材料力学第五版课后习题
答案
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5[习题2-2]一打入基地内的木桩如图所示,杆轴单位长度的摩擦力f=kx**2,试做木桩的后力图。
解:由题意可得:
l133fdxFklFkFl,,,,,3/有,03 l233FxFxldxFxl()3/(/),,11N,0
l,10mF,1000kN[习题2-3] 石砌桥墩的墩身高,其横截面面尺寸如图所示。荷载,材
3料的密度,试求墩身底部横截面上的压应力。 ,,2.35kg/m
解:墩身底面的轴力为:
2-3图 N,,(F,G),,F,Al,g
2 ,,1000,(3,2,3.14,1),10,2.35,9.8,,3104.942(kN)
22墩身底面积: A,(3,2,3.14,1),9.14(m)
因为墩为轴向压缩构件,所以其底面上的正应力均匀分布。
N,3104.942kN,,,,,339.71kPa,,0.34MPa2A9.14m
[习题2-7] 图示圆锥形杆受轴向拉力作用,试求杆的伸长。
2-7图
dx解:取长度为截离体(微元体)。则微元体的伸长量为:
llFFdxFdxldxd(,l),,,, , ,,00EA(x)EA(x)EA(x)
r,rr,rd,ddx121211,,, r,,x,r,x,1r,rl22ll21
2d,ddddddd,,,,221121211, A(x),x,,,ud(x)dudx,,,,,,,2l22l22l,,
l2
d,ddx2ldul221,du,,(,), dxdu,22(),()Axd,d,uu,dd,1221
lllFFdxFldu2 因此, ldx,,,,(,)2,,,000,EAxEAxEddu()()(,)12
l,,l,,2121FlFl,,,, ,,,,d,dd,E(d,d)u,E(d,d),,21101212,,x,,,22l,,0
,,
,,211Fl,, ,,,dddd(,),Edd211112,,,l,,222l,,
,,2Fl224Fl ,,,,,,,,E(dd)ddEdd1221,,12
[习题2-10] 受轴向拉力F作用的箱形薄壁杆如图所示。已知该材料的弹性常数为E,,,试
求C与D两点间的距离改变量。 ,CD
FAF/,',,,,,,解: ,,,,EEA
,F'22,,, 式中,,故: A,(a,,),(a,,),4a,4Ea,
,,aFF,'',aaa,,,,,,,, , a4Ea,4E,
,F145'2232aa,,, CD,(a),(a),a344E,12
145''2232 CD,(a'),(a'),a'3412
,,145145FF'''(CD)CDCD(aa)1.003 ,,,,,,,,,,,12124E,4E,[习题2-11] 图示结构中,AB为水平放置的刚性杆,杆1,2,3材料相同,其弹性模量
22A,150mmE,210GPal,1mF,20kN,已知,,,。试求CA,A,100mm312
点的水平位移和铅垂位移。
受力图 变形协调图
2-11图
解:(1)求各杆的轴力
以AB杆为研究对象,其受力图如图所示。
因为AB平衡,所以
oNcos45,0X,0 ,, N,0,33
由对称性可知,, N,N,0.5F,0.5,20,10(kN),,012CH
(2)求C点的水平位移与铅垂位移。
Nl10000N,1000mm1,l,,,0.476mmA点的铅垂位移: 122EA210000N/mm,100mm1
Nl10000N,1000mm2,l,,,0.476mm B点的铅垂位移: 222EA210000N/mm,100mm2
1、2、3杆的变形协(谐)调的情况如图所示。由1、2、3杆的变形协(谐)调条件,
并且考虑到AB为刚性杆,可以得到
o,,,,,,,l,tan45,0.476(mm)C点的水平位移: 1CHAHBH
C点的铅垂位移: ,,,l,0.476(mm)C1
[习题2-12] 图示实心圆杆AB和AC在A点以铰相连接,在A点作用有铅垂向下的力F,35kN。已知杆AB和AC的直径分别为和,钢的弹性模量d,12mmd,15mm12
E,210GPa。试求A点在铅垂方向的位移。
解:(1)求AB、AC杆的轴力
以节点A为研究对象,其受力图如图所示。
由平衡条件得出:
ooNsin30,Nsin45,0X,0 : ,ACAB
N,2N ………………………(a) ACAB
ooNcos30,Ncos45,35,0Y,0 : ,ACAB
3N,2N,70 ………………(b) ACAB
(a) (b)联立解得:
; N,N,18.117kNN,N,25.621kNAB1AC2
(2)由变形能原理求A点的铅垂方向的位移
22NlNl11122F,,, A22EA2EA12
22NlNl11122,,(,) AFEAEA12
oo 式中,; l,1000/sin45,1414(mm)l,800/sin30,1600(mm)12
2222 ; A,0.25,3.14,12,113mmA,0.25,3.14,15,177mm21
22118117,141425621,1600 故: ,,(,),1.366(mm)A35000210000,113210000,177
d,1mm[习题2-13] 图示A和B两点之间原有水平方向的一根直径的钢丝,在钢丝的中点
,,0.0035E,210GPaC加一竖向荷载F。已知钢丝产生的线应变为,其材料的弹性模量,
钢丝的自重不计。试求:
(1)钢丝横截面上的应力(假设钢丝经过冷拉,在断裂前可认为符合胡克定律);
(2)钢丝在C点下降的距离; ,
(3)荷载F的值。
解:(1)求钢丝横截面上的应力
,,E,,210000,0.0035,735(MPa)
(2)求钢丝在C点下降的距离 ,
Nll20003.5mm,l,,,,,735,,7(mm) 。其中,AC和BC各。 EAE210000
1000cos,,,0.996512207 1003.5
1000o,,arccos(),4.7867339 1003.5
o ,,1000tan4.7867339,83.7(mm)
(3)求荷载F的值
以C结点为研究对象,由其平稀衡条件可得:
2Nsina,P,0Y,0: ,
P,2Nsina,2,Asin,
20 ,2,735,0.25,3.14,1,sin4.787,96.239(N)[习题2-15]水平刚性杆AB由三根BC,BD和ED支撑,如图,在杆的A端承受铅垂荷载
F=20KN,三根钢杆的横截面积分别为A1=12平方毫米,A2=6平方毫米,A,3=9平方毫米,
杆的弹性模量E=210Gpa,求:
(1) 端点A的水平和铅垂位移。
(2) 应用功能原理求端点A的铅垂位移。
解:(1)
l13fdxFklF,,,有,03
3kFl,3/
l233FxFxldxFxl()3/(/),,N11,0
,Fcos450,N3,,,,,,FFFFsin450,NN123
,,,,,,FF0.450.150N1,
?,,,,,FKNFKNFKN60,401,0,111
由胡克定理,
7Fl,,,60100.15N1,,,,l3.87196,EA210101210,,,1
7Fl401,00.15,N2,,,l,4.76296,EA210101210,,,2
从而得,,,,,,Al4.76x2 ,,,,,,,,,All2320.23()y21
(2)
VFAFlFl,,,,,,,,,+0,y1122
,,,A20.33()y
l [习题2-17] 简单桁架及其受力如图所示,水平杆BC的长度保持不变,斜杆AB的长度
,可随夹角的变化而改变。两杆由同一种材料制造,且材料的许用拉应力和许用压应力相等。
要求
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两杆内的应力同时达到许用应力,且结构的总重量为最小时,试求:
(1)两杆的夹角;
(2)两杆横截面面积的比值。 解:(1)求轴力
取节点B为研究对象,由其平衡条件得:
Y,0 ,
Nsin,,F,0AB
FN, ABsin,
X,0 ,
,Ncos,,N,0ABBC
FN,,Ncos,,,cos,,Fcot, 2-17 BCABsin,
(2)求工作应力
NFAB,,, ABAAsin,ABAB
NFcot,BC ,,,BCAABCBC
(3)求杆系的总重量
3 。是重力密度(简称重度,单位:)。 kN/mW,,,V,,(Al,Al),ABABBCBC
l,,(A,Al) ABBC,cos
1,,,l(A,A) ABBC,cos
(4)代入题设条件求两杆的夹角
NFFAB,,,,[,]A 条件?: ,, ABABAAsin[,]sin,,ABAB
,N,cotFcotFBC,,,,[,] ,, ABCBCAA[,]BCBC
W条件?:的总重量为最小。
11,,W,,l(A,A),,l(A,A) ABBCABBC,,coscos
,,,Fl1cos1cotFF,(),(,) ,,l,,,,,,,,,,[]sincos[][]sincossin
22,,,,,,,,1cos21cos,,FlFl,,,, ,,,,,,,,,,,sin,cos,,sin2,,,,,
WWWW,从的表达式可知,是角的一元函数。当的一阶导数等于零时,取得
最小值。
2,,,,,,,,2,2cossin,sin2,(1,cos)cos2,2dWFl,, ,,02,,,,,,,dsin2,,
,3,cos22,sin2,,,cos2,,2,0 2
22 ,sin2,,3cos2,,cos2,,0
3cos2,,,1cos2,,,0.3333 ,
oo'o, ,,54.74,54442,,arccos(,0.3333),109.47
(5)求两杆横截面面积的比值
,FcotFA , ,,AABBC[,]sin,[,]
F
,,A11[]sinAB ,,,,FcotAsin,cot,cos,BC
[],
11223cos2,,,12cos1cos,,,,,, 因为: ,, 33
11cos,,3 ,, ,cos3
AAB,3 所以: ABC
[习题2-18] 一桁架如图所示。各杆都由两个等边角钢组成。已知材料的许用应力[,],170MPa,试选择AC和CD的角钢型号。
解:(1)求支座反力
由对称性可知,
R,R,220kN(,)AB
(2)求AC杆和CD杆的轴力
以A节点为研究对象,由其平
衡条件得:
Y,0 2-18 ,
R,Ncos,,0AAC
R220A N,,,366.667(kN)AC,sin3/5
以C节点为研究对象,由其平衡条件得:
X,0 ,
N,Ncos,,0CDAC
220N,Ncos,,,4/5,293.333(kN) CDAC3/5
(3)由强度条件确定AC、CD杆的角钢型号
AC杆:
N366667N22AC A,,,2156.86mm,21.569cmAC2,[]170N/mm
280,7 选用2?(面积)。 2,10.86,21.72cm
CD杆:
N293333N22CD A,,,1725.488mm,17.255cmCD2,[]170N/mm
275,6 选用2?(面积)。 2,8.797,17.594cm[习题2-19] 一结构受力如图所示,杆件AB、CD、EF、GH都由两根不等边角钢组成。已
知材料的许用应力[,],170MPa,材料的弹性模E,210GPa量,杆AC及EG可视为刚性的。试选择各杆的角钢型号,并分别求点D、C、A处的铅垂位移、、。 ,,,DAC
解:(1)求各杆的轴力
3.2N,,300,240(kN) AB4
0.8N,,300,60(kN) CD4
M,0 ,F
2-19 N,3,300,1.5,60,1.2,0GH
1N,(450,72),174(kN) GH3
Y,0 ,
N,174,60,300,0EF
N,186(kN)EF
(2)由强度条件确定AC、CD杆的角钢型号
AB杆:
N240000N22AB A,,,1411.765mm,14.12cmAB2,[]170N/mm
290,56,5 选用2?(面积)。 2,7.212,14.424cm
CD杆:
N60000N22CD A,,,352.941mm,3.529cmCD2,[]170N/mm
240,25,3 选用2?(面积)。 2,1.89,3.78cm
EF杆:
N186000N22EF A,,,1094.118mm,10.412cmEF2,[]170N/mm
270,45,5 选用2?(面积)。 2,5.609,11.218cm
GH杆:
N174000N22GH A,,,1023.529mm,10.353cmGH2,[]170N/mm
270,45,5 选用2?(面积)。 2,5.609,11.218cm
(3)求点D、C、A处的铅垂位移、、 ,,,DAC
Nl240000,3400ABAB,l,,,2.694,2.7(mm) ABEA210000,1442.4AB
Nl60000,1200CDCD,l,,,0.907(mm) CDEA210000,378CD
Nl186000,2000EFEF,l,,,1.580(mm) EFEA210000,1121.8EF
Nl174000,2000GHGH,l,,,1.477(mm) GHEA210000,1121.8GH
EG杆的变形协调图如图所示。
,,l1.8DGH, l,l3EFGH
,,1.4771.8D, 1.580,1.4773
,,1.54(mm)D
,,,,l,1.54,0.907,2.45(mm)CDCD
,,l,2.7(mm)AAB
[习题2-21] (1)刚性梁AB用两根钢杆AC、BD悬挂着,其受力如图所示。已知钢杆AC
和BD的直径分别为和,钢的许用应力,弹性模量[,],170MPad,25mmd,18mm12E,210GPa。试校核钢杆的强度,并计算钢杆的变形、及A、B两点的竖向位,l,lBDAC
移、。 ,,AB
解:(1)校核钢杆的强度
? 求轴力
3N,,100,66.667(kN) AC4.5
1.5N,,100,33.333(kN) BC4.5
? 计算工作应力
N66667NAC,,, AC22A0.25,3.14,25mmAC
,135.882MPa
N33333NBD,,, 2-21 BD22A0.25,3.14,18mmBD
,131.057MPa
? 因为以上二杆的工作应力均未超过许用应力170MPa,即;,,[,]AC
,所以AC及BD杆的强度足够,不会发生破坏。 ,,[,]BD
(2)计算、 ,l,lBDAC
Nl66667,2500ACAC,l,,,1.618(mm) ACEA210000,490.625AC
Nl33333,2500BDBD,l,,,1.560(mm) BDEA210000,254.34BD
(3)计算A、B两点的竖向位移、 ,,AB
, ,,,l,1.560(mm),,,l,1.618(mm)BBDAAC
d,100mml,1m-2] 实心圆轴的直径,长,其两端所受外力偶矩,[习题3M,14kN,me
G,80GPa材料的切变模量。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
MTe,, ,。 maxWWpp
11333W,,d,,3.14159,100,196349(mm)式中,。 3-2 p1616
6M14,10N,mme故: ,,,,71.302MPamax3W196349mmp
T,l11444,,I,,d,,3.14159,100,9817469(mm),式中,。故: pGI3232p
T,l14000N,m,1mo,,,,0.0178254(rad),1.02 92,124GI80,10N/m,9817469,10mp
(2)求图示截面上A、B、C三点处切应力的数值及方向
, 由横截面上切应力分布规律可知: ,,,,,,71.302MPaABmax
1,,,,0.5,71.302,35.66MPa, A、B、C三点的切应力方向如图所示。 CB2
(3)计算C点处的切应变
,35.66MPa,4,3C ,,,4.4575,10,0.446,10 ,C3G80,10MPa
D,100mmd,50mml,2.7m[习题3-3] 空心钢轴的外径,内径。已知间距为的两横截
oG,80GPa面的相对扭转角,材料的切变模量。试求: ,,1.8
(1)轴内的最大切应力;
n,80r/min(2)当轴以的速度旋转时,轴所传递的功率。 解;(1)计算轴内的最大切应力
1144444I,,D(1,,),,3.14159,100,(1,0.5),9203877(mm)。 p3232
1134343W,,D(1,,),,3.14159,100,(1,0.5),184078(mm) p1616
,,d/D式中,。
T,l,,, GIp
24GI,1.83.14159/18080000N/mm9203877mm,,,pT ,,l2700mm
,8563014.45N,mm ,8.563(kN,m)
T8563014.45N,mm,,,,46.518MPa max3W184078mmp
n,80r/min(2)当轴以的速度旋转时,轴所传递的功率
NNkk T,M,9.549,9.549,,8.563(kN,m)en80
N,8.563,80/9.549,71.74(kW)k
[习题3-5] 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,试求: [,],40MPa
(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,M,0.2,0.4,0.08(kN,m)e左e右
M,2M,0.16(kN,m) e右e主动轮
扭矩图如图所示。 3-5
由AB轴的强度条件得:
M16Me右e右,,,,[,] max3Wd,p
16M16,80000N,mme右33 d,,,21.7mm2,,[]3.14159,40N/mm
(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:
MM0.35e主动轮e从动轮M,,0.16,0.28(kN,m) , ,e从动轮0.200.20.35
由卷扬机转筒的平衡条件得:
P,0.25,MP,0.25,0.28P,0.28/0.25,1.12(kN), e从动轮
D,60mmd,50mm [习题3-6] 已知钻探机钻杆(参看题3-2图)的外径,内径,功率
P,7.355kWn,180r/minl,40mG,80GMPa,转速,钻杆入土深度,钻杆材料的,
许用切应力。假设土壤对钻杆的阻力是沿长度均匀分布的,试求: [,],40MPa
(1)单位长度上土壤对钻杆的阻力矩集度; m
(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
N7.355k M,9.549,9.549,,0.390(kN,m)en180
M,0设钻杆轴为轴,则:,, xml,M,xe
M0.390e m,,,0.00975(kN/m)l40
(2)作钻杆的扭矩图,并进行强度校核
?作钻杆扭矩图
0.39T(x),,mx,,x,,0.00975x。x,[0,40] 40
; T(0),0T(40),M,,0.390(kN,m)e
扭矩图如图所示。
Me,,?强度校核, maxWp
115034343W,,D(1,,),,3.14159,60,[1,()],21958(mm)式中, p161660
M390000N,mme,,,,17.761MPa max3W21958mmp
因为,[,],40MPa,即,所以轴的强度足够,不,,17.761MPa,,[,]maxmax
会发生破坏。
(3)计算两端截面的相对扭转角
40T(x)dx,, ,0GIp
115044444I,,D(1,,),,3.14159,60,[1,()],658752(mm)式中, p323260
24040|T(x)|dx10.00975x40,,,,0.00975xdx[]0,,,6212400GIGI,,,28010kN/m65875210mpp
0 ,0.148(rad),8.5
d,50mm[习题3-8] 直径的等直圆杆,在自由端截面上承受外力偶,而在M,6kN,me
,
,s,AA,3mm圆杆表面上的A点将移动到A点,如图所示。已知,圆杆材料的弹性模11E,210GPa量,试求泊松比(提示:各向同性材料的三个弹性常数E、G、间存在如,,
EG,下关系:。 2(1,,)
解:整根轴的扭矩均等于外力偶矩:。T,M,6kN,me
d,s,,,设两截面之间的相对对转角为,则,O,O,12
Tls2,,s,2,,,, 式 中,,,,dGIdP
11444I,,d,,3.14159,50,613592(mm) 3-8 p3232
6T,l,d6,10N,mm,1000mm,50mm G,,,81487.372MPa,81.4874GPa42I,s2,613592mm,3mmp
EE210G,,,,1,,1,0.289由得: 2G2,81.48742(1,,)
[习题3-10] 长度相等的两根受扭圆轴,一为空心圆轴,一为实心圆轴,两者的材料相同,
d0受力情况也一样。实心轴直径为d;空心轴的外径为D,内径为d,且。试求当,0.80D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,,[,]max比和刚度比。
解:(1)求空心圆轴的最大切应力,并求D。
T,, maxWp
134W,,D(1,,)式中,,故: p16
16T27.1T ,,,,[,]max,空343D(1,0.8)D,,
27.1T3 3-10 D,,[,]
(1)求实心圆轴的最大切应力
116T16TT3Wd,,,,,,,,[,],式中, ,故: maxpmax,实33W16dd,,p
16D27.1T[]T,,D33,1.192,, (),,,1.69375d,d,[,]d[]16T,,
(3)求空心圆轴与实心圆轴的重量比
22,,W0.25(D,d),l,DD空22220 ,,()(1,0.8),0.36(),0.36,1.192,0.5122W,,dd0.25d,l,实
(4)求空心圆轴与实心圆轴的刚度比
1144444I,,D(1,0.8),0.01845,DI,,d,0.03125,d, p空p实3232
4GI,0.01845DDp空44 ,,0.5904(),0.5904,1.192,1.1924,GId0.03125dp实
l[习题3-11] 全长为,两端面直径分别为的圆台形杆,在两端各承受一外力偶矩 d,dM12e
,如图所示。试求杆两端面间的相对扭转角。
dx解:如图所示,取微元体,则其两端面之间的扭转角为:
Mdxe,d, GIP
14Id,,式中, p32
r,rx1, r,rl21
r,rd,dd21211 r,,x,r,x,122ll
d,d21d,2r,x,d 1l
d,d44421d,(x,d),u 1l
dd,l21dudx,, ,dxdul,dd21
故:
lllllMdxMM32M32Mldx32dx1ldueeeee,,,,,,du, 444,,,,,00000,,,(,)GIGIGGddGdd,duu2121pp
l,,
,,lMlMlMl323232du11leee,, ,,[,],,0433,0,,GddGddGdd,,,(,)u(,)u3(,)3dd,212121,,21,,xd,,,1l,,,,,,0
3322,,,,,,32Ml32Ml32Mldddddd,,,11121122eee,,,,,,= ,,,,,,333333,,,,,,,3G(dd)3,G(dd)3,G,,dddddd2112211212,,,,,,
n,300r/min[习题3-12] 已知实心圆轴的转速,传递的功率,轴材料的许用p,330kW
o1G,80GPa切应力,切变模量。若要求在2m长度的相对扭转角不超过,[,],60MPa
试求该轴的直径。
MlTl,,e1解:,,,, ,GIGI180Pp
N13304kId,,式中,;。故: M,9.549,9.549,,10.504(kN,m)pe32n300
MlMl18018014ee,dI, ,,,p,G,G32
632,180Ml32,180,10.504,10N,mm,2000mme44d,,,111.292mm 222,G3.14,80000N/mm
d,111.3mm取。
[习题3-16] 一端固定的圆截面杆AB,承受集度为的均布外m
力偶作用,如图所示。试求杆内积蓄的应变能。已矩材料的切
变模量为G。
22222Txdxmxdxmxdx()16解:dV ,,,,41GI,dG24pGd,,,232
2232323l16m16mlmlml2Vxdx 3-16 ,,,,,,4401,,6GIdG3dG4p,6dG,32
d,10mm[习题3-18] 一圆锥形密圈螺旋弹簧承受轴向拉力F如图,簧丝直径,材料的许
[,],500MPa用切应力,切变模量为G,弹簧的有效圈数为。试求: n
(1)弹簧的许可切应力;
16Fn22,,(R,R)(R,R)(2)证明弹簧的伸长。 12124Gd
)求弹簧的许可应力 解:(1
用截面法,以以簧杆的任意截面取出上面部分为截离
体。由平衡条件可知,在簧杆横截面上:
剪力扭矩 Q,FT,FR
最大扭矩: T,FRmax2
T16FR16FRQ4Fd'"max22,,,,,,,,,,(1,),[,], max233AW4Rddd,,,p2
3332,,d[]3.14,10mm,500N/mm[F],,,957.3N d10mm16R(1,)16,100mm(1,)24R4,100mm2
D/d,200/10,20,10因为,所以上式中小括号里的第二项,即由Q
所产生的剪应力可以忽略不计。此时
3332,,d[]3.14,10mm,500N/mm[F],,,981.25N d16,100mm16R(1,)24R2
16Fn22,,(R,R)(R,R)(2)证明弹簧的伸长 12124Gd
21T(Rd),,W,F,dU 外力功: , ,22GIp
3222,2n2,n2,nR,R,(FR)(R,d)FF321 U,,Rd,,[R,,,]d,1,,,0002GI2GI2GI2n,ppp
442R,RFn,21,, 4GIR,Rp21
442R,R1Fn,21W,UF,,,, 24GIR,Rp21
44,,R,RFn16Fn2221,,,,(R,R)(R,R) 121242GIR,R,Gdp21
[习题3-19] 图示矩形截面钢杆承受一对外力偶。已知材料的切变模量M,3kN,meG,80GPa,试求:
(1) 杆内最大切应力的大小、位置和方向;
(2) 横截面短边中点处的切应力;
(3) 杆的单位长度扭转角。
解:(1)求杆内最大切应力的大小、位置和方向
,,由表得 , ,
,
长边中点处的切应力,在上面,由外指向里
(2)计算横截面短边中点处的切应力
MPa
短边中点处的切应力,在前面由上往上
(3)求单位长度的转角
单位长度的转角
[习题3-23] 图示为薄壁杆的的两种不同形状的横截面,其壁厚及管壁中线的周长均相同。
两杆的长度和材料也相同,当在两端承受相同的一对扭转外力偶矩时,试求:
(1) 最大切应力之比;
(2) 相对扭转角之比。
解:(1)求最大切应力之比
M,e,开口: ,max,开口It
12332I,,,r,,,,r, 依题意:,故: 2,r,4at00033
124a3332,,,,,,,,,, Irrt00333
,M3M3ee,,,,M, 开口max,e32I4a,4a,t
2,,MM3M23aa开口max,eee,,,闭口:, ,,,闭口max,22,2A2a,,2,4,Ma0e闭口max,3) 求相对扭转角之比 (
M3M124Ta'333ee,2,,,,,,,,,,,,, 开口:, Irr开口t003GIGI3334Ga,tt
MsM4aM,Ts'eee,,,,,闭口: 闭口22434GA,4GA,4Ga,Ga,00
'32,,33MGaa开口e ,,,'32,4,4,MGae闭口
4-1试求图示各梁中指定截面上的剪力和弯矩 a(5)=h(4)
q0FFaqa,,,,2RARB02
q130Fqaaqa,,,,S1100,224 a1111Mqaqaqa,,,,,,11000,22312
1142FMqaaqaaqa,,,,,,,,0,222S2222000,,233
b(5)=f(4)
4-2试写出下列各梁的剪力方程和弯矩方程,并作剪力图和弯矩图 a(5)=a(4)
b(5)=b(4)
f(5)=f(4)
4-3试利用载荷集度,剪力和弯矩间的微分关系做下列各梁的弯矩图和剪力e和f题)
(e) (f) (h)
4-4试做下列具有中间铰的梁的剪力图和弯矩图。
4-4 (b) 4-5 (b)
4-5(根据弯矩、剪力与荷载集度之间的关系指出下列玩具和剪力图的错误之处,并改正。 4-6(已知简支梁的剪力图如图所示,试做梁的弯矩图和荷载图,梁上五集中力偶作用。
4-6(a) 4-7(a) 4-7(根据图示梁的弯矩图做出剪力图和荷载图。
4-8用叠加法做梁的弯矩图。
4-8(b) 4-8(c)
4-9(选择合适的方法,做弯矩图和剪力图。
4-9(b) 4-9(c)
4-10
4-14(长度l=2m的均匀圆木,欲锯做Fa=0.6m的一段,为使锯口处两端面开裂最小,硬是锯口处弯矩为零,现将圆木放在两只锯木架上,一只锯木架放在圆木一段,试求另一只锯木架应放位置。
x=0.4615m
4-18
4-19M=30KN
4-21
4-23
4-25
4-28
4-29
4-33
4-36
4-35
5-3
5-7
5-15
5-22
5-23 选22a工字钢
5-24
,,,lFlEA6/((233))6-4 A
6-12
7-3-55mpa。-55mpa
7-4[习题7-3] 一拉杆由两段沿面胶合而成。由于实用的原因,图中的角限于m,n,
0范围内。作为“假定计算”,对胶合缝作强度计算时,可以把其上的正应力和切应0~60
3/4[,][,]力分别与相应的许用应力比较。现设胶合缝的许用切应力为许用拉应力的,且这一拉杆的强度由胶合缝强度控制。为了使杆能承受最大的荷载F,试问角的值应取多,大,
F,,0,, 解:;; ,,0yxxA
,,,,,,xyxy ,,,cos2,,,sin2,,x22
,FFF1,cos2,,,cos2,,,[,] ,2A2AA2
,F1,cos2F2,[,]cos,,[,], AA2
,,[]A[]AF,F,, max,N22cos,cos,
,,,xy ,,sin2,,,cos2,,x2
,,1.5[]A1.5[]F3AF,,,sin2,,[,],[,],,, F,max,Tsin2,sin2,2A4
0.9 10 20 30 36.8833 40 50 60 0() ,
1.000 1.031 1.132 1.333 1.563 1.704 2.420 4.000 F([,]A) max,N
47.754 4.386 2.334 1.732 1.562 1.523 1.523 1.732 F() [,]Amax,T
最大荷载随角度变化曲线
Fmax,N,Fmax,T5.000
4.000
3.000
2.000
1.000斜面倾角(度)0.000
0102030405060
Fmax,NFmax,T
由以上曲线可知,两曲线交点以左,由正应力强度条件控制最大荷载;交点以右,由切应力
0强度条件控制最大荷载。由图中可以看出,当时,杆能承受最大荷载,该荷载为: ,,60
F,1.732[,]Amax
0.72m7-6[习题7-7] 试用应力圆的几何关系求图示悬臂梁距离自由端为的截面上,在顶面
40mm以下的一点处的最大及最小主应力,并求最大主应力与轴之间的夹角。 x
解:(1)求计算点的正应力与切应力
6My12My12,10,0.72,10N,mm,40mm ,,,,,10.55MPa 334Ibh80,160mmz
*33QS,10,10N,(80,40),60mmz ,,,,,0.88MPa1Ib34z,80,160mm,80mm12
(2)写出坐标面应力
X(10.55,-0.88)
Y(0,0.88)
(3) 作应力圆求最大与最小主应力,
并求最大主应力与轴的夹角 x
作应力圆如图所示。从图中按
比例尺量得:
,,10.66MPa1
,,,0.06MPa3
0,,4.75 0
7-7[习题7-8] 各单元体面上的应力如图所示。试利用应力圆的几何关系求:
(1)指定截面上的应力;
(2)主应力的数值;
(3)在单元体上绘出主平面的位置及主应力的方向。
[习题7-8(a)]
0解:坐标面应力:X(20,0);Y(-40,0)。根据以上数据作出如图所示的应 ,,60
1cm10MPa力圆。图中比例尺为代表。按比例尺量得斜面的应力为:
0,,26MPa,,0,,,25MPa, ;,;。 ,,20MPa,,,40MPa00013120120
,3
,1
单元体图 应力圆(O.Mohr圆) 主单元体图
[习题7-8(b)]
0解:坐标面应力:X(0,30);Y(0,-30)。根据以上数据作出如图所示的应力,,30
1cm10MPa圆。图中比例尺为代表。按比例尺量得斜面的应力为:
0,,15MPa,,,26MPa,,,45 ,;,; 。 ,,30MPa,,,30MPa000136060
单元体图 应力圆(O.Mohr圆) 主单元体图
[习题7-8(c)]
0解:坐标面应力:X(-50,0);Y(-50,0)。根据以上数据作出如图所示的应力,,30
1cm20MPa圆。图中比例尺为代表。按比例尺量得斜面的应力为:
,,0,,,50MPa ,;,。 ,,,50MPa,,,50MPa00236060
,3
,2
单元体图 应力圆(O.Mohr圆) 主单元体图
[习题7-8(d)]
0解:坐标面应力:X(0,-50);Y(-20,50)。根据以上数据作出如图所示的应力,,0
1cm20MPa圆。图中比例尺为代表。按比例尺量得斜面的应力为:
0',,40MPa,,10,,3935 ,;,,;。 ,,41MPa,,0MPa,,,61MPa0001234545
单元体图 应力圆(O.Mohr圆) 主单元体图
[习题7-10] 已知平面应力状态下某点处的两个截面的的应力如图所示。试利用应力圆求该
点处的主应力值和主平面方位,并求出两截面间的夹角值。 ,
平面应力状态下的两斜面应力 应力圆
解:两斜面上的坐标面应力为:
A(38,28),B(114,-48)
由以上上两点作出的直线AB是应力圆上的一条弦,
如图所示。作AB的垂直平分线交水平坐标轴于C
x,0点,则C为应力圆的圆心。设圆心坐标为C()
则根据垂直平线上任一点到线段段两端的距离相等
性质,可列以下方程:
2222(x,38),(0,28),(x,114),(0,48)
x,86解以上方程得:。即圆心坐标为C(86,0)
应力圆的半径:
22r,(86,38),(0,28),55.570
主应力为:
,,x,r,86,55.57,141.57MPa1
,,x,r,86,55.57,30.43MPa2
,,03
(2)主方向角
(上斜面A与中间主应力平面之间的夹角)
(上斜面A与最大主应力平面之间的夹角)
(3)两截面间夹角:
[习题7-14] 单元体各面上的应力如图所示。试用应力圆的几何关系求主应力及最大切应力。
[习题7-15(a)]
解:坐标面应力:X(70,-40),Y(30,-40),Z(50,0)
单元体图 应力圆
由XY平面内应力值作a、b点,连接a、b交轴得圆心C(50,0)
应力圆半径:
[习题7-15(b)]
解:坐标面应力:X(60,40),Y(50,0),Z(0,-40)
单元体图 应力圆 由XZ平面内应力作a、b点,连接a、b交轴于C点,OC=30,故应力圆圆心C(30,0)
应力圆半径:
[习题7-15(c)]
解:坐标面应力:X(-80,0),Y(0,-50),Z(0,50)
单元体图 应力圆 由YZ平面内应力值作a、b点,圆心为O,半径为50,作应力圆得
[习题7-19] D=120mm,d=80mm的空心圆轴,两端承受一对扭转力偶矩,如图所示。 在轴的中部表面A点处,测得与其母线成方向的线应变为。已知材料 的弹性常数,,试求扭转力偶矩。
解:
方向如图
0[习题7-20] 在受集中力偶作用矩形截面简支梁中,测得中性层上 k点处沿方向的45Me
,线应变为。已知材料的弹性常数和梁的横截面及长度尺寸。试求集中力E,,b,h,a,d,l045
。 偶矩Me
解:支座反力:
MMeeRR , (?);, (?) ABll
K截面的弯矩与剪力:
MaMeeQRMRa ,,;,, kAkAllK点的正应力与切应力:
Q3Mke,,0,1.5,, ;, A2Al
故坐标面应力为:X(,0),Y(0,-) ,,
,,,3M1zy22e()4 ,,,,,,,,,,,1xyx222Al
,,02
,,,3M1zy22e()4,,,,,,,,,,,,, 3xyx222Al
,,2x, ,,,tan20,,,xy
0,,45 (最大正应力的方向与正向的夹角),故 x,01
1,,,,(,,,,) 011345E
3M3M3M1eee ,,[(,,(,)],(1,,)045E2Al2Al2EAl
,2EAl02Ebhl45M,,, 0e453(1,)3(1,),,
E,200GPa,,0.3[习题7-22] 已知图示单元体材料的弹性常数,。试求该单元体的形
状改变能密度。
解:坐标面应力:X(70,-40),Y(30,40),Z(50,0)
在XY面内,求出最大与最小应力:
,,,1zy22 ,,,(,,,),4,xyxmax22
70,30122,,,(70,30),4,(,40),94.721(MPa) max22
,,,1zy22 ,,,(,,,),4,xyxmin22
70,30122,,,(70,30),4,(,40),5.279(MPa) max22
故,,,。 ,,94.721(MPa),,50MPa,,5.279(MPa)123
单元体的形状改变能密度:
,1,222v,[(,,,),(,,,),(,,,)] d1223316E
1,0.3222,[(94.721,50),(50,5.279),(5.279,94.721)]36,200,10
3 ,0.01299979MPa,12.99979kN,m/m[习题7-25] 一简支钢板梁承受荷载如图a所示,其截面尺寸见图b。已知钢材的许用应力
[,],170MPa[,],100MPa为, 。试校核梁内的最大正应力和最大切应力。并按第四强
'度理论校核危险截面上的a点的强度。注:通常在计算a点处的应力时,近似地按点的a
位置计算。
解: 左支座为A,右支座为B,左集中力作用点为C,右集中力作用点为D。
1R,R,(550,550,40,8),710(kN)支座反力: (?) AB2
=
11,33434 I,,240,840,,230,800,2040746670(mm),2.04,10m z1212
(1)梁内最大正应力发生在跨中截面的上、下边缘
12M,710,4,550,3,,40,4,870(kN,m) max2
3,3My870,10N,m,420,10mmaxmax,,,,179MPa max,34I2.04,10mz
超过的5.3%,在工程上是允许的。
(2)梁内最大剪应力发生在支承截面的中性轴处
(3)在集中力作用处偏外侧横截面上校核点a的强度
超过的3.53%,在工程上是允许的。
[习题7-27] 用Q235钢制成的实心圆截面杆,受轴向拉力F及扭转力偶矩共同作用,且Me
1,5,MFd,,14.33,10。今测得圆杆表面k点处沿图示方向的线应变。已知杆直0e3010
d,10mmE,200GPa,,0.3径,材料的弹性常数,。试求荷载F和。若其许用应Me力[,],160MPa,试按第四强度理论校核杆的强度。
解:计算F和
的大Me小:
在k点处产生的切应力为: Me
16MT16T16Fd8Fe,,,,,,,,,,,, max3332W10,d,d,d5,dP
F在k点处产生的正应力为:
F4F,,, 2A,d
8F4F8F,即:X(,),Y (0,) 222,5,d5,dd
广义虎克定律:
1,,(,,,,) 0003030,60E
,,,,,,xyxy ,,,cos2,,,sin2,,x22
2F2F8F(15,43)F00,3, ,,cos60,sin60,,13.967,10F(MPa)0222230,,,,dd5d5d
(F以N为单位,d以mm为单位,下同。)
2F2F8F(5,43)F00,3 ,,,cos(,120),sin(,120),,,1.228,10F02222,60,,,,dd5d5d
1,5,3,314.33,10,[13.967,10F,0.3,1.228,10F] 3200,10
F2,14.33,10,(13.967,0.3,1.228]) 3200,10
,2,5 14.33,10,6.7993,10FF,2107.570N,2.108kN
11M,Fd,,2108N,10mm,2108N,mm,2.108N,m e1010
按第四强度理论校核杆件的强度:
8F8,2108N,,,,,,,10.741(MPa) x222,5d5,3.14,10mm
4F4,2108N,,,,26.854(MPa) x222,d3.14,10mm
,,,1xy22,, ,,,,,,,4,xyx122
26.854122,,,,,26.854,4,(,10.741),30.622(MPa) 122
,,02
26.854122,,,,,26.854,4,(,10.741),,3.768(MPa) 322
1222[(,,,),,(,,),(,,,)] 1223312
1222,[(30.622,0),(0,3.768),(,3.768,30.622)] 2
,32.669(MPa),[,],160MPa
符合第四强度理论所提出的强度条件,即安全。
l,0.8m[习题8-1] 14号工字钢悬臂梁受力情况如图所示。已知,,F,2.5kN1
,试求危险截面上的最大正应力。 F,1.0kN2
解:危险截面在固定端,拉断的危险点在前上角点,压断的危险点在后下角,因钢材的拉压
性能相同,故只计算最大拉应力:
33WW,16.1cm式中,,由14号工字钢,查型钢表得到,。故 WW,102cmyyzz
333,2.5,10N,0.8m1.0,10N,0.8m6 ,,,,79.1,10Pa,79.1MPamax,,63632,102,10m16.1,10m
[习题8-2] 受集度为的均布荷载作用的矩形截面简支梁,其荷载作用面与梁的纵向对称 q
0面间的夹角为,如图所示。已知该梁材料的弹性模量;梁的尺寸为E,10GPa ,,30
l,4mh,160mmb,120mm[,],12MPa[w],l/150,,;许用应力;许用挠度。试校核梁的强度和刚度。
解:(1)强度校核
0q,qcos30,2,0.866,1.732(kN/m) (正y方向?) y
0 (负z方向?) q,qsin30,2,0.5,1(kN/m)z
1122M,ql,,1.732,4,3.464(kN,m) 出现在跨中截面 zmazy88
1122M,ql,,1,4,2(kN,m) 出现在跨中截面 ymazz88
11223W,bh,,120,160,512000(mm) z66
11223W,hb,,160,120,384000(mm) y66
最大拉应力出现在左下角点上:
MMymaxzmax,,, maxWWzy
663.464,10N,mm2,10N,mm ,,,,11.974MPamax33512000mm384000mm
[,],12MPa因为 ,,即: ,,11.974MPa,,[,] maxmax所以 满足正应力强度条件,即不会拉断或压断,亦即强度上是安全的。
(2)刚度校核
=
。即符合刚度条件,亦即刚度安全。 ,0.0202m,[w],4/150,0.0267m
4mF,137kN[习题8-10] 图示一浆砌块石挡土墙,墙高,已知墙背承受的土压力,并且
033与铅垂线成夹角,浆砌石的密度为,其他尺寸如图所示。试取,,45.72.35,10kg/m1m长的墙体作为计算对象,试计算作用在截面AB上A点和B点处的正应力。又砌体的许
3.5MPa0.14MPa用压应力为,许用拉应力为,试作强度校核。 [,]c
1m解:沿墙长方向取作为计算单元。分块计算砌
体的重量:
33 P,(0.6,1,4)m,2.35,9.8kN/m,55.272kN1
133P,(,1.6,4,1)m,2.35,9.8kN/m,73.696kN 22
竖向力分量为:
0F,P,P,Fcos45.7 v12
0 ,55.272,73.696,137cos45.7,224.651(kN)各力对AB截面形心之矩为:
1.1mAB之中点离A点为:,的偏心距为 e,1.1,0.3,0.8(m)P11
1.6e,(0.6,),1.1,0.0333(m)的偏心距为 P223
0Fe,(2.2,1,cos68.2),1.1,0.729(m)的偏心距为 y3
的力臂为 e,1.5,0.5,1(m)F4x
M,Pe,Pe,Pe,Pe 1122y3x4
00,55.272,0.8,73.696,0.0333,137cos45.7,0.729,137sin45.7,1
,70.061(kN,m)
砌体墙为压弯构件
截面核心边界点坐标的计算(习题8-13)
FM224.651kN70.061kN,mv ,,,,,,,,,188.966kPa,,0.189MPaA21AW2.2,1m23z,1,2.2m6
FM224.651kN70.061kN,mv ,,,,,,,,,15.262kPa,,0.0153MPaB21AW2.2,1m23z,1,2.2m6
因为 ,,所以砌体强度足够。 |,|,[,]|,|,[,]AcBc
[习题8-11] 试确定图示各截面的截面核心边界。
[习题8-11(a)]
解:惯性矩与惯性半径的计算
1134104I,I,,800,800,,3.14,540,2.996152,10(mm) yz1264
122A,800,800,,3.14,540,411094(mm) 4
10I2.996152,10y2242 i,i,,,7.2882406,10(mm)yzA411094
截面核心边界点坐标的计算
2 2i中性轴编号 ? ? ? ? iyz
a 400 ? -400 ? y
中性轴的截距 a ? -400 ? 400 z
对应的核心边界上的点 1 2 3 4
2iz,,, 核心边界上点 72882 -182 0 182 0 yay
2iy的坐标值(m) 72882 0 182 0 -182 ,,,zaz
[习题8-11(b)]
解:计算惯性矩与惯性半径
113374I,,100,200,,50,100,6.25,10(mm) y1212
113374I,,200,100,,100,50,1.5625,10(mm) z1212
2 A,100,200,50,100,15000(mm)
7I6.25,10y22 i,,,4167(mm)yA15000
7I1.5625,1022z i,,,1042(mm)zA15000
截面核心边界点坐标的计算(习题8-14b)
2 2i中性轴编号 ? ? ? ? iyz
a 50 ? -50 ? y
中性轴的截距 a ? -100 ? 100 z
对应的核心边界上的点 1 2 3 4
2iz,,, 核心边界上点 1042 -21 0 21 0 yay
2iy的坐标值(m) ,,,4167 0 42 0 -42 zaz
[习题8-11(c)]
解:(1)计算惯性矩与惯性半径
半圆的形心在Z轴上,
4R4,200z,,,85(mm) c,33,3.14
半圆的面积:
222 A,0.5,R,0.5,3.14,200,62800(mm)
44,d,,R 半圆形截面对其底边的惯性矩是,用平行轴定理得截面对形心轴, 1288
4244,,,48RRRRR2()的惯性矩: ,,,,,I yycC83,289,
443.14,2008,2004 ,,,175062987(mm)89,3.14
44R3.14,200,84 I,,,6.28,10(mm)zC88
I175062987y22C i,,,2788(mm)yA62800
8I6.28,10z22C i,,,10000(mm)zA62800
(2)列表计算截面核心边缘坐标
截面核心边界点坐标的计算(习题8-14b)
2 2i中性轴编号 ? ? ? ? iyz
a 100 ? -100 ? y
中性轴的截距 a? -85 ? 115 z
对应的核心边界上的点 1 2 3 1
2iz ,,,核心边界上点 10000 -100 0 100 0 yay
2iy的坐标值(m) 2788 0 33 0 -24 ,,, zaz