《材料力学I第三章》PPT课件
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材料力学课件
剪切面
剪切实用计算中，假定剪切面上各点处的切应力相等，于是得剪切面上的名义切应力为：
——剪切强度条件
剪切面为圆形时，其剪切面积为：
对于平键 ，其剪切面积为：
例题 如图所示冲床，Fmax=400kN，冲头[σ]＝400MPa，冲剪钢板τu=360 MPa，设计冲头的最小直径值及钢板厚度最大值。
1.超静定问题-----仅用平衡方程不能求出 反力的问题。
2.变形协调方程-----构件变形关联点之间的几何数量关系。
3.解超静定问题方法-----列静力方程、变形协调方程、物理方程。
例 左端固定铰支的刚性横杆AB，用两根材料相等、截面面积相同的钢杆支撑使AB杆处于水平位置。右杆稍短D距离，现需要在AB杆右端加外载F多大，才能使右孔也铆上。 [解] （板书）
I
I
II
II
| FN |max=100kN
FN2= -100kN
100kN
II
II
FN2
FN1=50kN
I
FN1
I
50kN
50kN
100kN
§2.3 轴向拉、压杆的应力 应力和应变的概念 杆件轴向拉压时横截面上的应力 杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力
F
A
M
C点全应力（总应力）：
应力的概念——截面上某点的内力集度。
FN—轴力 A---横截面面积
σ的正负号与FN相同；即拉伸为正压缩为负
2.3.1轴向拉伸或压缩时横截面上的正应力
例3 已知 F1=2.5kN,F3=1.5kN, 求杆件各段的轴力。
例4 一中段开槽的直杆如图，受轴向力F作用；已知：F=20kN，h=25mm，h0=10mm，b=20mm；试求杆内的最大正应力
剪切实用计算中，假定剪切面上各点处的切应力相等，于是得剪切面上的名义切应力为：
——剪切强度条件
剪切面为圆形时，其剪切面积为：
对于平键 ，其剪切面积为：
例题 如图所示冲床，Fmax=400kN，冲头[σ]＝400MPa，冲剪钢板τu=360 MPa，设计冲头的最小直径值及钢板厚度最大值。
1.超静定问题-----仅用平衡方程不能求出 反力的问题。
2.变形协调方程-----构件变形关联点之间的几何数量关系。
3.解超静定问题方法-----列静力方程、变形协调方程、物理方程。
例 左端固定铰支的刚性横杆AB，用两根材料相等、截面面积相同的钢杆支撑使AB杆处于水平位置。右杆稍短D距离，现需要在AB杆右端加外载F多大，才能使右孔也铆上。 [解] （板书）
I
I
II
II
| FN |max=100kN
FN2= -100kN
100kN
II
II
FN2
FN1=50kN
I
FN1
I
50kN
50kN
100kN
§2.3 轴向拉、压杆的应力 应力和应变的概念 杆件轴向拉压时横截面上的应力 杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力
F
A
M
C点全应力（总应力）：
应力的概念——截面上某点的内力集度。
FN—轴力 A---横截面面积
σ的正负号与FN相同；即拉伸为正压缩为负
2.3.1轴向拉伸或压缩时横截面上的正应力
例3 已知 F1=2.5kN,F3=1.5kN, 求杆件各段的轴力。
例4 一中段开槽的直杆如图，受轴向力F作用；已知：F=20kN，h=25mm，h0=10mm，b=20mm；试求杆内的最大正应力
材料力学第3章扭转
试问：纵向截面里的切应力是由什么内力平衡的？
§3.8 薄壁杆件的自由扭转
薄壁杆件：杆件的壁厚远小于截面的其它尺寸。 开口薄壁杆件：杆件的截面中线是不封闭的折线或曲
线，例如：工字钢、槽钢等。 闭口薄壁杆件：杆件的截面中线是封闭的折线或曲线，
例如：封闭的异型钢管。
一、开口薄壁杆的自由扭转
＝ Tl
GI t
变形特点：截面发生绕杆轴线的相对转动 本章主要研究圆截面等直杆的扭转
§3.2 外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图
功率： P(kW) 角速度：ω 外力偶矩：Me
P = Meω
转速：n(r/min)
2n/ 60
Me
1000 P＝9549
P n
(N
m)
内力偶矩：扭矩 T 求法：截面法
符号规则： 右手螺旋法则 与外法线同向“ + ” 与外法线反向“－”
max
T max
It
It
1 3
hi
3 i
二、闭口薄壁杆的自由扭转
max
T
2 min
TlS
4G 2
其中：ω截面为中线所围的面积
S 截面为中线的长度
闭口薄壁杆的应力分布：
例： 截面为圆环形的开口和闭口薄壁杆件如图所 示，设两杆具有相同平均半径 r 和壁厚δ，试 比较两者的扭转强度和刚度。
开＝3 r 闭 开＝3( r )2 闭
8FD3n Gd 4
C
ห้องสมุดไป่ตู้
Gd 4 8D3n
F C
§3.7 矩形截面杆扭转的概念
1) 翘曲
变形后杆的横截面不再保持为平面的现象。
2) 自由扭转和约束扭转
自由扭转：翘曲不受限制的扭转。 各截面翘曲程度相同，纵向纤维无伸缩， 所以，无正应力，仅有切应力。
材料力学 第三章 扭转PPT课件
8
(Torsion)
9
(Torsion)
10
(Torsion) 轴： 工程中以扭转为主要变形的构件。
齿轮轴
11
(Torsion)
二、受力特点(Character of external force)
杆件的两端作用两个大小相等、方
向相反、且作用平面垂直于杆件轴
线的力偶.
me
三、变形特点(Character of deformation)
4
(Torsion)
§3-1 扭转的概念及实例 (Concepts and example problem of torsion)
一、工程实例(Example problems)
1、螺丝刀杆工作时受扭。
5
(Torsion)
6
(Torsion)
2、汽车方向盘的转动轴工作时受扭。
7
(Torsion)
MA ml
2、截面法求扭矩 TMAmx
Tm (lx)
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
21
(Torsion)
§3-3 薄壁圆筒的扭转
(Tors
薄壁圆筒：壁厚
1 10
r0（r0—圆筒的平均半径）
一、应力分析 (Analysis of stress)
杆件的任意两个横截面都发生绕轴线的相对转动.
Me
Me
12
(Torsion)
§3-2 扭转的内力的计算 (Calculating internal force of torsion)
一、外力偶矩的计算 (Calculation of external moment)
1秒钟输入（出）的功：P×1000N•m
(Torsion)
9
(Torsion)
10
(Torsion) 轴： 工程中以扭转为主要变形的构件。
齿轮轴
11
(Torsion)
二、受力特点(Character of external force)
杆件的两端作用两个大小相等、方
向相反、且作用平面垂直于杆件轴
线的力偶.
me
三、变形特点(Character of deformation)
4
(Torsion)
§3-1 扭转的概念及实例 (Concepts and example problem of torsion)
一、工程实例(Example problems)
1、螺丝刀杆工作时受扭。
5
(Torsion)
6
(Torsion)
2、汽车方向盘的转动轴工作时受扭。
7
(Torsion)
MA ml
2、截面法求扭矩 TMAmx
Tm (lx)
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
21
(Torsion)
§3-3 薄壁圆筒的扭转
(Tors
薄壁圆筒：壁厚
1 10
r0（r0—圆筒的平均半径）
一、应力分析 (Analysis of stress)
杆件的任意两个横截面都发生绕轴线的相对转动.
Me
Me
12
(Torsion)
§3-2 扭转的内力的计算 (Calculating internal force of torsion)
一、外力偶矩的计算 (Calculation of external moment)
1秒钟输入（出）的功：P×1000N•m
材料力学课件-第三章-轴向拉压变形
Δ
F
f
o
d
A
d
•弹性体功能原理：Vε W ,
f df
• 拉压杆应变能
2 FN l V ε 2 EA
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BUAA
MECHANICS OF MATERIALS
*非线性弹性材料
F
f
•外力功计算
W fd
0
F W 2
•功能原理是否成立? •应变能如何计算计算?
dx
dz
dy
x
•单向受力体应变能
V v dxdydz dxdydz 2E
2
z
单向受力
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BUAA
MECHANICS OF MATERIALS
2 dxdydz •单向受力体应变能 V v dxdydz 2E FN ( x ) •拉压杆 (x)= , dydz A A 2 FN ( x ) V dx （变力变截面杆） y 2 EA( x ) l 2 FN l dx （常应力等直杆） V dz 2 EA •纯剪应变能密度 dy dxdz dy dxdydz dVε 2 2 2 1 2 z v G 纯剪切
BUAA
MECHANICS OF MATERIALS
第三章
§3-1 §3-2 §3-3 §3-4
§3-5 §3-6
轴向拉压变形
引言 拉压杆的变形与叠加原理 桁架的节点位移 拉压与剪切应变能
简单拉压静不定问题 热应力与预应力
Page1
BUAA
MECHANICS OF MATERIALS
本章主要研究:
Page7
材料力学第三章ppt课件
R
该定理表明：在单元体相互垂直的 两个平面上，切应力必然成对存在，
y t
´
a
b
且数值相等，两者都垂直于两平面 的交线，其方向则共同指向或共同
dy
c
´
d
x
背离该交线。
z dx
三、切应变、剪切胡克定律
T=M
= T
2A 0t
=R L
剪切虎克定律：当切应力不超过材料的剪切比例极限时（τ
用截面法研究横截面上的内力
T = Me
§3.2 外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图
扭矩正负规定
右手螺旋法则 右手拇指指向外法线方向为正(+),反之为负(-)
扭矩图
扭矩沿杆件轴线变化规律的图线。
目 ①扭矩变化规律；
的 ②|T |max值及其截面位置
强度计算（危险截面）。
T
x
例题1已知：一传动轴，n =300r/min，主动轮输入
M 4 9 .5 5P n 4 9 .5 5 3 2 0 0 0 06 .3(k N m )
解：（2）求扭矩（扭矩按正方向设）
M1 15.9
1-1 截面
M2M34.8
M4 6.3
M 0 x
T1 M2 0
M2 1
T 1M 24.8kN m
M3 2
M1 3 M4
≤τp )，切应力与切应变成正比关系。
三、切应变、剪切胡克定律
G
拉压胡克定律： E
式中：G 是材料的一个弹性常数，称为切变模量
切变模量、弹性模量和泊松比是表明材料弹性性质的三个常 数。对各向同性材料，这三个弹性常数之间存在下列关系：
材料力学(I)第三章(配孙训方版)(第五版)PPT课件
T
2 r02
T
2A0
A0：平均半径所作圆的面积。
三、剪应力互等定理：
mz 0
t dxdy t dxdy 故
a
dy
´
c
z
dx
´
b
d t
上式称为剪应力互等定理。
该定理表明：在单元体相互垂直的两个平面上，剪应 力必然成对出现，且数值相等，两者都垂直于两平面的交 线，其方向则共同指向或共同背离该交线。
第三章 扭 转 (Torsion)
§3–1 概述 §3–2 传动轴的外力偶矩 ·扭矩及扭矩图 §3–3 薄壁圆筒的扭转 §3–4 等直圆杆在扭转时的应力 ·强度分析 §3–5 等直圆杆在扭转时的变形 ·刚度条件 ·超静定问题 §3–6 等直圆杆在扭转时的应变能 §3–7 等直非圆杆在自由扭转时的应力和变形 §3–8 开口和闭合薄壁截面杆在自由扭转时的应力和变形
③所有矩形网格均歪斜成同样大小的平行四边形。
微小矩形单元体如图所示：
①无正应力 ②横截面上各点处，只产 dy 生垂直于半径的均匀分布的剪
应力 ，沿周向大小不变，方
向与该截面的扭矩方向一致。
4. 与 的关系：
L R
R L
´
a
b
´
c
d
dx
二、薄壁圆筒剪应力 大小：
A dAr0 T
r0 AdA r0 2 r0 T
②物理关系方面
一、等直圆杆扭转实验观察：
各圆周线的形状、大小和间 距均未改变，仅绕轴线作相对转 动；各纵向线均倾斜了同一微小
角度 。
可假设： 1. 横截面变形后仍为平面； 只是刚性地绕杆轴线转动； 2. 轴向无伸缩；
可认为： 圆周扭转时可视为
材料力学第三章-PPT
Me3
r / min
Me1 15915 N m
2
3
Me2 Me3 4774.5 N m
Me4 6366 N m
Me1 n Me4
1
4
6366 N·m
+
2)画扭矩图
4774.5 N·m
9549 N·m
【课堂练习】若将
Me2
Me4
从动轮3与4对调如
18
Me1 n Me3
图,试作扭矩图、
2
BC段内:
2,max
T2 Wp 2
π
14103 71.3MPa 100 103 3
3)校核强度
16
2,max >1,max且2,max<[ ] = 80MPa,满足强度条件、
36
§3-5 等直圆杆扭转时得变形·刚度条件
Ⅰ、 扭转时得变形
等直圆杆得扭转变形可用两个横截面得
相对扭转角(相对角位移) j 来度量。
GIP
j Tl 180 GIP
—单位为度 (º)
若圆轴在第i段标距li内Gi、IPi、Ti为常 数,则相对扭转角:
n
j
T i li
—单位为弧度(rad)
i1 Gi I Pi
n
j
T i li 180 —单位为度 (º)
i1 Gi I Pi
39
【例3-4】钢制实心圆轴中,M1=1 592 N·m,M2 = 955 N·m,M3 = 637 N·m,lAB = 300 mm,lAC = 500 mm,d = 70 mm ,切变模量G = 80 Gpa、试求横截面C 相对于
Me
Me
FS左=τ左dydz
FS右=τ右dydz
材料力学课件第3章
•比较重量:
W空 W实
A空 A实
D2 d D2
2
762
(76 2 4 6 .9 2
2 .5) 2
0.334
显然,空心轴比实心轴节省材料.
W空 0.334 W实
在扭转轴设计中,选用空心轴是
一种合理的设计.
26
3.5 圆轴扭转时的变形与刚度条件
一.两横截面间相对扭转角
nm γ
Me φ
由前节
2. 给出功率, 转速
(kw)
Me = 9549
P n
(N. m)
(r/min)
5
3.2 外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图 二.横截面上的内力
截面法求内力： 截，取，代，平
Mx 称为截面上的扭矩
Mx 0 Mx Me 0 即 Mx Me
按右手螺旋法：
指离截面为正，
M x 指向截面为负。
6
3.2 外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图
MeB MeC
MeD Mx2
MeB
Mx13
Mx2=(MeB+MeC) = 955N·m
3.画扭矩图
Mx(N·m)
636.5
477.5
x 955
危险截面：AC 段 Mx max 955N m 8
3.2 外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图
MeA=1591.5N·m MeC=MeB=477.5N·m MeD=636.5N·m
max
M x max Wp
[ ]
（先计算IP，WP）
max
M x max GIP
180
[ ](o /m)
等直圆轴扭转
30
3.5 圆轴扭转时的变形与刚度条件
例3. 已知: PA=6kW、PB=4kW、PC=2kW [=30MPa
材料力学课件_第三章
200MPa，许用压应力为150MPa。
1、若F=20KN，试校核该结构的强度；
2、确定该结构的许用载荷F；
3、若F=25KN，试确定杆的截面积A 。
A
1)、内力分析：
FAB sin(600 ) FBC sin(300 ) F
600
FAB cos(600 ) FBC cos(300 ) 0
当退化到各向同性弹性体时得到两个弹性常数。但柯 西认为纳维的单常数理论才是正确的。
1829年，泊松用纳维—柯西方法讨论板的平衡问题 时
指出，各向同性弹性杆受到单向拉伸，产生纵向应 变，同时会联带产生横向收缩，此横向应变为-x， 并证明=1/4。纳维—柯西—泊松的单常数理论
Page16
BUAA
MECHANICS OF MATERIALS
F
F
FS
F/2 F/2
F/2 F/2
F/2
FS
A
FS [ ]
F
A
Page8
BUAA
➢ 挤压强度分析
Fb
Fb
MECHANICS OF MATERIALS Fb
bs
Fb
d
F
F
Page9
BUAA
➢ 拉伸强度分析
Fb
2
d
2
b
MECHANICS OF MATERIALS
钉拉断：
max
(b
F
d )
dG 0
d
Page5
BUAA
MECHANICS OF MATERIALS
§2-8 连接件部分的强度计算——假定计算法
Page6
BUAA
MECHANICS OF MATERIALS
第三章 材料力学课件
例题
3.5
一内径d=100mm的空心圆轴如图示，已知圆轴受扭 矩T=5kN·m，许用切应力[τ]=80MPa，试确定空心圆轴 的壁厚。
因不知道壁厚，所以不知道是不是薄壁圆筒。分别按薄壁圆筒 和空心圆轴设计 薄壁圆筒设计 2T T 2 τ= d ≤ δ δ τ +δ τ= 设平均半径 R0=(d+δ)/2 2 2πR0 δ πτ
例题
3.1
=500kW， =150kW， =150kW， P1=500kW，从动轮输出 P2=150kW，P3=150kW， =200kW，试绘制扭矩图。 P4=200kW，试绘制扭矩图。
m2
解：①计算外力偶矩
1
m3
2
m1
3
m4
P 500 3 m = 9.55 1 = 9.55⋅ 1 2 n 1 300 n A B C = 15.9(kN ⋅ m ) P P 2 m4 = 9.55 4 = 9.55 m2 = m3 = 9.55 = n n 200 150 ⋅ = 6.37 (kN⋅ m ) = 4.78 (kN⋅ m ) 9.55⋅ 300 300
τ −45 = 0
0
τ
τ τ
α = 450
σ45 = σmin = −τ
0
σmin
τ
τ 45 = 0
0
σmax
扭转破坏试验
低碳钢试件： 沿横截面断开。 先发生屈服，试件表面横向和纵 向出现滑移。 铸铁试件： 沿与轴线约成45°的螺旋线 断开。
强度条件
τ max ≤ [τ ]
强度计算的三类问题 ：
D
②求扭矩（扭矩按正方向设） 求扭矩（扭矩按正方向设）
∑mC = 0 , T + m2 = 0 1 T = −m2 = −4.78kN⋅ m 1 T2 + m2 + m3 = 0 , T2 = −m2 − m3 = −(4.78 + 4.78) = −9.56kN⋅ m T3 − m4 = 0 , T3 = m4 = 6.37kN⋅ m
河海大学 , 材料力学 , 课件 , 第3章 , 扭转
又
Mx 2 2r0
(a)
l r0
r0 l
b
τ b τs a τp O
τp——剪切比例极限 τs——剪切屈服极限
γ
α
低碳钢τ-γ曲线
切变模量 G = τ/ γ= tanα
α——直线的倾角
各向同性材料：
E G 21
铸铁扭转破坏试验：
τ
τb——剪切强度极限
∴ 横截面上最大切应力发生在厚度δi 最大的狭 长矩形的长边中点处。
max
MX 1 3 max 3 hi i
例3-5：两薄壁钢管。（a）为闭口薄同，且δ / D0= 1 / 10，试求在相同的外力偶
矩作用下，哪种截面形式较好。
P(kW) T 9.55 (kN m) n(rpm)
§3-2 圆杆扭转时的应力
一、横截面上的应力
Mx
分析步骤？
变形分析→应变分布
应力应变关系→应力分布 静力学关系→应力值
周线 T
纵线 T υ 轴线
1、几何方面
a
b
c
γ
d
（1）变形现象
A、周线大小、形状和周线间距不变，只是绕
轴线作相对转动。
d dx
—单位长度相对扭转角
γρ——切应变
dυ
2、物理方面
γρ
e e`
弹性变形时: τ= Gγ
——剪切胡克定律。 G—材料的切变模量。
d G G －－－（a） dx
τmax τ
O
3、静力学方面
A
dA M x
2
τ
r
ρ
dA
d （b ）式代入， A G dA M x dx
Mx 2 2r0
(a)
l r0
r0 l
b
τ b τs a τp O
τp——剪切比例极限 τs——剪切屈服极限
γ
α
低碳钢τ-γ曲线
切变模量 G = τ/ γ= tanα
α——直线的倾角
各向同性材料：
E G 21
铸铁扭转破坏试验：
τ
τb——剪切强度极限
∴ 横截面上最大切应力发生在厚度δi 最大的狭 长矩形的长边中点处。
max
MX 1 3 max 3 hi i
例3-5：两薄壁钢管。（a）为闭口薄同，且δ / D0= 1 / 10，试求在相同的外力偶
矩作用下，哪种截面形式较好。
P(kW) T 9.55 (kN m) n(rpm)
§3-2 圆杆扭转时的应力
一、横截面上的应力
Mx
分析步骤？
变形分析→应变分布
应力应变关系→应力分布 静力学关系→应力值
周线 T
纵线 T υ 轴线
1、几何方面
a
b
c
γ
d
（1）变形现象
A、周线大小、形状和周线间距不变，只是绕
轴线作相对转动。
d dx
—单位长度相对扭转角
γρ——切应变
dυ
2、物理方面
γρ
e e`
弹性变形时: τ= Gγ
——剪切胡克定律。 G—材料的切变模量。
d G G －－－（a） dx
τmax τ
O
3、静力学方面
A
dA M x
2
τ
r
ρ
dA
d （b ）式代入， A G dA M x dx
材料力学 第 三 章 扭转
扭转平面假设：变形前的横截面，变形后仍为平面，且形状 、大小
以及间距不变，半径仍为直线。
定性分析横截面上的应力
（1）∵ε = 0∴σ = 0
（2）∵ γ ≠ 0∴τ ≠ 0
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，并且方向 垂直于其半径方向。
切应变的变化规律：
D’
取楔形体
O1O2ABCD 为 研究对象
γ ≈ tgγ = DD' = Rdϕ
dx dx
微段扭转
变形 dϕ
γ ρ ≈ tgγ ρ = dd′ = ρ ⋅ dϕ
dx dx
γ
ρ
=
ρ
dϕ
dx
dϕ / dx－扭转角变化率
圆轴横截面上任一点的切应变γρ
与该点到圆心的距离ρ成正比。
（二）物理关系：由应变的变化规律→应力的分布规律
弹性范围内 τ max ≤ τ P
τ max
=
T
2π r 2t
=
180 ×103
2π × 0.132× 0.03
= 56.5MPa
(2) 利用精确的扭转理论可求得
τ max
=
π D3
T
(1−α 4 )
16
=
180 ×103
π×
0.293
⎡ ⎢1 −
⎜⎛
230
⎟⎞
4
⎤ ⎥
16 ⎢⎣ ⎝ 290 ⎠ ⎥⎦
= 62.2MPa
思考题
由两种不同材料组成的圆轴，里层和外层材料的 切变模量分别为G1和G2，且G1=2G2。圆轴尺寸如 图所示。圆轴受扭时，里、外层之间无相对滑动。 关于横截面上的切应力分布，有图中（A）、（B）、 （C）、（D）所示的四种结论，请判断哪一种是正 确的。
以及间距不变，半径仍为直线。
定性分析横截面上的应力
（1）∵ε = 0∴σ = 0
（2）∵ γ ≠ 0∴τ ≠ 0
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，并且方向 垂直于其半径方向。
切应变的变化规律：
D’
取楔形体
O1O2ABCD 为 研究对象
γ ≈ tgγ = DD' = Rdϕ
dx dx
微段扭转
变形 dϕ
γ ρ ≈ tgγ ρ = dd′ = ρ ⋅ dϕ
dx dx
γ
ρ
=
ρ
dϕ
dx
dϕ / dx－扭转角变化率
圆轴横截面上任一点的切应变γρ
与该点到圆心的距离ρ成正比。
（二）物理关系：由应变的变化规律→应力的分布规律
弹性范围内 τ max ≤ τ P
τ max
=
T
2π r 2t
=
180 ×103
2π × 0.132× 0.03
= 56.5MPa
(2) 利用精确的扭转理论可求得
τ max
=
π D3
T
(1−α 4 )
16
=
180 ×103
π×
0.293
⎡ ⎢1 −
⎜⎛
230
⎟⎞
4
⎤ ⎥
16 ⎢⎣ ⎝ 290 ⎠ ⎥⎦
= 62.2MPa
思考题
由两种不同材料组成的圆轴，里层和外层材料的 切变模量分别为G1和G2，且G1=2G2。圆轴尺寸如 图所示。圆轴受扭时，里、外层之间无相对滑动。 关于横截面上的切应力分布，有图中（A）、（B）、 （C）、（D）所示的四种结论，请判断哪一种是正 确的。
《材料力学》第三章 轴向拉压变形
-3（共 4 页）
第三章 轴向拉压变形
*四、温度应力、装配应力 一）温度应力：由温度引起杆变形而产生的应力（热应力） 。 温度引起的变形量—— L tL 1、静定问题无温度应力。 2、超静定问题存在温度应力。 二）装配应力——预应力、初应力：由于构件制造尺寸产生的制造误差，在装配时产生变形而引起的应 力。 1、静定问题无装配应力 2、超静定问题存在装配应力。 轴向拉压变形小结 一、拉压杆的变形（重点） 1、轴向变形：轴向尺寸的伸长或缩短。 2、横向变形：横向尺寸的缩小或扩大。 3、横向变形系数（泊松比） ： 4、变形——构件在外力作用下或温度影响下所引起的形状尺寸的变化。 5、弹性变形——外力撤除后，能消失的变形。 6、塑性变形——外力撤除后，不能消失的变形。 3、横向变形系数 7、位移——构件内的点或截面，在变形前后位置的改变量。 8、正应变——微小线段单位长度的变形。
4、求变形： L
FN L EA
LAB
FNAB LAB 240 3.4 104 2.67(m m) EAAB 2.114.54
LCD 0.91mm LEF 1.74mm
5、求位移,变形图如图
LGH 1.63mm
D
LEF LGH DG LGH 1.70 mm EG
第三章 轴向拉压变形
第三章
一、概念 1、轴向变形：轴向尺寸的伸长或缩短。 2、横向变形：横向尺寸的缩小或扩大。 二、分析两种变形
轴向拉压变形
§3—1 轴向拉压杆的变形
b
L F F
b1
L1
1、轴向变形：Δ L=L1-L ，
L L F L （2） 、在弹性范围内： L N A
（1） 、轴向正应变线应变：
第三章 轴向拉压变形
*四、温度应力、装配应力 一）温度应力：由温度引起杆变形而产生的应力（热应力） 。 温度引起的变形量—— L tL 1、静定问题无温度应力。 2、超静定问题存在温度应力。 二）装配应力——预应力、初应力：由于构件制造尺寸产生的制造误差，在装配时产生变形而引起的应 力。 1、静定问题无装配应力 2、超静定问题存在装配应力。 轴向拉压变形小结 一、拉压杆的变形（重点） 1、轴向变形：轴向尺寸的伸长或缩短。 2、横向变形：横向尺寸的缩小或扩大。 3、横向变形系数（泊松比） ： 4、变形——构件在外力作用下或温度影响下所引起的形状尺寸的变化。 5、弹性变形——外力撤除后，能消失的变形。 6、塑性变形——外力撤除后，不能消失的变形。 3、横向变形系数 7、位移——构件内的点或截面，在变形前后位置的改变量。 8、正应变——微小线段单位长度的变形。
4、求变形： L
FN L EA
LAB
FNAB LAB 240 3.4 104 2.67(m m) EAAB 2.114.54
LCD 0.91mm LEF 1.74mm
5、求位移,变形图如图
LGH 1.63mm
D
LEF LGH DG LGH 1.70 mm EG
第三章 轴向拉压变形
第三章
一、概念 1、轴向变形：轴向尺寸的伸长或缩短。 2、横向变形：横向尺寸的缩小或扩大。 二、分析两种变形
轴向拉压变形
§3—1 轴向拉压杆的变形
b
L F F
b1
L1
1、轴向变形：Δ L=L1-L ，
L L F L （2） 、在弹性范围内： L N A
（1） 、轴向正应变线应变：
高等材料力学课件第三章-应变状态
( yz xz xy ) 2 2 x
x x y z
yz
( yz xz xy ) 2 2 y
y x y z
xz
( yz xz xy ) 2 2 z
z x y z
xy
§3.3 应变协调7
•变形协调方程的数学意义
•使3个位移为未知函数的六个几何方程不相矛 盾。
•变形协调方程的物理意义
而且改变了物体内部各个点的相对 位置。
§3.1 变形2
M (x, y, z) M (x, y, z)
u=x'（x，y，z）－ x=u（x，y，z） v=y'（x，y，z）－ y=v（x，y，z） w=z'（x，y，z）－ z=w（x，y，z）
位移u，v，w是单值连续函数
进一步分析假定位移函 数具有连续的三阶导数
• 目录
• §3.1 变形与应变概念
• §3.2 向
主应变与主应变方
• §3.3 应变协调方程
§3.1 变形与应变概念
• 由于外部因素 ——载荷或温度变化 • 位移—— 物体内部各点空间位置发
生变化 • 位移形式 • 刚体位移：物体内部各点位置变化，
但仍保持初始状态相对位置不变。 • 变形位移：位移不仅使得位置改变，
§3.3 应变协调15
• 如果物体表面的位移已知，称为位移边界 • 位移边界用Su表示。
• 如果物体表面的位移 u, v, w,已知
• 边界条件为
uu vv ww
• 称为位移边界条件
§3.3 应变协调16
• 设物体表面为S • 位移已知边界Su • 面力已知边界Ss
则 S＝Su＋Ss
• 弹性体的整个边界，是由面力边界和位移边 界构成的。
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D
Ip
2d A
2 d
2π
3
d
A
2
π D4 d 4 πD4 1 4
32
32
其中 d
D
Wp
Ip D/2
π
D4 d4 16D
πD3 16
14
思考：对于空心圆截面，
W，p其原因π1D是6什3 么1？ 3
31
Ⅲ. 单元体· 切应力互等定理 以横截面、径向截面以及与表面平行的面(切向截面)从受扭的薄壁圆
T
Ip
28
T
Ip
横截面周边上各点处(r = r)的最大切应力为
max
Tr Ip
T Ip
T Wp
r
式中Wp称为扭转截面系数，其单位为 m3。
29
Ⅱ.圆截面的极惯性矩Ip和扭转截面系数Wp (1) 实心圆截面
Ip
2 d A
A
d 2
2π 3
d
πd 4
0
32
Wp
Ip d/2
πd 3 16
30
(2)空心圆截面
27
(3) 静力学方面
A dA T
即
G dj 2dA T dx A
其中
d A 称2为横截面的极惯性矩Ip(单位:m4)，它
是横截面A的几何性质。
以 Ip
代入2 上d式A得：
A
dj T
d x GIp
从而得等直圆杆在线弹性范围内扭转时，横截面上任一点处切应力计算公式
ρ
G
T GIp
第3 章 扭 转
§3-1 概述 §3-2 薄壁圆筒的扭转 §3-3 传动轴的外力偶矩·扭矩及扭矩图 §3-4 等直圆杆扭转时的应力·强度条件 §3-5 等直圆杆扭转时的变形·刚度条件 §3-6 等直圆杆扭转时的应变能 §3-7 等直非圆杆自由扭转时的应力和变形 *§3-8 开口和闭口薄壁截面杆自由扭转
48
例题 3-4
图示阶梯状圆轴，AB段直径d1=120 mm，BC段直径d2=100 mm。扭转力偶矩MA =22 kN·m，MB =36 kN·m，MC =14 kN·m，材料的许用切应力[t ]=80 MPa。试校 核该轴的强度。
49
例题 3-4
解： 1. 绘扭矩图
50
例题 3-4
2. 分别求每段轴横截面上的最大切应力
D2 d1
3
1 1 0.84
1.194
因为两轴的长度l 和材料密度r 分别相同，所以两轴的重量比即为其
横截面面积之比
π
A2 4 A1
D22
d
2 2
π 4
d12
D22
12
d12
1.1942 1 0.82
0.512
46
例题 3-2
zmax
max
d1
(c)
d2 D2
(d)
切应力的分布规律如图c、d所示，当tmax＝[t]时，实心轴圆心附近的
筒或等直圆杆内任一点处截取一微小的正六面体——单元体。
由单元体的平衡条件∑Fx=0 和∑Mz=0 知单元体的上、下两个平面(即杆的径向截面上) 必有大小相等、指向相反的一对力t'dxdz并组成 其矩为(t'dxdz)dy 力偶。
由 Mz 0
d y d zd x d x d zd y
可得 jm ax [j ]
38
39
低碳钢扭转试验演示
低碳钢扭转破坏断口
40
铸铁扭转破坏试验演示
41
铸铁扭转破坏断口
42
思考：低碳钢和铸铁的圆截面试件其扭转破坏的断口分别如图a及图b 所示，试问为什么它们的断口形式不同？
43
例题 3-2
直径为d1的实心圆轴Ⅰ(图a)和内、外直径分别为d2和D2，a＝ d2/ D2=0.8的空心圆轴Ⅱ(图b),两轴的长度、材料、扭矩分别相同。试求两种圆轴在 横截面上最大切应力相等的情况下，D2与d1之比以及两轴的重量比。
17
例题 3-1
一传动轴如图，转速n=300 r/min，转向如图所示。主动轮A输入的功率P1= 500 kW，三个从动B、C、D轮输出的功率分别为：P2= 150 kW，P3= 150 kW， P4= 200 kW。试作轴的扭矩图。
18
例题 3-1
1. 计算作用在各轮上的外力偶矩
M1
(9.55
应力。
35
分离体上作用力的平衡方程为
F 0,
d A d Acos sin d Asin cos 0
F 0,
d A d Acos cos d Asin sin 0
利用t =t '，经整理得
sin 2 , cos 2
36
sin 2 , cos 2
21
思考：如果将从动轮D与C的位置对调，试作该传动
轴的扭矩图。这样的布置是否合理？
22
§3-4 等直圆杆扭转时的应力·强度条件
Ⅰ. 横截面上的应力
表面 变形 情况
横截面 推断 的变形
情况
(问题的几何方面)
横截面 上应变 的变化 规律
应力-应变关系
横截面上 内力与应力的关系 横截面上应力
应力变化
的计算公式
时的应力与变形
1
§3-1 概 述
受力特点： 圆截面直杆在与杆的轴线垂直平面内的外力偶Me作用下 发生扭转。
变形特点: Ⅰ. 相邻横截面绕杆的轴线相对转动； Ⅱ. 杆表面的纵向线变成螺旋线； Ⅲ. 实际构件在工作时除发生扭转变形 外，还伴随有弯曲或拉、压等变形。
2
圆轴扭转变形动画
3
本章研究杆件发生除扭转变形外，其它变形可忽略的情况，并且以圆 截面(实心或空心圆截面)杆为主要研究对象。此外，所研究的问题限于杆在线 弹性范围内工作的情况。
19
例题 3-1
2. 计算各段的扭矩
BC段内：
T1 M2 4.78 kN m
注意这个扭矩是假定为负的
CA段内：
T2 M2 M3 9.56 kN m (负) AD段内： T3 M4 6.37 kN m
20
例题 3-1
3. 作扭矩图
由扭矩图可见，传动轴的最大扭矩Tmax在CA段内，其值为9.56 kN·m。
规律
(问题的静力学方面)
(问题的物理方面)
23
(1) 几何方面
1. 表面变形情况： (a) 相邻圆周线绕杆的轴线相对转动，但它们的大小和形状未变，小变形情况 下它们的间距也未变； (b) 纵向线倾斜了一个角度g 。 平面假设——等直圆杆受扭转时横截面如同刚性平面绕杆的轴线转动，小变形 情况下相邻横截面的间距不变。 推知：杆的横截面上只有切应力，且垂直于半径。
103
500)N 300
m
15.9
103
N
m
15.9
kN
m
M2
M3
(9.55 103
150) 300
N
m
4.78 103
N
m
4.78
kN
m
M4
(9.55 103
200) 300
Nm
6.37 103
N
m
6.37
kN
m
主动轮上M1的转向和轴的转向相同，从动轮上的M2、M3、M4的转向和轴
的转向相反。
44
例题 3-2
1. 分别求两轴的最大切应力
Wp1
πd13 16
,
Wp2
πD23 16
14
1,max
T1 Wp1
Me Wp1
16Me πd13
2,max
T2 Wp2
Me Wp2
16Me
πD23 1 4
45
例题 3-2
2. 求D2/d1和二轴重量之比。 由t1,max=t2,max，并将a ＝0.8代入得
化率，常用dj'x来表示，对于给定的横截
面为常量。
可见，在横截面的同一半径 r 的圆周上各点处的切应变gr 均相同； gr与r 成正比，且发生在与半径垂直的平面内。
26
(2) 物理方面 由剪切胡克定律 t = Gg 知
Gg
G
dj
dx
可见，在横截面的同一半径 r 的圆周上各点处的切应力tr 均相同， 其值 与r 成正比，其方向垂直于半径。
13
因此，外力偶Me每秒钟所作功，即该轮所传递 的功率为
{P}kw
{M e }Nm
{}rad
{t}s
103
{Me }Nm
rad s
103
因此，在已知传动轴的转速n(亦{即M传e }动N轴m上每2个π轮的{n转}6速r0m)i和n 主1动0轮3或从
动轮所传递的功率P之后，即可由下式计算作用于每一轮上的外力偶矩：
24
2. 横截面上一点处的切应变随点的位置的变化规律
a
b
Tபைடு நூலகம்
O1
E
A
g
T
g
G
O2
D
dj
G'
D'
g
ρ
tang
ρ
GG EG
dj
dx
即
a
d/2
O1 E
A
g
dx dx
g
D
b
O2 G
dj
G'
g
ρ
dj
dx
25
D'
a
b
T
O1
E
A
g
a
T
g
G
O2
D
dj
G'
D'
dx
b
g
ρ
dj