材料力学土木类第三章扭转

材料力学土木类第三章扭转第一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日§3-1概述工程实例第二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日圆杆各横截面绕杆的轴线作相对转动；杆表面上的纵向线变成螺旋线。受力特点：圆截面直杆受到一对大小相等、转向相反、作用面垂直于杆的轴线的外力偶作用变形特点：Me

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实际构件工作时除发生扭转变形外，还常伴随有弯曲、拉压等其他变形。第三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日§3-2传动轴的外力偶矩·扭矩及扭矩图Ⅰ、传动轴的外力偶矩传动轴的转速n；某一轮上所传递的功率P(kW)作用在该轮上的外力偶矩Me。已知：求：一分钟内该轮所传递的功率等于其上外力偶矩所作的功：Me1

Me2

Me3

n从动轮主动轮从动轮第四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日传动轮的转速n

、功率P及其上的外力偶矩Me之间的关系：主动轮上的外力偶矩转向与传动轴的转向相同，从动轮上的外力偶矩转向与传动轴的转向相反。Me1

Me2

Me3

n从动轮主动轮从动轮第五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日Ⅱ、扭矩及扭矩图圆轴受扭时其横截面上的内力偶矩称为扭矩，用符号T表示。扭矩大小可利用截面法来确定。11TTMe

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11x第六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日扭矩的符号规定按右手螺旋法则确定:扭矩矢量离开截面为正，指向截面为负。仿照轴力图的做法，可作扭矩图，表明沿杆轴线各横截面上扭矩的变化情况。TTTTT(+)T(-)第七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日11TTMe

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11xMeT图+第八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日例3-1一传动轴如图，转速n=300r/min；主动轮输入的功率P1=500kW，三个从动轮输出的功率分别为：P2=150kW，P3=150kW，P4=200kW。试作轴的扭矩图。第九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日首先必须计算作用在各轮上的外力偶矩解：221133M1

M2

M3

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ABCD第十页，共四十三页，编辑于2023年，星期日分别计算各段的扭矩221133M1

M2

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ABCDT111xM2AT2AM2

BM3

22xT333DM4

x第十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日扭矩图Tmax=9.56kN·m在BC段内M1

M2

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ABCD4.789.566.37T图(kN·m)第十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日§3-3薄壁圆筒的扭转——通常指的圆筒，可假定其应力沿壁厚方向均匀分布内力偶矩——扭矩T薄壁圆筒nnMeMe

dlTMe

nndr0第十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日圆筒两端截面之间相对转过的圆心角相对扭转角表面正方格子倾斜的角度—直角的改变量切应变即gjABDCMe

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薄壁圆筒受扭时变形情况：gABCDB1A1D1

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D'D1'C1'C'第十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日Me

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圆周线只是绕圆筒轴线转动，其形状、大小、间距不变；表面变形特点及分析：——横截面在变形前后都保持为形状、大小未改变的平面，没有正应力产生所有纵向线发生倾斜且倾斜程度相同。——横截面上有与圆轴相切的切应力且沿圆筒周向均匀分布gjABDC第十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日Me

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1、横截面上无正应力；2、只有与圆周相切的切应力，且沿圆筒周向均匀分布；薄壁圆筒横截面上应力的分布规律分析：gjABDCgABCDB1A1D1

C1

D'D1'C1'C'

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r0xt3、对于薄壁圆筒，可认为切应力沿壁厚也均匀分布。第十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日薄壁圆筒横截面上切应力的计算公式：静力学条件因薄壁圆环横截面上各点处的切应力相等得tdAnnMe

r0xdr0第十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日剪切胡克定律由前述推导可知薄壁圆筒的扭转实验曲线Me

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gjABDC第十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日钢材的切变模量值约为：这就是剪切胡克定律其中：G——材料的切变模量tp——剪切屈服极限第十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日§3-4等直圆杆扭转时的应力·强度条件Ⅰ、横截面上的应力（一）几何方面相邻圆周线绕杆的轴线相对转动，但圆周的大小、形状、间距都未变；纵向线倾斜了同一个角度g，表面上所有矩形均变成平行四边形。g(a)Me

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(b)第二十页，共四十三页，编辑于2023年，星期日杆的横截面上只有垂直于半径的切应力，没有正应力产生。平面假设等直圆杆受扭转时其横截面如同刚性平面一样绕杆的轴线转动。推论：(a)gMe

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(b)第二十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日gMe

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djgD'G'GETTO1O2ababdxDAgrrdjgD'G'GEO1O2DAgrrdxd横截面上任一点处的切应变随点的位置的变化规律第二十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日即相对扭转角沿杆长的变化率，对于给定的横截面为常量djgD'G'GETTO1O2ababdxDAgrrdjgD'G'GEO1O2DAgrrdxd第二十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日剪切胡克定律（二）物理方面（三）静力学方面称为横截面的极惯性矩trdA

trdA

rrrO令得T第二十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日Od等直圆杆扭转时横截面上切应力计算公式rtmaxtrtmaxT第二十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日发生在横截面周边上各点处。称为扭转截面系数最大切应力tmaxtmax令即OdrtrT第二十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日同样适用于空心圆截面杆受扭的情形tmaxtmaxODdTrtr第二十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日（四）圆截面的极惯性矩Ip和扭转截面系数Wp实心圆截面：Odrrd第二十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日空心圆截面：DdrrOd第二十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日注意：对于空心圆截面DdrrOd第三十页，共四十三页，编辑于2023年，星期日此处为以横截面、径截面以及与表面平行的面从受扭的等直圆杆表面处截取一微小的正六面体（五）单元体·切应力互等定理单元体——Me

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xyzabOcddxdydzt'ttt'自动满足存在t'得第三十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日单元体的两个相互垂直的截面上，与该两个面的交线垂直的切应力数值相等，且均指向(或背离)两截面的交线。切应力互等定理单元体在其两对互相垂直的平面上只有切应力而无正应力的状态称为纯剪切应力状态。dabctt't'txyzabOcddxdydzt'ttt'第三十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日例3-2实心圆截面轴Ⅰ和空心圆截面轴Ⅱ(a=d2/D2=0.8)的材料、扭转力偶矩Me和长度l

均相同。试求在两圆轴横截面上最大切应力相等的情况下，D2/d1之比以及两轴的重量比。(a)

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d1lⅠMe

(b)

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lⅡD2d2第三十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日解：已知得第三十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日两轴的重量比可见空心圆轴的自重比实心圆轴轻。讨论：为什么说空心圆轴比实心圆轴更适合于做受扭构件？第三十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日Ⅱ、斜截面上的应力假定斜截面ef的面积为dAaefdabctt't'txant'ttaahxsafebax第三十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日讨论：1、2、此时切应力均为零。ft'attaebahxsax解得t'tt'tx45°45°smaxsmaxsminsmin第三十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日Ⅲ、强度条件等直圆轴材料的许用切应力第三十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日例3-3图示阶梯状圆轴，AB段直径d1=120mm，BC段直径d2=100mm。扭转力偶矩MA=22kN•m，MB=36kN•m，MC=14kN•m。材料的许用切应力[t]=80MPa，试校核该轴的强度。解：1、求内力，作出轴的扭矩图2214T图（kN·m）MA

MBⅡⅠMC

ACB第三十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日BC段AB段2、计算轴横截面上的最大切应力并校核强度即该轴满足强度条件。2214T图（kN·m）第四十页，共四十三页，编辑于2