扭转应力与强度条件
材料力学课件第3-4章
L M x( x) d x
0 GIP (x)
28
3.5 圆轴扭转时的变形与刚度条件
二. 刚度条件
对等直轴:
d
dx
Mx GIP
单位长度的扭转角
等直圆轴扭转
max
M x max GIP
180
[ ](o /m)
对阶梯轴: 需分段校核。
max
M x max GIP
180
[ ](ο /m)
2. 给出功率, 转速
(kw)
Me = 9549
P n
(N. m)
(r/min)
5
3.2 外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图 二.横截面上的内力
截面法求内力： 截，取，代，平
Mx 称为截面上的扭矩
Mx 0 Mx Me 0 即 Mx Me
按右手螺旋法：
指离截面为正，
M x 指向截面为负。
6
3.2 外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图
10
3.3 薄壁圆筒的扭转 纯剪切
一. 薄壁筒扭转实验
nm
t
实验观察 分析变形
x
r
nm l
mn没变 x = 0
x = 0
Me
nm
γ
Me
φ
x
r没变 = 0
= 0
nm
Me
nm
Mx
x
n m Mx
11
3.3 薄壁圆筒的扭转 纯剪切
Me Mx
nm
Mx
n m Mx
由于轴为薄壁,所以认
为 沿t 均布.即 =C
max
M x max Wp
31.5 103 m
M x max d 3
16
04、基本知识 怎样推导轴向拉压和扭转的应力公式、变形公式(供参考)
04、基本知识 怎样推导轴向拉压和扭转的应力公式、变形公式（供参考）同学们学习下面内容后，一定要向老师回信（****************），说出你对本资料的看法（收获、不懂的地方、资料有错的地方），以便考核你的平时成绩和改进我的工作。
回信请注明班级和学号的后面三位数。
1 * 问题的提出 ........................................................................................................................... 1 2 下面就用统一的步骤，研究轴向拉压和扭转的应力公式和变形公式。
........................... 2 3 1.1 轴向拉压杆的应力公式推导 ............................................................................................ 2 4 1.2 轴向拉压杆的变形公式推导 ............................................................................................ 4 5 1.3 轴向拉压杆应力公式和变形公式的简要推导 ................................................................ 4 6 1.4 轴向拉压杆的强度条件、刚度条件的建立 .................................................................... 4 7 2.1 扭转轴的应力公式推导 .................................................................................................... 5 8 2.2 扭转轴的变形公式推导 .................................................................................................... 7 9 2.3 扭转轴应力公式和变形公式的简要推导 ........................................................................ 7 10 2.4 扭转的强度条件、刚度条件的建立 ............................................................................ 8 11 3. 轴向拉压、扭转、梁的弯曲剪切，应力公式和变形公式推导汇总表 .. (9)1* 问题的提出在材料力学里，分析杆件的强度和刚度是十分重要的，它们是材料力学的核心内容。
材料力学第四章 扭转
max
T GI p
180
(/m)
×
例５ 图示圆轴，已知mA =1kN.m， mB =3kN.m， mC
=2kN.m；l1 =0.7m，l2 =0.3m；[]=60MPa，[ ]=0.3°/m，
G=80GPa；试选择该轴的直径。
mA
mB mC 解： ⑴按强度条件
A
l1
B l2 C
max
9.55
200 300
6.37
(kN m)
×
n D
m2 1 m3 2 m1 3 m4
n A 1 B 2 C 3D
②求扭矩（扭矩按正方向假设）
m 0 , T1 m2 0, T1 m2 4.78kN m m 0; T2 m1 m2 0
T2 m2 m3 (4.78 4.78) 9.56kN m
T
2 r02
t
T 2 A0
t
T
A0为平均半径所作圆的面积。
×
三、切应力互等定理：
´
a
b
dy
´
c
z
dx
d t
mz 0; t dxdy t dxdy
'
这就是切应力互等定理：在单元体相互垂直的两个截面
上，切应力必然成对出现，且数值相等，两者都垂直于两平
面的交线，其方向或共同指向交线，或共同背离交线。
垂直，则杆件发生的变形为扭转变形。
A
B O
A
BO
m
m
——扭转角（两端面相对转过的角度）
——剪切角，剪切角也称切应变。
×
§4–2 扭转的内力—扭矩与扭矩图
一、扭矩 圆杆扭转横截面的内力合成
结果为一合力偶，合力偶的力偶 矩称为截面的扭矩，用T 表示之。 m
材料力学拉伸压缩剪切扭转名称公式判别及汇总
一、拉（压）杆强度条件：--------（1）二、（剪切）切应力条件和挤压强度条件1.切应力强度条件：τ --------（2）2.挤压强度条件：--------（3）三、圆轴扭转时的强度和刚度条件资料个人收集整理，勿做商业用途1.扭转强度条件：-----------（4）----------------（5）2.扭转刚度条件：-----------（6）----------------（7）四：弯曲正应力强度条件：------(8)符号释义：1.：正应力2. τ：切应力3.T：扭矩4.：轴力5.：剪切力6.7.A：剪切截面面积8.：抗扭截面系数9.：横截面对圆心的极惯性矩10.y: 正应力到中性轴的距离11.ε：正应变(线应变) 三个弹性材料的关系：1.E：弹性模量（GN/m²）2. μ：为泊松比（钢材的μ为0.25-0.33）3.G：剪切弹性模量（GN/m²）剪切胡可定律：τ=Gγ16.E：抗拉刚度17.胡可定律：σ=Eεσ=E18.ρ：曲率半径19.：梁弯曲变形后的曲率20.M：弯矩轴力、剪切力、均为内力求内力的方法-截面法：1.假想沿m-m横截面将杆件切开2.留下左半端或右半段3.将弃去部分对留下部分的作用(力)用内力代替4.对留下部分写平衡方程，求出内力的值。
当你选择好研究对象时，建立坐标系，这个对象的所有受力的x方向的代数和，和y方向的代数和为零，这就建立平衡方程，【me=o】，就是你在研究对象上选取一个点作为支点，然后所有力对这个点取矩，顺时针和逆时针方向的代数和为零，这样就分别建立三个平衡方程，可以联立接触其中未知数，这种情况只是用于解决静定结构的。
12.γ：切应变(角应变)21.：外力偶矩13.EA：抗拉强度(钢材的EA约为200GPa)14.δ：断后伸长率15.ψ：断面收缩率/相对扭转角梁受力有：轴力、剪切力和弯矩M。
一、材料力学的几个基本感念1.构件：工程结构或机械的每一组成部分。
扭转—扭转轴的应力及强度计算(建筑力学)
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
建筑力学-3 扭转应力及强度
Oρ
切应力的计算公式
τ
T =
ρ
IP
τmax
(b)
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
建筑力学
τ
T =
ρ
IP
IP —— 截面对圆心的极惯性矩，与圆截面的尺寸有 关，单位为 mm4。
Tτ R
Oρ
τmax
τmax
对于一个指定截面，扭矩T与极惯性矩 IP 是定
值，ρmax = R 时，切应力 τ 取得最大值，即
(2) 两相邻横截面之间的距离也保持不变。
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
建筑力学
为进一步弄清圆轴横截面上应力的分布情况，用相邻两截面截取受扭
圆轴一微段dx，如图a所示。
由于横截面的间距保持不变，未发生轴向变形， 故横截面上没有正应力；
圆轴横截面上的半径Oa ，受扭后其位置转至Ob ，
τmax
TR =
IP
令
WP =
IP R
τmax
=
T WP
式中WP与圆截面的尺寸有关，称为抗扭截面系数，是反映圆轴抗扭 的几何量，单位为 mm3。
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
建筑力学
实心圆、空心圆的极惯性矩和抗扭截面系数
截面形状
有关尺寸
极惯性矩
抗扭截面系数
实心圆形 空心圆形
d
πD4
如果将这部分材料移至截面外围，使其成 为空心轴，如图所示，这样便提高了材料的利用 率。因此，空心轴较实心轴合理。
τmax
τmax τmax
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
建筑力学
山西建筑职业技术学院 建筑工程系 建筑力学教研室
材料力学 第4章_扭转
d x d z d y d y d z d x 0
返回
4. 切应力互等定理
切应力互等定理： 也称切应力双生定理， 指在单元体相互垂直的两 个面上，切应力必成对存 在，且数值相等；两者都 垂直于两个平面的交线， 方向共同指向或背离这一 交线。
纯剪切
BC B
TCD mB mC 700N m
(b)
TDA mA 1146N m
可见:主动轮与从动轮位置不 同,轴内最大扭矩也不同,显 然(a)方案比(b)方案合理。
返回
§4.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
返回总目录
一、薄壁圆筒扭转时的切应力 1. 变形现象 圆周线大小、形状、间距 不变，纵向线相同倾斜。 2. 横截面上应力分析 因纵向纤维无正应变， 有角应变，因此横截面上 无，有， 与圆周相切。 又因壁很薄，可近似认 为沿壁厚应力相等。
第4章 扭转
第4章 扭转
§4.1 扭转的概念 §4.2 外力偶矩、扭矩和扭矩图
§4.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
§4.4 圆杆扭转时的变形及刚度条件
§4.5 非圆截面杆的扭转概念
§4.1 扭转的概念
返回总目录
工程中的受扭转杆件
拧紧螺母的工具杆产生扭转变形
返回
工程中的受扭转杆件
返回
工程中的受扭转杆件
r
d dx
横截面上任一点的 ⊥半 径，并与该点到轴线的距离 成正比。
返回
4. 应力公式 静力关系
T
dA
横截面上分布内力系对 圆心的矩等于扭矩T。
T d A A d d 2 G d A G d A A dx dx A
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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
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
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 3 d 16
d
3
16T π [ ]
3
16(1.5 103 N m ) 0.0535 m 6 (50 10 Pa)
28
取： d 54 mm
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 D
π D3 Wp 14 16
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。
注意单位换算:
180 1 rad / m /m π
36
例 题
例 4-1 已知：MA = 180 N.m， MB = 320 N.m， MC = 140 N.m，Ip= 3105 mm4，l = 2 m，G = 80 GPa，[] = 0.5º /m 。AC=? 校核轴的刚度
解：1. 变形分析
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
Tmax max Wp
轴的动力转递
已知：动力装置的输出功率 P（kW）,转速 n（r/min） 试求：传递给轴的扭力偶矩 M（N.m） 设角速度为 (rad/s)
P M
2π n P 10 M 60 P kW M Nm 9549 n r / min
3
例: P＝5 kW, n=1450 r/min, 则
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
2. 确定空心圆轴内、外径
do3 1 4 Wp 16
do
3
16T π 3 do (1 4) 16
[ ]
16T 76.3 mm 4 π (1 )[ ]
di d可否做一般 o 68.7mm 性证明？
取：do 76 mm， di 68 mm
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
B 2 B
T2 B l ml GIp2 2GIp2
45
§6 非圆截面轴扭转
矩形截面轴扭转 椭圆等非圆截面轴扭转
46
矩形截面轴扭转
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
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 '
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
第四章 扭转 本章主要研究： 圆截面轴的扭转应力与变形 圆截面轴的扭转强度与刚度 矩形等非圆截面轴扭转 薄壁截面轴扭转
1
第4章
§1 引言 §2 圆轴扭转应力
扭转
§3 圆轴扭转强度与动力传递
§4 圆轴扭转变形与刚度计算 §5 圆轴扭转静不定问题 §6 非圆截面轴扭转 §7 薄壁杆扭转
5 M＝ 9540 (N m) 32.9 N m 1450
25
圆轴的合理设计
1. 合理截面形状 空心截面比 实心截面好
若 Ro/ 过 大 ， 则将产 生皱折（即局部失稳）
26
2. 采用变截面轴与阶梯形轴
注意减缓应力集中
27
例 题
例 3-1 已知 T=1.5 kN.m，[ ] 50 MPa，试根据强
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 )
T ( x) dx l GI ( x ) p
GIp－圆轴截面扭转刚度，简称扭转刚度 对于常扭矩、等截面圆轴
Tl GIp
35
圆轴扭转刚度条件
dj T dx GI p
T [ ] GI p max
圆轴扭转刚度条件
[ ]－单位长度的许用扭转角 一般传动轴， [ ] = 0.5 ~1/m
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 d d ( x ) d ( x ) d1 2 1 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
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
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 10 m ) π
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)
MA
Mb 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。
39
§5 圆轴扭转静不定问题
扭转静不定问题分析 例题