材料力知识学知识题册答案解析-第3章扭转

第三章扭转
一、是非判断题
1.圆杆受扭时，杆内各点处于纯剪切状态。

（×）
2.杆件受扭时，横截面上的最大切应力发生在距截面形心最远处。

（×）
3.薄壁圆管和空心圆管的扭转切应力公式完全一样。

（×）
4.圆杆扭转变形实质上是剪切变形。

（×）
5.非圆截面杆不能应用圆截面杆扭转切应力公式，是因为非圆截面杆扭转时“平截面假设”不能成立。

（√）
6.材料相同的圆杆，他们的剪切强度条件和扭转强度条件中，许用应力的意义相同，数值相等。

（×）
7.切应力互等定理仅适用于纯剪切情况。

（×）
8.受扭杆件的扭矩，仅与杆件受到的转矩（外力偶矩）有关，而与杆件的材料及其横截面的大小、形状无关。

（√）
9.受扭圆轴在横截面上和包含轴的纵向截面上均无正应力。

（√）
10.受扭圆轴的最大切应力只出现在横截面上。

（×）
11.受扭圆轴内最大拉应力的值和最大切应力的值相等。

（√）
12.因木材沿纤维方向的抗剪能力差，故若受扭木质圆杆的轴线与木材纤维方向平行，当扭距达到某一极限值时，圆杆将沿轴线方向出现裂纹。

（×）
二、选择题
1.内、外径之比为α的空心圆轴，扭转时轴内的最大切应力为τ，这时横截面上内边缘的切应力为 （ B ）
A τ；
B ατ；
C 零；
D （1- 4α）τ
2.实心圆轴扭转时，不发生屈服的极限扭矩为T ，若将其横截面面积增加一倍，则极限扭矩为（ C ）
A
0 B 20T 0 D 40T 3.两根受扭圆轴的直径和长度均相同，但材料C 不同，在扭矩相同的情况下，它们的最大切应力τ、τ和扭转角ψ、ψ之间的关系为（ B ） A 1τ=τ2, φ1=φ2 B 1τ=τ2, φ1≠φ2 C 1τ≠τ2, φ1=φ2 D 1τ≠τ2, φ1≠φ2 4.阶梯圆轴的最大切应力发生在（ D ）
A 扭矩最大的截面；
B 直径最小的截面；
C 单位长度扭转角最大的截面；
D 不能确定。

5.空心圆轴的外径为D ，内径为d, α=d ／D,其抗扭截面系数为 （ D ） A ()3
1 16
p D W πα=
- B ()3
2
1 16
p D W πα=
-
C ()3
3
1 16
p D W πα=
- D ()3
4
1 16
p
D W
πα=
-
6.对于受扭的圆轴，关于如下结论： ①最大剪应力只出现在横截面上；
②在横截面上和包含杆件的纵向截面上均无正应力；
.
③圆轴内最大拉应力的值和最大剪应力的值相等。

现有四种答案，正确的是（ A ）
A ②③对
B ①③对
C ①②对
D 全对 7.扭转切应力公式n
P p
M I τρ=
适用于（ D ）杆件。

A 任意杆件； B 任意实心杆件； C 任意材料的圆截面； D 线弹性材料的圆截面。

8.单位长度扭转角θ与（ A ）无关。

A 杆的长度； B 扭矩；
C 材料性质；
D 截面几何性质。

9.若将受扭实心圆轴的直径增加一倍，则其刚度是原来的（ D ） A 2倍； B 4倍； C 8倍； D 16倍。

三、计算题
1.试用截面法求出图示圆轴各段内的扭矩T ，并作扭矩图
2.图示圆轴上作用有四个外力偶矩1 e M =1KN/m, 2e M =0.6KN/m,
3e M = 4e M =0.2KN/m, ⑴试画出该轴的扭矩图；⑵若1 e M 与2e M 的
作用位置互换，扭矩图有何变化？
(1)(2)
解：
1 e M 与2e M 的作用位置互换后，最大扭矩变小。

3.如图所示的空心圆轴，外径D=100㎜，内径d=80㎜，l=500㎜，M=6kN/m,M=4kN/m.
请绘出轴的扭矩图，并求出最大剪应力
解：扭矩图如上，则轴面极惯性矩
I P =
4
44443)
64()
(10080)(10 5.81032
32
D d m ππ----=
=⨯
则最大剪应力τmax =33
6
R 4105010P 34.45.810
P T a MPa I ⨯⨯⨯==⨯
4．图示圆形截面轴的抗扭刚度为G I P ，每段长1m,试画出其扭矩图并计算出圆轴两端的相对扭转角。

解：φAD= φAB+ φBC +φCD φAB=190
P P
T L GI GI -= φBC=2100P P T L GI GI = φCD=340P P T L GI GI = 所以φAD=901004050
P P
GI GI -++=
5.如图所示的阶梯形传动轴中，A 轮输入的转矩M=800N •m,B ﹑C 和D 轮输出的转矩分别为B M =C M =300N •m ，D M =200N •m 。

传动轴的许用切应力[τ]=400Mpa,许用扭转角[θ]=1°/m,材料的剪切弹性模量G=80Gpa.
⑴试根据轴的强度条件和刚度条件，确定传动轴各段的直径。

⑵若将传动轴改为等截面空心圆轴，并要求内外直径之比α
=d/D=0.6,试确定轴的外径；并比较两种情况下轴的重量。

解： （1）max τ=
max 3
16max
T T T W d
π=≤［ τ］ []max max
max 4
32P T T GI G d θθπ=
=≤ 对于AB 段 11d d ≥≥联立得138.5d mm ≥ 同理得AC 段的d 2 43.7mm ≥ CD 段d 3 34.8mm ≥
所以d 1应取值38.5mm ，d 2应取值43.7mm,d 3应取值34.8mm (2) []max max max max 3416(1)
t t T T T W W D ττπα===≤- []max max max 4432(1)
P T T GI G D θθπα=
=≤- 所以D=4.17m
6.图示的传动轴长l=510㎜，直径D=50㎜。

现将此轴的一段钻成内径d=25㎜的内腔，而余下一段钻成d=38㎜的内腔。

若材料的许用切应力[τ]=70Mpa,试求： ⑴此轴能承受的最大转矩max e M M
⑵若要求两段轴内的扭转角相等，则两段的长度应分别为多少？
M M e
e
M
解：⑴设半径为ρ P I M ρτ=
P I
M τρ
= P I 取441D -)32d π（，ρ=2
D
[]()[]()44441132
1609.86162D d D d M N M D
D
π
ττπ--=
=
=•
⑵P T GI θ=
1112()P P Tl T l l GI GI -∴= 即 1
14444
12()()3232
l l l D d D d ππ-=
-- 解得1l =298.1mm l 2=211.9mm
7.如图所示钢轴AD 的材料许用切应力[τ]=50Mpa ，切变模量G=80Gpa,许用扭转角[θ]=0.25°／m 。

作用在轴上的转矩M=800N •m ，1200N •m ，M=400N •m 。

试设计此轴的直径。

M/
解：由题意轴中最大扭矩为800N •Mg 根据轴的强度条件τmax=
max 3
16max T T T W d π=≤［ τ］ 所以d
2
4.3410m -≥=⨯ 根据轴的刚度条件[].
max
max
4
32max T T GIp G d ϕθπ==≤
所以22.5210d m -≥=⨯ 即轴的直径应取值43.4mm.
8. 钻探机钻杆外经D=60㎜,内径d=㎜,功率P=7.355KW ，轴的转速n=180r/min,杆钻入土层的深度l=40m,材料的切变模量G=80Gpa ，许用切应力[τ]=40Mpa ，假设土壤对钻杆的阻力沿长度均匀分布，试求：
⑴土壤对钻杆单位长度的阻力矩m ； ⑵作钻杆的扭矩图，并进行强度校核； ⑶计算A 、B 截面的相对扭转角。

390.18
N·m
解：（1）T=M=9549 7.355
390.18180
N m N m ⨯
•=• 由平衡方程0;X M =∑ 由ML-T=0 则M= T
L
=9.75N m m •
(2)扭矩图如图所示
[][]34max max max max 34
16= ,W = (1) 16(1).8MPa<40,P p T T D W D MPa πταττπατ-∴=≤-=即17钻刚满足强度条件
（3）两端截面的相对扭转角为
Φ= 2
00.1482l
P p
mx ml rad GI GI ==⎰
感谢土木0902班石李、臧明远同学！。