材料力学扭转截面几何性质

1、材料力学扭转截面几何性质第1页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四概 述构件的横截面积都是具有一定几何形状的平面图形，构件的承载能力（强度，刚度，稳定性等）都与平面图形的一些几何性质（横截面积，极惯性矩等）有关。因此需要第2页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四第7章 平面图形的几何性质zcycyycdAzz07.1 静矩和形心 1 静矩 同一图形：坐标轴不同-静矩不同，数值可正，可负，可为零！量纲：第3页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四2. 形心第4页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四3 组合图形的静矩和形心 zcycyy

2、cdAzz0组合图形第5页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四注:1 静矩有符号.2当Sz=0yc=0，即平面图形对某一轴的静矩为零，则该轴必然过形心 3当yc=0Sz=0，即若某一轴通过形心，则图形对该轴的静矩为零。 4由平面图形的形心必在对称轴上，故平面图形对于对称轴的静矩总是等于零。5 静矩是截面对于一定的坐标轴而言的，同一截面对于不同的坐标轴，其静矩 不同。 第6页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四解：zybhc已知：矩形截面bh 求： sz和 sy第7页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四已知：图示图形求： zc和yc解：101208

3、0C1(5 60)C2(45 5)10zy第8页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四yydAzz0A4.2 惯性矩和惯性半径1 惯性矩2 惯性半径第9页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四3 极惯性矩yydAzz0A第10页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四2 空心圆dDdA0dDdA0d1圆第11页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四5 组合图形的惯性矩yydAzz0A4 惯性矩与极惯性积的关系第12页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四yzydyhbc已知：矩形求：Iy和Iz解：第13页，共42页，2022年

4、，5月20日，4点0分，星期四zyDc已知：实心圆截面直径D,空心圆截面直径D、d. 求：Iy和Iz。解：1 实心圆2 空心圆d第14页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四4.3 惯性积1 y、z之一为图形对称轴则Iyz=0；zz-zy0dAdA2 惯性积为零的一对座标轴称为 惯性主轴；3 通过形心的主轴称为形心主轴 或形心惯性主轴；第15页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四4.4 平行移轴公式yydAzz0Azcycczcycab图形对平行于形心轴y、z轴的惯性矩和惯性积为：图形对形心轴的惯性矩和惯性积为：第16页，共42页，2022年，5月20日，4点0分

5、，星期四yydAzz0Azcycczcycab第17页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四已知：T形截面。 求： Izc解：形心 c(0 yc) 1002014020cc1c2yc1yczyzc第18页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四作业4.24.74.9第19页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四第三章 扭 转31 扭转的概念 外力特点：在杆件上作用着大小相等、转向相反、作用平面垂直于杆件轴线的两组平行力偶系。 第20页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四轴：以扭转变形为主的杆件。 变形的特点：当杆件发生扭转变形时，任意两个

6、横截面将绕杆轴线作相对转动而产生相对角位移。这种相对角位移称为扭转角，用表示。 第21页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四32 外力偶矩的计算，扭矩和扭转图一、外力偶矩的计算已知轴所传递的功率和轴的转速，则外力偶矩（Nm）N功率，单位为千瓦（KW）n转速，单位为rod/min N功率 ，单位为马力n转速，单位为rod/min第22页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四二、扭转时的内力扭矩MeMeMeMxx右: Mx = 0, Me Mx= 0 Mx = Me Mx、 Mx 为扭矩扭矩的符号规定：按右手螺旋法则，扭矩矢量方向与截面外法线相同为正，反之为负。扭矩左

7、: Mx = 0, Mx Me = 0 Mx = Mex第23页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四三、扭矩图例题： 1、一传动轴作200rmin的匀速转动，轴上装有五个轮子。主动轮2输入的功率为60kW，从动轮1、3、4、5依次输出的功率为18kW、12kW、22kW和8kW。试作出该轴的扭矩图。第24页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四第25页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四一 薄壁圆筒扭转时的应力 r t 为薄壁圆筒Lmrtm3.3 纯剪切现象： 1 圆周线的形状大小不变相邻两周线之间距离不变，但发生了相对转动。2 各纵向线仍然平行，

8、但倾斜了相同的角度（剪应变）,矩形歪斜成平行四边形第26页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四mxTLmrtm由平衡条件 试中：r为圆筒的平均半径。第27页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四二、剪应力互等定理 由平衡方程 结论：在互相垂直的两个平面上，剪应力必然成对存在，且数值相等；二者都垂直于两平面的交线，其方向则共同指向或共同背离两平面的交线，这种关系称剪应力互等定理。 纯剪切应力状态:单元体上只有剪应力而无正应力的情况。 = dytdx= dxtdyLmrtm第28页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四 G四 E、G 和之间的关系三 剪应

9、变、剪切胡克定律剪应变在弹性范围内,剪切胡克定律G -剪切弹性模量lR第29页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四34圆轴扭转时的应力及强度计算一、横截面上的应力1、变形几何关系 平面假设：Lmtm圆轴的各个横截面,变形后仍保持为平面,形状和大小不变,半径仍保持为直线,并且相邻两截面间的距离不变.第30页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四表面剪应变2、物理关系内部剪应变第31页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四3、静力关系截面对形心的极惯性矩（与截面形状、大小有关的几何量）抗扭截面模量（系数） 当 = R 时第32页，共42页，2022年，5

10、月20日，4点0分，星期四极惯性矩和抗扭截面模量（1）圆（2）空心圆dDdA0dDdA0d第33页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四二、强度计算抗扭截面模量（系数） 解决三类强度问题 ：35 圆轴扭转时的变形和刚度计算 扭转角：任意两横截面相对转过的角度第34页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四l1l2l3T1Ip1T2Ip2T3Ip3T(x)Ip(x)x1 扭转角(1)等直圆轴(2) 阶梯轴(3)变截面轴2 单位长度扭转角3 扭转刚度条件许用单位长度扭转角rad/m0/m第35页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四例题： 1、有一阶梯形圆轴

11、，轴上装有三个皮带轮。轴的直径分别为d1=40rmn，d2=70mm，已知轮3输入的功率为N3=30kW，轮1输出的功率为N1=13kW。轴作匀速转动，转速n=200rmin。若材料的容许剪应力=60MPa，G=8104MPa，轴的容许单位长度扭转角为=2m，试校核该轴的强度和刚度。第36页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四2、图示为装有四个皮带轮的一根实心圆轴的计算简图。已知m1，m2=3kN.m，m3=9kN.m，m4；各轮的间距为l1=0.8m，l2=1.0m，l3=1.2m；材料的=80GPa， =0.3/m，G=80GPa. (1)设计轴的直径D；(2)若轴的直径D

12、0=105mm，试计算全轴的相对扭转角D-A第37页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四3、有一外径为100mm、内径为80mm的空心圆轴，与一直径为80mm的实心圆轴用键相连接。在A轮处由电动机带动，输入功率N1=150kW；在B、C轮处分别负载N2=75kW，N3=75kW。若已知轴的转速为n=300rmin，容许剪应力=45MPa；键的尺寸为10mml0mm30mm，其容许应力为=100MPa和c=280MPa。(1)校核空心轴及实心轴的强度（不考虑键槽的影响）；(2)求所需键数n。P第38页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四36 扭转静不定问题已知:A

13、B阶梯轴两端固定,C处作用外力偶矩m,AC抗扭刚度为G1Ip1,CB抗扭刚度为G2Ip2 .求:轴的扭矩.解:1 静力学关系2 变形几何关系mACBab扭转静不定问题mBACBmmAxABCmm第39页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四3 物理关系解出:ACBmabmBACBmmA第40页，共42页，2022年，5月20日，4点0分，星期四37 非圆轴截面杆扭转的概念 矩形截面杆扭转分自由扭转和约束扭转。杆两端无约束，翘曲程度不受任何限制的情况，属于自由扭转。此时，杆各横截面的翘曲程度相同，纵向纤维长度无变化，横截面上只有剪应力，没有正应力。杆一端被约束，杆各横截面的翘曲程度不同，横截面上不但有剪应力，还有正应力，这属于约束扭转。第41页，