材料力学1、2第五版(刘鸿文_主编)课后习题答案

材料力学(刘鸿文_第5版)

第十四章习题
2012年11月5日星期一
常州大学机械学院力学教研室
第五章习题
第六章弯曲变形
§6-1、工程中的弯曲变形问题 §6-2、挠曲线的微分方程 §6-3、用积分法求弯曲变形 6.1和连续性条件 6.3(a) Page 196 §6-4、用叠加法求弯曲变形 6.9(a) 6.10(b) Page 200 §6-5、简单超静定梁 Page 208 6.36 §6-6、提高弯曲刚度的一些措施
第十三章习题
§13-1、概述 §13-2、杆件应变能的计算104 Page §13-3、应变能的普遍表达式 §13-4、互等定理 Page 106 §13-5、卡氏定理 Page 107 §13-6、虚功原理 §13-7、单位载荷法 Page 109 莫尔积分 §13-8、计算莫尔积分的图乘法 Page 109
第一章绪论
§1-1、材料力学的任务 §1-2、变形固体的基本假设 §1-3、外力及其分类 §1-4、内力、截面法和应力的概念 §1-5、变形与应变 §1-6、杆件变形的基本形式
第一章绪论习题
Page 11 1.2 Page 11 1.4 1.6
第二章拉伸、压缩与剪切第二章习题
§2-1、轴向拉伸与压缩的概念和实例 §2-2、轴向拉伸与压缩时横截面上的内力和应力 2.2 Page 53 2.1(a)(c) §2-3、直杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力 Page 54 2.6 §2-4、材料拉伸时的力学性能 §2-5、材料压缩时的力学性能 §2-7、失效、安全因数与强度计算54 2.7 Page 54 2.12 Page §2-8、轴向拉伸或压缩时的变形 58 2.19 Page 61 2.30 Page
附录 I 平面图形的几何性质

刘鸿文《材料力学》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-扭转(圣才出品)

2．矩形截面的扭转计算
（1）一般矩形截面( h 10) b
分布特点：周边各点切应力与周边相切，没有垂直于周边的切应力分量，顶点处切应力等于零，切应力变化情况如图 3-3（a）所示。
横截面上的最大切应力 max 发生在长边中点处
短边上切应力最大值发生在中点处
矩形截面扭转时，相对扭转角
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；R 为弹簧圈平均半径，。
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五、非圆截面杆扭转的概念 1．基本概念（1）翘曲：扭转变形后杆的横截面不再保持为平面的现象。（2）自由扭转：等直杆两端受扭转力偶作用，且翘曲不受任何限制的扭转。变形和受力特点：各横截面的翘曲程度相同，纵向纤维的长度无变化；横截面上只有切应力。（3）约束扭转：等直杆两端受扭转力偶作用，且翘曲受到限制的扭转。变形和受力特点：各横截面的翘曲程度不同，相邻两截面间纵向纤维的长度改变；横截面上有切应力和正应力。
WP
=
D3 16
式中， = d 。 D
上述公式只适用于等直杆和线弹性范围。（2）强度条件对于等直杆
对于变截面杆件需综合考虑 T 和 Wt，以求得切应力的最大值。
强度条件的应用：
①强度校核
Tmax [ ] Wt
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②截面选择
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G
=
E
2(1+
)
4．剪切应变能
在应力小于剪切比例极限的情况下，单位体积内的剪切应变能密度为
=
1 2
=
2 2G ， v
= 1 2
上述公式主要用于线弹性范围内纯剪切应力状态下剪切应变能密度的计算。

刘鸿文第五版材料力学思考题答案

刘鸿文第五版材料力学思考题答案材料力学复习思考题1. 材料力学中涉及到的内力有哪些,通常用什么方法求解内力, 轴力，剪力，弯矩，扭矩。

用截面法求解内力2. 什么叫构件的强度、刚度与稳定性,保证构件正常或安全工作的基本要求是什么,杆件的基本变形形式有哪些,构件抵抗破坏的能力称为强度。

构件抵抗变形的能力称为刚度。

构件保持原有平衡状态的能力称为稳定性。

基本要求是:强度要求，刚度要求，稳定性要求。

基本变形形式有:拉伸或压缩，剪切，扭转，弯曲。

3. 试说出材料力学的基本假设。

连续性假设:物质密实地充满物体所在空间，毫无空隙。

均匀性假设:物体内，各处的力学性质完全相同。

各向同性假设:组成物体的材料沿各方向的力学性质完全相同。

小变形假设:材料力学所研究的构件在载荷作用下的变形或位移,其大小远小于其原始尺寸。

4. 什么叫原始尺寸原理,什么叫小变形,在什么情况下可以使用原始尺寸原理,可按结构的变形前的几何形状与尺寸计算支反力与内力叫原始尺寸原理。

可以认为是小到不至于影响内力分布的变形叫小变形。

绝大多数工程构件的变形都极其微小，比构件本身尺寸要小得多，以至在分析构件所受外力(写出静力平衡方程)时可以使用原始尺寸原理。

5. 轴向拉伸或压缩有什么受力特点和变形特点。

受力特点:外力的合力作用线与杆的轴线重合。

变形特点:沿轴向伸长或缩短6. 低碳钢在拉伸过程中表现为几个阶段,各有什么特点,画出低碳钢拉伸时的应力,应变曲线图,各对应什么应力极限。

,,E,弹性阶段:试样的变形完全弹性的，此阶段内的直线段材料满足胡克定律。

,p --比例极限。

,e—弹性极限。

屈服阶段:当应力超过点后，试样的荷载基本不b,s变而变形却急剧增加，这种现象称为屈服。

--屈服极限。

强化阶段:过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增加拉力.这种,b现象称为材料的强化。

——强度极限局部变形阶段:过点后，试样在某一段内的横截e面面积显箸地收缩，出现颈缩 (necking)现象，一直到试样被拉断。

刘鸿文《材料力学》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-弯曲内力(圣才出品)

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图 4-3
2．载荷的简化（1）集中载荷：载荷的作用范围远小于杆件轴向尺寸。（2）分布载荷：沿轴向连续分布在杆件上的载荷，常用 q 表示单位长度上的载荷，称为载荷集度，如风力、水力、重力。常用的有均布载荷，线性分布载荷。（3）集中力偶
3．静定梁的基本形式为方便梁的求解，通常将梁简化，以便得到计算简图。当梁上支反力数目与静力平衡方程式的数目相同时，即支反力通过静力平衡方程即可完全确定时，称之为静定梁，以下三种形式的梁均为静定梁。（1）简支梁：一端为固定铰支座，一端为可动铰支座，如图 4-4 所示。
图 4-4 （2）外伸梁：一端或两端向外伸出的简支梁，如图 4-5 所示。
4.2 课后习题详解
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4.1 试求图 4-8 所示各梁中截面 1-1，2-2，3-3 上的剪力和弯矩，这些截面无限接近于截面 C 或截面 D。设 F，q，a 均为已知。
图 4-8 解：（a）①1-1 截面：沿该截面断开，对右部分进行受力分析，根据平衡条件：
④若
FS
(x)
=
0 ，则
dM (x) dx
=
FS
(x)
=
0
。此时该截面上弯矩有极值（极大值或极小
值）。此外，弯矩的极值还可能出现在集中力和集中力偶作用处截面。
3．外力与内力图的内在联系
（1）斜率规律
剪力图在任一截面处的斜率值等于该截面外力分布载荷的集度值，同理弯矩图图在任一
截面处的斜率值等于该截面剪力值：
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刘鸿文《材料力学》(第5版)(上册)-课后习题-第1~3章【圣才出品】

第1章绪论1.1 对图1-1所示钻床，试求n-n 截面上的内力。

图1-1解：应用截面法，沿n-n 截面将钻床分成两部分，取n-n 截面右半部分进行受力分析，如图1-2所示。

由平衡条件可得：0,0y S F F F =-=∑；0,0C M Fb M =-=∑则n-n 截面内力为：S F F =，M Fb =。

图1-21.2 试求图1-3所示结构m-m 和n-n 两截面上的内力，并指出AB 和BC 两杆的变形属于何类基本变形。

图1-3解：（1）应用截面法，取n-n 截面以下部分进行受力分析，如图1-4（a ）所示。

由平衡条件可得：0,3320A N M F =⨯-⨯=∑则截面内为：2N F kN =BC 杆属于拉伸变形。

（2）应用截面法，取m-m 截面右侧部分及n-n 截面以下部分进行受力分析，如图1-4（b ）所示。

由平衡条件可得：0,3310O N M F M =⨯-⨯-=∑；0,30y S N F F F =+-=∑则截面内为：1S F kN =，1M kN m =⋅AB 杆属于弯曲变形。

图1-41.3 在图1-5所示简易吊车的横梁上，F 力可以左右移动。

试求截面1-1和2-2上的内力及其最大值。

图1-5解：（1）应用截面法，取1-1截面以下部分进行受力分析，如图1-6（a ）所示。

由平衡条件可得：10,sin 0A N M F l Fx α=-=∑解得：1sin N Fx F l α= 故当x l =时，1-1截面内力有最大值：1max sin N F F α=。

（2）应用截面法，取1-1截面以下，2-2截面右侧部分进行受力分析，如图1-6（b ）所示。

由平衡条件可得：210,cos 0x N N F F F α=-=∑210,sin 0y S N F F F F α=--=∑()120,sin 0O N M F l x M α=--=∑解得2-2截面内力：2cot N Fx F l α=，21S x F F l ⎛⎫=- ⎪⎝⎭，()2x l x M F l -= 综上可知，当x l =时，2N F 有最大值，且2max cot N F F α=；当0x =时，2S F 有最大值，且2max S F F =；当2l x =时，弯矩2M 有最大值，且2max 4Fl M =。

刘鸿文《材料力学》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-平面曲杆(圣才出品)

在 y 轴两侧对称位置，各取一微面积 dA ，两部分 y 坐标相同，z 坐标数值相等但符号
相反，因而两个微面积与 y、z 和 1 的乘积数值相等但符号相反，积分为 0。故微面积与坐
标 y、z 以及 1
的乘积都两两抵消，则有 A
yzdA
=
0 ，命题得证。
图 15-3
15.5 横截面为梯形的吊钩，起重量为 F＝100 kN。吊钩的尺寸是：R1 ＝20 cm，R 2 ＝8 cm， b1 ＝3 cm， b2 ＝8 cm。试计算危险截面 mm 上的最大拉应力。
15.3 作用于开口圆环外周上的均布压力 p＝4 MPa，圆环的尺寸为 R1 ＝4 cm，R 2 ＝1 cm，b＝0.5 cm。试求最大正应力。
解：根据题意，矩形截面的
轴线曲率半径：
则
，
中性层曲率半径：
故截面对中性轴的静矩：
图 15-2 ，为大曲率杆。
在均布压力作用下的合力：
作用在横截面上的弯矩：最大拉应力发生在离曲率中心最近的内侧边缘上，因此：

15.7 T 形截面的曲杆如图 15-6 所示。设 F＝450 N，l＝70 cm，R＝20 cm。试绘出截面 m-m 上的应力分布图。
图 15-6 解：截面形心到截面内侧边缘的距离：
则 T 截面可看作是两个矩形组成的截面，其上纤维的曲率半径分别为：
轴线曲率半径：
则
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图 15-4
解：根据题意，梯形截面的
轴
线
曲
率
半
径
：
则
，
中性层曲率半径：
，为大曲率杆。
故截面对中性轴的静矩为： m-m 截面离曲率中心最近的内侧边缘拉应力最大，值为：

刘鸿文《材料力学》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-应力和应变分析强度理论(圣才出品)

OA1
= OC + CA1
= x
+ y 2
+
(
x
− y )2 2
+
2 xy
= max = 1
OB1
= OC − CB1
=
x
+ 2
y
−
(
x
− 2
y
)2
+
2 xy
= min
=2
b．确定主平面方位的方法
如图 7-3（b）（c）所示，将半径 CD 旋转 20 到 CA1 处，单元体 x 轴沿 20 旋转方向
图 7-2 应力圆（2）应力圆的应用 ①应力圆与单元体应力间的关系点面之间的对应关系：单元体某一面上的应力，必对应于应力圆上某一点的坐标；夹角关系：圆周上任意两点所引半径的夹角等于单元体上对应两截面夹角的两倍，且两者的转向一致。 ②求单元体上任一截面上的应力从应力圆的半径 CD 按方位角 α 的转向转动 2α 得到半径 CE，圆周上 E 点的坐标就是
任意两个互相垂直的截面上的正应力之和为常数，即 + +90 = x + y 。
③最大切应力和最小切应力切应力的大小
max min
=
x
− y 2
2
+ 2xy
=
1 2
(max
− min )
切应力极值所在截面方位角
tan
21
=
x − y 2 xy
最大和最小切应力所在平面与主平面的夹角为 45°，即1 = 0 + 45。
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第 7 章应力和应变分析强度理论

刘鸿文《材料力学》(第5版)课后习题(压杆稳定)【圣才出品】

解：根据公式计算得：挺杆横截面面积：截面的惯性半径：
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则挺杆柔度：
因此，使用欧拉公式计算挺杆的临界压力
压杆的工作安全因数：
规定的稳定安全因数为 nst 3 ~ 5 ，所以挺杆满足稳定要求。
9.3 图 9-1 所示蒸汽机的活塞杆 AB，所受的压力 F＝120 kN，l＝180 cm，横截面为圆形，直径 d＝7.5 cm。材料为 Q255 钢，E＝210 GPa，σP＝240 MPa。规定 nst＝8，试校核活塞杆的稳定性。
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第 9 章压杆稳定
9.1 某型柴油机的挺杆长度 l＝25.7 cm，圆形横截面的直径 d＝8 mm，钢材的 E＝210 GPa，σP＝240 MPa。挺杆所受最大压力 F＝1.76 kN。规定的稳定安全因数 nst＝2～5。试校核挺杆的稳定性。
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nst＝3，试求许可载荷 F。
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图 9-6 解：由于支架的对称性，三根杆所承受的压力相等，即当三根杆同时达到临界值时，
支架开始失稳。任取一根杆进行研究，设其受力为 F ' 。
又该杆的惯性半径：
则其柔度：由此可知其为大柔度杆，故由欧拉公式计算其临界压力：
其稳定性。
图 9-3
解：对于 Q235 钢， E 200GPa, s 240MPa， p 200MPa ，则有：
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。
又查表得 a 304MPa,b 1.12MPa ，则

材料力学第五版(刘鸿文主编)课后答案解析

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刘鸿文《材料力学》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-压杆稳定(圣才出品)

（1）各种支承情况下等截面细长压杆临界压力的欧拉公式，如表 9-2 所示。
支承
两端铰接情况失稳时挠曲线的形状欧拉公式
表 9-2
一端固定一段铰接
两端固定
一端固定一端两端固定但可沿
自由
横截面相对移动
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（2）柔度或长细比临界应力可表示为
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式中，λ 为柔度或长细比，
，集中反应了压杆的长度、约束条件、截面尺寸
和形状等因素对临界应力 σcr 的影响。λ 越大，相应的 σcr 越小，压杆越容易失稳。注意：若压杆在不同平面内失稳时的支承约束条件不同，应分别计算在各平面内失稳时
杆端在各个方向的约束情况相同（如球形铰等），则 I 应取最小的形心主惯性矩；杆端
在各个方向的约束情况不同（如柱形铰），应分别计算杆在不同方向失稳时的临界压力，I 为
其相应中性轴的惯性矩。
三、欧拉公式的适用范围及临界应力总图 1．相关概念（1）临界应力：与临界压力 Fcr 对应的应力，用 σcr 表示，即
2．提高压杆稳定性的措施
影响压杆稳定的因素包括压杆的截面形状、长度和约束条件、材料的性质等。因而，提
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高压杆稳定性的措施主要包括以下三个方面：（1）选择合理的截面形状截面的惯性矩 I 越大，或惯性半径 i 越大，稳定性越好。 ①在截面积相等的情况下，尽可能将材料放在离截面形心较远处，使 I 或 i 较大，如图
应力
达到限值
小于限值

刘鸿文《材料力学》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-动载荷(圣才出品)

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图 10-6
解：物体突然停止时，产生的向心加速度为：
由此产生的与加速度方向相反的惯性力为：
吊索内最大应力增量为：
1
=
Fa A
=
1275.5 5104
= 2.55MPa
梁内最大弯矩的增加量为：
查型钢表得 14 号工字钢W = 102cm3 ，则梁内最大应力增加量为：
Kd =1+
1+ 2h Δst
其中，对于突然加载的情况，相当于物体自由下落高度 h＝0 的情况，此时动荷因数
Kd = 2 ，即杆件的应力和变形均为静载时的 2 倍。（2）水平冲击
图 10-2 如图 10-2 所示，设冲击物与杆件接触时的速度为 v，此时求解动载荷问题时的动荷因
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σ （2）按静载荷求解应力 st 、变形 Δst 等；
（3）将所得结果乘以动荷系数 Kd 可得动载荷作用下的动应力和变形分别为：
σd = Kdσst ， Δd = KdΔst 。
二、杆件受冲击时的应力和变形
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故由圆孔引起的最大正应力：
。
10.6 在直径为 100 mm 的轴上装有转动惯量 I＝0.5 kN•m•s2 的飞轮，轴的转速为 300 r/min。制动器开始作用后，在 20 转内将飞轮刹停。试求轴内最大切应力。设在制动器作用前，轴已与驱动装置脱开，且轴承内的摩擦力可以不计。
图 10-9
解：刹车前，飞轮的角速度为： 0
。

刘鸿文《材料力学》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-第1~3章【圣才出品】

4．弯曲叐力特征：叐垂直于杆件轴线的横向力，或由作用于包含杆轴的纵向平面内的一对大小相等、方向相反的力偶；发形特征：杆件轴线由直线发为曲线。
1.2 课后习题详解
1.1 对图 1-1 所示钻床，试求 n-n 截面上的内力。
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1.3 在图 1-5 所示简易吊车的横梁上，F 力可以左右秱劢。试求截面 1-1 和 2-2 上的内力及其最大值。
图 1-5
解：（1）应用截面法，叏 1-1 截面以下部分迚行叐力分枂，如图 1-6（a）所示。
由平衡条件可得： M A 0, FN1l sin Fx 0
解得：
FN1
l
Fx sin
图 1-1
解：应用截面法，沿 n-n 截面将钻床分成两部分，叏 n-n 截面右半部分迚行叐力分枂，
如图 1-2 所示。
由平衡条件可得： Fy 0, F FS 0 ； MC 0, Fb M 0
则 n-n 截面内力为： FS F ， M Fb 。
图 1-2
1.2 试求图 1-3 所示结极 m-m 和 n-n 两截面上的内力，并挃出 AB 和 BC 两杆的发形属于何类基本发形。
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（b）所示。
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由平衡条件可得：
MO 0, FN 3 31 M 0 ； Fy 0, FS FN 3 0
则截面内为： FS 1kN ， M 1kN m AB 杆属于弯曲发形。
图 1-4
= lim s x0 x
微体相邻棱边所夹直角改发量，称为切应发，用表示，单位为 rad，若用表示发形