弹性力学柱体的扭转
第八章 柱形体的扭转
（8-2）
x y z xy 0
zx yz
G ( y ) x G ( x) y
（8-3a）
（8-3b）
由上式可见，作用在横截面的应力分量只有两个不 等于零，并且与坐标z无关，即在所有横截面上的应 力分布规律都是相同的。
中的常数k是可以任取的。为了简便起见，对单
连通截面可取k = 0。
2G
2
（在内） （8-20） （在上） （8-21）
0
都能自动满足。
在单连通截面情况下，端部边界条件（8-6）的前二式
此结论证明如下：
zx dxdy
dxdy y
mds 0
现在来推导翘曲函数所满足的方程。将（8-1） 代入位移表示的平衡微分方程（6-2），显然该 方程组的前两式已得到满足，而最后一式要求
2 2 2 2 2 0 （在内） （8-4） x y
方程（8-4）就是扭转问题位移法求解的控制方程。
它表明，翘曲函数必须是调和函数。
曲线，而沿着轴向发生翘曲；且所有横截面的边界
线的翘曲程度都相同。
根据上述实验现象，我们可以认为，在扭转过程中， 截面上面内的转动是刚性的，而面外的翘曲与截面 位置(z)无关，从而可设：
v xz （8-1） w ( x, y ) 称为翘曲函数；为常数，表示相距单位长度
yz
w G ( x) G( x) y y
因此得到 w zx
w yz y, x x G y G
将上式代入（8-26）得
1 dw i G
1 G
(
弹塑性力学-第八章 柱体的自由扭转问题
dA2
A
CiAi（多连域）
i1
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§8-2 按应力函数求解
在柱体侧边
s = 0 si =Ci
（单连域） （多连域）
当 k 和 (x,y) 由上述方程确定后，可求 出zx、zy以及应变和位移。
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§8-3 薄膜比拟
对于截面形状比较复杂的柱体，不管采用位 移法还是应力法求解扭转问题解答（解析解）是
S1
上s为零，而其它边界s为非
y
零常数：
s0 = 0, si =Ci 0, i=1,2,3
再将(x,y)代入端面上的边界条件：
方向余弦 (l,m,n)=(0,0,-1)，
面力：Zz 0 满足。
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§8-2 按应力函数求解
在x,y方向面力应用圣维南原理
第一个方程
AXdA0 AYdA0
A (YxXy)dA M z
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§8-1 位移法求解
上式也可以表示为
AzydA0
AzxdA0
A(zxyzy x)d AM z
可以证明当扭曲函数(x,y)在主
要边界上力边界条件满足时，
则 AzxdA0和 AzydA0自然满足。见以下：
利用格 林公式
K Gsx( xy)l( yx)m ds 0
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§8-1 位移法求解
而第三个方程为：
KG A (x2y2x yy x)d A M z
——扭矩MT与K 和(x,y)的关系。
小结：
用位移法求解扭转问题归结为求解扭曲函数
弹塑性力学-第7章柱体的弹塑性扭转
第七章柱体的弹塑性扭转第七章等截面柱体的弹塑性扭转在船舶、航空、土建以及机械工程等的机械传动机构中，作为传递扭矩的柱体是个重要的部件。
所谓柱体的扭转，是指圆柱体和棱柱体只在端部受到扭矩的作用，且扭矩矢量与柱体的轴线 z 的方向相重合。
扭转问题属于仅在端面上受力柱体的平衡问题，若严格地满足其边界条件，按弹塑性力学求解是比较困难的。
因此，利用圣维南原理，将边界条件放松，即认为柱体中间截面上的应力仅与端面上外力的合力及合力矩有关，这种放松了边界条件的问题称为圣维南问题。
即使对于圣维南问题，仍需要求解一组偏微分方程，并使其满足一定的边界条件。
但在实用上很少由直接积分其基本方程而得到解答，大部分工程问题用间接的或近似的方法得到。
在间接方法中，圣维南的半逆解法是很重要的。
即先在应力或位移分量中假设一部分未知函数，然后将这部分函数代入基本方程，求得另外一部分的未知函数，并使全部未知函数满足所给定的边界条件，则所假设的和求得的函数即为问题的解。
由于用应力作为基本未知函数用半逆法求解时可以导致比较简单的边界条件，因此求解比较方便。
7.1弹性柱体自由扭转的基本关系式与应力函数解在材料力学中曾经过讨论圆轴的扭转，其特点是扭转变形前后的截面都是圆形，而且每一个截而只作刚体转动，在小变形条件下，没有铀向位移，取坐标系为 x, y, z ，且柱体的轴线为z方向，z方向的位移为w，即w(x, y, z) 0。
这样，变形后截面的半径及圆轴长度基本不变。
非圆形截面柱体的情况要复杂得多。
由于截面的非对称性，在扭转过程中，截面不再保持为平面，而发生了垂直于截面的翘曲变形，即w(x, y, z)0 。
函数w(x, y, z) 称为翘曲函数。
下面讨论任意截面形状的棱柱体扭转基本方程。
设有任意截面形状的等截面棱柱体，柱体两端受纠扭矩 M T作用，如图7.1所示。
1.边界条件对于扭转问题，柱体侧面为自由表面，因此柱体侧面的边界条件为第七章柱体的弹塑性扭转x lxymxy l y m0(7.1-1)zx l zy m0式中 l cos( n, x), m cos( y, n) 。
弹性力学柱体的扭转
第九章柱体的扭转9.1 扭转问题的位移解法学习思路:本节讨论自由扭转问题的位移解法。
首先建立自由扭转的位移假设：一是刚截面假设；二是扭转的翘曲位移与轴线方向坐标无关。
通过上述假设，将柱体的扭转位移用横截面的翘曲表示，因此使得问题的基本未知量简化成为翘曲函数Φ (x，y)。
基本未知量翘曲函数Φ (x，y)。
确定后，通过基本方程，将应力分量、应变分量用翘曲函数表示。
位移表示的平衡微分方程要求翘曲函数满足调和方程。
因此只要选取的翘曲函数是调和函数，自然满足自由扭转问题的基本方程。
自由扭转问题的边界条件，可以分为两个部分：侧面边界条件和端面边界条件。
对于自由扭转，侧面边界不受力。
根据这一条件，可以转化为翘曲函数与横截面边界的关系。
端面采用合力边界条件，就是端面应力的合力为扭矩T。
这一边界条件，采用翘曲函数表达相当复杂。
学习要点：1. 扭转位移假设；2. 扭转翘曲函数满足的基本方程；3. 扭转边界条件；4. 扭转端面边界条件；当柱体受外力矩作用发生扭转时，对于非圆截面杆件，其横截面将产生翘曲。
如果横截面翘曲变形不受限制，称为自由扭转；如果横截面翘曲变形受到限制，就是约束扭转。
本章讨论的柱体扭转问题为自由扭转。
对于柱体的自由扭转，假设柱体的位移约束为固定左端面任意一点和相应的两个微分线素，使得柱体不产生刚体位移。
柱体右端面作用一力偶T，侧面不受力。
设柱体左端面形心为坐标原点，柱体轴线为z轴建立坐标系。
柱体扭转时发生变形，设坐标为z 的横截面的扭转角为α，则柱体单位长的相对扭转角为。
而横截面的扭转角α = ϕ z。
对于柱体的自由扭转，首先考察柱体的表面变形。
观察可以发现，柱体表面横向线虽然翘曲，但是各个横向线的翘曲是基本相同的，而且横向线的轮廓线形状基本不变。
根据上述观察结论，对柱体部位移作以下的假设：1．刚截面假设。
柱体扭转当横截面翘曲时，它在Oxy平面上的投影形状保持不变，横截面作为整体绕z 轴转动，如图所示。
弹性力学第8章—柱体扭转问题
n
n
A
扭转刚度
KT = 2G ∑ ki Ai + 2G ∫∫ ψ dxdy
i =1 A
8.2 基本方程 （3）应力函数表示的应力、应变和翘曲函数
∂ψ ∂ψ τ zx = Gθ , τ zy = −Gθ ∂y ∂x
合力
⎛ ∂ψ ⎞ ⎛ ∂ψ ⎞ 2 2 τ = τ zx + τ zy = Gθ ⎜ +⎜ ⎟ ⎟ ∂ ∂ y x ⎠ ⎝ ⎠ ⎝
8.3 矩形截面柱体的扭转
用应力函数方法求解，只要确
b/ 2
y
D
C
定应力函数，就可以进一步求出剪 应力和单位长度的相对扭转角。 应力函数方程
∇2ψ = −2
边界条件
b/ 2
O
x
B
A
a/ 2
a/ 2
b a x = ± 或 y = ± 时， ψ =0 2 2 上述问题称为泊松方程的第一边值问题，其解可由通解ψ 0和 特解 ψ 1 组成
A A
⎝ ∂x
∂y
⎠
对于柱体横截面是单连通域情况，利用斯托克斯公式，可得
⎛ ∂ψ ∂ψ ⎞ M T = −Gθ ∫∫ ⎜ x+ y ⎟ dxdy A ∂y ⎠ ⎝ ∂x ⎡∂ ⎤ ∂ = −Gθ ∫∫ ⎢ ( xψ ) + ( yψ ) ⎥ dxdy + 2Gθ ∫∫ ψ dxdy A ∂x A ∂y ⎣ ⎦ = −Gθ v ∫ ψ ( xl + ym ) ds + 2Gθ ∫∫ ψ dxdy
T
8.2 基本方程
8.2.1 基本关系式
位移表达式 圆柱上距离轴线为 r 的任 一点P的位移
u = − ( rθ z ) sin α = − yθ z ⎫ ⎪ v = ( rθ z ) cos α = xθ z ⎬ w = w ( x, y ) = θϕ ( x, y ) ⎪ ⎭
第八章 柱形体的扭转
§8-1 位移法的控制方程和边界条件
§8-2 应力函数解法
§8-3 剪应力分布特点 §8-4 椭圆截面杆的扭转 §8-5 等边三角形截面杆的扭转 §8-6 具有半圆形槽的圆轴的扭转
§8-7 同心圆管的扭转
设取一任意截面的柱形杆，其长度为l，一端“固定”
于xy平面，另一端作用一个力偶，其矩的大小为M，
现在来推导翘曲函数所满足的方程。将（8-1） 代入位移表示的平衡微分方程（6-2），显然该 方程组的前两式已得到满足，而最后一式要求
2 2 2 2 2 0 （在内） （8-4） x y
方程（8-4）就是扭转问题位移法求解的控制方程。
它表明，翘曲函数必须是调和函数。
的两横截面的相对转角，称为单位长度扭转角。利用
几何方程（2-11）可以得到应变分量为
x y z xy 0 zx ( y) x zy ( x) y
u yz
( x, y )
2 2
（8-7）
（8-8） 式中 已由前面微分方程（8-4）的边值问题确定， 与截面的几何形状有关，因此D表征了柱形截面抗 扭的几何特征。从物理意义上讲，GD就是扭转刚度。
对于给定的柱形杆，G和D都是已知的，故只要知道
扭矩M，即可求出；反之，知道了，也可求出M。 综上所述，柱形杆扭转的位移法可归结为：首先在 边界条件（8-5）下，由拉普拉斯方程（8-4）解出 翘曲函数；再由（8-8）式计算D，由（8-7）式算
x y
（8-19）
该组应力满足所有平衡方程，故为应力函数。 将应力分量（8-19）代入应力表示的协调方程
（6-13），其中前四个方程都得到满足，而后
第6章_柱体的扭转.薄板弯曲
第6章 变分原理在结构力学中应用--柱体的扭转、薄板的弯曲本章继续介绍变分原理在结构力学中的应用，前三节是讲柱体扭转问题，后八节讲薄板弯曲问题。
6.1 柱体扭转的基本方程图6.1柱体扭转6.1.1变形假设柱体扭转时，其横截面在原平面上的投影只有刚体转动、但允许有轴向的自由翘曲。
如果取轴向为z 轴，横截面为xy 平面，α为单位长度的转角，z α为某个横截面的转角。
在xOy 平面内某一点在变形前后的位置分别为图6.2横截面变形cos ,sin x r y r θθ=='cos(),sin()x r y r θδθδ=+=+δδθθδθy r r r x x u -≈-≈-+=-=sin sin cos )cos(' δδθθδθx r r r y y v ≈≈-+=-=sin cos sin )sin('其中θ为该点变形前的角度，z αδ=为该点转过的角度。
因此位移场为zy u α-= zx v α=),(y x w αϕ=这里),(y x ϕ为自由翘曲函数，由此对应的应变为 0,0x y z xy εεεγ====)(y xxz -∂∂=ϕαγ)(x yyz +∂∂=ϕαγ 对应的变形协调条件为αγγ2-=∂∂-∂∂xy yzxz (6.1.1)6.1.2 平衡方程根据广义Hook 定律，由于 0,0x y z xy εεεγ====从而有0===z y x σσσ，因此应力平衡方程只剩一个0=∂∂+∂∂yx yzxz ττ (6.1.2)6.1.3 边界条件柱体两端边界上应用圣维南原理，有()d yz xz T x y S ττ=-⎰⎰ (6.1.3)其中T 为作用在柱体上的扭矩。
柱体两个侧面自由, 没有任何载荷, 那么应力边界条件为0=+y yz x xz n n ττ (6.1.4)其中(,)x y n n 为侧面的外法线方向。
6.2 柱体扭转的应力函数解法根据应力平衡方程0=∂∂+∂∂yx yzxz ττ 可以引进应力函数(,)x y Φ，也就是说假设 xz G yΦτα∂=∂ (6.2.1)yz G xΦτα∂=-∂ (6.2.2) 这样的xz τ和yz τ自动满足平衡方程。
评“弹性柱体的扭转理论”一书中钱伟长所写的三章及他的“圣维南扭转问题的物理假定”
评“弹性柱体的扭转理论”一书中钱伟长所写的三章及他的“圣维南扭转问题的物理假定”《弹性柱体的扭转理论》一书深刻揭示了弹性柱体扭转的本质和规律，其中钱伟长所写的三章及他的“圣维南扭转问题的物理假定”更是引人注目。
首先，文中钱伟长将弹性柱体的扭转故障划分为多阶段故障、由局部波型特征及弯曲特性等构成，从而形成细节描述，起着辨识及分析弹性柱体扭转故障的重要作用。
按照圣维南扭转问题，他着力揭示了弹性柱体扭转问题的解析传递运动模型及弹性特性板块剪切变形运动特点。
他进而演绎出圣维南扭转问题的物理假定，充分展现了他的物理思路的敏锐性，使得这章文章值得一读。
其次，钱伟长运用简单易懂的语言描述了弹性柱体扭转结构中力学性能对内部形变分析的作用，体现了一个微观内部构造及其性能力学模型解析的过程。
此外，他仔细分析、彻底勾勒出弹性柱体扭转结构的“几何参数”，也为弹性柱体的扭转理论奠定了理论基础。
通过综合分析，得出弹性柱体扭转非线性应力分析的结果，其对实际受力的分析、优化设计、改善工程安全影响十分显著，受到科学界和工程界的一致好评。
最后，钱伟长在文中发表了他独特的观点，以裂纹演化特性及其增强机理结合新型扭转模型去分析柱体弹性扭转，并将其应用到实际工程中以获得更高的模型精度，受到了广泛好评。
他在这一领域中所做出的贡献无疑是巨大的，在今后的深究中将发挥着更大的作用。
总之，钱伟长在《弹性柱体的扭转理论》中论述的三章及他的“圣维南扭转问题的物理假定”十分精彩，受到了广大工程界及科技界的一致好评。
他运用一系列的理论分析，把弹性柱体的扭转问题深刻揭示，对于今后的研究具有重要的指导作用。
## 结论总之，钱伟长在《弹性柱体的扭转理论》中论述的三章及他的“圣维南扭转问题的物理假定”十分精彩，受到了广大工程界及科技界的一致好评。
他运用一系列的理论分析，把弹性柱体的扭转问题深刻揭示，对于今后的研究具有重要的指导作用。
弹塑性力学 第08章柱形杆的扭转
⎛ ∂v ∂u ⎞ τ xy = G⎜ ⎜ ∂x + ∂y ⎟ ⎟=0 ⎝ ⎠ ⎛ ∂ϕ ⎞ ⎛ ∂v ∂w ⎞ τ yz = G⎜ ⎜ ∂y + x ⎟ ⎟ ⎜ ∂z + ∂y ⎟ ⎟ = αG⎜ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ∂ϕ ⎞ ⎛ ∂w ∂x ⎞ − y⎟ + ⎟ = αG⎜ τ zx = G⎜ ⎝ ∂x ⎠ ⎝ ∂x ∂z ⎠
M = − αG ∫
S1,S 2 ,L,S n n
Φ ( xl + ym )ds + 2αG ∫∫ Φdxdy
R R
= −αG ∑ ∫ ki ( xl + ym )ds + 2αG ∫∫ Φdxdy
i =1 Si
由斯托克斯公式计算得
∫ (xl + ym)ds = − ∫ (xl + ym)ds = −2∫∫
处切应力大小应等于薄膜的斜率即由前述可知扭矩等于oxy平面与薄膜之间体设内外边界所围面积的平均值即薄壁杆截面中线所包围的面积为a于可见切应力与杆壁的厚度还成反比最大切应力发生在杆壁最薄为求单位长度上的扭转角先计算图示杆截面中心线即虚线上的应力环量以a表示中心线所包围的面积于是有为截面中心线的长度若闭口薄壁杆有凹角如上图在凹角处可能发生高度的应力集中现象
§8-1 扭转问题的位移解法·圣维南扭转函数
需要完全精确地求解柱形杆的扭转问题是十分困难的。 因为，一方面，在实际问题中，柱形杆两端面上外力分布情 况往往是不清楚的，而只知道它 们的静力效应；另外，即使知道 M 了外力在端面上的分布情况，也 很难得到一组解答能精确地满足 端面上的精确条件。但是，如果 杆足够长，就能够按局部性原理 对其端面处的边界条件进行放松， n 而使问题得到解决。 O 本章仍然采用半逆解法求解 M 柱形杆的扭转问题。
第六章 柱形体的扭转
Gq m2
Gq 2ax 2 2 2 1 - 2 ( x y - b ) 2 x y2
l (t zx ) s m(t yz ) s 0
dy dx 由式（6-2）代入，且在边界上有 l , m ，则 ds ds
dy dx d y ds - x ds ds 0 s s
即在杆的侧面上（横截面的边界上），应力函数 所取的 变界值 s 应当是常数。
(5-a)
应力边界条件：给定表面上的面力为
(5-b)
§6-1 等截面直杆的扭转
• 设等截面直杆，体力不计，在两端平面内受到 转向相反的两个力偶矩M作用。 • 取杆上端面为xOy面， Oz 轴向下。
y
M
O
x
O
x -dx dy ds
M
z
y
• 分析：由材料力学结果，柱体在扭转时，纵向 纤维间无挤压，也不伸缩，则：
通过积分运算，如不计刚体位移，得位移分量为
u - Kyz v Kxz
（6-7）
• K的几何意义：
在垂直于Oz轴的截面上取任 一点m(x,y)，变形后位移到m’ 点。令q为单位长度扭转角，a 为总扭转角。得 A
B
a qz , m m ' rqz
u m m ' rqz sin b -qyz （6-8） v m m ' rqz cos b qxz
2t zx 0, 2t yz 0
将式（6-2）代入，得 2 2 0, 0 x y
2 应为常数，即 由上式可知，
2 C
（6-3）
（一）边界条件分析
1.在杆的侧面上，有n=0及面力 X Y Z 0 ，将式（6-1）
第八章_柱体的扭转
τ zx =
∂ϕ ⎫ ∂y ⎪ ⎪ ⎬ ∂ϕ ⎪ τ zy = − ∂x ⎪ ⎭
（8.5）
函数 ϕ ( x, y ) 称之为扭转应力函数，式（8.5）将两个未知剪应力分量与一个未知函数 ϕ ( x, y ) 联系在一 起，下面寻求 ϕ ( x, y ) 所满足的方程，将各应力分量代入应力协调方程（2.23）式，得：
x
zx
dxdy = 0
(e)
同济大学结构工程与防灾研究所
（李遇春编）
图 8.4 柱体端表面边界 考察(j)式中的第一式，利用 Green 公式（见附录）及 ϕ
S
= 0 得:
(f)
∫∫ P dxdy = − ∫∫ τ
x D D
zx
dxdy = − ∫∫
D
∂ϕ dxdy = v ϕ dx = 0 ∫ ∂y S
同济大学结构工程与防灾研究所
（李遇春编）
第八章 柱体的扭转
柱体的扭转在土木工程中是一类常见的问题，本章所谓的扭转是指仅在柱体端部受到扭矩的作 用，且扭矩向量方向与杆的轴线重合，本章仅讨论自由扭转问题，即允许柱体受扭变形后的横截面可 以自由翘曲（发生轴向变形） ，关于横截面翘曲受到约束的情况（约束扭转问题）不在本书的讨论范围 之列。 §8-1 扭转问题中的位移与应力 在材料力学中，我们研究过等截面圆柱体的扭转问题（见图 8.1(a)） ，圆柱体的受扭变形有如下的 特点： 1）长度为 l 圆柱体的母线都转过相同的角度 γ （见图 8.1(a)） ；2)每个圆截面都保持为一个平 面，圆的大小、形状保持不变，截面只是在原来的平面内刚性地转动了一个角度，即圆截面在 z 方向 没有发生变形。
再将（8.3）式代入物理方程（2.15）得：
（8.3）
第6章_弹性力学变分原理之柱体的扭转
第6章 柱体的扭转6.1 柱体扭转的基本方程图6.16.1.1变形假设柱体扭转时，其横截面在原平面上的投影只有刚体转动，但允许有轴向的自由翘曲。
如果取轴向为z 轴，横截面为xy 平面，α为单位长度的转角，z α为某个横截面的转角。
在xOy 平面内某一点在变形前后的位置分别为图6.2cos ,sin x r y r θθ=='cos(),sin()x r y r θδθδ=+=+δδθθδθy r r r x x u -≈-≈-+=-=sin sin cos )cos('δδθθδθx r r r y y v ≈≈-+=-=sin cos sin )sin('其中θ为该点变形前的角度，z αδ=为该点转过的角度。
因此位移场为 zy u α-= zx v α=),(y x w αϕ=这里),(y x ϕ为自由翘曲函数，由此对应的应变为 ,0===z y x εεε 0=xy γ)(y x xz -∂∂=ϕαγ)(x yyz+∂∂=ϕαγ对应的变形协调条件为αγγ2-=∂∂-∂∂xy yzxz (6.1.1)6.1.2 平衡方程根据广义Hook 定律，由于 ,0===z y x εεε0=xy γ从而有0===z y x σσσ，0=xy τ因此应力平衡方程只剩一个0=∂∂+∂∂yx yzxz ττ (6.1.2) 6.1.3 边界条件柱体两端边界上应用圣维南原理，有()d yz xz T x y S ττ=-⎰⎰ (6.1.3)其中T 为作用在柱体上的扭矩。
柱体两个侧面自由, 没有任何载荷, 那么应力边界条件为0=+y yz x xz n n ττ (6.1.4)其中(,)x y n n 为侧面的外法线方向.6.2 柱体扭转的应力函数解法根据应力平衡方程0=∂∂+∂∂yx yzxz ττ 可以引进应力函数(,)x y Φ，也就是说假设 xz G yΦτα∂=∂ (6.2.1)yz G xΦτα∂=-∂ (6.2.2) 这样的xz τ和yz τ自动满足平衡方程。
李同林 弹塑性力学 第七章 柱体的扭转
第七章 柱体的扭转§7—1 任意等截面直杆的自由扭转所谓柱体的扭转，是指任意形状等截面直杆只在端部横截面上作用着大小相等指向相反的力偶矩矢时的变形。
力偶矩矢（即扭矩矢）与柱体的轴线 z 相重合； 若杆件横截面的变形不受约束，则称为自由扭转。
通常约束扭转对于实体杆件影响不大，而对于开口或闭口薄壁杆件，将伴随有纵向弯曲。
本章讨论自由扭转问题。
圆形截面柱体的自由扭转，在材料力学课程中已经进行过讨论。
非圆形截面柱体的情况则要复杂得多。
由于截面的非对称形式，在扭转过程中，截面将不再保持为平面，横截面上各点产生轴向位移，而发生截面的翘曲变形，即：0),,( z y x w上述函数 ),,(z y x w 称为翘曲函数，翘曲函数在一些弹性力学教科书中亦称为扭转函数 。
翘曲函数（扭转函数）在自由扭转问题中可进一步证明，仅是x 、y 的函数。
下面我们在讨论柱体的扭转问题中采用应力解法应力函数解法求解。
设有一任意截面柱体，受扭矩M T 作用，如图7—1所示，在计算中为简便起见，可假定杆的右端不能转动，但可以自由翘曲。
这样就限制了柱体的刚性位移。
选取右手坐标系，坐标原点o 为右端横截面的形心，z 轴与杆轴重合，x 、y 轴为左端面内相互垂直的一对形心轴。
根据截面的翘曲变形与z 无关，即各截面的翘曲都一样，可以取z 为任意值处的横截面mn 研究，这就是说，翘曲函数w 仅为x ，y 的函数，即：),(y x w w = （7—1）此外，假设：柱体发生变形后截面只有绕z 轴的刚周边的刚性转动。
单位长度的（相对）扭转角 θ 是一个常数。
因而，截面的总扭转角与该截面到右端固定端坐标原点o的距离z 成正比（固定端没有转动但有翘曲），即 z 处截面的扭转角为 z θ 。
显然：总扭转角包括有累积的刚性转动位移；而所引起的角应变 γ与柱体截面的位置坐标z 无关；在图7—2中表示了 z θγ与 的关系。
现在考察离固定端为z 的截面上离形心o '为r 的任一点M (x , y , z ) ，扭转后位移到 M '点，沿x , y 方向的位移分量（图7—3）有：z y z r u θαθ-=-=sin )( ；z x z r v θαθ==cos )( （7—2）式中α为 o ' M 与x 轴正方向所成的角。
《柱体的弹塑性扭转》课件
# 柱体的弹塑性扭转 ## 简介 介绍弹塑性扭转的概念和应用场景。
稳定性分析
1
线弹性方法
采用线弹性方法进行柱体扭转稳定性分析。
转稳定性分析的步骤。
3
数值方法
使用数值方法进行柱体扭转稳定性分析的优势和应用。
弹塑性扭转的基本理论
航空航天领域
介绍柱体弹塑性扭转在航空航天领域中的关键 应用和研究进展。
桥梁工程设计
探究柱体弹塑性扭转在桥梁工程设计中的实际 应用。
汽车工程
讲解柱体弹塑性扭转在汽车工程中的重要性和 应用示例。
解析计算
探讨使用解析方法进行弹塑性扭 转计算的理论和应用。
实验研究
1
材料试验
介绍柱体弹塑性材料试验的设计和实施。
2
试验结果分析
分析柱体弹塑性扭转试验中的结果，并与理论进行对比。
3
参数敏感性分析
讨论柱体弹塑性扭转模型中参数的敏感性和误差分析。
应用案例
高层建筑结构设计
展示柱体弹塑性扭转在高层建筑结构设计中的 应用案例。
材料的应力-应变关系
介绍弹塑性材料在扭转过程中的应力-应变关系。
截面形状对扭转刚度的影响
讲解不同截面形状对柱体扭转刚度的影响。
弹塑性扭转方程
推导弹塑性扭转方程，解释其物理意义。
弹塑性扭转的计算方法
试验数据的获取
介绍获取弹塑性扭转试验数据的 方法和注意事项。
有限元分析
讲解使用有限元分析进行弹塑性 扭转计算的步骤和技巧。
弹性力学课件09第九章 柱体扭转
材料力学解决了圆截面直杆的扭转问题，这里 处理的是一般等截面直杆的扭转问题，这本来 是一个空间问题，根据问题的特点进行了简化， 得到了扭转问题的基本方程。对于椭圆截面杆 这样边界简单的问题，容易得到扭转函数和解 答。对于矩形截面杆可以通过级数形式的扭转 函数求解。 第一节 基本方程 椭圆截面杆的扭转 第二节 差分方法
最后得到
2 ∫∫ ϕ d x d y = M
扭转的位移公式 根据应力、应变、位移的关系可以得到
∂u =0 ∂x ∂v =0 ∂y ∂w =0 ∂z
∂w ∂v 1 ∂ϕ + =− G ∂x ∂y ∂z ∂u ∂w 1 ∂ϕ + = ∂z ∂x G ∂y ∂v ∂u + =0 ∂x ∂y
积分后得到
u = u 0 + ω y z − ω z y − Kyz v = v 0 + ω z x − ω x z + Kxz
2
的C=-2GK.
椭圆截面杆的扭转 椭圆的半轴分别为a和b，其边界方程为
x2 y2 + 2 −1 = 0 2 a b
应力函数在边界上应等于零，故取
x2 y2 ϕ = m 2 + 2 − 1 b a
代入 得 求得
∇2ϕ = C
2m 2m + 2 = C a2 b a 2b m = C 2 2 2(a + b )
前三式及最后一式得到满足，其余二式要求
∂ 2 ∇ϕ =0 ∂x ∂ 2 ∇ϕ =0 ∂y
这就要求
∇2ϕ = C
边界条件：在侧面n=0，外力分量为零 在边界上有 即
l1 (τ x z ) s + l2 (τ y z ) s = 0 ∂ϕ ∂ϕ l1 ∂ y − l2 ∂ x = 0 s s
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第九章柱体的扭转9.1 扭转问题的位移解法学习思路:本节讨论自由扭转问题的位移解法。
首先建立自由扭转的位移假设：一是刚截面假设；二是扭转的翘曲位移与轴线方向坐标无关。
通过上述假设，将柱体的扭转位移用横截面的翘曲表示，因此使得问题的基本未知量简化成为翘曲函数Φ (x，y)。
基本未知量翘曲函数Φ (x，y)。
确定后，通过基本方程，将应力分量、应变分量用翘曲函数表示。
位移表示的平衡微分方程要求翘曲函数满足调和方程。
因此只要选取的翘曲函数是调和函数，自然满足自由扭转问题的基本方程。
自由扭转问题的边界条件，可以分为两个部分：侧面边界条件和端面边界条件。
对于自由扭转，侧面边界不受力。
根据这一条件，可以转化为翘曲函数与横截面边界的关系。
端面采用合力边界条件，就是端面应力的合力为扭矩T。
这一边界条件，采用翘曲函数表达相当复杂。
学习要点：1. 扭转位移假设；2. 扭转翘曲函数满足的基本方程；3. 扭转边界条件；4. 扭转端面边界条件；当柱体受外力矩作用发生扭转时，对于非圆截面杆件，其横截面将产生翘曲。
如果横截面翘曲变形不受限制，称为自由扭转；如果横截面翘曲变形受到限制，就是约束扭转。
本章讨论的柱体扭转问题为自由扭转。
对于柱体的自由扭转，假设柱体的位移约束为固定左端面任意一点和相应的两个微分线素，使得柱体不产生刚体位移。
柱体右端面作用一力偶T，侧面不受力。
设柱体左端面形心为坐标原点，柱体轴线为z轴建立坐标系。
柱体扭转时发生变形，设坐标为z 的横截面的扭转角为α，则柱体单位长的相对扭转角为。
而横截面的扭转角α = ϕ z。
对于柱体的自由扭转，首先考察柱体的表面变形。
观察可以发现，柱体表面横向线虽然翘曲，但是各个横向线的翘曲是基本相同的，而且横向线的轮廓线形状基本不变。
根据上述观察结论，对柱体部位移作以下的假设：1．刚截面假设。
柱体扭转当横截面翘曲时，它在Oxy平面上的投影形状保持不变，横截面作为整体绕z 轴转动，如图所示。
当扭转角α很小时，设OP=ρ，则P点的位移为2．横截面的翘曲位移与单位长度的相对扭转角ϕ成正比，而且各个截面的翘曲相同,即w=ϕΦ (x，y)。
Φ(x，y)称为圣维南(Saint Venant)扭转函数，或者称为翘曲函数。
对于位移法求解，需要将平衡微分方程用位移分量表示。
因为根据几何方程，应变分量为根据本构方程，应力分量为对于平衡微分方程，在不计体力的条件下，前两个方程自然满足，只有最后一个方程，为将位移表达式代入上式，则上式为Laplace方程，它表示位移分量如果满足位移表示的平衡微分方程，即Lamé方程时，则扭转翘曲函数Φ (x，y)为调和函数。
下面考察柱体自由扭转的边界条件。
对于自由扭转问题，在侧边界没有载荷作用。
由于σx= σy= σz= τxy =0，只有τxz和τyz不等于零，因此分为柱体侧面和端面两部份面力边界条件讨论。
柱体的侧边界没有外力作用，而且侧面边界法线方向余弦n=0。
因此，面力边界条件只有第三式需要满足，有将翘曲函数表示的应力分量代入上式，并且注意到柱体侧面法线方向余弦与坐标系的关系，n=0，则如图所示。
有因为所以，柱体侧面面力边界条件转换为翘曲函数横截面边界条件。
有对于柱体的端面面力边界条件，选取柱体任意一个端面，例如右端面，l=m=0，而n=1。
因此面力边界条件的第三式自然满足，而前两式成为面力的合力为外力矩T，则端面面力边界条件为对于上述边界条件的前两式，由于同理。
所以边界条件的前两式是恒满足的。
对于第三式有令则T =ϕ GD，其中D表达了横截面的几何特征，GD称为柱体的抗扭刚度。
总之，柱体的自由扭转的位移解法，归结为在边界条件下求解方程，相对扭转角ϕ由公式T =ϕ GD确定。
9.2 扭转问题的应力解法学习思路:柱体自由扭转问题的位移解法，基本方程是翘曲函数表示的调和方程。
基本方程的形式简单，但是边界条件的描述，特别是要用翘曲函数表达端面的合力边界条件比较困难。
因此典型的扭转问题均是采用应力解法求解的。
自由扭转的应力解法，以扭转应力函数ψ(x,y)作为基本未知量。
主要工作包括利用平衡微分方程建立扭转应力与应力函数的关系；将应力函数表达的应力分量代入变形协调方程，可以确定应力函数ψ(x,y)满足的基本方程。
这是一个泊松方程。
根据扭转问题的侧面面力边界条件，扭转应力函数在横截面的边界为常数。
对于单连域问题，可以假设这个常数为零。
对于扭转问题的端面面力边界条件，可以确定外力矩和应力函数的关系。
学习要点：1.扭转应力函数；扭转问题的位移解法方程虽然简单，但是边界条件相对比较复杂，因此通常使用应力解法求解柱体的扭转问题。
根据扭转问题的平衡微分方程，可得。
因此，必然有一个函数ψ(x,y)，使得将上述扭转应力分量代入变形协调方程，则前四个方程恒满足，而后两个方程要求，所以，翘曲函数ψ(x,y) 满足因此上式即扭转问题的应力解法的基本方程。
ψ(x,y)称为普朗特(Prandtl)扭转应力函数。
将扭转应力函数与翘曲函数公式相比较，则扭转应力函数与翘曲函数的关系为将上式代入变形协调方程，则C=-2Gϕ。
2.扭转应力函数与边界条件；对于侧面边界条件，。
将应力函数代入侧面面力边界条件，有所以ψc=const根据应力表达式，在应力函数ψ(x,y)中增加或者减少一个常数对于应力分量的计算没有影响，因此对于单连域横截面柱体，可以将常数取为零。
有ψc＝0但是应该注意，如果柱体横截面为多连域时，应力函数在每一个边界都是常数，但是各个常数一般并不相同。
因此，只能将其中一个边界上的ψc取为零。
3. 扭转端面边界条件；对于杆的端面边界条件，有和位移解法相同，前两个边界条件恒满足，对于第三式，将应力分量表达式代入，有由于应力函数在边界上的值恒为零，上式线积分为零。
所以根据上式可以求出单位长度扭转角ϕ。
这样，柱体扭转问题的基本方程归结为求解变形协调方程问题的边界条件为：侧面边界条件ψc＝0；端面边界条件为，。
9.3 薄膜比拟法学习思路:扭转问题的应力解法具有一个明显的优点，它能够借助于所谓的薄膜比拟（Prandtl比拟）法，使对应的扭转问题运算和分析变的更为直观。
薄膜比拟法是由德国力学家Prandtl提出的。
薄膜比拟法的基本思想是：受均匀压力的薄膜与柱体的扭转，有着相似的微分方程和边界条件，因此可以通过测试薄膜变形，分析柱体扭转时横截面上的应力分布。
当柱体受外力矩作用发生扭转时，对于非圆截面杆件，其横截面将产生翘曲。
薄膜比拟法的主要作用是定性地分析横截面的扭转应力。
这一方法借助薄膜等高线直观地说明横截面的切应力方向与大小。
学习要点：1. 薄膜比拟；扭转问题的应力解法具有一个明显的优点，它能够借助于所谓的薄膜比拟（Prandtl比拟）法，使对应的扭转问题运算和分析变的更为直观。
薄膜比拟的基本思想是：假设一个与柱体横截面形状相同的孔，孔上敷以紧的均匀薄膜，那么，受均匀压力的薄膜与柱体的扭转，有着相似的微分方程和边界条件。
因此，可以通过测试薄膜弯曲的情况，分析柱体扭转时横截面的应力分布。
设有一块均匀的薄膜，在一个与扭转柱体横截面形状相似的水平边界上。
当薄膜承受微小的均匀压力q作用时，薄膜上各点将产生微小的垂度。
将边界所在水平面作为Oxy平面，z轴垂直向下，如图所示。
由于薄膜的柔顺性，可以假设它不承受弯矩，扭矩，剪力和压力，而只承受均匀的力。
设薄膜单位宽度的力为F T。
现在考虑薄膜中微分单元abcd的平衡。
微分单元受的总压力为q d x d y，薄膜的垂度用Z表示。
ad边上的力为F T d y，它在z轴上的投影为；bc边上的力也是F T d y，它在z 轴上的投影为；ab边的力在z轴上的投影为；cd 边上的力在z轴上的投影为。
根据薄膜微分单元平衡条件 ,则简化可得这就是薄膜平衡时垂度Z所满足的微分方程，垂度Z在边界上显然是等于零。
有Z=02薄膜垂度与扭转应力；3. 薄膜等高线与切应力；垂度Z所满足的微分方程与扭转应力函数相同，均为泊松方程，只是常数不同。
下面考察薄膜垂度Z所满足的边界条件。
讨论薄膜所围的体积，有上述分析表明，薄膜垂度Z与扭转应力具有相同的函数形式，边界条件的差别仅是一个常数。
虽然确定薄膜体积与扭矩的关系仍然是困难的，但是通过薄膜曲面，可以形象地描述柱体横截面的扭转应力分布。
由于薄膜垂度Z与扭转应力具有相同的函数形式，其差别仅是一个常数。
因此我们可以通过薄膜曲面，形象地表示出横截面上的应力分布情况。
我们可以想象一系列的和Oxy平面平行的平面与薄膜曲面相截，得到一系列曲线，显然这些曲线是薄膜的等高线。
对于薄膜的等高线上的任意点的垂度Z为常数，所以，Z对等高线方向的导数为零，因此，，这就是说。
将扭转应力分量计算公式中的坐标转换成曲线坐标，可以写出切应力分别沿等高线的切线和法线方向的分量表达式：上式表明柱体扭转时，横截面的切应力的方向总是沿着薄膜上对应点的等高线的切线方向，切应力的数值与等高线的法线导数成正比，如图所示。
因此，薄膜的等高线，对应于扭转杆件横截面上这样的曲线，各点的切应力均与曲线相切。
因此这一曲线称为切应力线。
这个结论对于研究柱体扭转时横截面上的应力分布是很重要的。
因为，虽然我们很难完全通过薄膜比拟测定柱体扭转时横截面的应力分布，但是通过这种比拟，至少可以定性的描述出横截面上应力分布的大致情况。
例如，要知道横截面上哪一点的应力最大，只要看一下对应的薄膜上哪一点的斜率最大。
也就是说，薄膜上斜率最大的点，就是对应横截面上切应力最大的作用点。
由此可知，最大切应力一定发生在横截面的周界上，而且横截面的周界是一条切应力线。
9.4 椭圆截面杆件的扭转学习思路:对于自由扭转问题的应力解法，椭圆横截面柱体扭转问题是最成功的应用。
本节通过椭圆截面柱体的扭转问题，对应力解法作全面介绍。
应力解法的关键是应力函数的确定。
根据边界应力函数值为零，椭圆横截面柱体扭转的应力函数是容易确定的。
对于待定常数根据基本方程，即泊松方程确定。
端面面力边界条件的应用确定了外力偶与柱体应力的关系。
通过这个条件，可以建立待定常数与外力偶的关系。
应力函数确定后，可以确定横截面切应力以及最大切应力关系式。
椭圆形横截面的最大切应力在长边的中点。
本节最后讨论横截面的翘曲，即扭转变形。
对于非圆横截面柱体，在扭矩作用下，横截面将发生翘曲。
因此对于非圆横截面柱体的扭转，平面假设不能使用。
学习要点：1. 椭圆截面直杆应力函数；2. 椭圆截面切应力；3. 椭圆截面翘曲；设有椭圆截面直杆，它的横截面为椭圆边界，椭圆的长短半轴分别为a和b，如图所示。
椭圆方程可以写作根据自由扭转问题的基本方程，应力函数在横截面的边界上应该等于零，所以假设应力函数为：这一应力函数满足 c=0 。
将上述应力函数代入基本方程，则即则扭转基本方程满足。