材料力学第五版(孙训方)课后题答案

材料力学第五版课后答案[习题2-2]一打入基地内的木桩如图所示，杆轴单位长度的摩擦力f=kx**2，试做木桩的后力图。

解：由题意可得：33233110,,3/()3/(/)ll N fdx F kl F k F l F x Fx l dx F x l =====⎰⎰1有3[习题2-3] 石砌桥墩的墩身高m l10=，其横截面面尺寸如图所示。

荷载kN F 1000=，材料的密度3/35.2m kg =ρ，试求墩身底部横截面上的压应力。

解：墩身底面的轴力为：g Al F G F N ρ--=+-=)( 2-3图)(942.31048.935.210)114.323(10002kN -=⨯⨯⨯⨯+⨯--=墩身底面积：)(14.9)114.323(22m A =⨯+⨯=因为墩为轴向压缩构件，所以其底面上的正应力均匀分布。

MPa kPa m kNA N 34.071.33914.9942.31042-≈-=-==σ[习题2-7] 图示圆锥形杆受轴向拉力作用，试求杆的伸长。

2-7图解：取长度为dx 截离体（微元体）。

则微元体的伸长量为：)()(x EA Fdx l d =∆ ，⎰⎰==∆l l x A dxE F dx x EA F l 00)()(lxr r r r =--121，22112112d x l d d r x l r r r +-=+⋅-=，2211222)(u d x ld d x A ⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=ππ，dx l d d du d x l d d d 2)22(12112-==+-du d d ldx 122-=，)()(22)(221212udu d d l du u d d l x A dx -⋅-=⋅-=ππ 因此，)()(2)()(202100udu d d E Fl x A dx E F dx x EA F l l l l⎰⎰⎰--===∆π lld x l d d d d E Fl u d d E Fl 011221021221)(21)(2⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ππ ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-+--=21221)(2111221d d l l d d d d E Fl π⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=122122)(2d d d d E Fl π214dEd Fl π=[习题2-10] 受轴向拉力F 作用的箱形薄壁杆如图所示。

已知该材料的弹性常数为ν,E ，试求C 与D 两点间的距离改变量CD ∆。

解：EAFE AF νννεε-=-=-=/'式中，δδδa a a A 4)()(22=--+=，故：δνεEa F 4'-=δνεEa F a a 4'-==∆，δνE F a a a 4'-=-=∆δνE F a a 4'-=，a a a CD12145)()(243232=+= '12145)'()'(243232''a a a D C =+=δνδνE F E F a a CD D C CD 4003.1412145)(12145)('''⋅-=⋅-=-=-=∆[习题2-11] 图示结构中，AB 为水平放置的刚性杆，杆1，2，3材料相同，其弹性模量GPa E 210=，已知m l 1=，221100mm A A ==，23150mm A =，kN F 20=。

试求C 点的水平位移和铅垂位移。

2-11图 解：（1）求各杆的轴力以AB 杆为研究对象，其受力图如图所示。

因为AB 平衡，所以0=∑X ，045cos 3=o N，03=N由对称性可知，0=∆CH ，)(10205.05.021kN F N N =⨯===（2）求C 点的水平位移与铅垂位移。

A 点的铅垂位移：mm mmmm N mm N EA l N l 476.0100/21000010001000022111=⨯⨯==∆ B 点的铅垂位移：mm mm mm N mmN EA l N l 476.0100/21000010001000022222=⨯⨯==∆ 1、2、3杆的变形协（谐）调的情况如图所示。

由1、2、3杆的变形协（谐）调条件，并且考虑到AB 为刚性杆，可以得到 C 点的水平位移：)(476.045tan 1mm l o BH AH CH =⋅∆=∆=∆=∆C 点的铅垂位移：)(476.01mm l C=∆=∆[习题2-12] 图示实心圆杆AB 和AC 在A 点以铰相连接，在A 点作用有铅垂向下的力kN F 35=。

已知杆AB 和AC 的直径分别为mm d 121=和mm d 152=，钢的弹性模量GPa E 210=。

试求A 点在铅垂方向的位移。

解：（1）求AB 、AC 杆的轴力以节点A 为研究对象，其受力图如图所示。

受力图变形协调图由平衡条件得出：0=∑X ：045sin 30sin =-o AB o ACN NAB AC N N 2=………………………(a)0=∑Y ：03545cos 30cos =-+o AB o ACN N7023=+AB AC N N ………………(b)(a) (b)联立解得：kN N N AB 117.181==；kN N N AC 621.252==（2）由变形能原理求A 点的铅垂方向的位移222211212221EA l N EA l N F A +=∆)(122221121EA l N EA l N F A +=∆式中，)(141445sin /10001mm l o ==；)(160030sin /8002mm l o ==2211131214.325.0mm A =⨯⨯=；2221771514.325.0mm A =⨯⨯=故：)(366.1)177210000160025621113210000141418117(35000122mm A =⨯⨯+⨯⨯=∆ [习题2-13] 图示A 和B 两点之间原有水平方向的一根直径mm d 1=的钢丝，在钢丝的中点C 加一竖向荷载F 。

已知钢丝产生的线应变为0035.0=ε，其材料的弹性模量GPa E 210=，钢丝的自重不计。

试求：（1）钢丝横截面上的应力（假设钢丝经过冷拉，在断裂前可认为符合胡克定律）； （2）钢丝在C 点下降的距离∆； （3）荷载F 的值。

解：（1）求钢丝横截面上的应力)(7350035.0210000MPa E =⨯==εσ（2）求钢丝在C 点下降的距离∆)(72100002000735mm E l EA Nl l =⨯=⋅==∆σ。

其中，AC 和BC 各mm 5.3。

996512207.05.10031000cos ==α o 7867339.4)5.10031000arccos(==α)(7.837867339.4tan 1000mm o==∆（3）求荷载F 的值以C 结点为研究对象，由其平稀衡条件可得：0=∑Y ：0sin 2=-P a Nασsin 2sin 2A a N P ==)(239.96787.4sin 114.325.0735202N =⨯⨯⨯⨯⨯=[习题2-15]水平刚性杆AB 由三根BC,BD 和ED 支撑，如图，在杆的A 端承受铅垂荷载F=20KN,三根钢杆的横截面积分别为A1=12平方毫米，A2=6平方毫米，A,3=9平方毫米，杆的弹性模量E=210Gpa ，求： （1） 端点A 的水平和铅垂位移。

（2） 应用功能原理即（2-8）求端点A 的铅垂位移。

解：（1）3323311031231111711961222,3/()3/(/)cos 450sin 4500.450.15060,401,0,60100.15 3.87210101210401llN N N N N N N fdx F kl F k F l F x Fx l dx F x l F F F F F F F F KN F KN F KN F l l EA F l l EA -=====⎧=⎪-+-+=⎨⎪-⨯+⨯=⎩∴=-=-=-⨯⨯∆===⨯⨯⨯⨯∆==⎰⎰1有3由胡克定理，796x 2y 2100.15 4.762101012104.762320.23A l A l l -⨯=⨯⨯⨯∆=∆=∆=∆⨯+∆⨯=↓从而得，，（）（2）y 1122y +020.33V F A F l F l A ε=⨯∆-⨯∆⨯∆=∆=↓（）[习题2-17] 简单桁架及其受力如图所示，水平杆BC 的长度l 保持不变，斜杆AB 的长度可随夹角θ的变化而改变。

两杆由同一种材料制造，且材料的许用拉应力和许用压应力相等。

要求两杆内的应力同时达到许用应力，且结构的总重量为最小时，试求： （1）两杆的夹角；（2）两杆横截面面积的比值。

解：（1）求轴力取节点B 为研究对象，由其平衡条件得： ∑=0Y0sin =-F N AB θθsin FN AB =∑=0X0cos =--BC AB N N θθθθθcot cos sin cos F FN N AB BC =⋅=-= 2-17 （2）求工作应力θσsin AB AB AB AB A FA N ==BCBC BC BC A F A N θσcot ==（3）求杆系的总重量)(BC BC AB AB l A l A V W +=⋅=γγ 。

γ是重力密度（简称重度，单位：3/m kN ）。

)cos (l A lA BC AB+=θγ)cos 1(BC AB A A l +⋅=θγ（4）代入题设条件求两杆的夹角 条件①：][sin σθσ===AB AB AB AB A F A N ，θσsin ][FA AB =][cot σθσ===BC BC BC BC A F A N ， ][cot σθF A BC =条件⑵：W 的总重量为最小。

)cos 1(BC ABA A l W +⋅=θγ)cos 1(BC AB A A l +⋅=θγ)][cot cos 1sin ][(σθθθσγF F l +⋅⋅=)sin cos cos sin 1(][θθθθσγ+=Fl[]⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=θθθσγcos sin cos 12Fl []⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=θθσγ2sin cos 122Fl 从W 的表达式可知，W 是θ角的一元函数。

当W 的一阶导数等于零时，W 取得最小值。

[]02sin 22cos )cos 1(2sin sin cos 2222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+-⋅-=θθθθθθσγθFl d dW 022cos 22cos 32sin 2=⋅⋅+--θθθ02cos 2cos 32sin 22=---θθθ12cos 3-=θ ，3333.02cos -=θo 47.109)3333.0arccos(2=-=θ，'445474.54o o ==θ（5）求两杆横截面面积的比值θσsin ][F A AB =，][cot σθF A BC =θθθσθθσcos 1cot sin 1][cot sin ][===F FA A BCAB因为：12cos 3-=θ，311cos 22-=-θ，31cos 2=θ31cos =θ，3cos 1=θ所以：3=BCABA A [习题2-18] 一桁架如图所示。