《材料力学》扭转习题解
材料力学扭转第5节 圆轴扭转时的变形
BA
T1l1 GI P1
180
0.8110
CB
T2l2 GI P 2
180
0.9810
CA CB BA 0.9810 (0.8110 ) 0.17 0
例4-4 如图，已知ABC轴结构尺寸为 lAB 1.6m， lBC 1.4m。材料切变模量 G 80GPa，轴上作用有外 力矩 M A 900 N·m，M B 1500 N·m，M C 600 N·m，试
求截面C的相对截面A的转角。
解： 1）用截面法求
各段扭矩
1
2
AB 段：
一、圆轴扭转时的扭转变形
• 扭转角：圆轴扭转时，两横
A
BO
截面相对转过的角度称为这
两截面的相对扭转角。
M
M
d
T (x) GIP
dx
l d
T (x)
l GIP
dx
若在圆轴的 l 长度内，T、G、
IP 均为常数，则圆轴两端截面的 相对扭转角为：
Tl
GIP
• 抗扭刚度：式中的 GIP 称为圆轴的抗扭刚度，它反 映了圆轴抵抗扭转变形的能力。
T1 MA 900 N m
BC 段：
T
600Nm
T2 M c 600 N m
画出扭矩图如图所示
900Nm
AB 截面 极惯性矩
I P1
d14
32
BC 截面 极惯性矩
2）C 截面相对于 A 截面的转角
IP2
d
4AB 段： BC 段：
材料力学第3 章 扭 转习题及答案
第 三 章 扭 转一、判断题1．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。
（ × ） 2．薄壁圆管和空心圆管的扭转切应力公式完全一样。
（ × ） 3．圆杆扭转变形实质上是剪切变形。
（ √ ） 4．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。
（ √ ）5．材料相同的圆杆，它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。
（ × ） 6．切应力互等定理，仅适用于纯剪切情况。
（ × ) 7．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。
( √ ) 8．受扭圆轴在横截面上和包含轴的纵向截面上均无正应力。
（ √ ) 9．受扭圆轴的最大切应力只出现在横截面上。
（ × ) 10． 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，当扭矩达到某一极限值时，圆杆将沿轴线方向出现裂纹。
（ √ )二、填空题1．一级减速箱中的齿轮直径大小不等，在满足相同的强度条件下，高速齿轮轴的直径要比低速齿轮轴的直径（ 小 ）。
2． 当实心圆轴的直径增加1培时，其抗扭强度增加到原来的（ 8 ）倍，抗扭刚度增加到原来的（ 16 ）倍。
3． 直径D=50mm 的圆轴，受扭矩T=2.15kn.m ,该圆轴横截面上距离圆心10mm 处的剪应力τ=（35.0 MPa ），最大剪应力τmax=（87.6 MPa ）。
4． 一根空心轴的内外径分别为d ，D ，当D=2d 时，其抗扭截面模量为（33256153215D d ππ或）。
5． 直径和长度均相等的两根轴，在相同的扭矩作用下，而材料不同，它们的τmax 是（ 相 ）同的，扭转角φ是（ 不 ）同的。
6． 等截面圆轴扭转时的单位长度相对扭转角为θ，若圆轴直径增大一倍，则单位长度扭转角将变为（16θ）。
材料力学拉伸与扭转题目答案
75
2
3
1
A
B
C
P
40
80
80
变形相容条件 变形后三根杆与梁 仍绞接在一起。 变形几何方程
2 l2 l1 l3
2
3
1
A
B
C
l1
P
l2
l3
40
80
80
75
2 l2 l1 l3
补充方程
2 N 2 l2 N1l1 N3l3 EA EA EA
静力平衡方程
N1 N2 N3 P 0 2N2 4N3 P 0
2
3
1
A
B
C
P
40
80
80
N1
N2
N3
P
75
3、阶梯形圆杆AE段为空心，外径 D =140mm，内径 d=100mm。BC段为实心，直径 d=100mm。外力偶矩 mA=18KN.m，mB=32KN.m，mC=14KN.m。已知许用切应力 []=80MPa 。试校核轴的强度。
mA
D
d
A
E
mB mC
二、计算题
1：悬臂吊车如图所示。G=20KN，许用应力 []=120MPa，弹性模量E=200GPa。AB杆为圆钢。试设计 AB杆的直径并计算其伸长量l
A
C
300
3m
D B
2m
G
1、解：计算AB杆的轴力
A
mc 0
3N AB sin300 5G 0
C
300
D
NAB=66.7KN (1) 设计AB杆的直径
d
C B
mAB =18KN.m ，mBD =14KN.m
BC
M nBC Wn
材料力学 扭转答案
3—1 一传动轴作匀速转动，转速，轴上装有五个轮子，主动轮Ⅱ输入的功率为60kW，从动轮,Ⅰ,Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ依次输出18kW，12kW,22kW和8kW。
试作轴的扭矩图。
解:kNkNkNkN返回3—2(3-3)圆轴的直径，转速为。
若该轴横截面上的最大切应力等于，试问所传递的功率为多大？解：故即又故返回3—3（3—5）实心圆轴的直径mm，长m，其两端所受外力偶矩，材料的切变模量。
试求:（1)最大切应力及两端截面间的相对扭转角；（2)图示截面上A，B，C三点处切应力的数值及方向；（3）C点处的切应变。
解：=返回3-4(3—6)图示一等直圆杆，已知，，，。
试求:（1）最大切应力；（2）截面A相对于截面C的扭转角。
解：(1）由已知得扭矩图（a）(2)返回3-5(3—12)长度相等的两根受扭圆轴，一为空心圆轴，一为实心圆轴,两者材料相同,受力情况也一样。
实心轴直径为d;空心轴外径为D，内径为，且。
试求当空心轴与实心轴的最大切应力均达到材料的许用切应力），扭矩T相等时的重量比和刚度比。
解：重量比=因为即故故刚度比==返回3—6(3-15）图示等直圆杆，已知外力偶矩,，许用切应力，许可单位长度扭转角，切变模量。
试确定该轴的直径d。
解:扭矩图如图（a)(1)考虑强度，最大扭矩在BC段,且(1）(2）考虑变形（2）比较式（1）、(2），取返回3-7(3—16) 阶梯形圆杆,AE段为空心,外径D=140mm，内径d=100mm；BC段为实心，直径d=100mm。
外力偶矩，，。
已知：，,。
试校核该轴的强度和刚度。
解:扭矩图如图（a)（1)强度=，BC段强度基本满足=故强度满足。
（2）刚度BC段：BC段刚度基本满足.AE段：AE段刚度满足，显然EB段刚度也满足.返回3—8(3-17）习题3—1中所示的轴,材料为钢,其许用切应力，切变模量，许可单位长度扭转角。
试按强度及刚度条件选择圆轴的直径。
解:由3—1题得：故选用.返回3-9(3-18）一直径为d的实心圆杆如图，在承受扭转力偶矩后，测得圆杆表面与纵向线成方向上的线应变为。
刘鸿文《材料力学》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-扭转(圣才出品)
（1）一般矩形截面( h 10) b
分布特点：周边各点切应力与周边相切，没有垂直于周边的切应力分量，顶点处切应力 等于零，切应力变化情况如图 3-3（a）所示。
横截面上的最大切应力 max 发生在长边中点处
短边上切应力最大值发生在中点处
矩形截面扭转时，相对扭转角
7 / 44
；R 为弹簧圈平均半径， 。
6 / 44
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五、非圆截面杆扭转的概念 1．基本概念 （1）翘曲：扭转变形后杆的横截面不再保持为平面的现象。 （2）自由扭转：等直杆两端受扭转力偶作用，且翘曲不受任何限制的扭转。 变形和受力特点：各横截面的翘曲程度相同，纵向纤维的长度无变化；横截面上只有切 应力。 （3）约束扭转：等直杆两端受扭转力偶作用，且翘曲受到限制的扭转。 变形和受力特点：各横截面的翘曲程度不同，相邻两截面间纵向纤维的长度改变；横截 面上有切应力和正应力。
WP
=
D3 16
式中， = d 。 D
上述公式只适用于等直杆和线弹性范围。 （2）强度条件 对于等直杆
对于变截面杆件需综合考虑 T 和 Wt，以求得切应力的最大值。
强度条件的应用：
①强度校核
Tmax [ ] Wt
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②截面选择
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G
=
E
2(1+
)
4．剪切应变能
在应力小于剪切比例极限的情况下，单位体积内的剪切应变能密度为
=
1 2
=
2 2G ， v
= 1 2
上述公式主要用于线弹性范围内纯剪切应力状态下剪切应变能密度的计算。
材料力学-扭转-计算公式及例题
求 AB段Mn（1-1剖面）
K N·m 4.50 背向剖切面为正
求 BC段Mn（2-2剖
面） K N·m
-4.50
求 CD段Mn（3-3剖面）
K N·m -1.50
D>=103mm
已知 CD段Mn（3-3剖面）
K N·m -1.5
求
IP m4 1.19E-05
求 φB-A
° 0.216
求 ΦC-B
K N·m
K N·m
K N·m
K N·m
数值
0.62
2.05
1.43
0.62
横截面上的力偶矩的方向，为外力偶矩（如T1,T2,T3）指向剖切面为负，背向剖切面为正
校核AC段 的强度(实
数据状态
代号
单位
数值 校核DB段 的强度(实
数据状态
代号
单位
已知 d1 mm 40
已知 d2 mm
已知 Mn(AC) K N·m 0.62
°/m
m4
1.05E+01 5.00E-01 1.50E-08
，试设 计截面的内
求 D0 mm 63.38
求 d mm 60.44
求 A1/A2
mm 0.51
d2=70mm。 。材料的许用切应 轴的强度和刚度。
。材料的许用切应 轴的强度和刚度。
求 CD段Mn（2-2剖面）
K N·m 0.62 背向剖切面为正
° -0.270
求 φD-C
° -0.108
强度计算 序号
名称
代号
单位
max
M n max Wp
[ ]
1
横截面上的最大扭 矩
Mn max
材料力学_陈振中_习题第三章扭转
第三章 扭转3．1 作图示各杆的扭矩图。
（a ）解：1)求 1-1截面上的扭矩假设T 1为正，方向如上图所示。
由 ∑m=0 T 1+m+m=0得T 1= -2m ， 所以其实际为负。
2)求 2-2截面上的扭矩假设T 2为正，方向如上图所示。
由 ∑m=0 T 2 +m=0得T 2= -m ， 所以其实际为负。
（b ）解：1)求 1-1截面上的扭矩假设T 1为正，方向如上图所示。
由 ∑m=0 T 1+m =0得T 1= -m ， 所以其实际为负。
2)求 2-2截面上的扭矩假设T 2为正，方向如上图所示。
由 ∑m=0 T 2+m-3m=0 得T 2= 2m ， 所以其实际为正 （c ）解：1)求 1-1截面上的扭矩假设T 1为正，方向如上图所示。
由 ∑m=0 T 1-10-15-20+30=0得T 1= 15KN.m ， 所以其实际为正。
T 1T 2（a2（b ）mTT 12)求 2-2截面上的扭矩假设T 2为正，方向如上图所示。
由 ∑m=0 T 2-15-20+30=0得T 2= 5KN.m ， 所以其实际为正。
3)求 3-3截面上的扭矩 假设T 3为正，方向如上图所示。
由 ∑m=0 T 3-20+30=0得T 3= -10KN.m ， 所以其实际为负。
4)求 4-4截面上的扭矩假设T 4为正，方向如上图所示。
由 ∑m=0 T 4 +30=0得T 4= -30KN.m ， 所以其实际为负。
3.2 T 为圆杆横截面上的扭矩，试画出截面上与T 对应的剪应力分布图。
解：3.5 D=50mm 直径的圆轴，受到扭矩T=2.15KN .m 的作用。
试求在距离轴心10mm 处的剪应力，并求轴横截面上的最大剪应力。
T 230kN.m T 3T 4（题3.2图（a ） （b ）解：求距离轴心10mm 处的剪应力， 由 I P =πD 4/32=π×0.054/32=6.13×10-7 m 4 W t = I P /R=6.13×10-7/0.025=2.454×10-5 m 3τρ=Tρ/ I P =2.15×103×10×10-3/(6.13 ×10-7 ) =35MPa求轴横截面上的最大剪应力τmax =T/ W t =2.15×103/(2.454 ×10-5 ) =87.6MPa3.8 阶梯形圆轴直径分别为d 1=40mm ，d 2=70mm ，轴上装有三个皮带轮，如图所示。
材料力学复习题第三章 扭 转
第三章 扭 转一、判断题1．圆杆受扭时，杆内各点均处于纯剪切状态。
（ ） 2．非圆截面杆不能应用圆杆扭转切应力公式，是因为非圆截面杆扭转时“平面假设”不能成立。
（ ） 3．当剪应力超过材料的剪切比例极限时，剪应力互等定律亦成立。
（ ） 4．一点处两个相交面上的剪应力大小相等，方向指向（或背离）该两个面的交线。
（ ） 5．直径和长度相同，材料不同的两根轴，受相同的扭转力偶矩作用，它们的最大剪应力和最大扭转角都相同。
6. 杆件受扭时，横截面上最大切应力发生在距截面形心最远处。
（ ）7. 薄壁圆管和空心圆管的扭转切应力公式完全一样。
（ ）8. 圆杆扭转变形实质上是剪切变形。
（ ）9. 横截面的角点处的切应力必为零。
（ ） 1.√ 2.√ 3.√ 4.× 5.× 6.×（非圆截面） 7.× 8.√ 9.× 二、单项选择题1. 图示圆轴曲面C 左、右两侧的扭矩MC+和M C-的（ ）。
A ．大小相等，正负号相同；B ．大小不等，正负号相同； C ．大小不等，正负号不同；D ．大小相等，正负号不同。
2. 直径为D 的实心圆轴，两端受扭转力矩作用。
轴内最大剪应力τ，若轴的直径改为D/2，则轴内的最大剪应力变为（ ）。
A ．2τ； B ．τ； C ． 8τ； D ．16τ。
3. 阶梯圆轴的最大切应力发生在（ ）。
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。
4.空心圆轴的外径为D ，内径为d,α=d/D 。
其抗扭截面系数为（ ）。
A ．()απ-=1163D W P ；B 。
()23116απ-=D W P ；C 。
()33116απ-=D W PD ．()43116απ-=D WP5.扭转的切应力公式ρτρPPI M =适用于（ ）杆件。
A ．任意截面； B ．任意实心截面；C ．任意材料的圆截面； D ．线弹性材料的圆面。
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第三章扭转习题解[习题3-1] 一传动轴作匀速转动， 转速n = 200r/min ，轴上装有五个轮子，主动轮 II 输入 的功率为60 kW ，从动轮，I ，山，IV ，V 依次输出18 kW ，12 kW ，22 kW 和8kW 。
试 作轴的扭图。
解：（1）计算各轮的力偶矩（外力偶矩）T e = 9.55 血n外力偶矩计算（kW 换算成kN.m ）题目编号 轮子编号轮子作用功率（kW ）转速r/mi nTe (kN.m ) 习题3-1I 从动轮 18 200 0.859II主动轮 60 200 2.865III从动轮 12 200 0.573IV从动轮 22 200 1.051V从动轮82000.382（2）作扭矩图。
用 595[习题3-2] —钻探机的功率为l0kW ，转速n = 180r/min 。
钻杆钻入土层的深度I = 40m 。
如土壤对钻杆的阻力可看作是均匀分布的力偶，试求分布力偶的集度 图。
资料个人收集整理，勿做商业用途 解：（1）求分布力偶的集度= 9.549x® =0.5305(kN m)180M e 0.5305 m = --- = ------l 40= 0.0133(kN /m)设钻杆轴为x 轴, 则:Z M x =0ml =Me1 4325A1 2 0055 1m 3.5 mLSC.3SZm ，并作钻杆的扭矩M e =9.549 丛n L7S mT 图(kN.m)（2）作钻杆的扭矩图T(x) = —mx =—牛X =-0.0133x 。
x<^[0,40] T(0) =0 ;T(40) = M e = —0.5 305kN m) 扭矩图如图所示。
［习题3-3］圆轴的直径d =50mm ，转速为120r/min 。
若该轴横截面上的最大切应力等于 60 MPa ，试问所传递的功率为多大？ 资料个人收集整理，勿做商业用途 解：（1）计算圆形截面的抗扭截面模量： 1 3 W p =—血3 P16（2 ）计算扭矩1 3 3 = 16®4159 倔=24544(mm ) 2= 60N / mm23T =60N/mm x 24544mm =1472640N ・mm = 1.473(kN ・m)（3）计算所传递的功率T = M e =9.549山=1.473(kN -m)n N k =1.473x120/9.549 =18.5(kW)［习题3-4］空心钢轴的外径 D = 100mm ，内径d =50mm 。
已知间距为I = 2.7m 的两横截 面的相对扭转角W =1.8°，材料的切变模量 G =80GPa 。
试求: （1） 轴内的最大切应力； （2） 当轴以n =80r / min 的速度旋转时，轴所传递的功率。
解；（1 ）计算轴内的最大切应力 1 4 4 I P =_曲（1 -G 4） P 32 W p =丄兀 D 3（1 -a 4） P 16 式中，a =d / D 。
=右^3.14159>：1004 x(1-o.54)=9203877(mm 4)。
1 =—天 3.14159X 1003 X (1 - 0.54) = 184078(mm 3) GI pT=!Gk 」.8y14159/18Z 80000N/mm2“203877mm 4I2700mm= 8563014.45N mm= 8.563(kN m)（2）当轴以n= 80r / min 的速度旋转时，轴所传递的功率T =M e =9.549巴=9.549X 山=8.563(kN m)n 80N k =8.563x80/9.549 =71.74(kW)［习题3-5］实心圆轴的直径d = 100mm ，长I =1m ，其两端所受外力偶矩 M e =14kN g ，（2）求图示截面上 A 、B 、C 三点处切应力的数值及方向I A = T B = T max= 71.3 0 3M P a由横截面上切应力分布规律可知：15 = —5 =0.5X71.302=35.66MPa2A 、B 、C 三点的切应力方向如图所示。
（3）计算C 点处的切应变亠 85空化55=46.518MPa W p184078mm 3材料的切变模量 G =80GPa 。
试求：（1） 最大切应力及两端面间的相对转角；（2） 图示截面上 A 、B 、C 三点处切应力的数值及方向; （3） C 点处的切应变。
解：（1）计算最大切应力及两端面间的相对转角_T_ 二W _ Me—式1 3 W p = — 兀d 31=—X 16 3.1 4mm 3)。
0故: S axM —Z N =71.302MPa/p 196349mm 3GI p式中，I1 1丄;Id 4=丄＞＜3.14159；＜100414000N mx 1mGIp= 9817469(mm 4)。
故:_80X109N /m 2 天 9817469 冥 10'2m 4 _0.0178254(rad )"「O29 1 0 6t c35-66M Pa=44575>d0S0.446x10」［习题3-6］图示一等直圆杆，已知 d =40mm .a = 400mm ，G =80GPa ，W DB =1°。
试式中，WP 二存宀存 3.141妙403=12566(mm3)。
故:(2 )计算截面A 相对于截面C 的扭转角5 P TihT AB 'I AB 丄 T BC "I BC M e *2a 丄 0 £ 2Me^cO*AC=乙—〒—F—— 2十 DB = 2GI p GI p GI p GI p GI p GI p ［习题3-7］某小型水电站的水轮机容量为 50 kW ，转速为300r/min ，钢轴直径为75mm ,若在正常运转下且只考虑扭矩作用，其许用切应力［t ］ =20MPa 。
试校核轴的强度。
资料个人收集整理，勿做商业用途解：(1)计算最大工作切应力求: (1) 最大切应力； (2) 截面A 相对于截面 C 的扭转角。
解：(1 )计算最大切应力 从AD 轴的外力偶分布情况可知: TAB —T CD=M e ， T BC = 0。
T i l i T DC 』DC 丄 =z= ------ TGI p GI pGI p ®T CB %BGI p 4式中,M eI max ：■I cBM e a 丄 0 £ M e a---- + ----- = GI pGI pGI p I p =丄兀d 4 p 32M e W p1 4 4=—X3.14159X404 =251327(mm 4)。
故: 80000N/mm^251327mm 4 3-^=877296N mm180400mm3G 80 X 103M PaT maxM e 877296N m ^69.815M PaW p12566mm 3GI pGI P%xM e W pW pm=MA = 0^=0.00975(kN/m)l 40（2）作钻杆的扭矩图，并进行强度校核①作钻杆扭矩图T(40) = Me = —0.390(kN m)扭矩图如图所示。
②强度校核"Wp11 50 叫二評3^4"-3.14159“0*1 爲),21958(mm3)式中，M -9.549 N^^9.54^300.1.592(kN.m)；Wp=1r d3=1r 3.14159 汐53=125q mm3)。
M e 故：T max —W p= 1592000N y m =19.219MPa82835mm （2）强度校核因为T max =19.219M Pa ，［可=20 MPa ，即T max ＜［T ］，所以轴的强度足够，不 会发生破坏。
［习题3-8］已知钻探机钻杆（参看题 3-2图）的外径D =60mm ，内径dP = 7.355kW ，转速n = 180r/min ，钻杆入土深度I = 40m ，钻杆材料的=50mm ，功率 G =80GMPa ，许用切应力［叮=4OMPa 。
假设土壤对钻杆的阻力是沿长度均匀分布的，试求:资料个人收集整理，勿做商业用途（1） 单位长度上土壤对钻杆的阻力矩集度 （2） 作钻杆的扭矩图，并进行强度校核； （3） 两端截面的相对扭转角。
解：（1）求单位长度上土壤对钻杆的阻力矩集度M e =9.549 吐 n =9.549 J 355——=0.390(kN E)180设钻杆轴为x 轴, 则:S M x =0ml =M eT(X)= -mx =0 39一石x—0.00975x。
円0,40]T(0) =0 ；式中,^^^390000^^^17.761 “paW p 21958mm 3因为T max =17.761MPa ，［T ］ =40MPa ，即W ax ＜［i ］，所以轴的强度足够，不 会发生破坏。
（3）计算两端截面的相对扭转角 _ 40T(x)dx1 1 50式中，Ip = — ;iD 4(1-a 4) = — X 3.14159X 604 X [1-(—)4] =658752(mm 4)32 32 60半=f 0|T(x) |d x =丄 f 0O.OO975xdx = --------- 6----- 0.00975 ------- [―]40b GI p GIp 0 80x106kN/m 2x658752>d0」2m 4 2= 0.14 8raX8.50［习题3-9］图示绞车由两人同时操作， 若每人在手柄上沿着旋转的切向作用力 F 均为0.2kN ，已知轴材料的许用切应力 ［可=40MPa ，试求：资 料个人收集整理，勿做商业用途 （1） AB 轴的直径； （2） 绞车所能吊起的最大重量。
解：（1）计算AB 轴的直径 AB 轴上带一个主动轮。
两个手柄所施加的外力偶 矩相等： M e 左== 0.2X0.4 =0.08(kN 忡) □尸M e 主动轮=2M e 右=0.16(kN m)扭矩图如图所示。
由AB 轴的强度条件得:M e 右哼W ］兀d3_ 3f 16X80000N ^m^V3.14159x40N/mm 2=21.7mm （2）计算绞车所能吊起的最大重量主动轮与从动轮之间的啮合力相等:Me 从动轮0.20.35由卷扬机转筒的平衡条件得:PX O.25= M e 从动轮P X 0.25 =0.28P = 0.28/0.25 =1.12(kN)［习题3-10］直径d =50mm 的等直圆杆，在自由端截面上承受外力偶M g =6kN ，m ，而在圆杆表面上的A 点将移动到A 1点，如图所示。
已知 i s -AA j =3mm ，圆杆材料的弹性模T = M e =6kN ，m 。