第六讲-扭转应力与强度条件
A
Ip Wp －抗扭截面系数 R
15
小结
研究方法：从实验、假设入手，综合考虑几何、
物理与静力学三方面
dj T 扭转变形基本公式： dx GI p
扭转切应力公式： 最大扭转切应力：
T Ip T max Wp
公式的适用范围： 圆截面轴；max≤ p
16
讨论
7
扭矩与扭矩图
扭矩定义－矢量方向垂直于横截面的内力偶矩， 并用 T 表示 符号规定－矢量方向与横截面外法线方向一致 的扭矩为正，反之为负
8
扭矩图 试分析轴的扭矩（m－轴单位长度内的扭力偶矩）
M A ml
T M A mx
T m( l x )
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
实心圆截面
π d4 Ip 32
π d3 Wp 16
20
§3 圆轴扭转强度与动力传递
圆轴扭转强度条件
轴的动力转递
圆轴合理设计 例题
21
材料的剪切性能与扭转破坏
扭转破坏
低碳钢
铸铁
22
剪切胡克定律
实验表明：
p G
s b
扭转屈服应力 扭转强度极限
例 题
例 1-1 MA=76 Nm, MB=191 Nm, MC=115 Nm, 画扭矩图
解：
T2 M C 0
T1 M A 76 N m T2 M C 115 N m
10
§2 圆轴扭转应力
扭转实验与假设 扭转切应力
薄壁圆管扭转切应力
极惯性矩与抗扭截面系数
2. 刚度校核
T1 d dx 1 GI p
T2 d dx 2 GI p
T1 T2
T d d 1 dx max dx 1 GI p
180 N m 180 d 0 . 43 / m [ ] 9 5 -12 4 dx max (80 10 Pa)(3.0 10 10 m ) π
解：1. 内力分析
FS ＝F
T
FD 2
32
FS ＝F
T
FD 2
2. 应力分析
4 FS 4 F ' 2 2 d d
" max
T FD 16 8 FD 3 2 d d 3 WP
8 FD d 1 d 3 2 D
max " max '
解：1. 建立平衡方程
沿截面 B 切开,画受力图
43
M
x
0, T1 B T2 B ml
(a)
未知力偶矩－2，平衡方程－1，一度静不定 2. 建立补充方程
1 B 2 B －变形协调条件
1 B
T1 ( x ) dx 0 GI p1
l
T1 ( x ) T1 B m( l x )
3. 应力修正公式
max
8FD 4m 2 d 3 4 m 3 D （当 m 10 时） d
33
§4 圆轴扭转变形与刚度计算
圆轴扭转变形
圆轴扭转刚度条件
例题
34
圆轴扭转变形
圆轴扭转一般情况
d T dx GIp d T ( x) dx GIp ( x )
44
1 1 B d x －变形协调条件 T1 ( x ) T1 B m( l x ) 1B 2B 0 GI p1
l
T ( x)
1 B
1 ml 2 M l T T 1, B T 0 x 1 B GI p1 2 2 B
2B ml 2 B GI (a)
解：1. 扭矩分析
30
2. 强度校核
危险截面：截面 A与 B
ml TA 44.6 MPa [ ] 2 2 2R0 1 2R0 1 ml TB 2 27.9 MPa [ ] B 2R02 2 2R02 2
A
31
例 3-3 密圈螺旋弹簧应力分析
3. 重量比较
π 2 ( do di2 ) 4 39.5% π 2 d 4
空心轴远比 实心轴轻
29
例 3-2 R0＝50 mm的薄壁圆管，左、右段的壁厚分别
为 1 5 mm，2 4 mm，m = 3500 N.m/m，l = 1 m，
[] 50 MPa，试校核圆管强度。
dx
dj G dx
dj / dx－扭转角变化率
14
G
dj dx
静力学方面
A
dA T
应力与变形公式
dj G dx
A
dA T
2
max TR T
Ip
T max Wp
dj T dx GIp
2
T Ip
Ip R
I p dA －极惯性矩
39
§5 圆轴扭转静不定问题
扭转静不定问题分析 例题
40
扭转静不定问题分析
问题 试求图示轴两端的支反力偶矩
问题分析
M
x
0,
M A MB M 0
(a)
未知力偶矩－2，平衡方程－1，一度静不定
41
建立变形补充方程
AB AC CB 0
AC
T1a (- M A )a GI p GI p
实验现象
截面翘曲, 角点处 为零, 侧面中点处 最大
圆轴平面假设不适用于非圆截面轴
47
应力分布特点
横截面上角点处，切应力为零 横截面边缘各点处，切应力 // 截面周边
横截面周边长边中点处，切应力最大
48
弹性力学解
长边中点 最大
注意单位换算！
38
例 4-2 试计算图示圆锥形轴的总扭转角
T dx 解： l GI ( x ) p 4 d d1 d ( x ) d ( x ) d1 2 x Ip ( x ) TM l 32 32 Ml 1 1 32 M l 1 3 3 d x 4 3G( d2 - d1 ) d1 d2 G 0 d 2 d1 x d1 2
T1 M A 180 N m T2 MC 140 N m
T1l 1.50 10-2 rad GI p T2 l 1.17 10-2 rad GI p
37
AB
BC
AC AB BC 1.50 10-2 1.17 10-2 0.33 10-2 rad
11
扭转实验与假设 扭转实验
各圆周线的形状不 变,仅绕轴线作相对转 动 当变形很小时，各 圆周线的大小与间距 均不改变
扭转平面假设
各横截面如同刚性平面，仅绕轴线作相对转动
12
扭转切应力
取楔形体 O1O2ABCD 为 研究对象
微段扭转 变形 dj
13
几何方面
物理方面
dd ' tan ad dj
在线弹性情况下，精确解：
max
16T D 3 (1 4 )
当 ≤RO /10 时，误差≤4.53
19
极惯性矩与抗扭截面系数
空心圆截面
dA 2π d
Ip
D/ 2 d/2
2 2π d
π D4 Ip 14 32
d Dຫໍສະໝຸດ π D3 Wp 14 16
度条件设计实心圆轴与 = 0.9 的空心圆轴。
解：1. 确定实心圆轴直径
max [ ]
T π 3 d 16
max
[ ]
T d 3 16
d
3
16T π [ ]
3
16(1.5 103 N m ) 0.0535 m 6 (50 10 Pa)
28
取： d 54 mm
研空心圆截面
杆件应力分布：
斜截面应力：
17
薄壁圆管扭转应力
应力公式
假设: 切应力沿壁厚均匀分布
2 T R0 R0d 2π R0
0 2π
T 2R02 δ
18
适用范围 适用于所有匀质薄壁杆，包括弹性、非弹 性、各向同性与各向异性情况
公式精度
T 2R02
23
圆轴扭转强度条件
max [ ]
变截面圆轴:
T max W p max
等截面圆轴:
[ ]
u
n
u－材料的扭转极限应力
n - 安全因数 塑性材料： [] =（0.5~0.577）[] 脆性材料： [] = （0.8~1.0）[t]
24
CB
T2b M B b GI p GI p
(b)
M Aa MBb 0
计算支反力偶矩 联立求解方程(a)与(b)
M
x
0,
M A MB M 0
(a)
Mb Ma MA ， MB ab ab
42
例题
例 5-1 图示组合轴，承受集度为 m 的均布扭力偶， 与矩为 M = ml 的集中扭力偶。已知： G1 = G2 = G， Ip1 = 2Ip2 。试求：圆盘的转角。
T l
p2
ml T1 B T2 B 2
(b)
3. 扭矩与圆盘转角 联立求解平衡与补充方程，得
圆盘转角为
ml T1 B T2 B 2
Ip Wp －抗扭截面系数 R
15
小结
研究方法：从实验、假设入手，综合考虑几何、
物理与静力学三方面
dj T 扭转变形基本公式： dx GI p
扭转切应力公式： 最大扭转切应力：
T Ip T max Wp
公式的适用范围： 圆截面轴；max≤ p
16
讨论
7
扭矩与扭矩图
扭矩定义－矢量方向垂直于横截面的内力偶矩， 并用 T 表示 符号规定－矢量方向与横截面外法线方向一致 的扭矩为正，反之为负
8
扭矩图 试分析轴的扭矩（m－轴单位长度内的扭力偶矩）
M A ml
T M A mx
T m( l x )
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
实心圆截面
π d4 Ip 32
π d3 Wp 16
20
§3 圆轴扭转强度与动力传递
圆轴扭转强度条件
轴的动力转递
圆轴合理设计 例题
21
材料的剪切性能与扭转破坏
扭转破坏
低碳钢
铸铁
22
剪切胡克定律
实验表明：
p G
s b
扭转屈服应力 扭转强度极限
例 题
例 1-1 MA=76 Nm, MB=191 Nm, MC=115 Nm, 画扭矩图
解：
T2 M C 0
T1 M A 76 N m T2 M C 115 N m
10
§2 圆轴扭转应力
扭转实验与假设 扭转切应力
薄壁圆管扭转切应力
极惯性矩与抗扭截面系数
2. 刚度校核
T1 d dx 1 GI p
T2 d dx 2 GI p
T1 T2
T d d 1 dx max dx 1 GI p
180 N m 180 d 0 . 43 / m [ ] 9 5 -12 4 dx max (80 10 Pa)(3.0 10 10 m ) π
解：1. 内力分析
FS ＝F
T
FD 2
32
FS ＝F
T
FD 2
2. 应力分析
4 FS 4 F ' 2 2 d d
" max
T FD 16 8 FD 3 2 d d 3 WP
8 FD d 1 d 3 2 D
max " max '
解：1. 建立平衡方程
沿截面 B 切开,画受力图
43
M
x
0, T1 B T2 B ml
(a)
未知力偶矩－2，平衡方程－1，一度静不定 2. 建立补充方程
1 B 2 B －变形协调条件
1 B
T1 ( x ) dx 0 GI p1
l
T1 ( x ) T1 B m( l x )
3. 应力修正公式
max
8FD 4m 2 d 3 4 m 3 D （当 m 10 时） d
33
§4 圆轴扭转变形与刚度计算
圆轴扭转变形
圆轴扭转刚度条件
例题
34
圆轴扭转变形
圆轴扭转一般情况
d T dx GIp d T ( x) dx GIp ( x )
44
1 1 B d x －变形协调条件 T1 ( x ) T1 B m( l x ) 1B 2B 0 GI p1
l
T ( x)
1 B
1 ml 2 M l T T 1, B T 0 x 1 B GI p1 2 2 B
2B ml 2 B GI (a)
解：1. 扭矩分析
30
2. 强度校核
危险截面：截面 A与 B
ml TA 44.6 MPa [ ] 2 2 2R0 1 2R0 1 ml TB 2 27.9 MPa [ ] B 2R02 2 2R02 2
A
31
例 3-3 密圈螺旋弹簧应力分析
3. 重量比较
π 2 ( do di2 ) 4 39.5% π 2 d 4
空心轴远比 实心轴轻
29
例 3-2 R0＝50 mm的薄壁圆管，左、右段的壁厚分别
为 1 5 mm，2 4 mm，m = 3500 N.m/m，l = 1 m，
[] 50 MPa，试校核圆管强度。
dx
dj G dx
dj / dx－扭转角变化率
14
G
dj dx
静力学方面
A
dA T
应力与变形公式
dj G dx
A
dA T
2
max TR T
Ip
T max Wp
dj T dx GIp
2
T Ip
Ip R
I p dA －极惯性矩
39
§5 圆轴扭转静不定问题
扭转静不定问题分析 例题
40
扭转静不定问题分析
问题 试求图示轴两端的支反力偶矩
问题分析
M
x
0,
M A MB M 0
(a)
未知力偶矩－2，平衡方程－1，一度静不定
41
建立变形补充方程
AB AC CB 0
AC
T1a (- M A )a GI p GI p
实验现象
截面翘曲, 角点处 为零, 侧面中点处 最大
圆轴平面假设不适用于非圆截面轴
47
应力分布特点
横截面上角点处，切应力为零 横截面边缘各点处，切应力 // 截面周边
横截面周边长边中点处，切应力最大
48
弹性力学解
长边中点 最大
注意单位换算！
38
例 4-2 试计算图示圆锥形轴的总扭转角
T dx 解： l GI ( x ) p 4 d d1 d ( x ) d ( x ) d1 2 x Ip ( x ) TM l 32 32 Ml 1 1 32 M l 1 3 3 d x 4 3G( d2 - d1 ) d1 d2 G 0 d 2 d1 x d1 2
T1 M A 180 N m T2 MC 140 N m
T1l 1.50 10-2 rad GI p T2 l 1.17 10-2 rad GI p
37
AB
BC
AC AB BC 1.50 10-2 1.17 10-2 0.33 10-2 rad
11
扭转实验与假设 扭转实验
各圆周线的形状不 变,仅绕轴线作相对转 动 当变形很小时，各 圆周线的大小与间距 均不改变
扭转平面假设
各横截面如同刚性平面，仅绕轴线作相对转动
12
扭转切应力
取楔形体 O1O2ABCD 为 研究对象
微段扭转 变形 dj
13
几何方面
物理方面
dd ' tan ad dj
在线弹性情况下，精确解：
max
16T D 3 (1 4 )
当 ≤RO /10 时，误差≤4.53
19
极惯性矩与抗扭截面系数
空心圆截面
dA 2π d
Ip
D/ 2 d/2
2 2π d
π D4 Ip 14 32
d Dຫໍສະໝຸດ π D3 Wp 14 16
度条件设计实心圆轴与 = 0.9 的空心圆轴。
解：1. 确定实心圆轴直径
max [ ]
T π 3 d 16
max
[ ]
T d 3 16
d
3
16T π [ ]
3
16(1.5 103 N m ) 0.0535 m 6 (50 10 Pa)
28
取： d 54 mm
研空心圆截面
杆件应力分布：
斜截面应力：
17
薄壁圆管扭转应力
应力公式
假设: 切应力沿壁厚均匀分布
2 T R0 R0d 2π R0
0 2π
T 2R02 δ
18
适用范围 适用于所有匀质薄壁杆，包括弹性、非弹 性、各向同性与各向异性情况
公式精度
T 2R02
23
圆轴扭转强度条件
max [ ]
变截面圆轴:
T max W p max
等截面圆轴:
[ ]
u
n
u－材料的扭转极限应力
n - 安全因数 塑性材料： [] =（0.5~0.577）[] 脆性材料： [] = （0.8~1.0）[t]
24
CB
T2b M B b GI p GI p
(b)
M Aa MBb 0
计算支反力偶矩 联立求解方程(a)与(b)
M
x
0,
M A MB M 0
(a)
Mb Ma MA ， MB ab ab
42
例题
例 5-1 图示组合轴，承受集度为 m 的均布扭力偶， 与矩为 M = ml 的集中扭力偶。已知： G1 = G2 = G， Ip1 = 2Ip2 。试求：圆盘的转角。
T l
p2
ml T1 B T2 B 2
(b)
3. 扭矩与圆盘转角 联立求解平衡与补充方程，得
圆盘转角为
ml T1 B T2 B 2
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《扭转》PPT课件
T
O
O
其中： A0 r02
Gg
……剪切胡克定律 （线弹性范围适用）
G为材料的剪切弹性模量
另外有：
G
E （2 1
）
扭转时的应力 强度条件
一、横截面上的应力 a
b
Me
1、变形几何关 系g
Me
T
g
O2
g
dj
T
dx
a
dx
b
g
dj
dx
2、物理关系(剪切虎克定律)
Gg
Gg
G
dj
dx
3、力学关系
mA
mB
mC
l
l
解： 1．扭转变形分析
AB段BC段的扭矩分别为：T1＝180 N·m， T2＝-140 N·m
设其扭转角分别为φAB和φBC，则：
AB
T1l GI
(180 N m)(2m)
(80 109 Pa)(3.0 105 10 12 m4 )
1.50 10 2 rad
BC
T2l GI
AB段的扭矩最大，应校核该段轴的扭转刚度。AB段的扭转角变化率为：
d
dx
T1 GI
(80
10 9
180 N m Pa)(3.0 105
10 12
m4
)
180 π
0.430 /m θ
该轴的扭转刚度符合要求。
圆轴扭转时横截面上的剪应力
例2:
已知：N＝7.5kW, n=100r/min,许用切应力＝
32ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Wp
d 3
16
Ip
32
D4 d 4
D4 (1 4 )
工程力学第6节 圆轴扭转时的强度条件和刚度条件
318Nm 955Nm
955 1910 955 N m 3-3 截面的扭矩 TCD M D 318 N m
绘出的扭矩图如图所示， 显然BA和AC段扭矩最大。故
Tmax 955 N m
3）按强度条件确定轴径
Tmax 16Tmax max [ ] 3 WP D 3 16 Tmax 3 16 955 D m 47.6 mm 6 [ ] 4510
二、圆轴扭转时的强度条件
材料的扭转 许用应力 圆轴扭转时的 强度条件
[ ]
u
n
max [ ]
max 应发生在最大扭矩 Tmax 的横截 等截面圆轴： 面上周边各点处，所以其强度条件为
等截面圆轴扭转 时的强度条件
max
Tmax [ ] WP
T ) max 的 阶梯轴等变截面圆轴： max 应发生在 ( WP
在最大切应力相同的情况下，空心轴所用 的材料是实心轴的 61.1%，自重也减轻了 38.9%。其 原因是：圆轴扭转时，横截面上应力呈线性分布，越 接近截面中心，应力越小，此处的材料就没有充分发 挥作用。做成空心轴，使得截面中心处的材料安置到 轴的外缘，材料得到了充分利用，而且也减轻了构件 的自重。但空心轴的制造要困难些，故应综合考虑。
对于空心轴，由扭转时的强度条件
Tmax 16 T max [ ] 3 4 WP D2 (1 )
Tmax 16 T max [ ] 3 4 WP D2 (1 )
D2
3
16T 4 [ ](1 ) 161186 m 64.2 mm 6 4 3010 (1 0.7 )
2 2 2 2
3
扭转—扭转轴的应力及强度计算(建筑力学)
1.5 10 6
MPa 51.4MPa
4
WP
2.92 10
扭转
(2) 求空心轴的内径
因为要求实心轴和空心轴的扭转强度相同，故两轴的最
大切应力相等，即
'max max 51.4MPa
max
Tmax
Tmax
WP
D23 1 4 16
6
16Tmax
16
变形的能力。单位GPa，其数值可由试验测得。
切应变的其单位是 弧度（rad）
扭转
二、圆轴扭转时横截面上的应力
从几何关系、物理关系和静力学关系这三个方面来分析圆
轴受扭时横截面上的应力。
1. 几何变形方面
取一圆轴进行扭转试验
试验现象表明，圆轴表面上各点的变形与薄壁圆筒扭转
时的变形一样。
扭转
由观察到的现象，对圆轴内部的变形可做如下假设：扭转
截面（危险截面） 边缘点处。因此，强度条件也可写成 maxFra bibliotekTmax
[ ]
W
圆轴强度条件可以解决圆轴扭转时的三类强度问题，即
进行扭转强度校核、圆轴截面尺寸设计及确定许用荷载。
扭转
例9-6 一实心圆轴，承受的最大扭矩Tmax=1.5kN•m，轴
的直径d1=53mm。求：（1）该轴横截面上的最大切应力。
扭转
第四节 圆轴扭转的强度计算
一、圆轴的扭转破坏试验与极限应力
圆轴的扭转试件可分别用Q35钢、铸铁等材料做成，扭
转破坏试验是在扭转试验机上进行。试件在两端外力偶Me
作用下，发生扭转变形，直至破坏。
Q35钢
铸铁
MPa 51.4MPa
4
WP
2.92 10
扭转
(2) 求空心轴的内径
因为要求实心轴和空心轴的扭转强度相同，故两轴的最
大切应力相等，即
'max max 51.4MPa
max
Tmax
Tmax
WP
D23 1 4 16
6
16Tmax
16
变形的能力。单位GPa，其数值可由试验测得。
切应变的其单位是 弧度（rad）
扭转
二、圆轴扭转时横截面上的应力
从几何关系、物理关系和静力学关系这三个方面来分析圆
轴受扭时横截面上的应力。
1. 几何变形方面
取一圆轴进行扭转试验
试验现象表明，圆轴表面上各点的变形与薄壁圆筒扭转
时的变形一样。
扭转
由观察到的现象，对圆轴内部的变形可做如下假设：扭转
截面（危险截面） 边缘点处。因此，强度条件也可写成 maxFra bibliotekTmax
[ ]
W
圆轴强度条件可以解决圆轴扭转时的三类强度问题，即
进行扭转强度校核、圆轴截面尺寸设计及确定许用荷载。
扭转
例9-6 一实心圆轴，承受的最大扭矩Tmax=1.5kN•m，轴
的直径d1=53mm。求：（1）该轴横截面上的最大切应力。
扭转
第四节 圆轴扭转的强度计算
一、圆轴的扭转破坏试验与极限应力
圆轴的扭转试件可分别用Q35钢、铸铁等材料做成，扭
转破坏试验是在扭转试验机上进行。试件在两端外力偶Me
作用下，发生扭转变形，直至破坏。
Q35钢
铸铁
轴的扭转-应力,强度
T
T Ip
式中 T——所求切应力点的横截面 上的扭矩
B
B' dA
R O
max
——所求切应力点到圆心的距离
Ip=A2dA——横截面对圆心O的极惯性矩
注意：切应力公式的适用范围：max ≤p
3.最大切应力
T
max
即
TR Ip
B
B' dA
R O
T max Wp
´
上述公式可得到如下结论。
0
0
0 0 , 0 max
45 min , 45 0
45 max , 45 0
450
450 0 90
90 0 , 90 max
取 d = 29.7 mm。
可见：此轴的直径是由刚度条件控制的
155 N . m
圆轴扭转斜面上的应力
为什么研究斜截面应力？ ☆ ☆ 逻辑上，正截面——斜截面 实际上，见下面的实验结果，原因？
扭转轴的破坏（想一想：为什么这样？）
途径：1、仿正截面过程；2、用正截面推导斜截面应力
《应力状态理论》对于
2.应力公式推导 (1) 变形几何方面 取微段dx研究
Me
p
q
Me
x A p dx
T p
B q
O
x
d (1) tg dx d ——单位长度扭转角 式中 dx
即：
q R O2 B' d B C' C q dx
T
A
O1 A'
对给定的截面，与成正比
圆轴扭转时的应力与强度条件
圆轴扭转时的应力与强度条件扭转是杆件的基本变形形式之一。
工程中有些杆件，因承受作用平面垂直于杆轴线的力偶作用，而发生扭转变形。
通常将这种杆件称为轴，如传动轴等。
本讲主要分析圆截面杆的扭转。
非圆截面杆受扭时，不能用材料力学的理论求解。
图1 圆轴的扭转扭转变形和受力特点：杆件受到大小相等、方向相反且作用平面垂直于杆件轴线的力偶作用，杆件的横截面绕轴线产生相对转动。
● 外力特征：力偶矩矢平行于杆的轴线。
力偶矩矢方向按右手螺旋法则确定。
● 力偶变形特点：各轴线仍为直线，杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动。
一、圆轴扭转的应力图2 圆轴扭转的剪应力分布图图2中，tW T=max τ （1） 式（1）中，t W 为抗扭截面模量，是仅与横截面尺寸有关的量。
实心圆轴163D W n π=，空心圆轴Dd D W n16)(44-=π。
二、扭转强度分析为了保证圆轴安全可靠地工作，应使轴内的最大剪应力不超过材料的许用剪应力[]τ，即A Bm axm τ][max ττ≤=tW T（9-7） 根据圆轴扭转的强度条件，可以进行强度校核、截面设计和确定许可载荷等三大类强度计算问题。
例：传动轴上有三个齿轮，齿轮2为主动轮，齿轮1和齿轮3输出扭矩分别为N.m 3.391=m 和N.m 1553=m 。
若轴的材料为45钢，[]a MP 40=τ。
根据强度确定轴的直径。
解: (1) 计算力偶距m 2 。
m N m m m .3.194312=+=（2）画扭矩图。
（3）根据强度条件计算直径。
从扭矩图上可以看出，齿轮2与3 间的扭矩绝对值最大。
][163maxmax max τπτ≤==DT W T t []m 0272.0104014.31551616363max=⨯⨯⨯=≥τπT D1231m 2m 3m 0.30.4mxT155N.m39.3N.m。
材料力学第六章 应力状态理论和强度理论
单元体的各个面均为主平面，其上的主应力为： 单元体的各个面均为主平面，其上的主t
9
工程力学
Engineering mechanics
§6-1 应力状态理论的概念 和实例
3、三向应力状态（空间应力状态） 、三向应力状态（空间应力状态） 定义：三个主应力均不为零。 定义：三个主应力均不为零。 例如：导轨与滚轮接触点处，取导轨表面任一点 的单元体 的单元体， 例如：导轨与滚轮接触点处，取导轨表面任一点A的单元体， 它各侧面均受到压力作用，属于三向应力状态。 它各侧面均受到压力作用，属于三向应力状态。
工程力学
Engineering mechanics
第六章 应力状态理论 和强度理论
1
工程力学
Engineering mechanics
引
言
前面的分析结果表明， 前面的分析结果表明，在一般情况下杆件横截面上不同点 的应力是不相同的，过一点不同方向面上的应力也是不相同的。 的应力是不相同的，过一点不同方向面上的应力也是不相同的。 因此，当提及应力时，必须明确“哪一个面上哪一点” 因此，当提及应力时，必须明确“哪一个面上哪一点”的应力或 哪一点哪一个方向面上”的应力。 者“哪一点哪一个方向面上”的应力。 如果危险点既有正应力，又有切应力，应如何建立其强度 如果危险点既有正应力，又有切应力， 条件？ 条件？ 如何解释受力构件的破坏现象？ 如何解释受力构件的破坏现象？ 对组合变形杆应该如何进行强度计算？ 对组合变形杆应该如何进行强度计算？ 要全面了解危险点处各截面的应力情况。 要全面了解危险点处各截面的应力情况。
2
工程力学
Engineering mechanics
§6-1 应力状态理论的概念 和实例
一、一点的应力状态 定义：过受力体内一点所有方向面上应力的集合。 定义：过受力体内一点所有方向面上应力的集合。 一点的应力状态的四要素 四要素： 一点的应力状态的四要素： ）、应力作用点的坐标 （1）、应力作用点的坐标； ）、应力作用点的坐标； ）、过该点所截截面的方位 （2）、过该点所截截面的方位； ）、过该点所截截面的方位； ）、应力的大小 （3）、应力的大小； ）、应力的大小； ）、应力的类型 （4）、应力的类型。 ）、应力的类型。 二、研究应力状态的目的 对受到轴向拉伸（压缩）、扭转、弯曲等基本变形的杆件， 对受到轴向拉伸（压缩）、扭转、弯曲等基本变形的杆件， ）、扭转 其危险点处于单向应力状态或纯剪切应力状态，受力简单， 其危险点处于单向应力状态或纯剪切应力状态，受力简单，可直 接由相应的试验确定材料的极限应力，建立相应的强度条件。 接由相应的试验确定材料的极限应力，建立相应的强度条件。
圆轴扭转时的应力与强度计算
4)
π 32
(904
804 ) mm4
1.32 106
mm4
2）计算切应力。内外边缘处的切应力分别为
TT内AT Ipd 2
1.5103 85103 2
1.32106 1012
Pa
48.3106 Pa 48.3MP a
外
B
T Ip
D 2
1.5103 90 103 2
1.32106 1012
④ 由于各纵向线都倾斜了一个 角度 ，故各矩形 网格的直角都改变了 角，直角的改变量称为切应变。 切应变 是切应力τ引起的。
2. 圆轴扭转时横截面上的切应力
（1）切应力的计算公式
圆轴扭转时横截面上的切应力的计算公式为（推导
从略）
T
Ip
式中：T——横截面上的扭矩，以绝对
T
值代入；
——横截面上欲求应力的点处
●扭转时横截面上切应力的计算公式只适用于 圆轴。
（3）极惯性矩和扭转截面系数的计算
极惯性矩Ip和扭转截面系数Wp是只与横截面形状、 尺寸有关的几何量。
直径为D的圆截面和外径为D、内径为d的圆环形截 面，它们对圆心的极惯性矩和扭转截面系数分别为
圆截面：
πD4
Ip 32
Wp
πD3 16
圆环形截面： πD4 Ip 32
Tmax
Wp
4103 N m 1.16104 m3
34.5106 Pa
=34.5MPa<[τ]=50MPa
可见轴是安全的。
【例4.11】 实心圆轴和空心圆轴通过牙嵌离合 器连在一起，如图所示。已知轴的转速n=100r/min， 传递功率P=10kW，材料的许用切应力[τ]=20MPa。 （1）选择实心轴的直径D1。(2)若空心轴的内外径 比为1/2，选择空心轴的外径D2。(3)若实心部分与 空心部分长度相等且采用同一种材料，求实心部分
扭转强度条件
T=1990N·m,[]=70MPa.校核此轴的
强度。
d 0.945
D
解：（1）计算抗扭截面模量
Wt 0.2D3 (1 4 ) 0.2 8.93 (1 0.9454 ) 29 cm9 （2） 强度校核
max
T Wt
1930 29 106
66.7106 Pa
§9.4 圆轴扭转时的应力
§9.4 圆轴扭转时的应力
一、横截面上的应力
几
何
关 系
Me
Me
物 理
关
几何关系
系
静
从三方面考虑 物理关系
力 关
静力关系
系
观察变形 提出假设 变形的分布规律
应力的分布规律
建立公式
§9.4 圆轴扭转时的应力
公式适用于： 1）圆杆
2） max p
横截面上某点的切应力的方向 与扭矩方向相同，并垂直于半径。 切应力的大小与其和圆心的距离 成正比。
max
16T
d13
7640N m
4580N m
3
d1
16T
π[ ]
3
16 7640 π 70106
82.2103 m 82.2mm
按刚度条件
m ax
32T
Gd14
180
d1
4
32T 180
Gπ 2 [ ]
69.3103 m 69.3mm
7640N m
按刚度条件
d2
4
32T 180
Gπ 2 [ ]
4
32 4580180 80109 π 2 1
强度。
d 0.945
D
解：（1）计算抗扭截面模量
Wt 0.2D3 (1 4 ) 0.2 8.93 (1 0.9454 ) 29 cm9 （2） 强度校核
max
T Wt
1930 29 106
66.7106 Pa
§9.4 圆轴扭转时的应力
§9.4 圆轴扭转时的应力
一、横截面上的应力
几
何
关 系
Me
Me
物 理
关
几何关系
系
静
从三方面考虑 物理关系
力 关
静力关系
系
观察变形 提出假设 变形的分布规律
应力的分布规律
建立公式
§9.4 圆轴扭转时的应力
公式适用于： 1）圆杆
2） max p
横截面上某点的切应力的方向 与扭矩方向相同，并垂直于半径。 切应力的大小与其和圆心的距离 成正比。
max
16T
d13
7640N m
4580N m
3
d1
16T
π[ ]
3
16 7640 π 70106
82.2103 m 82.2mm
按刚度条件
m ax
32T
Gd14
180
d1
4
32T 180
Gπ 2 [ ]
69.3103 m 69.3mm
7640N m
按刚度条件
d2
4
32T 180
Gπ 2 [ ]
4
32 4580180 80109 π 2 1
第六章 材料力学剪切与扭转
土木工程力学
第六章
• • • • 6.1 6.2 6.3 6.4
剪切与扭转
剪切和挤压的实用计算 扭矩的概念 圆轴扭转的应力及强度计算 圆轴扭转时的变形及刚度计算
6.1 剪切和挤压的实用计算
6.1.1
剪切和挤压的概念
1、连接件 在构件连接处起连接作用的部件，称为连接件。例如： 螺栓、铆钉等。连接件虽小，起着传递载荷的作用。 螺栓 P
F /2 F /2 2 d A 4
d
2F
11.97(mm)
选取d=1 2mm。 3)校核销钉的挤压强度为
jy
F 150( MPa) jy Ajy
故选取d= 1 2mm，可以同时满足挤压和剪切强度的要求。
Fs 4 F 2 A d Fbs F bs Abs dh
6.2.3 扭矩和扭矩图
1. 扭矩：构件受扭时，横截面上的内力偶矩，记作“T”。
2. 截面法求扭矩
M
x
0
Me Me
T Me 0 T Me
3. 扭矩的符号规定：
Me
T
x
“T”的转向与截面外法线方向满足右手螺旋规则为正，
反之为负。
右手螺旋法则
右手拇指指向外法线方向为 正(+),反之为 负(-)
P4 25 M 4 9550 9550 1194 ( N .m) n 200
2) 计算各截面上的扭矩(分段应用截面法) 各截面上的扭矩假设为正值。
• • • •
• • •
①沿截面I—I截开，取左侧为研究对象[图 6．11(b)]，则根据平衡条件∑m=0，有 T1+M2=0 T1=–M2=–9 5 5N· m ②沿截面Ⅱ一Ⅱ截开，取左侧为研究对象[图 6．11(c)]，则根据平衡条件∑m=0，有 T2+M2一M1=0 T2=M1一M2=3 8 2 0—9 5 5=2 8 6 5N· m ③沿截面Ⅲ一Ⅲ截开，取右侧为研究对象[图 6．11(d)]，则根据平衡条件∑m=0，有
第六章
• • • • 6.1 6.2 6.3 6.4
剪切与扭转
剪切和挤压的实用计算 扭矩的概念 圆轴扭转的应力及强度计算 圆轴扭转时的变形及刚度计算
6.1 剪切和挤压的实用计算
6.1.1
剪切和挤压的概念
1、连接件 在构件连接处起连接作用的部件，称为连接件。例如： 螺栓、铆钉等。连接件虽小，起着传递载荷的作用。 螺栓 P
F /2 F /2 2 d A 4
d
2F
11.97(mm)
选取d=1 2mm。 3)校核销钉的挤压强度为
jy
F 150( MPa) jy Ajy
故选取d= 1 2mm，可以同时满足挤压和剪切强度的要求。
Fs 4 F 2 A d Fbs F bs Abs dh
6.2.3 扭矩和扭矩图
1. 扭矩：构件受扭时，横截面上的内力偶矩，记作“T”。
2. 截面法求扭矩
M
x
0
Me Me
T Me 0 T Me
3. 扭矩的符号规定：
Me
T
x
“T”的转向与截面外法线方向满足右手螺旋规则为正，
反之为负。
右手螺旋法则
右手拇指指向外法线方向为 正(+),反之为 负(-)
P4 25 M 4 9550 9550 1194 ( N .m) n 200
2) 计算各截面上的扭矩(分段应用截面法) 各截面上的扭矩假设为正值。
• • • •
• • •
①沿截面I—I截开，取左侧为研究对象[图 6．11(b)]，则根据平衡条件∑m=0，有 T1+M2=0 T1=–M2=–9 5 5N· m ②沿截面Ⅱ一Ⅱ截开，取左侧为研究对象[图 6．11(c)]，则根据平衡条件∑m=0，有 T2+M2一M1=0 T2=M1一M2=3 8 2 0—9 5 5=2 8 6 5N· m ③沿截面Ⅲ一Ⅲ截开，取右侧为研究对象[图 6．11(d)]，则根据平衡条件∑m=0，有
材料力学扭转第6节 圆轴扭转时的强度条件和刚度条件
刚度条件
Tm a x GIP
180
[]
说明
单位长度许用扭转角[ ]的通常取值如下：
精密机器、仪器的轴：[ ] =（0.25～0.50）/m 一般传动轴：[ ] =（0.5～1.0）/m 精度要求不高的传动轴：[ ] =（2.0～4.0）/m
例4-6 传动轴如图所示，已知主动轮A输入的功率 PA=120kW；从动轮B、C、D输出的功率分别为PB=60 kW，PC=40kW，PD=20kW。轴材料的剪切弹性模量
GD 4
180
[ ]
D
4
32Tmax 180
G 2[]
4
32 955180
80109 2 0.8
m
54.3 mm
若使轴同时满足强度和刚度条件，应取 D 54.3 mm
max
Tm a x WP
[ ]
• 阶横截梯面轴上等周变边截各面点圆处轴，：所m以ax应其发强生度在条件(WT为P )max的
变截面圆轴扭转 时的强度条件
max (WTP )max [ ]
扭转强度条件可以用来解决三类问题：
• 强度校核 • 设计截面尺寸 • 确定许用载荷
例4-5 如图，实心轴和空心轴通过牙嵌离合器联接
1
2
3
1-1 截面的扭矩
1
2
3
TBA M B 955 N m 955Nm
2-2 截面的扭矩
B
A
C
D
TAC M B M A
315Nm 955Nm
9551910 955 N m
3-3 截面的扭矩 TCD M D 315 N m