定理：在单元体相互垂直的两个平面上，切应力必然成对存在，且数值相等；两者都垂直于平面的交线，方向则共同指向或背离这一交线。

（3）切应变 剪切胡克定律：当切应力不超过材料的剪切比例极限时，切应变γ与切应力τ成正比。

γτG = G 为比例常数，称为材料的切变模量。

弹性模量E 、泊松比μ和切变模量G 存在关系：)1(2μ+=EG 4、圆轴扭转时的应力（1）变形几何关系：距圆心为ρ处的切应变为dxd ϕργρ=（2）物理关系：ρτ为横截面上距圆心为ρ处的切应力。

dxd G G ϕρτγτρρρ=⇒= （3）静力关系：内力系对圆心的力矩就是横截面的扭矩：dA d d GdA T AxA⎰⎰==2ρρτϕρ 以p I 表示上式右端的积分式：dA I Ap ⎰=2ρ p I 称为横截面对圆心O 点的极惯性矩（截面二次极矩）横截面上距圆心为ρ的任意点的切应力：pI T ρτρ=ρ最大时为R ，得最大切应力：pI TR =max τ引用记号RI W p t =t W 称为抗扭截面系数。

则tW T =max τp I 和t W 的计算（1）实心轴：3224420032D R d d dA I RAp ππθρρρπ====⎰⎰⎰16233D R RI W p t ππ===（2）空心轴：)1(32)(324444202/2/32αππθρρρπ-=-===⎰⎰⎰D d D d d dA I D d Ap)1(16)(164344αππ-=-==D d D DRI W p t5、圆轴扭转时的变形pGI Tl =ϕ ϕ为扭转角，l 为两横截面间的距离。

材料力学第五版课后习题答案Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】二、轴向拉伸和压缩2-1试求图示各杆1-1和2-2横截面上的轴力，并作轴力图。

（a）解：；；（b）解：；；（c）解：；。

(d)解：。

2-2 试求图示等直杆横截面1-1，2-2和3-3上的轴力，并作轴力图。

若横截面面积，试求各横截面上的应力。

解：2-3试求图示阶梯状直杆横截面1-1，2-2和3-3上的轴力，并作轴力图。

若横截面面积，，，并求各横截面上的应力。

解：2-4 图示一混合屋架结构的计算简图。

屋架的上弦用钢筋混凝土制成。

下面的拉杆和中间竖向撑杆用角钢构成，其截面均为两个75mm×8mm的等边角钢。

已知屋面承受集度为的竖直均布荷载。

试求拉杆AE和EG横截面上的应力。

解：=1）求内力取I-I分离体得（拉）取节点E为分离体，故（拉）2）求应力75×8等边角钢的面积A=11.5 cm2(拉)（拉）2-5(2-6)图示拉杆承受轴向拉力，杆的横截面面积。

如以表示斜截面与横截面的夹角，试求当，30，45，60，90时各斜截面上的正应力和切应力，并用图表示其方向。

解：2-6(2-8) 一木桩柱受力如图所示。

柱的横截面为边长200mm的正方形，材料可认为符合胡克定律，其弹性模量E=10 GPa。

如不计柱的自重，试求：（1）作轴力图；（2）各段柱横截面上的应力；（3）各段柱的纵向线应变；（4）柱的总变形。

解：（压）（压）2-7(2-9)一根直径、长的圆截面杆，承受轴向拉力，其伸长为。

试求杆横截面上的应力与材料的弹性模量E。

解：2-8(2-11)受轴向拉力F作用的箱形薄壁杆如图所示。

已知该杆材料的弹性常数为E，，试求C与D两点间的距离改变量。

解：横截面上的线应变相同因此2-9(2-12) 图示结构中，AB为水平放置的刚性杆，杆1，2，3材料相同，其弹性模量E=210GPa，已知，，，。