材料力学 第七章 应力状态分析
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材料力学第7章应力状态
y
2
2 xy
m m
ax in
m
ax
2
m
in
极值切应力等于极值正应力差的一半。
§7.2 平面应力状态分析的解析法
三、极值切应力和主平面夹角
注意到 则 所以
tan
2 0
2 xy x
y
tan
21
x 2 xy
y
tan
20
1
tan 21
§7.2 平面应力状态分析的解析法
7.2.3 极值切应力及其作用面 一、极值切应力方位角
d 0 d
( x y ) cos 2 2 xy sin 2 0
得
tan
21
x 2 xy
y
二、最大、最小切应力
m m
ax
in
x
2
x
y
2
sin 2
xy cos 2
§7.2 平面应力状态分析的解析法
7.2.2 主应力 主方向 一、主应力
正应力是求极值
d d
x
y
2
(2sin 2 ) xy(2cos2 ) 0
得极值条件为
x
2
y
sin
2
xy
cos
2
0
(1) 极值正应力所在的斜面，恰好是切应力等于零的
平面，即主平面。
(2) 极值正应力就是主应力。
§7.2 平面应力状态分析的解析法
工程力学 材料力学M7-复杂应力状态
σ3
σ2
σ1
《材料力学》
第7章(1) 复杂应力状态
20
四、应力状态的分类
4. 简单应力状态
σ
单向应力状态
( One Dimensional State of Stresses )
τ
纯切应力状态
( ShearingState of Stresses )
《材料力学》
第7章(1) 复杂应力状态
21
例题 1
《材料力学》 第7章(1) 复杂应力状态 37
三、主平面、主应力与主方向
考查一下正应力的极值
x y
2
x y
2
cos 2 xy sin 2
将上式对α求一次导数，并令其等于零，有
x y d 2[ sin 2 xy cos 2 ] 0 d 2
二、应力的三个重要概念
应力的点的概念; 应力的面的概念; 应力状态的概念。
《材料力学》
第7章(1) 复杂应力状态
9
二、应力的三个重要概念
FQ
不同点的应力各不相同（大小、方向） ------------应力的点的概念
cos 2
F
K
2
sin 2
同一点在不同方向面上的应力也各不相同----------应力 的面的概念。
《材料力学》
第7章(1) 复杂应力状态
10
二、应力的三个重要概念
应 力
指明
哪一个面上？ 哪一点？ 哪一点？ 哪个方向面？
过一点不同方向面上应力的集合，称为这一点 的应力状态（State of the Stresses of a Given Point）。
材料力学第七章应力状态和强度理论
2
x y 2 a 0 2
x y x y 2
x y
2
) x
2
2
例题1: 已知:单元体各侧面应力 x=60MPa,
求: (1) = - 450斜截面上的应力,(2)主应力和主平面
dA
y
x y
2
sin 2 xy cos2
y
yx
应力圆
y
1 R 2
x
y
2
4 2 xy
x
yx xy x
y
R c
x y
2
2
x
xy
x´
dA
yx
y´
y
x y 1 2 2 2
40
x y
2 0.431MPa
sin( 80 ) xy cos(80 )
C
C
C
例题3：已知梁上的M、Q，试用单元体表示截面上1、2、
3、4点的应力状态。
1
2 0
2
1点 2点
1 2 0 3
3Q ＝ 2A
M x Wz
2 xy
x y
2 20.6 0.69 60 0
17.2
x y
2 (
6.4MPa
2 34.4
max(min)
x
17.20
x y
2
) xy
2
2
x
66.4MPa
60 0 60 0 2 ( ) 20.6 2 2 2 66.4(6.4) MPa
x y 2 a 0 2
x y x y 2
x y
2
) x
2
2
例题1: 已知:单元体各侧面应力 x=60MPa,
求: (1) = - 450斜截面上的应力,(2)主应力和主平面
dA
y
x y
2
sin 2 xy cos2
y
yx
应力圆
y
1 R 2
x
y
2
4 2 xy
x
yx xy x
y
R c
x y
2
2
x
xy
x´
dA
yx
y´
y
x y 1 2 2 2
40
x y
2 0.431MPa
sin( 80 ) xy cos(80 )
C
C
C
例题3：已知梁上的M、Q，试用单元体表示截面上1、2、
3、4点的应力状态。
1
2 0
2
1点 2点
1 2 0 3
3Q ＝ 2A
M x Wz
2 xy
x y
2 20.6 0.69 60 0
17.2
x y
2 (
6.4MPa
2 34.4
max(min)
x
17.20
x y
2
) xy
2
2
x
66.4MPa
60 0 60 0 2 ( ) 20.6 2 2 2 66.4(6.4) MPa
材料力学应力分析(共143张PPT)
Mz Wz
17
y
1
4
z
2
x
3
S平面
18
y
1
FQy
1
4
4 Mz
x
z
2
Mx
3
3
19
应力状态的概念
主平面：单元体中剪应力等于零的平面。
主单元体：在单元体各侧面只有正应力而
无剪应力
3
2
主应力：主平面上的正应力。
主方向：主平面的法线方向。
约定：
1
12 320
应力状态的分类
3
2
1
1
2
3
单向应力状态：三个主应力中，只有一个主应力不等于零的情况。
3
一、什么是应力状态？
〔一〕、应力的点的概念:
最大正应力所在的面上切应力一定是零； 它与塑性较好材料的试验结果比第三强度理论符合得更好； 7-2 二向应力状态分析--解析法 面将单元体截为两局部， 并注意到 化简得 三、如何描述一点的应力状态 应力圆上一点( ， ) 7-8 广义胡克定律 该单元体的三个主应力按其代数值的大小顺序排列为 解: 该单元体有一个主应力 例2：纯剪切状态的主应力 它与塑性较好材料的试验结果比第三强度理论符合得更好；
5
F
F
A
F
co2s
2
sin2
过同一点不同方向面上的应力各不相同， 即应力的面的概念
6
应力的点的概念与面的概念
应力
指明
哪一个面上？ 哪一点？
哪一点？ 哪个方向面？
应力状态: ——过同一点不同方向面上应力的集合，称为
这一点的应力状态；
7
二、为什么要研究应力状态？
材料力学 第07章 应力状态分析与强度理论
2
sin2a t xy cos2a
18/95
7.2 平面应力状态分析 主应力 7.2.3 主平面的方位及极值正应力 s x s y s x s y sa cos2a t xy sin2a 2 2 s x s y ds a 上式对a 求导 2 sin2a t xy cos2a da 2 s x s y 若a a0时，导数为 0 sin2a 0 t xy cos2a 0 0 2 2t xy tan2a 0 s x s y
7.2.5 应力圆
t
sx
tyx
sy
sx txy sy
D(sx,txy) 1. 确定点 D (s ,t ) x xy
O
D'(sy,tyx)
C
s
2. 确定点D' (sy,tyx) tyx= －txy 3. 连接DD'与s 轴交于点C 4. 以 C 为圆心，CD（CD'） 为半径画圆。
26/95
7.2 平面应力状态分析 主应力 7.2.5 应力圆
sx sy sz
sxs1 100 MPas 2
0 MPas 3 120 MPa
11/95
7.1 一点的应力状态的概念 单向、二向(平面)、三向(空间)应力状态 三个主应力中仅有一个主应力不为零 单向应力状态
s1
s1
F
A
F
12/95
7.1 一点的应力状态的概念 单向、二向(平面)、三向(空间)应力状态
O
D'(sy,tyx)
C sx－ sx sy/2
s
27/95
7.2 平面应力状态分析 主应力 7.2.5 应力圆 利用应力圆确定角a 斜截面上的正应力和切应力
sin2a t xy cos2a
18/95
7.2 平面应力状态分析 主应力 7.2.3 主平面的方位及极值正应力 s x s y s x s y sa cos2a t xy sin2a 2 2 s x s y ds a 上式对a 求导 2 sin2a t xy cos2a da 2 s x s y 若a a0时，导数为 0 sin2a 0 t xy cos2a 0 0 2 2t xy tan2a 0 s x s y
7.2.5 应力圆
t
sx
tyx
sy
sx txy sy
D(sx,txy) 1. 确定点 D (s ,t ) x xy
O
D'(sy,tyx)
C
s
2. 确定点D' (sy,tyx) tyx= －txy 3. 连接DD'与s 轴交于点C 4. 以 C 为圆心，CD（CD'） 为半径画圆。
26/95
7.2 平面应力状态分析 主应力 7.2.5 应力圆
sx sy sz
sxs1 100 MPas 2
0 MPas 3 120 MPa
11/95
7.1 一点的应力状态的概念 单向、二向(平面)、三向(空间)应力状态 三个主应力中仅有一个主应力不为零 单向应力状态
s1
s1
F
A
F
12/95
7.1 一点的应力状态的概念 单向、二向(平面)、三向(空间)应力状态
O
D'(sy,tyx)
C sx－ sx sy/2
s
27/95
7.2 平面应力状态分析 主应力 7.2.5 应力圆 利用应力圆确定角a 斜截面上的正应力和切应力
工程力学c材料力学部分第七章 应力状态和强度理论
无论是强度分析还是刚度分析，都需要求出应力的极值， 无论是强度分析还是刚度分析，都需要求出应力的极值，为了找 到构件内最大应力的位置和方向 需要对各点的应力情况做出分析。 最大应力的位置和方向， 到构件内最大应力的位置和方向，需要对各点的应力情况做出分析。
受力构件内一点处所有方位截面上应力的集合，称为一点的 受力构件内一点处所有方位截面上应力的集合，称为一点的 研究一点的应力状态时， 应力状态 。研究一点的应力状态时，往往围绕该点取一个无限小 的正六面体—单元体来研究。 单元体来研究 的正六面体 单元体来研究。
σ2
σ2
σ1
σ1
σ
σ
σ3
三向应力状态
双向应力状态
单向应力状态 简单应力状态
复杂应力状态 主应力符号按代数值的大小规定： 主应力符号按代数值的大小规定：
σ1 ≥ σ 2 ≥ σ 3
平面应力状态的应力分析—解析法 §7−2 平面应力状态的应力分析 解析法
图(a)所示平面应力单元体常用平面图形(b)来表示。现欲求 )所示平面应力单元体常用平面图形( )来表示。现欲求 垂直于平面xy的任意斜截面 上的应力 垂直于平面 的任意斜截面ef上的应力。 的任意斜截面 上的应力。
二、最大正应力和最大剪应力
σα =
σ x +σ y
2
+
σ x −σ y
2
cos 2α − τ x sin 2α
τα =
令
σ x −σ y
2
sin 2α + τ x cos 2α
dσ α =0 dα
σ x −σ y
2
sin 2α +τ x cos2α = 0
可见在 τ α
=0
材料力学应力状态分析
的就是主应力；但除此之外，
图a所示单元体上平行于xy平面 的面上也是没有切应力的，所 以该截面也是主平面，只是其 上的主应力为零。
24
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第七章 应力状态和强度理论
在弹性力学中可以证明， 受力物体内一点处无论是什么 应力状态必定存在三个相互垂 直的主平面和相应的三个主应 力。对于一点处三个相互垂直
垂直面上的应力来确定，故受力物体内一点处的应力状
态(state of stress)可用一个单元体(element)及其上的应力 来表示。
2
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第七章 应力状态和强度理论
p cos 0 cos2 0 p sin sin 2
1
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第七章 应力状态和强度理论
§7-1 概述
在第二章和第三章中曾讲述过杆受拉压时和圆截面
杆受扭时杆件内一点处不同方位截面上的应力，并指出： 一点处不同方位截面上应力的集合(总体)称之为一点处 的应力状态。由于一点处任何方位截面上的应力均可根 据从该点处取出的微小正六面体── 单元体的三对相互
的主应力，根据惯例按它们的
代数值由大到小的次序记作1，
2，3。图b所示应力圆中标
出了1和2，而3=0。
25
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第七章 应力状态和强度理论
当三个主应力中有二个主应力不等于零时为平面应力状态； 平面应力状态下等于零的那个主应力如下图所示，可能是
1，也可能是2或3，这需要确定不等于零的两个主应力
状态的一些特征，可使上述计算公式以图形即所称的应力
圆(莫尔圆)(Mohr’s circle for stresses)来表示。 先将上述两个计算公式中的第一式内等号右边第一项 移至等号左边，再将两式各自平方然后相加即得：
材料力学第七章 应力状态
主平面的方位：
tan
2a0
2 xy x
y
主应力与主平面的对应关系： max 与切应力的交点同象限
例题：一点处的平面应力状态如图所示。
已知 x 60MPa， xy 30MPa, y 40MPa, a 30。
试求（1）a 斜面上的应力； （2）主应力、主平面； （3）绘出主应力单元体。
x y cos 2a
2
x sin 2a
x
a
x y sin 2a
2
x cos 2a
300
10 30 2
10 30 cos 60020sin 600
2
2.32 MPa
300
10 30 sin 600 2
20cos 600
1.33 MPa
a
20 MPa
c
30 MPa
b
n1
y xy
a x
解：（1）a 斜面上的应力
y xy
a
x
2
y
x
2
y
cos 2a
xy
sin 2a
60 40 60 40 cos(60 ) 30sin(60 )
2
2
a x 9.02MPa
a
x
y
2
sin
2a
xy
cos
2a
60 40 sin(60 ) 30cos(60 ) 2
58.3MPa
2
1.33 MPa
300 600 x y 40 MPa
在二向应力状态下，任意两个垂直面上，其σ的和为一常数。
在二向应力状态下，任意两个垂直面上，其σ 的和为
一常数。
证明： a
x y
材料力学-7-应力状态分析
7.1 应力状态的基本概念
y
y
1 1 4
z
4
Mz
x
x
l
S FP
2
3
Mx
z
3
a
第7章 应力状态分析
7.2 平面应力状态任意方向面上的应力 ——解析法
7.2 平面应力状态任意方向面上的应力 ——解析法
一、方向角与应力分量的正负号约定
x
正应力
x
x
拉为正
压为负
x
7.2 平面应力状态任意方向面上的应力 ——解析法
？
第7章 应力状态分析 7.1 应力状态的基本概念
7.2 平面应力状态任意方向面上的应力 ——解析法 7.3 主应力、主平面与面内最大切应力 ——解析法 7.4 应力圆及其应用——图解法
7.5 三向应力状态的特例分析
7.6 广义胡克定律
7.7 应变能密度
第7章 应力状态分析
tan 2q p＝－ 2 τ
xy
x y
主平面（principal plane）：切应力q＝0的方向面，用 qp表示。 主应力（principal stress）：主平面上的正应力。 主方向（principal directions）：主平面法线方向，用方 向角qp表示。
7.3 主应力、主平面与面内最大切应力 ——解析法
第7章 应力状态分析
第7章 应力状态分析
1
3
2
max
max
拉压、弯曲正应力 扭转、弯曲切应力
这些强度问题的共同特点是：
1、危险截面上的危险点只承受正应力 或切应力； 2、都是通过实验直接确定失效时的极限应力，并以此为依据建立强度 设计准则。 复杂受力：危险截面上危险点同时承受正 应力和切应力，或者危险点的其他面上同 时承受正应力或切应力。 → 强度条件
材料力学-应力状态分析
+
σ x σ y
2
cos 2α τ x sin 2α
sin 2α + τ x cos 2α
注意： 的正负号， 注意：1）σx 、σy 、τx 和 α的正负号， 2） 公式中的切应力是τx ，而非τy， 而非 的正负号。 3） 计算出的σα和τα 的正负号。
τα τ α>0
τα τ α<0
图示圆轴中， 已知圆轴直径d=100mm， 轴向拉 例 ： 图示圆轴中 ， 已知圆轴直径 ， 力 F=500kN，外力矩Me=7kNm。求 C点α = 30°截 ， 外力矩 。 点 ° 面上的应力。 面上的应力。 y
σy
τ
D
x
τx τy
σx
o A2
C
A1
σ
D
y
σ1 =
σ x +σ y
2
σ x +σ y + 2
2 +τ x
2
2
σ2 =
σ x +σ y
2
σ x +σ y 2 +τ x 2
σy
τ
D
x
τx τy
σx
o A2
2α0
C
A1
σ
D
y
2τ x 2α 0 = arctan σ x σ y
σ x σ y R= 2
+τ x2
2
σ x +σ y σ α 2
σy
σ x σ y 2 2 + τα = +τ x 2 τ
2 2
D
x
τx τy
σx
o
C D
y
σ
50MPa
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解： s x 100 MPa t x 60 MPa s y 50 MPa a 30
s x s y s x s y sm cos2a t x sin2a 114.5 MPa 2 2 s x s y tm sin2a t x cos2a 35.0 MPa 2 单辉祖:材料力学教程
单辉祖:材料力学教程
29
三向应力圆
与任一截面相对应 的点，或位于应力 圆上，或位于由应 力圆所构成的阴影 区域内
单辉祖:材料力学教程 30
最大应力
s max s 1
t max
s min s 3
s1 s 3
2
最大切应力位于与 s1 及 s3 均成45的截面上
单辉祖:材料力学教程 31
2
满足上述二条件 确为所求应力圆
单辉祖:材料力学教程 14
图解法求斜截面应力
s H OC CD cos(2a 0 2a )
s H OC CD cos2a 0cos2a CD sin2a 0sin2a s x s y s x s y sH cos2a t x sin2a s a
单辉祖:材料力学教程 7
平面与空间应力状态
仅在微体四侧面作用应力，且 应力作用线均平行于微体的不 受力表面－平面应力状态
平面应力状态 的一般形式
微体各侧面均作用有 应力－空间应力状态 空间应力状态一般形式
单辉祖:材料力学教程 8
§2 平面应力状态应力分析
应力分析的解析法 应力圆 例题
sC
单辉祖:材料力学教程
s x s y
2
R
s x s y 2
2
2 t x
13
应力圆的绘制 问题：已知sx , tx , sy , 画相应应力圆 根据： s C
s x s y
2
s x s y 2 R t x 2
2 2 s x s y s x s y sa cos2a t x sin2a 2 2
单辉祖:材料力学教程
同理可证： t H t a
15
点、面对应关系
转向相同，转角加倍 互垂截面，对应同一直径两端
单辉祖:材料力学教程 16
例 题
例 2-1 计算截面 m-m 上的应力
s a s x cos 2a s ysin 2a (t x t y )sina cosa
t a (s x s y )sina cosa t x cos 2a t ysin 2a
单辉祖:材料力学教程 11
s a s x cos 2a s ysin 2a (t x t y )sina cosa
上述关系建立在静力学基础上，故所得结 论既适用于各向同性与线弹性情况，也适 用于各向异性、非线弹性与非弹性问题
单辉祖:材料力学教程 12
应力圆
应力圆原理
sa s x s y s x s y
2 2 cos2a t x sin2a
ta
s x s y
2
sin2a t x cos2a cos2a t x sin2a
2
单辉祖:材料力学教程 32
§5 广义胡克定律
广义胡克定律（平面应力状态） 广义胡克定律（三向应力状态）
例题
单辉祖:材料力学教程
33
广义胡克定律（平面应力状态）
x
sx
E
y
s x
E
y
sx
sy
E
x
s y
E
1 x (s x s y ) E 1 y (s y s x ) E tx xy G
单辉祖:材料力学教程
9
应力分析的解析法
问题
斜截面：// z 轴；方位用 a 表示；应力为 sa , ta 符号规定： 切应力 t － 以企图使微体沿 旋转者为正
方位角 a － 以 x 轴为始边、 者为正
问题：建立 sa , ta 与 sx , tx , sy , ty 间的关系
单辉祖:材料力学教程 10
E ( x y ) 2 1 E sy ( y x ) 2 1 t xy G xy
适用范围：各向同性材料，线弹性范围内
单辉祖:材料力学教程 34
广义胡克定律（三向应力状态）
sx x
E
1 x [s x (s y s z )] E 1 y [s y (s z s x )] E 1 z [s z (s x s y )] E
单辉祖:材料力学教程
x
s y
E
x
s z
E
适用范围：各向 同性材料，线弹 性范围内
35
例 题
例 5-1 已知 E = 70 GPa, = 0.33, 求 45。
解： 应力分析
s x 50MPa,
sa
2 2
2
s y 0, t x 30MPa
t a (s x s y )sina cosa t x cos 2a t ysin 2a
由于tx 与 ty 数值相等,并利用三角函数的变换关系,得
sa s x s y s x s y
2 2 s x s y cos2a t x sin2a
ta
2
sin2a t x cos2a
s c,max s D t
t max t min t
s 1 s 3 t , s 2 0
主平面微体位于 45 方位
单辉祖:材料力学教程 25
圆轴扭转破坏分析
滑移与剪断 发 生在 t m a x 的 作 用 面
断裂发生在 smax 作用面
单辉祖:材料力学教程
26
例 题
2 cos2a t x sin2a
s x s y s x s y
s 45 500 500cos 90 30sin90 5 MPa
s 135 55MPa
45。计算
单辉祖:材料力学教程
45 1 (s 45 s 145 ) 3.31104
单辉祖:材料力学教程 2
§1 引 言
实例 应力与应变状态 平面与空间应力状态
单辉祖:材料力学教程
3
实 例
微体A
单辉祖:材料力学教程
4
微体abcd
单辉祖:材料力学教程
5
微体A
单辉祖:材料力学教程
6
应力与应变状态
应力状态 过构件内一点所作各微截面的应力状况，称为该点 处的应力状态 应变状态 构件内一点在各个不同方位的应变状况，称为该点 处的应变状态 研究方法 环绕研究点切取微体，因微体边长趋于零，微体趋 于所研究的点，故通常通过微体，研究一点处的应 力与应变状态 研究目的 研究一点处的应力、应变及其关系，目的是为构件 的应力、变形与强度分析，提供更广泛的理论基础
2
t max CK t min
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s x s y 2
2
2 t x
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极值应力方位 最大正应力方位：
tan2a 0 tana 0 2t x s x s y
tx tx s x s min s max s y
例 题
例 4-1 已知 sx = 80 MPa，tx = 35 MPa，sy = 20 MPa，sz =－40 MPa， 求主应力、最大正应力与最大切应力
szz s
解： 画三向应力圆
s 1 s C 96.1 MPa s 2 s D 3.09 MPa s 3 s E 40 MPa s s s max s 1 96.1 MPa t max 1 3 68.1 MPa
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s m 115 MPa
t m 35 MPa
19
§3 极值应力与主应力
平面应力状态的极值应力 主平面与主应力
纯剪切与扭转破坏
例题
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平面应力状态的极值应力
极值应力数值
s max sx s y s x s y 2 OC CA t x 2 2 s min
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s 26 MPa
s2 0
s 3 96 MPa
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2. 图解法
主应力的大小与方位 ？
a 0 62.5
s 1 26 MPa
s 2 0
s 3 96 MPa
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§4 复杂应力状态的最大应力
三向应力圆 最大应力 例题
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例 2-2 利用应力圆求截面 m-m 上的应力
解：
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s m 115 MPa
t m 35 MPa
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例 2-2 利用应力圆求截面 m-m 上的应力
解： 1. 画应力圆 A点对应截面 x, B点对应截面 y 2. 由应力圆求 s m 与t m 由A点（截面 x ）顺时针转60。至D点（截面 y ）
smax与smin所在截面正交 s 极值与t 极值所在截 面, 成 45夹角
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主平面与主应力
s2 s1 s3
主平面－切应力为零的截面
相邻主平面相互垂直，构成一
正六面形微体 － 主平面微体 主应力－主平面上的正应力 主应力符号与规定－ s 1 s 2 s 3（按代数值）
斜截面应力公式
Fn 0， s a dA (t x dAcosa )sina (s x dAcosa )cosa (t ydAsina )cosa (s ydAsina )sina 0 Ft 0， t a dA (t x dAcosa )cosa (s x dAcosa )sina (t ydAsina )sina (s ydAsina )cosa 0