材料力学上课例题

材料力学（一）轴向拉伸与压缩【内容提要】材料力学主要研究构件在外力作用下的变形、受力与破坏、失效的规律。

为设计既安全可靠又经济合理的构件，提供有关强度、刚度与稳定性分析的基本理论与方法。

【重点、难点】重点考察基本概念，掌握截面法求轴力、作轴力图的方法，截面上应力的计算。

【内容讲解】一、基本概念强度——构件在外力作用下，抵抗破坏的能力，以保证在规定的使用条件下，不会发生意外的断裂或显著塑性变形。

刚度——构件在外力作用下，抵抗变形的能力，以保证在规定的使用条件下不会产生过分的变形。

稳定性——构件在外力作用下，保持原有平衡形式的能力，以保证在规定的使用条件下，不会产生失稳现象。

杆件——一个方向的尺寸远大于其它两个方向的尺寸的构件，称为杆件或简称杆。

根据轴线与横截面的特征，杆件可分为直杆与曲杆，等截面杆与变截面杆。

二、材料力学的基本假设工程实际中的构件所用的材料多种多样，为便于理论分析，根据它们的主要性质对其作如下假设。

(一)连续性假设——假设在构件所占有的空间内均毫无空隙地充满了物质，即认为是密实的。

这样，构件内的一些几何量，力学量(如应力、位移)均可用坐标的连续函数表示，并可采用无限小的数学分析方法。

(二)均匀性假设——很设材料的力学性能与其在构件中的位置无关。

按此假设通过试样所测得的材料性能，可用于构件内的任何部位(包括单元体)。

(三)各向同性假设——沿各个方向均具有相同力学性能。

具有该性质的材料，称为各向同性材料。

综上所述，在材料力学中，一般将实际材料构件，看作是连续、均匀和各向同性的可变形固体。

三、外力内力与截面法(一)外力对于所研究的对象来说，其它构件和物体作用于其上的力均为外力，例如载荷与约束力。

外力可分为：表面力与体积力；分布力与集中力；静载荷与动载荷等。

当构件(杆件)承受一般载荷作用时，可将载荷向三个坐标平面(三个平面均通过杆的轴线，其中两个平面为形心主惯性平面)内分解，使之变为两个平面载荷和一个扭转力偶作用情况。

材料力学例题及解题指导（第二章至第六章）第二章拉伸、压缩与剪切例2-1试画出图a直杆的轴力图解：此直杆在A、B、C、D点承受轴向外力。

先求AB段轴力。

在段内任一截面1-1处将杆件截开，考察左段（图2-5b）。

在截面上设出正轴力2。

由此段的平衡方程ZX = 0得N L 6= 0, N i =+ 6kN图2-5理得CD段内任一截面的轴力都是一4kN。

画内力图，以水平轴x表示杆的截面位置, 的比例尺画出轴力图，如图N i得正号说明原先假设拉力是正确的，同时也就表明轴力是正的。

AB段内任一截面的轴力都等于+6kN。

再求BC段轴力，在BC段任一截面2-2处将杆件截开，仍考察左段（图2-5C）,在截面上仍设正的轴力N 2,由ZX= 0得—6 + 18+ N2 = 0N2=- 12kNN2得负号说明原先假设拉力是不对的（应为压力），同时又表明轴力N2是负的。

2-5 （d）所示。

由此图可知数值最大的轴力发生在BC段内任一截面的轴力都等于—12kN。

同以垂直x的坐标轴表示截面的轴力，按选定BC段内。

解题指导：利用截面法求轴力时，在切开的截面上总是设出正轴力N，然后由3X= 0求出轴力N ,如N得正说明是正轴力（拉力），如得负则说明是负轴力（压力）。

例2-3图2-7所示两根圆截面杆材料相同，试计 算两杆的应变能，并比较其大小。

解：a 杆:U aP 2 丨=P 2 l _ 22EA 2E 「：d4二 2 P lE d例2-2试求自由悬挂的直杆（图2-6a ） 由纵向均匀分布荷载 q （力/长度）引起 的应力和纵向变形。

设杆长 I 、截面积A 及弹性模量E 均已知。

解：在杆上距下端为 x 处取一任意横 截面m-m ,则该截面轴力为 N （x ）= qx , 根据此式可作出轴力图如图 2-6b 所示。

m-m 截面的应力为 （x ） = N （x ）/A = qx/A 。

显然，悬挂端有最大轴力 N max = ql 及最 大正应力■- 'max =ql / A 。

作出图中AB杆的受力图。

A处固定铰支座B处可动铰支座作出图中AB、AC杆及整体的受力图。

B、C光滑面约束A处铰链约束DE柔性约束作图示物系中各物体及整体的受力图。

AB杆：二力杆E处固定端C处铰链约束（1）运动效应：力使物体的机械运动状态发生变化的效应。

（2）变形效应：力使物体的形状发生和尺寸改变的效应。

3、力的三要素：力的大小、方向、作用点。

4、力的表示方法：（1）力是矢量，在图示力时，常用一带箭头的线段来表示力；（注意表明力的方向和力的作用点！）（2）在书写力时，力矢量用加黑的字母或大写字母上打一横线表示，如F、G、F1等等。

5、约束的概念：对物体的运动起限制作用的装置。

6、约束力（约束反力）：约束作用于被约束物体上的力。

约束力的方向总是与约束所能限制的运动方向相反。

约束力的作用点，在约束与被约束物体的接处7、主动力：使物体产生运动或运动趋势的力。

作用于被约束物体上的除约束力以外的其它力。

8、柔性约束：如绳索、链条、胶带等。

(1)约束的特点：只能限制物体原柔索伸长方向的运动。

(2)约束反力的特点：约束反力沿柔索的中心线作用，离开被约束物体。

（）9、光滑接触面：物体放置在光滑的地面或搁置在光滑的槽体内。

（1）约束的特点：两物体的接触表面上的摩擦力忽略不计，视为光滑接触面约束。

被约束的物体可以沿接触面滑动，但不能沿接触面的公法线方向压入接触面。

（2）约束反力的特点：光滑接触面的约束反力沿接触面的公法线，通过接触点，指向被约束物体。

（）10、铰链约束：两个带有圆孔的物体，用光滑的圆柱型销钉相连接。

约束反力的特点:是方向未定的一个力；一般用一对正交的力来表示，指向假定。

（）11、固定铰支座（1）约束的构造特点：把中间铰约束中的某一个构件换成支座，并与基础固定在一起，则构成了固定铰支座约束。

（2）约束反力的特点：固定铰支座的约束反力同中间铰的一样，也是方向未定的一个力；用一对正交的力来表示，指向假定。

()12、可动铰支座（1）约束的构造特点把固定铰支座的底部安放若干滚子，并与支撑连接则构成活动铰链支座约束，又称锟轴支座。

一、空心钢轴的外径D =100mm ，内径d =50mm ，若要求轴在单位长度内的最大转角不超过0.75°，试求它所承受的最大扭矩，并求此时轴内的最大切应力。

已知G =80GPa 。

二、两杆AC 和BC 两端均为铰支，且在C 处承受F =200kN 力的作用。

两杆的材料均为钢，直径均为mm 50=d ，许用应力MPa 100][=σ，弹性模量E =200GPa ，试校核两杆的强度；并求C 点的垂直位移。

F
C 30°
F F C
C'4
1
2
3
AC ∆l BC
∆l N,AC
N,BC
三、作梁和刚架的内力图。

16 kN
a 2a
q = 2 kN/m
(d)F
a 2a
a
q (e)
q
(a)
q
a
a
F
(b)
MPa ，截面对形心轴c z 的惯性矩F 。

0.8F (+)
0.6F (-)
(a)
五、求图示刚架自由端C 点的垂直位移和水平位移。

EI 为常数，拉压和剪切变
形不计。

（提示：跨度为l 的悬臂梁自由端受集中力偶e M 作用，该处转角为EI l
M e ，
挠度为EI l M e 22
；跨度为l 的悬臂梁自由端受集中载荷F 作用，该处转角为EI
Fl 22
，
挠度为EI
Fl 33
）
六、图示铝柱用青铜芯加强，置于刚性支承上，加在刚性盖板上的轴向压力F =40kN ，已知两种材料的弹性模量分别为E al =70GPa ，E br =100GPa ，求横截面上两种材料的正应力。

材料力学8-3. 图示起重架的最大起吊重量（包括行走小车等）为P=40kN，横梁AC由两根No18槽钢组成，材料为Q235钢，许用应力[ ]=120MPa。

试校核梁的强度。

P30o 3.5m ABCz解：（1）受力分析当小车行走至横梁中间时最危险，此时梁AC 的受力为由平衡方程求得kN Y kN X kN S 20 64.34 40===（2）作梁的弯矩图和轴力图此时横梁发生压弯变形，D 截面为危险截面，kNm M kN N 35 64.34max ==（3）由型钢表查得 No.18工字钢23299.29 152cm A cm W y ==（4）强度校核][05.112122max maxmax σσσ MPa W M A N y c =+==故梁AC 满足强度要求。

8-5. 单臂液压机架及其立柱的横截面尺寸如图所示。

P=1600kN ，材料的许用应力[σ]=160MPa 。

试校核立柱的强度（关于立柱横截面几何性质的计算可参看附录A 例A-8）。

P P900140027603800I1400 890y c 5016 1616截面I-IABCD A C PXY SD —— 35KNm+ 34．64KN解：（1）内力分析截开立柱横截面Ⅰ-由静力平衡方程可得kNm y P M kN P N c 2256 1600=⨯===所以立柱发生压弯变形。

（2）计算截面几何性质4102109.2 99448mm I mm A z ⨯==（3）计算最大正应力立柱左侧MPa ANI My Z C t 7.55max =+=σ 立柱右侧[]MPaMPa MPaANI M Z c 1607.552.53890max max ==∴=+⨯-=σσσ （4）结论：力柱满足强度要求。

8-6. 材料为灰铸铁的压力机架如图所示，铸铁许用拉应力为[σt]=30MPa ，许用压应力为[σc]=80MPa 。

试校核框架立柱的强度。

50100202020z 1 z 2y 截面I-I60IP=12kNP2002760II NP900My c解:（1）计算截面几何性质4124879050 5.59 4200mm I mm z mm A y ===（2）内力分析作截面Ⅰ-Ⅰ，取上半部分由静力平衡方程可得Nm z P M kN P N 2886)200( 122=+===所以立柱发生拉弯变形。

习题2-1图 习题2-2图习题2-3图 习题2-4图习题2-5图 习题2-6图材料力学习题大全及答案第1章 引 论1－1 图示矩形截面直杆，右端固定，左端在杆的对称平面内作用有集中力偶，数值为M 。

关于固定端处横截面A －A 上的内力分布，有四种答案，根据弹性体的特点，试分析哪一种答案比较合理。

正确答案是 C 。

1－2 图示带缺口的直杆在两端承受拉力F P 作用。

关于A －A 截面上的内力分布，有四种答案，根据弹性体的特点，试判断哪一种答案是合理的。

正确答案是 D 。

1－3 图示直杆ACB 在两端A 、B 处固定。

关于其两端的约束力有四种答案。

试分析哪一种答案最合理。

正确答案是 D 。

1－4 等截面直杆在两端承受沿杆轴线的拉力F P 。

关于杆中点处截面A －A 在杆变形后的位置（图中虚线所示），有四种答案，根据弹性体的特点，试判断哪一种答案是正确的。

正确答案是 D 。

1－5 图示等截面直杆在两端作用有力偶，数值为M ，力偶作用面与杆的对称面一致。

关于杆中点处截面A －A 在杆变形后的位置（对于左端，由A A '→；对于右端，由A A ''→），有四种答案，试判断哪一种答案是正确的。

正确答案是 C 。

习题2-1图习题2-2图习题2-3图习题2-4图1－6 等截面直杆，其支承和受力如图所示。

关于其轴线在变形后的位置（图中虚线所示），有四种答案，根据弹性体的特点，试分析哪一种是合理的。

正确答案是 C 。

第2章 杆件的内力分析2－1 平衡微分方程中的正负号由哪些因素所确定？简支梁受力及Ox 坐标取向如图所示。

试分析下列平衡微分方程中哪一个是正确的。

（A ）d d Q x F d M（B ）d d Q x F （C ）d d Q x F （D ）d d Q xF 2－2 对于图示承受均布载荷q 的简支梁，其弯矩图凸凹性与哪些因素相关？试判断下列四种答案中哪几种是正确的。

材料力学例题及解题指导（第二章至第六章）第二章 拉伸、压缩与剪切 例2-1 试画出图a 直杆的轴力图解：此直杆在A 、B 、C 、D 点承受轴向外力。

先求AB 段轴力。

在段内任一截面1-1处将杆件截开，考察左段（图2-5b ）。

在截面上设出正轴力N 1。

由此段的平衡方程∑X ＝0得 N 1－6＝0， N 1＝＋6kNN 1得正号说明原先假设拉力是正确的，同时也就表明轴力是正的。

AB 段内任一截面的轴力都等于+6kN 。

再求BC 段轴力，在BC 段任一截面2-2处将杆件截开，仍考察左段（图2-5c ），在截面上仍设正的轴力N 2，由∑X ＝0得－6＋18＋N 2＝0 N 2＝－12kNN 2得负号说明原先假设拉力是不对的（应为压力），同时又表明轴力N 2是负的。

BC 段内任一截面的轴力都等于－12kN 。

同理得CD段内任一截面的轴力都是－4kN 。

画内力图，以水平轴x 表示杆的截面位置，以垂直x 的坐标轴表示截面的轴力，按选定的比例尺画出轴力图，如图2-5（d ）所示。

由此图可知数值最大的轴力发生在BC 段内。

解题指导：利用截面法求轴力时,在切开的截面上总是设出正轴力N ，然后由∑X ＝0求出轴力N ，如N 得正说明是正轴力（拉力），如得负则说明是负轴力（压力）。

图2-5例2-2试求自由悬挂的直杆（图2-6a）由纵向均匀分布荷载q（力／长度）引起的应力和纵向变形。

设杆长l、截面积A及弹性模量E均已知。

解：在杆上距下端为x处取一任意横截面m-m，则该截面轴力为N(x)＝qx，根据此式可作出轴力图如图2-6b所示。

m-m截面的应力为σ（x）＝N(x)/A＝qx/A。

显然，悬挂端有最大轴力N max＝ql及最大正应力Aql/max=σ。

求杆纵向变形，由于各横截面上轴力不等，不能直接应用公式(2-4)，而应从长为d x的微段出发。

在x处取微段d x，其纵向伸长可写为()()EAxxNxdd=∆杆件的总伸长()EAqlxxEAqxEAqxEAxxNllll2ddd2====∆⎰⎰⎰研究上端固定杆件由于自重引起的伸长时，杆件自身重量就是一种均匀纵向分布力，此时单位杆长的分布力q＝A⋅1⋅γ，此处γ是材料单位体积的重量即容重。

例：重力坝受水的压力如图。

设水深为h ，水的密度为ρ ，试求水压力简化的结果。

解: 坐标系如图所示，以O 点为简化中心将平面平行力系向点简化 力系的主矢力系对O 点的主矩 力系进一步简化为一合力 合力作用线距点的距离为 例：悬臂式简易起重机简化为图示结构。

AB 是吊车梁，BC 是钢索，A 端支承可简化为铰链支座。

设已知电动葫芦和重物其重P = 10 kN ，梁自重W = 5 kN ，θ= 30o 。

试求钢索BC 和铰链A 的约束力，及钢索受力的最大值。

解：以吊车梁AB 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。

电动葫芦距A 处距离为x ，建立平衡方程d d F gy y=ρ2R1d 2hx F gy y gh '∴=-=-⎰ρρR0y F '=2R R R 12x F F F gh ''===-ρO R 23M OO h F '=='3O 01d 3h M y gy y gh =-⋅=-⎰ρρA ()0:M F =∑B sin 02lW P x F l -⋅-⋅+⋅=θB ()0:M F =∑A ()02y lP l x W F l ⋅-+⋅+⋅=0:xF=∑A B cos 0x F F -=θ解得：例：试求图示悬臂固定端 A 处的约束力。

其中q 为均布载荷集度，单位为kN/m ，设集中力F = ql ，集中力偶矩M = ql 2。

解：以梁AB 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。

建立平衡方程解得：例：边长为a 的等边三角形平板 ABC 在铅垂平面内，用三根沿边长方向的直杆铰接如图所示。

BC 边水平，三角形平板上作用一已知力偶，其力偶矩为M 。

三角形平板重为P ， 杆不计自重。

试求三杆多三角形平板的约束力。

解：以三角形平板ABC 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。

建立平衡方程A 3()2xP W F x l =+A ()2y l x WF P l -=-+B 2P F x Wl =+Bmax 225kNF P W ∴=+=0:x F =∑0Ax F =0:y F =∑20Ay F q l F -⋅+=A()0:M F =∑A 220M q l l M F l -⋅⋅++⋅=A 0x F =A y F ql=2A M ql =A ()0:M F =∑C 0F M -=B ()0:M F =∑A 022aF P M ⋅-⋅-=C ()0:M F =∑B 022a F a P M ⋅+⋅-=解得： 例：塔式起重机简图如图所示。

材料⼒学习题及答案材料⼒学习题⼀⼀、计算题1．（12分）图⽰⽔平放置圆截⾯直⾓钢杆（2ABC π=∠），直径mm 100d =，m l 2=，m N k 1q =，[]MPa 160=σ，试校核该杆的强度。

2．（12分）悬臂梁受⼒如图，试作出其剪⼒图与弯矩图。

3．（10分）图⽰三⾓架受⼒P 作⽤，杆的截⾯积为A ，弹性模量为E ，试求杆的内⼒和A 点的铅垂位移Ay δ。

4．（15分）图⽰结构中CD 为刚性杆，C ，D 处为铰接，AB 与DE 梁的EI 相同，试求E 端约束反⼒。

5. (15分) 作⽤于图⽰矩形截⾯悬臂⽊梁上的载荷为：在⽔平平⾯内P 1=800N ，在垂直平⾯内P 2=1650N 。

⽊材的许⽤应⼒[σ]=10MPa 。

若矩形截⾯h/b=2，试确定其尺⼨。

三．填空题（23分）1．（4分）设单元体的主应⼒为321σσσ、、，则单元体只有体积改变⽽⽆形状改变的条件是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；单元体只有形状改变⽽⽆体积改变的条件是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

2．（6分）杆件的基本变形⼀般有＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿四种；⽽应变只有＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿两种。

3．（6分）影响实际构件持久极限的因素通常有＿＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿，它们分别⽤＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿来加以修正。

4.（5分）平⾯弯曲的定义为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿_＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿_。

5.（2分）低碳钢圆截⾯试件受扭时，沿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿截⾯破坏；铸铁圆截⾯试件受扭时，沿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿⾯破坏。

四、选择题（共2题，9分）2．（5分）图⽰四根压杆的材料与横截⾯均相同，试判断哪⼀根最容易失稳。

答案：（）材料⼒学习题⼆⼆、选择题：（每⼩题3分，共24分）1、危险截⾯是______所在的截⾯。