扭转应力与强度条件
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材料力学课件第3-4章
L M x( x) d x
0 GIP (x)
28
3.5 圆轴扭转时的变形与刚度条件
二. 刚度条件
对等直轴:
d
dx
Mx GIP
单位长度的扭转角
等直圆轴扭转
max
M x max GIP
180
[ ](o /m)
对阶梯轴: 需分段校核。
max
M x max GIP
180
[ ](ο /m)
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
10
3.3 薄壁圆筒的扭转 纯剪切
一. 薄壁筒扭转实验
nm
t
实验观察 分析变形
x
r
nm l
mn没变 x = 0
x = 0
Me
nm
γ
Me
φ
x
r没变 = 0
= 0
nm
Me
nm
Mx
x
n m Mx
11
3.3 薄壁圆筒的扭转 纯剪切
Me Mx
nm
Mx
n m Mx
由于轴为薄壁,所以认
为 沿t 均布.即 =C
max
M x max Wp
31.5 103 m
M x max d 3
16
04、基本知识 怎样推导轴向拉压和扭转的应力公式、变形公式(供参考)
04、基本知识 怎样推导轴向拉压和扭转的应力公式、变形公式（供参考）同学们学习下面内容后，一定要向老师回信（****************），说出你对本资料的看法（收获、不懂的地方、资料有错的地方），以便考核你的平时成绩和改进我的工作。
回信请注明班级和学号的后面三位数。
1 * 问题的提出 ........................................................................................................................... 1 2 下面就用统一的步骤，研究轴向拉压和扭转的应力公式和变形公式。
........................... 2 3 1.1 轴向拉压杆的应力公式推导 ............................................................................................ 2 4 1.2 轴向拉压杆的变形公式推导 ............................................................................................ 4 5 1.3 轴向拉压杆应力公式和变形公式的简要推导 ................................................................ 4 6 1.4 轴向拉压杆的强度条件、刚度条件的建立 .................................................................... 4 7 2.1 扭转轴的应力公式推导 .................................................................................................... 5 8 2.2 扭转轴的变形公式推导 .................................................................................................... 7 9 2.3 扭转轴应力公式和变形公式的简要推导 ........................................................................ 7 10 2.4 扭转的强度条件、刚度条件的建立 ............................................................................ 8 11 3. 轴向拉压、扭转、梁的弯曲剪切，应力公式和变形公式推导汇总表 .. (9)1* 问题的提出在材料力学里，分析杆件的强度和刚度是十分重要的，它们是材料力学的核心内容。
材料力学第四章 扭转
则上式改写为
max
T GI p
180
(/m)
×
例５ 图示圆轴，已知mA =1kN.m， mB =3kN.m， mC
=2kN.m；l1 =0.7m，l2 =0.3m；[]=60MPa，[ ]=0.3°/m，
G=80GPa；试选择该轴的直径。
mA
mB mC 解： ⑴按强度条件
A
l1
B l2 C
max
9.55
200 300
6.37
(kN m)
×
n D
m2 1 m3 2 m1 3 m4
n A 1 B 2 C 3D
②求扭矩（扭矩按正方向假设）
m 0 , T1 m2 0, T1 m2 4.78kN m m 0; T2 m1 m2 0
T2 m2 m3 (4.78 4.78) 9.56kN m
T
2 r02
t
T 2 A0
t
T
A0为平均半径所作圆的面积。
×
三、切应力互等定理：
´
a
b
dy
´
c
z
dx
d t
mz 0; t dxdy t dxdy
'
这就是切应力互等定理：在单元体相互垂直的两个截面
上，切应力必然成对出现，且数值相等，两者都垂直于两平
面的交线，其方向或共同指向交线，或共同背离交线。
垂直，则杆件发生的变形为扭转变形。
A
B O
A
BO
m
m
——扭转角（两端面相对转过的角度）
——剪切角，剪切角也称切应变。
×
§4–2 扭转的内力—扭矩与扭矩图
一、扭矩 圆杆扭转横截面的内力合成
结果为一合力偶，合力偶的力偶 矩称为截面的扭矩，用T 表示之。 m
max
T GI p
180
(/m)
×
例５ 图示圆轴，已知mA =1kN.m， mB =3kN.m， mC
=2kN.m；l1 =0.7m，l2 =0.3m；[]=60MPa，[ ]=0.3°/m，
G=80GPa；试选择该轴的直径。
mA
mB mC 解： ⑴按强度条件
A
l1
B l2 C
max
9.55
200 300
6.37
(kN m)
×
n D
m2 1 m3 2 m1 3 m4
n A 1 B 2 C 3D
②求扭矩（扭矩按正方向假设）
m 0 , T1 m2 0, T1 m2 4.78kN m m 0; T2 m1 m2 0
T2 m2 m3 (4.78 4.78) 9.56kN m
T
2 r02
t
T 2 A0
t
T
A0为平均半径所作圆的面积。
×
三、切应力互等定理：
´
a
b
dy
´
c
z
dx
d t
mz 0; t dxdy t dxdy
'
这就是切应力互等定理：在单元体相互垂直的两个截面
上，切应力必然成对出现，且数值相等，两者都垂直于两平
面的交线，其方向或共同指向交线，或共同背离交线。
垂直，则杆件发生的变形为扭转变形。
A
B O
A
BO
m
m
——扭转角（两端面相对转过的角度）
——剪切角，剪切角也称切应变。
×
§4–2 扭转的内力—扭矩与扭矩图
一、扭矩 圆杆扭转横截面的内力合成
结果为一合力偶，合力偶的力偶 矩称为截面的扭矩，用T 表示之。 m
材料力学拉伸压缩剪切扭转名称公式判别及汇总
一、拉（压）杆强度条件：--------（1）二、（剪切）切应力条件和挤压强度条件1.切应力强度条件：τ --------（2）2.挤压强度条件：--------（3）三、圆轴扭转时的强度和刚度条件资料个人收集整理，勿做商业用途1.扭转强度条件：-----------（4）----------------（5）2.扭转刚度条件：-----------（6）----------------（7）四：弯曲正应力强度条件：------(8)符号释义：1.：正应力2. τ：切应力3.T：扭矩4.：轴力5.：剪切力6.7.A：剪切截面面积8.：抗扭截面系数9.：横截面对圆心的极惯性矩10.y: 正应力到中性轴的距离11.ε：正应变(线应变) 三个弹性材料的关系：1.E：弹性模量（GN/m²）2. μ：为泊松比（钢材的μ为0.25-0.33）3.G：剪切弹性模量（GN/m²）剪切胡可定律：τ=Gγ16.E：抗拉刚度17.胡可定律：σ=Eεσ=E18.ρ：曲率半径19.：梁弯曲变形后的曲率20.M：弯矩轴力、剪切力、均为内力求内力的方法-截面法：1.假想沿m-m横截面将杆件切开2.留下左半端或右半段3.将弃去部分对留下部分的作用(力)用内力代替4.对留下部分写平衡方程，求出内力的值。
当你选择好研究对象时，建立坐标系，这个对象的所有受力的x方向的代数和，和y方向的代数和为零，这就建立平衡方程，【me=o】，就是你在研究对象上选取一个点作为支点，然后所有力对这个点取矩，顺时针和逆时针方向的代数和为零，这样就分别建立三个平衡方程，可以联立接触其中未知数，这种情况只是用于解决静定结构的。
12.γ：切应变(角应变)21.：外力偶矩13.EA：抗拉强度(钢材的EA约为200GPa)14.δ：断后伸长率15.ψ：断面收缩率/相对扭转角梁受力有：轴力、剪切力和弯矩M。
一、材料力学的几个基本感念1.构件：工程结构或机械的每一组成部分。
扭转—扭转轴的应力及强度计算(建筑力学)
1.5 10 6
MPa 51.4MPa
4
WP
2.92 10
扭转
(2) 求空心轴的内径
因为要求实心轴和空心轴的扭转强度相同，故两轴的最
大切应力相等，即
'max max 51.4MPa
max
Tmax
Tmax
WP
D23 1 4 16
6
16Tmax
16
变形的能力。单位GPa，其数值可由试验测得。
切应变的其单位是 弧度（rad）
扭转
二、圆轴扭转时横截面上的应力
从几何关系、物理关系和静力学关系这三个方面来分析圆
轴受扭时横截面上的应力。
1. 几何变形方面
取一圆轴进行扭转试验
试验现象表明，圆轴表面上各点的变形与薄壁圆筒扭转
时的变形一样。
扭转
由观察到的现象，对圆轴内部的变形可做如下假设：扭转
截面（危险截面） 边缘点处。因此，强度条件也可写成 maxFra bibliotekTmax
[ ]
W
圆轴强度条件可以解决圆轴扭转时的三类强度问题，即
进行扭转强度校核、圆轴截面尺寸设计及确定许用荷载。
扭转
例9-6 一实心圆轴，承受的最大扭矩Tmax=1.5kN•m，轴
的直径d1=53mm。求：（1）该轴横截面上的最大切应力。
扭转
第四节 圆轴扭转的强度计算
一、圆轴的扭转破坏试验与极限应力
圆轴的扭转试件可分别用Q35钢、铸铁等材料做成，扭
转破坏试验是在扭转试验机上进行。试件在两端外力偶Me
作用下，发生扭转变形，直至破坏。
Q35钢
铸铁
MPa 51.4MPa
4
WP
2.92 10
扭转
(2) 求空心轴的内径
因为要求实心轴和空心轴的扭转强度相同，故两轴的最
大切应力相等，即
'max max 51.4MPa
max
Tmax
Tmax
WP
D23 1 4 16
6
16Tmax
16
变形的能力。单位GPa，其数值可由试验测得。
切应变的其单位是 弧度（rad）
扭转
二、圆轴扭转时横截面上的应力
从几何关系、物理关系和静力学关系这三个方面来分析圆
轴受扭时横截面上的应力。
1. 几何变形方面
取一圆轴进行扭转试验
试验现象表明，圆轴表面上各点的变形与薄壁圆筒扭转
时的变形一样。
扭转
由观察到的现象，对圆轴内部的变形可做如下假设：扭转
截面（危险截面） 边缘点处。因此，强度条件也可写成 maxFra bibliotekTmax
[ ]
W
圆轴强度条件可以解决圆轴扭转时的三类强度问题，即
进行扭转强度校核、圆轴截面尺寸设计及确定许用荷载。
扭转
例9-6 一实心圆轴，承受的最大扭矩Tmax=1.5kN•m，轴
的直径d1=53mm。求：（1）该轴横截面上的最大切应力。
扭转
第四节 圆轴扭转的强度计算
一、圆轴的扭转破坏试验与极限应力
圆轴的扭转试件可分别用Q35钢、铸铁等材料做成，扭
转破坏试验是在扭转试验机上进行。试件在两端外力偶Me
作用下，发生扭转变形，直至破坏。
Q35钢
铸铁
轴的扭转-应力,强度
T
T Ip
式中 T——所求切应力点的横截面 上的扭矩
B
B' dA
R O
max
——所求切应力点到圆心的距离
Ip=A2dA——横截面对圆心O的极惯性矩
注意：切应力公式的适用范围：max ≤p
3.最大切应力
T
max
即
TR Ip
B
B' dA
R O
T max Wp
´
上述公式可得到如下结论。
0
0
0 0 , 0 max
45 min , 45 0
45 max , 45 0
450
450 0 90
90 0 , 90 max
取 d = 29.7 mm。
可见：此轴的直径是由刚度条件控制的
155 N . m
圆轴扭转斜面上的应力
为什么研究斜截面应力？ ☆ ☆ 逻辑上，正截面——斜截面 实际上，见下面的实验结果，原因？
扭转轴的破坏（想一想：为什么这样？）
途径：1、仿正截面过程；2、用正截面推导斜截面应力
《应力状态理论》对于
2.应力公式推导 (1) 变形几何方面 取微段dx研究
Me
p
q
Me
x A p dx
T p
B q
O
x
d (1) tg dx d ——单位长度扭转角 式中 dx
即：
q R O2 B' d B C' C q dx
T
A
O1 A'
对给定的截面，与成正比
建筑力学-3 扭转应力及强度
Oρ
切应力的计算公式
τ
T =
ρ
IP
τmax
(b)
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
建筑力学
τ
T =
ρ
IP
IP —— 截面对圆心的极惯性矩，与圆截面的尺寸有 关，单位为 mm4。
Tτ R
Oρ
τmax
τmax
对于一个指定截面，扭矩T与极惯性矩 IP 是定
值，ρmax = R 时，切应力 τ 取得最大值，即
(2) 两相邻横截面之间的距离也保持不变。
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
建筑力学
为进一步弄清圆轴横截面上应力的分布情况，用相邻两截面截取受扭
圆轴一微段dx，如图a所示。
由于横截面的间距保持不变，未发生轴向变形， 故横截面上没有正应力；
圆轴横截面上的半径Oa ，受扭后其位置转至Ob ，
τmax
TR =
IP
令
WP =
IP R
τmax
=
T WP
式中WP与圆截面的尺寸有关，称为抗扭截面系数，是反映圆轴抗扭 的几何量，单位为 mm3。
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
建筑力学
实心圆、空心圆的极惯性矩和抗扭截面系数
截面形状
有关尺寸
极惯性矩
抗扭截面系数
实心圆形 空心圆形
d
πD4
如果将这部分材料移至截面外围，使其成 为空心轴，如图所示，这样便提高了材料的利用 率。因此，空心轴较实心轴合理。
τmax
τmax τmax
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
建筑力学
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
材料力学 第4章_扭转
z
d x d z d y d y d z d x 0
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4. 切应力互等定理
切应力互等定理： 也称切应力双生定理， 指在单元体相互垂直的两 个面上，切应力必成对存 在，且数值相等；两者都 垂直于两个平面的交线， 方向共同指向或背离这一 交线。
纯剪切
BC B
TCD mB mC 700N m
(b)
TDA mA 1146N m
可见:主动轮与从动轮位置不 同,轴内最大扭矩也不同,显 然(a)方案比(b)方案合理。
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§4.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
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一、薄壁圆筒扭转时的切应力 1. 变形现象 圆周线大小、形状、间距 不变，纵向线相同倾斜。 2. 横截面上应力分析 因纵向纤维无正应变， 有角应变，因此横截面上 无，有， 与圆周相切。 又因壁很薄，可近似认 为沿壁厚应力相等。
第4章 扭转
第4章 扭转
§4.1 扭转的概念 §4.2 外力偶矩、扭矩和扭矩图
§4.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
§4.4 圆杆扭转时的变形及刚度条件
§4.5 非圆截面杆的扭转概念
§4.1 扭转的概念
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工程中的受扭转杆件
拧紧螺母的工具杆产生扭转变形
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工程中的受扭转杆件
返回
工程中的受扭转杆件
r
d dx
横截面上任一点的 ⊥半 径，并与该点到轴线的距离 成正比。
返回
4. 应力公式 静力关系
T
dA
横截面上分布内力系对 圆心的矩等于扭矩T。
T d A A d d 2 G d A G d A A dx dx A
d x d z d y d y d z d x 0
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4. 切应力互等定理
切应力互等定理： 也称切应力双生定理， 指在单元体相互垂直的两 个面上，切应力必成对存 在，且数值相等；两者都 垂直于两个平面的交线， 方向共同指向或背离这一 交线。
纯剪切
BC B
TCD mB mC 700N m
(b)
TDA mA 1146N m
可见:主动轮与从动轮位置不 同,轴内最大扭矩也不同,显 然(a)方案比(b)方案合理。
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§4.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
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一、薄壁圆筒扭转时的切应力 1. 变形现象 圆周线大小、形状、间距 不变，纵向线相同倾斜。 2. 横截面上应力分析 因纵向纤维无正应变， 有角应变，因此横截面上 无，有， 与圆周相切。 又因壁很薄，可近似认 为沿壁厚应力相等。
第4章 扭转
第4章 扭转
§4.1 扭转的概念 §4.2 外力偶矩、扭矩和扭矩图
§4.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
§4.4 圆杆扭转时的变形及刚度条件
§4.5 非圆截面杆的扭转概念
§4.1 扭转的概念
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工程中的受扭转杆件
拧紧螺母的工具杆产生扭转变形
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工程中的受扭转杆件
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工程中的受扭转杆件
r
d dx
横截面上任一点的 ⊥半 径，并与该点到轴线的距离 成正比。
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4. 应力公式 静力关系
T
dA
横截面上分布内力系对 圆心的矩等于扭矩T。
T d A A d d 2 G d A G d A A dx dx A
《工程力学：第七章+圆轴扭转时的应力变形分析与强度和刚度设计》
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计
背 景
材
料
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计
背 景
材
料
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计 一、扭转的概念 复习 Me
mA
阻抗力 偶
主动力 偶
me
受力特点：杆两端作用着大小相等、方向相反的力偶，且力 偶作用面垂直于杆的轴线。 变形特点：杆任意两截面绕轴线发生相对转动。 主要发生扭转变形的杆——轴。
Mx 16M x 16 1.5kN m 103 max＝ ＝ 3 ＝ ＝50.9MPa 3 4 -3 4 WP πD 1 π 90mm 10 1 0.9传动轴的强度是安全的。
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计 2．确定实心轴的直径 根据实心轴与空心轴具有同样数值的最大剪应力的要求， 实心轴横截面上的最大剪应力也必须等于 50.9MPa 。若设实 心轴直径为d1，则有
b b
工程力学 第7章 圆轴扭转时的应力变形分析以及强度和刚度设计 T 一、 扭转强度计算 变截面圆轴: max W [ ] 1、强度条件： p
max
max
对脆性材料 [ ] 对韧性材料 [ ]
b
nb
(整理)杆的扭转定理和公式
圆截面杆的扭转外力与内力 || 圆杆扭转切应力与强度条件 || 圆杆扭转变形与刚度条件 || 圆杆的非弹性扭转1.外力与内力杆件扭转的受力特点是在垂直于其轴线的平面内作用有力偶（图2·2-1a），其变形特点是在任意两个截面绕轴线发生相对转动。
轴类构件常有扭转变形发生。
作用在传动轴上的外力偶矩m通常是根据轴所传递的功率N和转速n(r/min)来计算。
当N的单位为千瓦（kW）时当N的单位为马力（HP）时扭转时的内力为扭矩T，用截面法求得。
画出的内力图称为扭矩图（或T图），如图2·2-1b所示图2·2-1 圆杆的扭转2.圆杆扭转切应力与强度条件当应力不超过材料的剪切比例极限r p时，某横截面上任意C点（图2·2-2）的切应力公式为式中T——C 点所在横截面上的扭矩p——C点至圆心的距离L p——横截面对圆心的极惯性矩，见表2-2-1 等直杆扭转时的截面几何性质。
图2·2-2 切应力分布圆杆横截面上的切应力r沿半径呈线性分布，其方向垂直于半径（图2·3-2）。
模截面上的最大切应力在圆周各点上，其计算公式为等截面杆的最大切应力发生在T max截面（危险截面）的圆周各点（危险点）上。
其强度条件为式中，[τ]为许用扭转切应力，与许用拉应力[σ]的关系为：[τ]=（0.5～0.6）[σ] (塑性材料)或[τ]=（0.5～0.6）[σ]（脆性材料）3.圆杆扭转变形与刚度条件在比弹性范围内，圆杆在扭矩T作用下，相中为L的两截面间相对扭转角为或式中G——材料的切变模量单位扭转角公式为或式中GL p——抗扭刚度圆杆上与杆轴距离为p外（图2·2-2）的切应变r为圆杆表面处的最大切应变为式中,r——圆杆的半径等截面圆杆的最大单位扭转角，发生在T max一段内，其刚度条件为式中,[θ]为圆杆的许用单位扭转角（°）/m4.圆杆的非弹性扭转讨论圆杆扭转时切应力超过材料的比例极限并进入塑性状态的情况。
圆轴的扭转工程力学
杆件扭转时，其横截面上的内力，是一个在截面平面内的力
偶，其力偶矩T称为截面1-1上的扭矩。
扭矩的单位与外力偶矩的单位相同，常用的单位为牛米(N·m) 及千牛米(kN·m)。
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3.2 扭矩和扭矩图
扭矩的正负号用右手螺旋法则判定：将扭矩看做矢量，右手 的四指弯曲方向表示扭矩的转向，大拇指表示扭矩矢量的指 向。若扭矩矢量的方向离开截面，则扭矩为正(图7-3a、b)； 反之，若扭矩矢量的方向指的截面，则扭矩为负(图7-3c、d)。 这样，同一截面左右两侧的扭转，不但数值相等，而且符号 相同。
第三章 圆轴扭转
3.1 扭转的概念和外力偶矩的计算 3.2 扭矩和扭矩图 3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件 3.4 圆轴扭转时的变形及刚度条件 小 结
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3.1 扭转的概念和外力偶矩的计算
3.1.1 扭转的概念
机械中的轴类零件往往承受扭转作用。 杆件产生扭转变形的受力特点是：在垂直于杆件轴线的平面
3.3.2 圆截面极惯性矩IP及扭转截面系 数WP的计算
1. 实心圆截面
对实心圆截面，可取半径为ρ，宽度为dρ的圆环形微面积
(图3-6)，dA=2πρdρ ， 则实心圆截面的极惯性矩IP为
IP
A
2dA
D 0
/
2
2
3d
=
D 4
32
≈0.1D4
实心圆截面的抗扭截面系数WP为
WP
IP D/2
D 3
3.1.2 外力偶矩的计算
为了求出圆轴扭转时截面上的内力，必须先计算出轴上的外力偶
矩。在工程计算中，作用在轴上的外力偶矩的大小往往是不直接
给出的，通常是给出轴所传递的功率和轴的转速。第4章已述功率、
偶，其力偶矩T称为截面1-1上的扭矩。
扭矩的单位与外力偶矩的单位相同，常用的单位为牛米(N·m) 及千牛米(kN·m)。
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3.2 扭矩和扭矩图
扭矩的正负号用右手螺旋法则判定：将扭矩看做矢量，右手 的四指弯曲方向表示扭矩的转向，大拇指表示扭矩矢量的指 向。若扭矩矢量的方向离开截面，则扭矩为正(图7-3a、b)； 反之，若扭矩矢量的方向指的截面，则扭矩为负(图7-3c、d)。 这样，同一截面左右两侧的扭转，不但数值相等，而且符号 相同。
第三章 圆轴扭转
3.1 扭转的概念和外力偶矩的计算 3.2 扭矩和扭矩图 3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件 3.4 圆轴扭转时的变形及刚度条件 小 结
返回
3.1 扭转的概念和外力偶矩的计算
3.1.1 扭转的概念
机械中的轴类零件往往承受扭转作用。 杆件产生扭转变形的受力特点是：在垂直于杆件轴线的平面
3.3.2 圆截面极惯性矩IP及扭转截面系 数WP的计算
1. 实心圆截面
对实心圆截面，可取半径为ρ，宽度为dρ的圆环形微面积
(图3-6)，dA=2πρdρ ， 则实心圆截面的极惯性矩IP为
IP
A
2dA
D 0
/
2
2
3d
=
D 4
32
≈0.1D4
实心圆截面的抗扭截面系数WP为
WP
IP D/2
D 3
3.1.2 外力偶矩的计算
为了求出圆轴扭转时截面上的内力，必须先计算出轴上的外力偶
矩。在工程计算中，作用在轴上的外力偶矩的大小往往是不直接
给出的，通常是给出轴所传递的功率和轴的转速。第4章已述功率、
扭转应力与强度条件
T1 M A 180 N m T2 MC 140 N m
T1l 1.50 10-2 rad GI p T2 l 1.17 10-2 rad GI p
37
AB
BC
AC AB BC 1.50 10-2 1.17 10-2 0.33 10-2 rad
7
扭矩与扭矩图
扭矩定义－矢量方向垂直于横截面的内力偶矩， 并用 T 表示 符号规定－矢量方向与横截面外法线方向一致 的扭矩为正，反之为负
8
扭矩图 试分析轴的扭矩（m－轴单位长度内的扭力偶矩）
M A ml
T M A mx
T m( l x )
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
A
Ip Wp －抗扭截面系数 R
15
小结
研究方法：从实验、假设入手，综合考虑几何、
物理与静力学三方面
dj T 扭转变形基本公式： dx GI p
扭转切应力公式： 最大扭转切应力：
T Ip T max Wp
公式的适用范围： 圆截面轴；max≤ p
16
讨论
在线弹性情况下，精确解：
max
16T D 3 (1 4 )
当 ≤RO /10 时，误差≤4.53
19
极惯性矩与抗扭截面系数
空心圆截面
dA 2π d
Ip
D/ 2 d/2
2 2π d
π D4 Ip 14 32
d D
π D3 Wp 14 16
CB
T2b M B b GI p GI p
(b)
T1l 1.50 10-2 rad GI p T2 l 1.17 10-2 rad GI p
37
AB
BC
AC AB BC 1.50 10-2 1.17 10-2 0.33 10-2 rad
7
扭矩与扭矩图
扭矩定义－矢量方向垂直于横截面的内力偶矩， 并用 T 表示 符号规定－矢量方向与横截面外法线方向一致 的扭矩为正，反之为负
8
扭矩图 试分析轴的扭矩（m－轴单位长度内的扭力偶矩）
M A ml
T M A mx
T m( l x )
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
A
Ip Wp －抗扭截面系数 R
15
小结
研究方法：从实验、假设入手，综合考虑几何、
物理与静力学三方面
dj T 扭转变形基本公式： dx GI p
扭转切应力公式： 最大扭转切应力：
T Ip T max Wp
公式的适用范围： 圆截面轴；max≤ p
16
讨论
在线弹性情况下，精确解：
max
16T D 3 (1 4 )
当 ≤RO /10 时，误差≤4.53
19
极惯性矩与抗扭截面系数
空心圆截面
dA 2π d
Ip
D/ 2 d/2
2 2π d
π D4 Ip 14 32
d D
π D3 Wp 14 16
CB
T2b M B b GI p GI p
(b)
材料力学第四章 扭转
扭转轴的内力偶矩称为扭矩
3、扭矩利用截面法、并建立平衡方程得到
m
m
x
m
Mn
MX 0 Mnm0
Mn m
8
§3-2 外力偶矩、扭矩和扭矩图
4 扭矩的符号规定—右手螺旋法则
mI
扭
矩
符 号 规
Mn I
离M开n截 面
定 ：
mI
I
m
Mn
I
I
m
Mn
Mn I
指向M 截n 面
I
右手定则：右手四指内屈，与扭矩转向相同，则拇指的
m
转速：n (转/分)
1分钟输入功： 1分钟m 作功：
W W '
W 6 N 0 10 60 0 N 0 000
W m m 2 n 1 2 nm
m955N0 Nm 单位
n
7
§3-2 外力偶矩、扭矩和扭矩图
2、扭矩的概念
扭转变形的杆往往称之为扭转轴
Mn
Mn
(r )
A
B
(r )
C
C
D d
D
b
x
d
d
d
dx
d
dx
dx
d
称为单位长度相对扭转角
dx
对于同一截面，
d 常量 dx
上式表明：圆轴扭转时，其横截面上任意点处的剪应变与该点至截 面中心之间的距离成正比。上式即为圆轴扭转时的变形协调方程。
32
§3-4 等值圆杆扭转时的应力强度条件
dAsin
d d A cA s o i s d n sA i c n o 0
结构力学第三章-扭转.
对于空心圆截面：
d
I p A 2 dA 2 d
2 D 2 d 2
d
O D
4 4 (D d ) 32 D4 4 (1 ) 32
d ( ) D
④ 应力分布
（实心截面）
（空心截面）
工程上采用空心截面构件：提高强度，节约材料，重量轻，
代入物理关系式
d T dx GI p
d 得： G dx
T Ip
T Ip
— 横截面上距圆心为 处任一点切应力计算公式。
4. 公式讨论：
① 仅适用于各向同性、线弹性材料，在小变形时的等圆截面
直杆。
② 式中：T—横截面上的扭矩，由截面法通过外力偶矩求得。
第三章
§3–1 概述
扭 转
§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 非圆截面等直杆在自由扭转时的应力和变形
§ 3–1
概 述
轴：工程中以扭转为主要变形的构件。如：机器中的传动轴、
石油钻机中的钻杆等。
扭转：外力的合力为一力偶，且力偶的作用面与直杆的轴线 垂直，杆发生的变形为扭转变形。 B
A
O
A
O B
m
m
工 程 实 例
§ 3–2
薄壁圆筒的扭转
略
扭转角（）：任意两截面绕轴线转动而发生的角位移。
切应变（）：直角的改变量。
剪切胡克定律： T=m
剪切胡克定律： 当剪应力不超过材料的剪切比例极限时（τ ≤τp)， 剪应力与剪应变成正比关系。
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。
工程力学第9章圆轴的扭转
τ ′d x d z
d
τ
c
τ d yd z
x
∑F = 0 ∑F = 0 ∑M = 0
y x z
自动满足 存在τ'
(τ d y d z ) d x = (τ ′ d x d z ) d y
得
τ′ =τ
y
τ'
a dy b z
切应力互等定理 d
在相互垂直的两个面上， 在相互垂直的两个面上，切 应力总是成对出现，并且大小相 应力总是成对出现，并且大小相 等，方向同时指向或同时背离两 个面的交线。 个面的交线。
一、圆轴扭转时横截面上的应力 1、几何关系：由实验找出变形规律 应变的变化规律 几何关系 由实验找出变形规律→应变的变化规律 1）实验： 实验：
2）观察变形规律： 观察变形规律：
圆周线——形状、大小、间距不变，各圆周线只是绕轴线转动 形状、大小、间距不变， 圆周线 形状 了一个不同的角度。 了一个不同的角度。 纵向线——倾斜了同一个角度，小方格变成了平行四边形。 倾斜了同一个角度，小方格变成了平行四边形。 纵向线 倾斜了同一个角度 扭转平面假设：变形前的横截面，变形后仍为平面， 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。 以及间距不变，半径仍为直线。
3
) 16T 3 16(1.5×103N⋅m = = 0.0535 m d ≥ 6 π(50×10 Pa) π[τ ]
m 取： d = 54 m
2. 确定空心圆轴内、外径 确定空心圆轴内、
Wp =
3
πD3 16
(1−α )
4
16T π 3 D (1−α 4) 16
结论： 结论：
横截面上
材料力学课件：第3章 圆轴扭转时的应力变形分析与强度刚度计算计算
韧性材料:不耐剪,最大剪应力所处截面是”最短木板”! 破坏方式是被剪断!
脆性材料:不耐拉,最大拉应力所处截面是”最短木板”! 破坏方式是被拉断!
承受扭转时圆轴的强度设计 与刚度设计
扭转强度设计
承受扭转时圆轴的强度设计 与刚度设计
扭转强度设计
与拉伸强度设计相类似，扭转强度设计时，首先需要根 据扭矩图和横截面的尺寸判断可能的危险截面；然后根据 危险截面上的应力分布确定危险点（即最大剪应力作用 点）；最后利用试验结果直接建立扭转时的强度设计准则。
承受扭转时圆轴的强度设计 与刚度设计
扭转实验与扭转破坏现象
韧性材料与脆性材料扭 转破坏时，其试样断口有着 明显的区别。韧性材料试样 最后沿横截面剪断，断口比 较光滑、平整。
铸铁试样扭转破坏时沿 45°螺旋面断开，断口呈细 小颗粒状。
经济学术语中的“木桶效应”，是说对于一个沿口 不齐的木桶而言，它盛水的多少并不在于木桶上那 块最长的木板，而在于木桶上最短的那块木板。
已知：钢制空心圆轴的外直径D＝100 mm，内直径d＝50 mm。若要求轴在2 m长度内的最大相对扭转角不超过1.5()，材 料的切变模量G＝80.4 GPa。
试： 1． 求该轴所能承受的最大扭矩； 2． 确定此时轴内最大剪应力。
解： 1．确定轴所能承受的最大扭矩 根据刚度设计准则，有
承受扭转时圆轴的强度设计 与刚度设计
＝
max
Mx WP
＝16M x πd13
＝16
1.5kN πd13
m
103
＝50.9
106
Pa
据此，实心轴的直径
d1＝3
16 1.5kN m 103＝53.1103 m＝53.1mm π 50.9 106 Pa
脆性材料:不耐拉,最大拉应力所处截面是”最短木板”! 破坏方式是被拉断!
承受扭转时圆轴的强度设计 与刚度设计
扭转强度设计
承受扭转时圆轴的强度设计 与刚度设计
扭转强度设计
与拉伸强度设计相类似，扭转强度设计时，首先需要根 据扭矩图和横截面的尺寸判断可能的危险截面；然后根据 危险截面上的应力分布确定危险点（即最大剪应力作用 点）；最后利用试验结果直接建立扭转时的强度设计准则。
承受扭转时圆轴的强度设计 与刚度设计
扭转实验与扭转破坏现象
韧性材料与脆性材料扭 转破坏时，其试样断口有着 明显的区别。韧性材料试样 最后沿横截面剪断，断口比 较光滑、平整。
铸铁试样扭转破坏时沿 45°螺旋面断开，断口呈细 小颗粒状。
经济学术语中的“木桶效应”，是说对于一个沿口 不齐的木桶而言，它盛水的多少并不在于木桶上那 块最长的木板，而在于木桶上最短的那块木板。
已知：钢制空心圆轴的外直径D＝100 mm，内直径d＝50 mm。若要求轴在2 m长度内的最大相对扭转角不超过1.5()，材 料的切变模量G＝80.4 GPa。
试： 1． 求该轴所能承受的最大扭矩； 2． 确定此时轴内最大剪应力。
解： 1．确定轴所能承受的最大扭矩 根据刚度设计准则，有
承受扭转时圆轴的强度设计 与刚度设计
＝
max
Mx WP
＝16M x πd13
＝16
1.5kN πd13
m
103
＝50.9
106
Pa
据此，实心轴的直径
d1＝3
16 1.5kN m 103＝53.1103 m＝53.1mm π 50.9 106 Pa
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7
扭矩与扭矩图
扭矩定义－矢量方向垂直于横截面的内力偶矩， 并用 T 表示 符号规定－矢量方向与横截面外法线方向一致 的扭矩为正，反之为负
8
扭矩图 试分析轴的扭矩（m－轴单位长度内的扭力偶矩）
M A ml
T M A mx
T m( l x )
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
23
圆轴扭转强度条件
max [ ]
变截面圆轴:
T max W p max
等截面圆轴:
[ ]
u
n
u－材料的扭转极限应力
n - 安全因数 塑性材料： [] =（0.5~0.577）[] 脆性材料： [] = （0.8~1.0）[t]
24
解：1. 扭矩分析
30
2. 强度校核
危险截面：截面 A与 B
ml TA 44.6 MPa [ ] 2 2 2R0 1 2R0 1 ml TB 2 27.9 MPa [ ] B 2R02 2 2R02 2
A
31
例 3-3 密圈螺旋弹簧应力分析
度条件设计实心圆轴与 = 0.9 的空心圆轴。
解：1. 确定实心圆轴直径
max [ ]
T π 3 d 16
max
[ ]
T 3 d 16
d
3
16T π [ ]
3
16(1.5 103 N m ) 0.0535 m 6 (50 10 Pa)
28
取： d 54 mm
在线弹性情况下，精确解：
max
16T D 3 (1 4 )
当 ≤RO /10 时，误差≤4.53
19
极惯性矩与抗扭截面系数
空心圆截面
dA 2π d
Ip
D/ 2 d/2
2 2π d
π D4 Ip 14 32
d D
π D3 Wp 14 16
3. 重量比较
π 2 ( do di2 ) 4 39.5% π 2 d 4
空心轴远比 实心轴轻
29
例 3-2 R0＝50 mm的薄壁圆管，左、右段的壁厚分别
为 1 5 mm，2 4 mm，m = 3500 N.m/m，l = 1 m，
[] 50 MPa，试校核圆管强度。
注意单位换算:
180 1 rad / m /m π
36
例 题
例 4-1 已知：MA = 180 N.m， MB = 320 N.m， MC = 140 N.m，Ip= 3105 mm4，l = 2 m，G = 80 GPa，[] = 0.5º /m 。AC=? 校核轴的刚度
解：1. 变形分析
T1 M A 180 N m T2 MC 140 N m
T1l 1.50 10-2 rad GI p T2 l 1.17 10-2 rad GI p
37
AB
BC
AC AB BC 1.50 10-2 1.17 10-2 0.33 10-2 rad
Tmax max Wp
轴的动力转递
已知：动力装置的输出功率 P（kW）,转速 n（r/min） 试求：传递给轴的扭力偶矩 M（N.m） 设角速度为 (rad/s)
P M
2π n P 10 M 60 P kW M Nm 9549 n r / min
3
例: P＝5 kW, n=1450 r/min, 则
A
Ip Wp －抗扭截面系数 R
15
小结
研究方法：从实验、假设入手，综合考虑几何、
物理与静力学三方面
dj T 扭转变形基本公式： dx GI p
扭转切应力公式： 最大扭转切应力：
T Ip T max Wp
公式的适用范围： 圆截面轴；max≤ p
16
讨论
2. 确定空心圆轴内、外径
do3 1 4 Wp 16
do
3
16T π 3 do (1 4) 16
[ ]
16T 76.3 mm 4 π (1 )[ ]
di d可否做一般 o 68.7mm 性证明？
取：do 76 mm， di 68 mm
T l
p2
ml T1 B T2 B 2
(b)
3. 扭矩与圆盘转角 联立求解平衡与补充方程，得
圆盘转角为
ml T1 B T2 B 2
B 2 B
T2 B l ml GIp2 2GIp2
45
§6 非圆截面轴扭转
矩形截面轴扭转 椭圆等非圆截面轴扭转
46
矩形截面轴扭转
例 题
例 1-1 MA=76 Nm, MB=191 Nm, MC=115 Nm, 画扭矩图
解：
T2 M C 0
T1 M A 76 N m T2 M C 115 N m
10
§2 圆轴扭转应力
扭转实验与假设 扭转切应力
薄壁圆管扭转切应力
极惯性矩与抗扭截面系数
解：1. 内力分析
FS ＝F
T
FD 2
32
FS ＝F
T
FD 2
2. 应力分析
4 FS 4 F ' 2 2 d d
" max
T FD 16 8 FD 3 2 d d 3 WP
8 FD d 1 d 3 2 D
max " max '
研空心圆截面
杆件应力分布：
斜截面应力：
17
薄壁圆管扭转应力
应力公式
假设: 切应力沿壁厚均匀分布
2 T R0 R0d 2π R0
0 2π
T 2R02 δ
18
适用范围 适用于所有匀质薄壁杆，包括弹性、非弹 性、各向同性与各向异性情况
公式精度
T 2R02
第四章 扭转 本章主要研究： 圆截面轴的扭转应力与变形 圆截面轴的扭转强度与刚度 矩形等非圆截面轴扭转 薄壁截面轴扭转
1
第4章
§1 引言 §2 圆轴扭转应力
扭转
§3 圆轴扭转强度与动力传递
§4 圆轴扭转变形与刚度计算 §5 圆轴扭转静不定问题 §6 非圆截面轴扭转 §7 薄壁杆扭转
5 M＝ 9540 (N m) 32.9 N m 1450
25
圆轴的合理设计
1. 合理截面形状 空心截面比 实心截面好
若 Ro/ 过 大 ， 则将产 生皱折（即局部失稳）
26
2. 采用变截面轴与阶梯形轴
注意减缓应力集中
27
例 题
例 3-1 已知 T=1.5 kN.m，[ ] 50 MPa，试根据强
3. 应力修正公式
max
8FD 4m 2 d 3 4 m 3 D （当 m 10 时） d
33
§4 圆轴扭转变形与刚度计算
圆轴扭转变形
圆轴扭转刚度条件
例题
34
圆轴扭转变形
圆轴扭转一般情况
d T dx GIp d T ( x) dx GIp ( x )
T ( x) dx l GI ( x ) p
GIp－圆轴截面扭转刚度，简称扭转刚度 对于常扭矩、等截面圆轴
Tl GIp
35
圆轴扭转刚度条件
dj T dx GI p
T [ ] GI p max
圆轴扭转刚度条件
[ ]－单位长度的许用扭转角 一般传动轴， [ ] = 0.5 ~1/m
注意单位换算！
38
例 4-2 试计算图示圆锥形轴的总扭转角
T dx 解： l GI ( x ) p 4 d d d ( x ) d ( x ) d1 2 1 x Ip ( x ) TM l 32 32 Ml 1 1 32 M l 1 3 3 d x 4 3G( d2 - d1 ) d1 d2 G 0 d 2 d1 x d1 2
实心圆截面
π d4 Ip 32
π d3 Wp 16
20
§3 圆轴扭转强度与动力传递
圆轴扭转强度条件
轴的动力转递
圆轴合理设计 例题
21
材料的剪切性能与扭转破坏
扭转破坏
低碳钢
铸铁
22
剪切胡克定律
实验表明：
p G
s b
扭转屈服应力 扭转强度极限
2. 刚度校核
T1 d dx 1 GI p
T2 d dx 2 GI p
T1 T2
T d d 1 dx max dx 1 GI p
180 N m 180 d 0 . 43 / m [ ] 9 10 m ) π
CB
T2b M B b GI p GI p
(b)
M Aa MBb 0
计算支反力偶矩 联立求解方程(a)与(b)
M
x
0,
M A MB M 0
(a)
MA
Mb Ma ， MB ab ab
42
例题
例 5-1 图示组合轴，承受集度为 m 的均布扭力偶， 与矩为 M = ml 的集中扭力偶。已知： G1 = G2 = G， Ip1 = 2Ip2 。试求：圆盘的转角。
39
§5 圆轴扭转静不定问题
扭转静不定问题分析 例题
扭矩与扭矩图
扭矩定义－矢量方向垂直于横截面的内力偶矩， 并用 T 表示 符号规定－矢量方向与横截面外法线方向一致 的扭矩为正，反之为负
8
扭矩图 试分析轴的扭矩（m－轴单位长度内的扭力偶矩）
M A ml
T M A mx
T m( l x )
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
23
圆轴扭转强度条件
max [ ]
变截面圆轴:
T max W p max
等截面圆轴:
[ ]
u
n
u－材料的扭转极限应力
n - 安全因数 塑性材料： [] =（0.5~0.577）[] 脆性材料： [] = （0.8~1.0）[t]
24
解：1. 扭矩分析
30
2. 强度校核
危险截面：截面 A与 B
ml TA 44.6 MPa [ ] 2 2 2R0 1 2R0 1 ml TB 2 27.9 MPa [ ] B 2R02 2 2R02 2
A
31
例 3-3 密圈螺旋弹簧应力分析
度条件设计实心圆轴与 = 0.9 的空心圆轴。
解：1. 确定实心圆轴直径
max [ ]
T π 3 d 16
max
[ ]
T 3 d 16
d
3
16T π [ ]
3
16(1.5 103 N m ) 0.0535 m 6 (50 10 Pa)
28
取： d 54 mm
在线弹性情况下，精确解：
max
16T D 3 (1 4 )
当 ≤RO /10 时，误差≤4.53
19
极惯性矩与抗扭截面系数
空心圆截面
dA 2π d
Ip
D/ 2 d/2
2 2π d
π D4 Ip 14 32
d D
π D3 Wp 14 16
3. 重量比较
π 2 ( do di2 ) 4 39.5% π 2 d 4
空心轴远比 实心轴轻
29
例 3-2 R0＝50 mm的薄壁圆管，左、右段的壁厚分别
为 1 5 mm，2 4 mm，m = 3500 N.m/m，l = 1 m，
[] 50 MPa，试校核圆管强度。
注意单位换算:
180 1 rad / m /m π
36
例 题
例 4-1 已知：MA = 180 N.m， MB = 320 N.m， MC = 140 N.m，Ip= 3105 mm4，l = 2 m，G = 80 GPa，[] = 0.5º /m 。AC=? 校核轴的刚度
解：1. 变形分析
T1 M A 180 N m T2 MC 140 N m
T1l 1.50 10-2 rad GI p T2 l 1.17 10-2 rad GI p
37
AB
BC
AC AB BC 1.50 10-2 1.17 10-2 0.33 10-2 rad
Tmax max Wp
轴的动力转递
已知：动力装置的输出功率 P（kW）,转速 n（r/min） 试求：传递给轴的扭力偶矩 M（N.m） 设角速度为 (rad/s)
P M
2π n P 10 M 60 P kW M Nm 9549 n r / min
3
例: P＝5 kW, n=1450 r/min, 则
A
Ip Wp －抗扭截面系数 R
15
小结
研究方法：从实验、假设入手，综合考虑几何、
物理与静力学三方面
dj T 扭转变形基本公式： dx GI p
扭转切应力公式： 最大扭转切应力：
T Ip T max Wp
公式的适用范围： 圆截面轴；max≤ p
16
讨论
2. 确定空心圆轴内、外径
do3 1 4 Wp 16
do
3
16T π 3 do (1 4) 16
[ ]
16T 76.3 mm 4 π (1 )[ ]
di d可否做一般 o 68.7mm 性证明？
取：do 76 mm， di 68 mm
T l
p2
ml T1 B T2 B 2
(b)
3. 扭矩与圆盘转角 联立求解平衡与补充方程，得
圆盘转角为
ml T1 B T2 B 2
B 2 B
T2 B l ml GIp2 2GIp2
45
§6 非圆截面轴扭转
矩形截面轴扭转 椭圆等非圆截面轴扭转
46
矩形截面轴扭转
例 题
例 1-1 MA=76 Nm, MB=191 Nm, MC=115 Nm, 画扭矩图
解：
T2 M C 0
T1 M A 76 N m T2 M C 115 N m
10
§2 圆轴扭转应力
扭转实验与假设 扭转切应力
薄壁圆管扭转切应力
极惯性矩与抗扭截面系数
解：1. 内力分析
FS ＝F
T
FD 2
32
FS ＝F
T
FD 2
2. 应力分析
4 FS 4 F ' 2 2 d d
" max
T FD 16 8 FD 3 2 d d 3 WP
8 FD d 1 d 3 2 D
max " max '
研空心圆截面
杆件应力分布：
斜截面应力：
17
薄壁圆管扭转应力
应力公式
假设: 切应力沿壁厚均匀分布
2 T R0 R0d 2π R0
0 2π
T 2R02 δ
18
适用范围 适用于所有匀质薄壁杆，包括弹性、非弹 性、各向同性与各向异性情况
公式精度
T 2R02
第四章 扭转 本章主要研究： 圆截面轴的扭转应力与变形 圆截面轴的扭转强度与刚度 矩形等非圆截面轴扭转 薄壁截面轴扭转
1
第4章
§1 引言 §2 圆轴扭转应力
扭转
§3 圆轴扭转强度与动力传递
§4 圆轴扭转变形与刚度计算 §5 圆轴扭转静不定问题 §6 非圆截面轴扭转 §7 薄壁杆扭转
5 M＝ 9540 (N m) 32.9 N m 1450
25
圆轴的合理设计
1. 合理截面形状 空心截面比 实心截面好
若 Ro/ 过 大 ， 则将产 生皱折（即局部失稳）
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2. 采用变截面轴与阶梯形轴
注意减缓应力集中
27
例 题
例 3-1 已知 T=1.5 kN.m，[ ] 50 MPa，试根据强
3. 应力修正公式
max
8FD 4m 2 d 3 4 m 3 D （当 m 10 时） d
33
§4 圆轴扭转变形与刚度计算
圆轴扭转变形
圆轴扭转刚度条件
例题
34
圆轴扭转变形
圆轴扭转一般情况
d T dx GIp d T ( x) dx GIp ( x )
T ( x) dx l GI ( x ) p
GIp－圆轴截面扭转刚度，简称扭转刚度 对于常扭矩、等截面圆轴
Tl GIp
35
圆轴扭转刚度条件
dj T dx GI p
T [ ] GI p max
圆轴扭转刚度条件
[ ]－单位长度的许用扭转角 一般传动轴， [ ] = 0.5 ~1/m
注意单位换算！
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例 4-2 试计算图示圆锥形轴的总扭转角
T dx 解： l GI ( x ) p 4 d d d ( x ) d ( x ) d1 2 1 x Ip ( x ) TM l 32 32 Ml 1 1 32 M l 1 3 3 d x 4 3G( d2 - d1 ) d1 d2 G 0 d 2 d1 x d1 2
实心圆截面
π d4 Ip 32
π d3 Wp 16
20
§3 圆轴扭转强度与动力传递
圆轴扭转强度条件
轴的动力转递
圆轴合理设计 例题
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材料的剪切性能与扭转破坏
扭转破坏
低碳钢
铸铁
22
剪切胡克定律
实验表明：
p G
s b
扭转屈服应力 扭转强度极限
2. 刚度校核
T1 d dx 1 GI p
T2 d dx 2 GI p
T1 T2
T d d 1 dx max dx 1 GI p
180 N m 180 d 0 . 43 / m [ ] 9 10 m ) π
CB
T2b M B b GI p GI p
(b)
M Aa MBb 0
计算支反力偶矩 联立求解方程(a)与(b)
M
x
0,
M A MB M 0
(a)
MA
Mb Ma ， MB ab ab
42
例题
例 5-1 图示组合轴，承受集度为 m 的均布扭力偶， 与矩为 M = ml 的集中扭力偶。已知： G1 = G2 = G， Ip1 = 2Ip2 。试求：圆盘的转角。
39
§5 圆轴扭转静不定问题
扭转静不定问题分析 例题