第四强度理论校核
材料力学第五版课后习题答案
7-4[习题7-3] 一拉杆由两段沿n m -面胶合而成。
由于实用的原因，图中的α角限于060~0范围内。
作为“假定计算”，对胶合缝作强度计算时，可以把其上的正应力和切应力分别与相应的许用应力比较。
现设胶合缝的许用切应力][τ为许用拉应力][σ的4/3，且这一拉杆的强度由胶合缝强度控制。
为了使杆能承受最大的荷载F ，试问α角的值应取多大？ 解：AFx =σ；0=y σ；0=x τ ατασσσσσα2s i n 2c o s 22x yx yx --++=][22cos 12cos 22σαασα≤+=+=A F A F A F ][22cos 1σα≤+A F ，][cos 2σα≤AFασ2cos ][A F ≤，ασ2max,cos ][AF N = ατασστα2c o s 2s i n 2x yx +-=][3][2sin στατα=≤=F ，σ][5.1A F ≤，σ][5.1max,AF T =由切应力强度条件控制最大荷载。
由图中可以看出，当060=α时，杆能承受最大荷载，该荷载为：A F ][732.1max σ=7-6[习题7-7] 试用应力圆的几何关系求图示悬臂梁距离自由端为m 72.0的截面上，在顶面以下mm 40的一点处的最大及最小主应力，并求最大主应力与x 轴之间的夹角。
解：（1）求计算点的正应力与切应力MPa mm mm mm N bh My I My z 55.1016080401072.01012124363=⨯⨯⋅⨯⨯⨯===σMPa mm mm mm N bI QS z z 88.0801608012160)4080(10104333*-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-==τ （2）写出坐标面应力 X （10.55，-0.88）Y （0，0.88）(3) 作应力圆求最大与最小主应力，并求最大主应力与x 轴的夹角 作应力圆如图所示。
从图中按比例尺量得：MPa 66.101=σ MPa 06.03-=σ 0075.4=α7-7[习题7-8] 各单元体面上的应力如图所示。
四种强度理论
最后，要注意强度设计的全过程
要确定构件危险状态、危险截面、 危险点，危险点的应力状态。
例 题1
23 11 10
MPa
已知 ： 铸铁构件上 危险点的应力状态。 铸铁拉伸许用应力 [st] =30MPa。
求：试校核该点的 强度。
例 题1
解：首先根据材料 和应力状态确定失效 形式，选择强度理论。
2. 利用强度理论建立强度条件 （1）对破坏形式分类； （2）同一种形式的破坏，可以认为是 由相同的原因造成的； （3）至于破坏的原因是什么，可由观 察提出假说，这些假说称为强度 理论; （4）利用简单拉伸实验建立强度条件。
§10－2 四个常
脆性断裂 塑性屈服
（一）脆性断裂理论
2. 最大伸长线应变理论
无论材料处于什么应力状态，只要最 大伸长线应变达到极限值，材料就发生脆 性断裂。
破坏原因：etmax （最大伸长线应变） 破坏条件：e1= eo
强度条件：s1－n（s2+s3） sb/n=[s]
适用范围：石、混凝土压； 铸铁二向拉-压（st sc）
（二）塑性屈服理论
1. 最大剪应力理论（第三强度理论）
一、两个概念：
1、极限应力圆：
t
ts
极限应力圆
O
s
s s3
s s2
s s1
2、极限曲线：
3、近似极限曲线：
二、莫尔强度理论：
任意一点的应力圆若与极限曲线相接触，则材料即 将屈服或剪断。
下面推导莫尔强度理论的破坏条件
整理 得破坏条件
强度条件：
相当应力：
适用范围：
考虑了材料拉压强度不等的情况，可以用于铸 铁等脆性材料，也可用于塑性材料。当材料的拉压强 度相同时，和第三强度理论相同。
工程力学第5节 强度理论
max 0
1 3 max 13 2
第三强度理论 建立的强度条件
1 3 s
1 3 [ ]
4、形状改变比能理论（第四强度理论） 这一理论认为形状改变比能是引起材料屈服破 坏的主要因素。即无论什么应力状态，只要构件内 一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限 值，材料就要发生屈服破坏。经推导可得危险点处 于复杂应力状态的构件发生塑性屈服破坏的条件为
二、四种强度理论 1、最大拉应力理论（第一强度理论） 该理论认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最 大拉压力。即无论什么应力状态下，只要构件内一 点处的最大拉压力达到单向应力状态下的极限应力， 材料就要发生脆性断裂。于是危险点处于复杂应力 状态的构件发生脆性断裂破坏的条件为：
1 b
第一强度理论 建立的强度条件
1 b / E 1 1 [1 ( 2 3 )] E
第二强度理论 建立的强度条件
1 ( 2 3 ) b
1 ( 2 3 ) [ ]
3、最大切应力理论（第三强度理论） 这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因 素。即无论什么应力状态，只要最大切应力达到单 向应力状态下的极限切应力，材料就要发生屈服破 坏。于是危险点处于复杂应力状态的构件发生塑性 屈服破坏的条件为：
纵截面上的正应力
2）确定主应力 因t <<D，p 值比 和 小得多，工程计算常忽略。
pD 150106 Pa 2t
1 150MPa 2 75MPa 3 0
3）按照形状改变比能理论校核强度
r 4 1 2 2 3 3 1
2 1 2 2 2 3
第四强度理论校核
第四强度理论校核 Revised by Petrel at 2021
强度校核（第四强度理论）取最危险的截面，合成截面所受正应力、切应力、扭矩，再合成校核强度
，故公式：
：屈服强度：正应力：切应力：挤压强度（起重轨道用）
W可查询机械设计手册（第五版）1-113
...
[：许用屈服强度=[=0.58：许用剪切强度
安全系数：
1.5-2倍（交变应力小，如门铰链）
5-6倍（交变应力大，如电机轴，普通材料取6倍，不锈钢软材料取5倍）
计算实例：
1Cr18Ni9材质的实心轴，轴向力16kN，径向力21kN，截面积1965mm2，无弯矩、转矩，无交变
1Cr18Ni9
，
<
圆轴刚度计算（扭转角度）
G：切变模量E：弹性模量：泊松比：极惯性矩。
四大强度理论
六、例题： 例题1、薄壁容器，厚度 δ<< 平均直径D，在容器中贮满
水，水结冰后，将容器涨破，而冰不碎，解释原因。
解：⑴、水结冰时，发生膨胀，容器将受到内压作用，其单 元体的应力状态为二向拉应力状态。
15
p
李禄昌
p
1
p
1
2
1
由纵向截面上的静力平衡条件
Y 0 2 l p D l 0
轴向拉伸时
1 s , 2 3 0 ud 1 2 s2
6E
11
李禄昌
3、强度条件：
1 s 2 1 1 2 2 2 2 22 2 s uf (21 3 3 ) (3 ) u 1 2( 2 6 f 2) 3 11 E n 2 6E s
1
b
n
4、存在问题：⑴、该理论只考虑σ1 ，而没有考虑σ2 、σ3的 影响。⑵、当σ1＜0，即没有拉应力的应力状态时，它不能对 材料的压缩破坏作出合理解释。⑶、 σ1必须是拉应力。
4
李禄昌 试验证明，这一理论与铸铁、岩石、砼、陶瓷、玻璃等脆 性材料的拉断试验结果相符，这些材料在轴向拉伸时的断裂 破坏发生于拉应力最大的横截面上。 脆性材料的扭转破坏，也是沿拉应力最大的斜面发生断裂， 这些都与最大拉应力理论相符。
x
x
得主应力
1 =14.5 103 F ( MPa) 2 0 3 1.8 10 F ( MPa)
3
19
李禄昌
⑶、对于钢材，利用第三强度理论强度条件：
r 3 1 3 [ ]
代入有关参数得：
[ ] F 9.8 KN 3 16.3 10
周建方版材料力学习题解答[第八章9]分析
![周建方版材料力学习题解答[第八章9]分析](https://img.taocdn.com/s3/m/cbb06210a417866fb94a8e07.png)
8-49现用某种黄铜材料制成的标准圆柱形试件做拉伸试验。
已知临近破坏时，颈缩中心部位的主应力比值为113321::::=σσσ；并已知这种材料当最大拉应力达到770MPa 时发生脆性断裂，最大切应力达到313MPa 时发生塑性破坏。
若对塑性破坏采用第三强度理论，试问现在试件将发生何种形式的破坏？并给出破坏时各主应力之值。
解： 令主应力分别为：σσ31=，σσσ==32脆性断裂时，由第一强度理论=1r σσσ31==770MPa所以，塑性破坏时，由第三强度理论 所以故，试件将发生脆性断裂。
破坏时MPa 7701=σ，MPa 25732==σσ8-50 钢制圆柱形薄壁压力容器（参见图8-13），其平均直径mm d 800=，壁厚mm 4=δ，材料的M P a ][120=σ，试根据强度理论确定容器的许可内压p 。
解：在压力容器壁上取一单元体，其应力状态为二向应力状态。
p pd 504'==δσ ，p pd1002"==δσ 其三个主应力为p 100"1==σσ， p 50'2==σσ，03=σ据第三强度理论所以 ，MPa p 2.13≤，许可内压MPa p 2.13= 据第四强度理论所以，MPa p 39.14≤，许可内压MPa p 39.14=8-51 空心薄壁钢球，其平均内径mm d 200=，承受内压MPa p 15=，钢的MPa ][160=σ。
试根据第三强度理论确定钢球的壁厚δ。
解：钢球上任一点应力状态如图示 其三个主应力为：σσσ==21，03=σ而 MPa MPa d p R R p δδδδππσ4342.0152222=⨯=⋅=⋅⋅=据第三强度理论 所以 mm m 69.41069.41601433=⨯=⨯≥-δ 8-52 图8-77所示两端封闭的铸铁圆筒，其直径mm d 100=，壁厚mm 10=δ，承受内压MPa p 5=，且在两端受压力kN F 100=和外扭矩m kN T ⋅=3作用，材料的许用拉应力MPa ][40=+σ，许用压应力MPa ][160=-σ，泊松比250.=ν，试用莫尔强度理论校核其强度。
第四强度理论的适用范围
2 0
3
2
2
t 2
27.7
MPa
2
由于梁的材料Q235钢为塑性材料，故用第三或第四 强度理论校核a点的强度。
9
按第三度理论校核
r3 1 3 150 .4 MPa 27.7 MPa 178 .1 MPa
170 MPa r3 178 .1 MPa 1.05 178 .5MPa
M max ya Iz
80103 N m 135103 m 88106 m4
122.7 MPa
t
FS,m
ax
S
* z,a
64.6 MPa
8
Izd
点a处的主应力为
1
2
150.4 MPa
2
x 122.7MPa y 0 t x t 64.6MPa
适用范围： 塑性破坏，拉压屈服极限相同的塑性材料。
应用条件：常温(室温)，静荷载(徐加荷载)，材料 接近于均匀,连续和各向同性。
2
二、第四强度理论的适用范围
第四强度理论即形状改变能密度理论
第四强度理论属于第二类强度理论
研究塑性屈服力学因素
相应的强度条件是：
r4
1 2
1
2 2
(e)
tmax
F S* S,max z,max Izd
200103 N 338106 m3 88106 m4 9103 m
85.4 MPa
t max 85.4 MPa t 100 MPa
所以梁满足切应力强度条件。
材料力学试题带答案B
试卷类型：B 卷一、判断题（判断以下论述的正误，认为正确的就在答题相应位置划“T”，错误的划“F”。
每小题 1分，共10 分）1.材料力学主要研究杆件受力后变形与破坏的规律。
（）2.工程构件正常工作的条件是必须同时满足必要的强度、刚度和稳定性。
（）3.由切应力互等定理可知，在相互垂直平面上，切应力总是成对出现，且数值相等，方向则共同指向该两平面的交线。
（）4.截面法是分析应力的基本方法。
（）5.只有静不定结构才可能有温度应力和装配应力。
（）6.圆轴扭转时，横截面上既有正应力，又有剪应力。
（）7.截面的主惯性矩是截面对通过该点所有轴的惯性矩中的最大值和最小值。
（）8.梁端铰支座处无集中力偶作用，该端的铰支座处的弯矩必为零。
（）9.若集中力作用处，剪力有突变，则说明该处的弯矩值也有突变。
（）10.在平面图形的几何性质中，静矩和惯性积的值可正、可负、也可为零。
（）二、填空题（本题共有10个空，填错或不填均不能得分。
每空2分，共20分）1.基本变形中：轴向拉压杆件横截面上的内力是，扭转圆轴横面上的内力是，平面弯曲梁横截面上的内力是和。
2.图所示铆钉联接件将发生挤压与剪切破坏，铆钉所受剪应力大小为，接触面上的挤压应力为。
(a)(b)PP3.EA称为材料的。
4.图示正方形截面简支梁，若载荷不变而将截面边长增加一倍，则其最大弯曲正应力为原来的倍，最大弯曲剪应力为原来的倍。
5.剪切的胡克定律表明：当应力不超过材料的pτ时，切应力τ与切应变γ成比例关系。
三、单项选择题（从下列各题四个备选答案中选出一个正确答案，并将其代号写在答题纸的相应位置。
答案选错或未选者，该题不得分。
每小题2分，共20分）1.下列结论中，只有哪个是正确的 。
A 材料力学的任务是研究材料的组成分析； B 材料力学的任务是研究各种材料的力学性能；C 材料力学的任务是在保证安全的原则下设计结构的构件；D 材料力学的任务是在即安全又经济的原则下，为设计结构构件提供分析计算的基本理论和方法。
四个强度理论与其相当应力
由于各向同性材料，正应力仅产生线应变，剪应力 仅产生剪 应变。而两种情况下的正应力和剪应力分 别相 等，因此，
其形状改变比能也相等，故两种情况下的危险程度相
等。
σ
σ
τ τ
(a)
(b)
二、定量计算
状态(a):
1
2
2
2
2
3
2
2
2
2
2 0
第2强度理论
—最大伸长 线应变理论
σ r1 σ1
r 2 1 2 3
第二类强度理论
（屈服失效的 理论）
第3强度理论
—最大剪应 力理论
σr3 σ1 σ3
第4强度理论
—形状改变
r4
1 2
1
2 2
2
3 2
解： （1）对于图 (a) 所示的单元体， 由图知 1= 0，2= 3= –100MPa,
100MPa 100MPa
r3 1 3 0 100 100 MPa
(a)
r4
1
2
1
2 2
2
3 2
3
1
2
[ ( )]
r2
1
2
3
(9-2-2)
第 二 类强度理论
三、 最大剪应力理论 (第三强度理论) 根据：当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料就会 沿最大剪应力所在截面滑移而发生屈服失效。
基本假说： 最大剪应力 max 是引起材料屈服的因素。
2015秋材料力学-答案第6次作业(应力状态+总复习补充)？
1. 有一拉伸试样，横截面为40mm 5mm ⨯的矩形。
在与轴线成45α︒=角的面上切应力150MPa τ=时，试样上将出现滑移线。
求试样所受的轴向拉力F 的数值。
(C) 解：1). 轴向拉伸杆任意斜截面上切应力公式0sin 2sin 222F Aασταα==2). 求轴向拉力F()6220.040.00515010sin 2sin 24(N)5 60000N=60kNA F ατα︒⨯⨯⨯⨯==⨯=yτA 2解：1).根据单元体上已知应力作应力圆，可得122x yx yOC CE CA σσσσ+=--==2). 求E 点坐标所对应的截面上的正应力和切应力()()cos2 cos222sin2sin22x yx yx yOF OC CF OC CE EF CE αασασσσσασσταα=-=--=--+-=+-===3. 试用应力圆的几何关系求图示悬臂梁距离自由端为0.72m 的截面上，在顶面以下40mm 的一点处的最大及最小主应力，并求最大主应力与x 轴之间的夹角。
解：1). 求目标A 点处的正应力A 点处的弯矩：100.727.2kN m M =⨯=3367.2100.04120.080.16 10.5510Pa=10.55MP P a(a)x z M y I σ⨯⨯⨯⨯==⨯=⨯ A 点处的正应力为拉应力，方向见单元体图=10.55MPax2). 求目标A 点处的切应力A 点处的剪力：10kN S F =(方向向上)23222361010120.160.0424420.080.16 0.8810Pa=0.88MPa(Pa)S xy z F h y I τ⎛⎫⎛⎫⨯⨯=-=⨯- ⎪ ⎪⨯⨯⎝⎭⎝⎭=⨯ (根据单元体上切应力的符号规定，该切应力是逆时针，为负) 3). 根据A 点处的单元体绘制应力圆，并求最大、最小主应力作应力圆(注：单元体上右侧面上的切应力为0.88MPa xy τ=-)。
四个强度理论的相当应力表达式
aF
Fa
A
B
C
A
B
C
C
A
B
A
B 1
C1
1
3
3
B
C
对图示的纯剪切应力状态，试按强度理论建立纯剪切状
态下的强度条件，并导出剪切许用应力［τ］与拉伸许用
应力［σ］之间的关系。
1＝， 2＝0，3＝
1 单元体纯剪切强度条件
KK
τ
第三强度理论 第四强度理论
第一强度理论 1
2
τ σ
3
[]为材料在单轴拉伸是的许用拉应力。
材料在纯剪切应力状态下的许用剪应力为
τ σ 0.577σ
3
（10-13）
已知铸铁构件上危险点处的应力状态，如图所示。若铸
铁拉伸许用应力为［σ］＋＝30MPa，试校核该点处的强度
是否安全。
第一强度理论
1 ＋
= 100MPa 。试按强度条件选择工字钢的号码。
（a）
200KN
200KN
A C
0.42
1.66
2.50
单位：m 例题 10-3 图
B D
0.42
解：作钢梁的内力图。 C , D 为危险截面
按正应力强度条件选择截面
200KN
A C
0.42
1.66 2.50
取 C 截面计算 Q c = Qmax = 200kN
( 2
3)2
( 3
1)2
rM
1
t
c
3
在大多数应力状态下,脆性材料将发生脆性断裂.因而应选用 第一强度理论;而在大多数应力状态下,塑性材料将发生屈服和剪 断.故应选用第三强度理论或第四强度理论.但材料的破坏形式不 仅取决于材料的力学行为,而且与所处的应力状态,温度和加载速 度有关.实验表明,塑性材料在一定的条件下低温和三向拉伸,会 表现为脆性断裂.脆性材料在三向受压表现为塑性屈服.
第四强度理论校核
强度校核(第四强度理论)
取 最危险的截面,合成截面所受 正应力、切应力、扭矩,再合成校核强度
:屈服强度
:正应力
,故公式:
:切应力
:挤压强度(起重轨道用)
W 可查询 机械设计手册(第五版)1-113
、、、
[
:许用屈服强度
=[
=0、58 :许用剪切强度
安全系数: 1、5-2 倍(交变应力小,如门铰链) 5-6 倍 (交变应力大,如电机轴,普通材料取 6 倍,不锈钢软材料取 5 倍)
计算实例: 1Cr18Ni9 材质的实心轴,轴向力 16kN,径向力 21kN,截面积 1965mm2,无弯矩、转矩,无交变
1Cr18Ni9
,
< 圆轴刚度计算(扭转角度)
第Hale Waihona Puke 强度理论校核G:切变模量 E:弹性模量 :泊松比 :极惯性矩
四个强度理论及其相当应力
195MPa
（4）对图d 所示的单元体,计算 r3 ,r4
解：求主应力 由图知 : x=30MPa， y=70MPa， xy= - 40MPa 可求得
70MPa 40MPa
30MP
1 3
30
2
70
30
2
70
2
402
94.72
50 20 5
MPa
5.28
50MPa (d)
2 50 MPa
128MPa
（3）对于图 c 所示的单元体，
70MPa
由图知: 1= 80MPa ， 2= –70MPa , 3= –140MPa
r3 1 3 80 140 220 MPa
80MPa (c)
140MPa
r4
1 2
1
2
2
2
3
2
3
1
2
1 2
80
702
70
1402
140
802
(
2
3)]
即 [σ1 ν (σ 2 σ 3)] σ u
强度条件为:
[ ( )]
r2
1
2
3
(9-2-2)
第 二 类强度理论
三、 最大剪应力理论 (第三强度理论) 根据：当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料就会 沿最大剪应力所在截面滑移而发生屈服失效。
基本假说： 最大剪应力 max 是引起材料屈服的因素。
例题 9-1 对于图示各单元体，试分别按第三强度理论及第 四 强度理论求相当应力。
解： （1）对于图 (a) 所示的单元体， 由图知 1= 0，2= 3= –100MPa,
100MPa 100MPa
大学工程力学题目与参考答案
工程力学一、判断题：1.力对点之矩与矩心位置有关，而力偶矩则与矩心位置无关。
[ ]2.轴向拉压时无论杆件产生多大的变形，正应力与正应变成正比。
[ ]3.纯弯曲的梁，横截面上只有剪力，没有弯矩。
[ ]4.弯曲正应力在横截面上是均匀分布的。
[ ]5.集中力所在截面上，剪力图在该位置有突变，且突变的大小等于该集中力。
[ ]6.构件只要具有足够的强度，就可以安全、可靠的工作。
[ ]7.施加载荷使低碳钢试件超过屈服阶段后再卸载，材料的比例极限将会提高。
[ ]8.在集中力偶所在截面上，剪力图在该位置有突变。
[ ]9.小柔度杆应按强度问题处理。
[ ]10.应用平面任意力系的二矩式方程解平衡问题时，两矩心位置均可任意选择，无任何限制。
[ ]11.纯弯曲梁横截面上任一点，既有正应力也有剪应力。
[ ]12.最大切应力作用面上无正应力。
[ ]13.平面平行力系有3个独立的平衡方程。
[ ]14.低碳钢试件在拉断时的应力为其强度极限。
[ ]15.若在一段梁上作用着均布载荷，则该段梁的弯矩图为倾斜直线。
[ ]16.仅靠静力学平衡方程，无法求得静不定问题中的全部未知量。
[ ]17.无论杆件产生多大的变形，胡克定律都成立。
[ ]18.在集中力所在截面上，弯矩图将出现突变。
[ ]二、单项选择题：1.图1所示杆件受力，1-1、2-2、3-3截面上轴力分别是 [ ]图1A.0，4F ，3FB.-4F ，4F ，3FC.0，F ，0D.0，4F ，3F2.图2所示板和铆钉为同一材料，已知bs []2[]στ=。
为充分提高材料利用率，则铆钉的直径应该是[ ]图2A.2d δ=B.4d δ=C.4d δπ=D.8d δπ=3.光滑支承面对物体的约束力作用于接触点，其方向沿接触面的公法线 [ ]A.指向受力物体，为压力B.指向受力物体，为拉力C.背离受力物体，为压力D.背离受力物体，为拉力4.一等直拉杆在两端承受轴向拉力作用，若其一半为钢，另一半为铝，则两段的 [ ]A.应力相同，变形相同B.应力相同，变形不同C.应力不同，变形相同D.应力不同，变形不同5.铸铁试件扭转破坏是 [ ]A.沿横截面拉断B.沿45o 螺旋面拉断C.沿横截面剪断D.沿45o 螺旋面剪断6.图2跨度为l的简支梁，整个梁承受均布载荷q时，梁中点挠度是45384CqlwEI，图示简支梁跨中挠度是 [ ]图2A.45768qlEIB.45192qlEIC.451536qlEID.45384qlEI7.塑性材料冷作硬化后，材料的力学性能变化的是 [ ]A.比例极限提高，弹性模量降低B.比例极限提高，塑性降低C.比例极限不变，弹性模量不变D.比例极限不变，塑性不变8.铸铁试件轴向拉伸破坏是 [ ]A.沿横截面拉断B.沿45o斜截面拉断C.沿横截面剪断D.沿45o斜截面剪断9.各向同性假设认为，材料沿各个方向具有相同的 [ ]A.外力B.变形C.位移D.力学性质10.材料不同的两根受扭圆轴，其直径和长度均相同，在扭矩相同的情况下，它们的最大切应力和相对扭转角之间的关系正确的是 [ ]A.最大切应力相等，相对扭转角相等B.最大切应力相等，相对扭转角不相等C.最大切应力不相等，相对扭转角相等D.最大切应力不相等，相对扭转角不相等11.低碳钢试件扭转破坏是 [ ]A.沿横截面拉断B.沿45o螺旋面拉断C.沿横截面剪断D.沿45o螺旋面剪断12.整根承受均布载荷的简支梁，在跨度中间处 [ ]A.剪力最大，弯矩等于零B.剪力等于零，弯矩也等于零C.剪力等于零，弯矩为最大D.剪力最大，弯矩也最大三、填空题：1.圆轴扭转时，横截面上各点的切应力与其到圆心的距离成比。
第四强度理论。
对于 28a 工字钢的截面，查表得
I 7114108 m4
d 0.8510 2 m
I 24.6210 2 m S
最大剪应力为:
Qmax max I d S 200 103 24.62 10 2 0.85 10 2
95.5MPa
2 ' 90MPa
3 ' ' ' 3.6MPa
用第四强度理论校核圆筒内壁的强度
r4
2 2 2 1 [( 1- 2) ( 2 - 3) ( 3- 1) ] 2
150MPa [ ]
所以圆筒内壁的强度满足。
强度理论的一个应用
根据强度理论 , 可以从材料在单轴拉伸时的 可推知 低 C 钢类塑性材料在纯剪切应力状态 下的 纯剪切应力状态下 : 1 = , 2 = 0 , 3 = – 按第三强度理论：
( ) [ ]
[ ] 0.5[ ] 2
[]为材料在单轴拉伸是的许用拉应力。
选用 28a 钢能满足剪应力的强度要求。
腹板与翼缘交界处的的强度校核 取 a 点分析
a
y M
max
a
I
84 106 126.3 149.1MPa 4 7114 10
13.7 6 3 S a 122 13.7 (126.3 2 ) 22310 m *
*
a
Q S
x y
横截面上的应力
假想地，用一垂直于轴线的平面将汽包分成两部分，取右边为 研究对象。n— n面为横截面 。 图（d）研究对象的剖面图，其上的外力为压强 p,合力 P .横截面 上只有正应力
材料力学试卷及答案
一、低碳钢试件的拉伸图分为、、、四个阶段。
(10分)二、三角架受力如图所示。
已知F=20kN,拉杆BC采用Q235圆钢，［钢］=140MPa,压杆AB采用横截面为正方形的松木，[木]=10MPa，试用强度条件选择拉杆BC的直径d和压杆AB的横截面边长a。
(15分)三、实心圆轴的直径D＝60 mm。
传递功率P＝70 kW，轴的转速n＝180 r/min，材料的许用切应力[]＝100 MPa，试校核该轴的强度。
（10分）四、试绘制图示外伸梁的剪力图和弯矩图，q、a均为已知。
（15分）qa a2qa2 qaABC五、图示为一外伸梁，l=2m，荷载F=8kN，材料的许用应力[]=150MPa，试校核该梁的正应力强度。
(15分)FCAB六、单元体应力如图所示，试计算主应力，并求第四强度理论的相当应力。
(10分)七、图示矩形截面柱承受压力F 1=100kN 和F 2=45kN 的作用，F 2与轴线的偏心距e =200mm 。
b =180mm ， h =300mm 。
求max和min。
（15分）σx ＝100MPaτx ＝100MPaσy ＝100MPalllFAB DC4F 100m m100mm60mm八、图示圆杆直径d =100mm ，材料为Q235钢，E =200GPa ，p=100，试求压杆的临界力F cr 。
(10分)《材料力学》试卷（1）答案及评分标准一、 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩断裂阶段。
评分标准：各 2.5分。
二、 d =15mm; a =34mm ．评分标准：轴力5分， d 结果5分，a 结果5分。
三、 =87.５ＭＰa, 强度足够．评分标准：T 3分，公式4分，结果3分。
四、评分标准：受力图、支座反力5分，剪力图5分，弯矩图5分。
五、max =155.8MPa ＞［］=100 MPa ，但没超过许用应力的5%，安全． 评分标准：弯矩5分，截面几何参数 3分，正应力公式5分，结果2分。
第四强度理论的适用范围
2
二、第四强度理论的适用范围
第四强度理论即形状改变能密度理论
第四强度理论属于第二类强度理论
研究塑性屈服力学因素
相应的强度条件是：
r4
1 2
1
2 2
2
3 2
3
1 2
按第三强度理论所得的相当应力r3＝178.1 MPa已略超过 许用正应力[ ]=170 MPa，但超过不到5%，在工程计算中
允许的范围内。所以按第三度理论校核梁在强度方面是安 全的。
10
按第四度理论校核
r4
1 2
1
2 2
2
3 2
3
1 2
(e)
tmax
F S* S,max z,max Izd
200103 N 338106 m3 88106 m4 9103 m
85.4 MPa
t max 85.4 MPa t 100 MPa
所以梁满足切应力强度条件。
6
3. 按强度理论校核 按强度理论校核Mmax和FS,max同时所在横截面上腹板与翼缘
交界处的强度
在Mmax和FS,max同时存在的横截面C稍稍偏左的横截面上， 腹板与翼缘交界点a处，正应力和切应力分别比较接近前面求
得的max和tmax，且该点处于平面应力状态，故需利用强度理
论对该点进行强度校核。
7
从a点取出单元体
在横截面C稍稍偏左的横截面上腹板与翼缘交界点a点处 于平面应力状态
知识点：第三和第四强度理论的应用 一、第三强度理论的适用范围 二、第四强度理论的适用范围 三、第三和第四强度理论的应用
四大强度理论
第10章强度理论10.1 强度理论的概念构件的强度问题是材料力学所研究的最基本问题之一。
通常认为当构件承受的载荷达到一定大小时，其材料就会在应力状态最危险的一点处首先发生破坏。
故为了保证构件能正常地工作，必须找出材料进入危险状态的原因，并根据一定的强度条件设计或校核构件的截面尺寸。
各种材料因强度不足而引起的失效现象是不同的。
如以普通碳钢为代表的塑性材料，以发生屈服现象、出现塑性变形为失效的标志。
对以铸铁为代表的脆性材料，失效现象则是突然断裂。
在单向受力情况下，出现塑性变形时的屈服点σ和发生断裂时s的强度极限σ可由实验测定。
sσ和bσ统称为失效应力，以安全系数除失效应力得到b许用应力[]σ，于是建立强度条件[]σσ≤可见，在单向应力状态下，强度条件都是以实验为基础的。
实际构件危险点的应力状态往往不是单向的。
实现复杂应力状态下的实验，要比单向拉伸或压缩困难得多。
常用的方法是把材料加工成薄壁圆筒(图10-1)，在内压p 作用下，筒壁为二向应力状态。
如再配以轴向拉力F，可使两个主应力之比等于各种预定的数值。
这种薄壁筒试验除作用内压和轴力外，有时还在两端作用扭矩，这样还可得到更普遍的情况。
此外，还有一些实现复杂应力状态的其他实验方法。
尽管如此，要完全复现实际中遇到的各种复杂应力状态并不容易。
况且复杂应力状态中应力组合的方式和比值又有各种可能。
如果象单向拉伸一样，靠实验来确定失效状态，建立强度条件，则必须对各式各样的应力状态一一进行试验，确定失效应力，然后建立强度条件。
由于技术上的困难和工作的繁重，往往是难以实现的。
解决这类问题，经常是依据部分实验结果，经过推理，提出一些假说，推测材料失效的原因，从而建立强度条件。
图10－1经过分析和归纳发现，尽管失效现象比较复杂，强度不足引起的失效现象主要还是屈服和断裂两种类型。
同时，衡量受力和变形程度的量又有应力、应变和变形能等。
人们在长期的生产活动中，综合分析材料的失效现象和资料，对强度失效提出各种假说。
压力管道强度理论及校核
压力管道强度理论及校核实际工程中，很少有管子仅承受单一的拉压、剪切、扭转或弯曲载荷，而多是两种或多种载荷同时作用，这样就使得应力的求解变得复杂起来。
与简单的拉压、剪切、扭转和弯曲相比，它的难点主要是表现在以下两个方面：其一是管子中各点的应力求解困难。
此时因涉及的未知变量较多，建立的相应静力平衡方程、物理方程和几何方程较多，求解这些方程的计算工作十分浩繁;其二是管子中的各点可能同时承受三个方向的主应力和六个面上的剪应力，这些应力对材料的强度都将产生影响。
此时如何建立与许多应力有关的强度校核公式是十分棘手的，它既不能象简单变形形式那样用单一的强度指标进行判断，又不能对各个应力分别施以判断，这样做也是不现实的。
下面就针对上述两个问题的解决方法进行介绍。
(一)复杂应力状态下的应力求解对于几何形状比较规则的管子，无论它受力多么复杂，都可以按前面所介绍的步骤和方法进行求解。
即首先从管子中取一微元，然后根据受力情况、几何形状、边界条件等分别建立其静力平衡方程、物理方程和几何方程，然后联解方程。
复杂应力状态下的静力平衡方程、物理方程和几何方程型式如下：1、静力平衡方程：ΣFx=0; ΣFy=0; ΣFz=0ΣMx=0; Σmy=o; ΣMz=02、物理方程：3、几何方程：很显然，对于空间几何形状、受力和边界条件复杂的管道系统，要想对每个管道元件建立并求解上面的联合方程确实不是一件容易的事。
但随着电子计算机的应用，这样的计算就不再是难事了。
事实上，目前计算机已广泛应用于这类问题的计算。
对于形状不规则的管道元件，尤其是管道元件局部形状不规则时(如三通分支的根部、对焊法兰颈部弯曲过渡处等)，有时很难通过其平衡方程、物理方程和几何方程求出能满足边界条件的方程解，也就是说其应力将无法通过方程进行求解，此时往往作出一些假设，或根据试验找出一些修正系数来简化计算，从而求出一些工程上尚可使用的近似解。
值得一提的是，随着有限元技术的发展，它在求解复杂情况下的应力分析计算中得到了应用。
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强度校核（第四强度理论）
取最危险的截面，合成截面所受正应力、切应力、扭矩，再合成校核强度
σ0=√σx2+σy2−σxσy+3τxy2σ y=0
→
，故公式：σ0=√σx2+3τxy2
σ0：屈服强度σ x：正应力τxy：切应力σ y：挤压强度（起重轨道用）
σ x1=F
正/S
截面
σ x2=M
弯
/W=弯矩/抗弯截面系数W 可查询机械设计手册（第五版）1-113
τ xy1=F
切/S
截面
τ xy2=M
转
/W n=转矩/抗扭截面系数圆轴W n=2W
σ y=F
压/S
截面
...
[σs]（[σ2]）：许用屈服强度[τs]= [σs]/√3=0.58[σs]：许用剪切强度
安全系数：
1.5-2倍（交变应力小，如门铰链）
5-6倍（交变应力大，如电机轴，普通材料取6倍，不锈钢软材料取5倍）
计算实例：
1Cr18Ni9材质的实心轴，轴向力16kN，径向力21kN，截面积1965mm2，无弯矩、转矩，无交变1Cr18Ni9 σ 0.2=205MPa [σs]=205/2=102.5MPa
σ x=16000
1965=8.14MPa，τ xy=21000
1965
=10.69MPa
σ0=√8.142+3×10.692=20.2MPa< [σs]=102.5MPa
圆轴刚度计算（扭转角度）
φmax=T max
GI p
rad/m=
T max
GI p
×
180
π
°/m G=E/2(1+μ)
G：切变模量E：弹性模量μ：泊松比I p：极惯性矩。