材料力学:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 14 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

轴向应力与应变

正应力
σ = F/A
应变
ε = ΔL/L
胡克定律
σ = E·ε
伸长量
ΔL = FL/(EA)
热应变
εT = α·ΔT

轴的扭转

切应力
τ = T·r/J
实心轴
J = πd⁴/32
空心轴
J = π(D⁴ − d⁴)/32
扭转角
φ = TL/(GJ)
功率
P = T·ω = 2πnT/60

方法

  1. 求极惯性矩:实心轴 J = πd⁴/32。
  2. 表面处的切应力:τ = T·r/J,r 为外半径。
  3. 扭转角:φ = TL/(GJ),单位为弧度。
  4. 若给出功率,先用 P = T·ω、ω = 2πn/60 求扭矩。

剪力和弯矩

剪力和弯矩
V = 一侧的 ΣF, M = 一侧的 ΣF·d
弯曲应力
σ = M·y/I
矩形
I = bh³/12
抗弯截面系数
W = I/ymax
简支梁,均布荷载
Mmax = wL²/8

方法

  1. 由整根梁的平衡求支座反力。
  2. 在所需截面处截开梁,保留一侧。
  3. 剪力:该侧所有竖向力之和。弯矩:这些力对截面取矩之和。
  4. 求最大弯矩时,找出剪力为零的位置。

形心和惯性矩

形心
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
矩形
I = bh³/12
平行移轴定理
I = Ic + A·d²
组合截面
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

莫尔圆与应力变换

圆心
C = (σx + σy)/2
半径
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
主应力
σ1,2 = C ± R
主方向
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
斜截面
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

方法

  1. 计算莫尔圆圆心:C = (σx + σy)/2。
  2. 计算半径:R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)。
  3. 主应力为 C ± R,面内最大切应力为 R。
  4. 圆上的角度是单元体上角度的两倍:tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)。

梁的挠度

跨中集中荷载
δ = PL³/(48EI)
均布荷载,简支
δ = 5wL⁴/(384EI)
悬臂梁,端部荷载
δ = PL³/(3EI)
悬臂梁,均布荷载
δ = wL⁴/(8EI)
叠加定理
δ = δ1 + δ2

柱的屈曲

欧拉临界荷载
Pcr = π²EI/(KL)²
计算长度系数
K = 1 两端铰接,0.5 两端固定,0.7 一端固定一端铰接,2 一端固定一端自由
临界应力
σcr = Pcr/A
长细比
λ = KL/r, r = √(I/A)

2练习题

1.轴向应力与应变中等
150 kNØ20100 GPaØ120/60600 mmδ = ?

一根钢杆(直径 20 mm,E = 200 GPa)放在一根黄铜管(外径 120 mm,内径 60 mm,E = 100 GPa)内。二者长度均为 600 mm,在刚性板之间被 150 kN 的力一起压缩。 求缩短量 δ。

P = 150 kN杆: Ø20 mm, E = 200 GPa管: Ø120/Ø60 mm, E = 100 GPaL = 600 mm
δ = mm
2.轴向应力与应变困难
Ø 30 mm铜2 mØ 20 mm铝0.5 mP = 120 kN

阶梯杆一端固定在墙上,自由端受荷载。求总伸长量 δ。

P = 120 kN第 1 段:Ø30 mm,2 m,铜(E = 117 GPa)第 2 段:Ø20 mm,0.5 m,铝(E = 70 GPa)
δ = mm
3.轴的扭转中等
T = 750 N·md = 25 mmL = 1.2 mφ = ?

一根钢实心轴一端固定在墙上,自由端受扭矩 T。求自由端的扭转角 φ,以度为单位。

T = 750 N·md = 25 mmL = 1.2 mG = 80 GPa
φ = °
4.轴的扭转困难
Tdo​ = 60 mm, di​ = 36 mm

一根空心轴在 500 rpm 下传递 30 kW。求轴中的最大切应力 τmax。

P = 30 kWN = 500 rpmdo = 60 mmdi = 36 mm
τmax = MPa
5.剪力和弯矩中等
w = 8 kN/mAB截面7.5 m0.5 m

求距支座 A 为 x = 7.5 m 的截面处的剪力 Vx。下侧受拉的弯矩取正,左侧截面上向上的剪力取正。

L = 8 mw = 8 kN/m,从 0 到 8 mx = 7.5 m
Vx = kN
6.剪力和弯矩困难
w = 20 kN/mAB1 m2 m1 m

简支梁在部分跨度上承受均布荷载。 求梁中的最大弯矩 Mmax。

L = 4 mw = 20 kN/m,从 1 到 3 m
Mmax = kN·m
7.形心和惯性矩中等
150 mm300 mm210 mmØ50xIx​ = ?

一块 150 mm × 300 mm 的板在其竖直中心线上有一个直径 50 mm 的圆孔,孔心在底边之上 210 mm 处。求关于通过形心的水平轴的截面二次矩 Ix。

b = 150 mmh = 300 mmd = 50 mm孔心: y = 210 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.形心和惯性矩困难
2602020012xM = 40 kN·m尺寸单位为 mm

T 形截面作为梁使用,翼缘在上,承受 40 kN·m 的正弯矩。 求顶边弯曲应力 σ顶部 的大小。

bf = 260 mmtf = 20 mmtw = 12 mmhw = 200 mmM = 40 kN·m
σ顶部 = MPa
9.莫尔圆与应力变换中等
σx​ = 40σy​ = 70τxy​ = 30MPa

薄板中一点处于平面应力状态:σₓ = 40 MPa,σᵧ = 70 MPa,τₓᵧ = 30 MPa,σz = 0。求该点的绝对最大切应力 τabs(考虑三维中所有平面)。

σx = 40 MPaσy = 70 MPaτxy = 30 MPaσz = 0
τabs = MPa
10.莫尔圆与应力变换困难
σx​ = 70σy​ = 80τxy​ = 10MPa

受载零件中某点的应力为 σₓ = 70 MPa,σᵧ = 80 MPa,τₓᵧ = 10 MPa(拉为正)。 求法线由 x 轴逆时针转过 50° 的截面上的正应力 σθ。

σx = 70 MPaσy = 80 MPaτxy = 10 MPaθ = 50°
σθ = MPa
11.梁的挠度中等
P = 14 kNABδ2 m3 m

简支梁在距支座 A 为 a = 2 m 处承受集中荷载 P。求荷载作用处的挠度 δP。

P = 14 kNa = 2 mL = 5 mE = 11 GPa (结构木材)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
12.梁的挠度困难
w = 4 kN/mδL = 8 m

简支梁承受均布荷载 w,其挠度不得超过跨度/360。求满足该限值的最小惯性矩 Ireq。

w = 4 kN/mL = 8 mE = 11 GPa (结构木材)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.柱的屈曲中等
PL = 2.5 md = 20 mm横截面

一根长为 L 的铝柱,两端固定。用欧拉公式求其临界屈曲荷载 Pcr。

L = 2.5 mE = 70 GPa (铝)d = 20 mm
Pcr = kN
14.柱的屈曲困难
P = 90 kNL = 3 md = ?横截面

一根长为 L 的铝实心圆柱,两端铰接。它需承受 90 kN,屈曲安全系数为 3。求最小直径 d。

P = 90 kNn = 3L = 3 mE = 70 GPa (铝)
d = mm

3溶液

1.轴向应力与应变

答案: δ = 0.09879 mm

两种材料:串联(一个接一个)时,每一段承受相同的力,伸长量相加:δ = P·Σ L/(E·A)。并联(在刚性板之间并排)时,两部分缩短相同的量,因此应变相等:刚度大的部分承担更大的份额,Pi = P·EiAi/ΣEA,σi = Ei·ε。夹在两堵刚性墙之间、载荷作用在接合处的杆是超静定的:两段按刚度 k = EA/L 的比例分担载荷。

面积

Ar = π·20²/4 = 314.2 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

组合轴向刚度

ΣEA = 200·10³·314.2 + 100·10³·8482 = 9.111 × 10⁸ N

缩短量

δ = 150000·600/9.111 × 10⁸ = 0.09879 mm

答案

δ = 0.09879 mm
2.轴向应力与应变

答案: δ = 5.63 mm

轴向受力构件:每个等截面段满足 δ = PL/(AE)。串联构件的伸长量相加。

两段受力相同

自由端承受 P,所以杆的每个截面都承受相同的轴力 P。只有面积和材料不同。

A1 = π·30²/4 = 706.9 mm², A2 = π·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 169.8 MPa
σ2 = 382 MPa

叠加各段伸长量

δ1 = σ1L1/E1 = 169.8·2000/117000 = 2.902 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 382·500/70000 = 2.728 mm
δ = δ1 + δ2 = 5.63 mm

答案

δ = 5.63 mm
3.轴的扭转

答案: φ = 16.81 °

圆轴扭转:切应力从圆心处的零线性增大到表面的 τmax = T·r/J,实心轴 J = πd⁴/32,空心轴 J = π(do⁴ − di⁴)/32。扭转角 φ = TL/(GJ),单位为弧度。功率与扭矩的关系为 P = T·ω。

极惯性矩

J = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

扭转角

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1200/(80000·38350) = 0.2934 rad
φ = 0.2934·180/π = 16.81°

答案

φ = 16.81°
4.轴的扭转

答案: τmax = 15.52 MPa

圆轴扭转:切应力从圆心处的零线性增大到表面的 τmax = T·r/J,实心轴 J = πd⁴/32,空心轴 J = π(do⁴ − di⁴)/32。扭转角 φ = TL/(GJ),单位为弧度。功率与扭矩的关系为 P = T·ω。

扭矩

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52.36 rad/s
T = P/ω = 30000/52.36 = 573 N·m

极惯性矩

J = π(60⁴ − 36⁴)/32 = 1.107 × 10⁶ mm⁴

最大切应力

τmax = T·(do/2)/J = 572958·30/1.107 × 10⁶ = 15.52 MPa

答案

τmax = 15.52 MPa
5.剪力和弯矩

答案: Vx = −28 kN

截面法:在需要求内力的位置截开梁,保留一侧。剪力 V 平衡该侧的竖向力,弯矩 M 平衡这些力对截面的矩。

支座反力

整根梁的平衡。

均布荷载合力:W = w·ℓ = 8·8 = 64 kN,作用于 x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 8·8·4
RB = 256/8 = 32 kN
ΣFy = 0: RA = 64 − 32 = 32 kN
w = 8 kN/mABRA​ = 32RB​ = 32截面7.5 m0.5 m

在 x = 7.5 m 处截开,保留左侧部分

只考虑截面左侧的力。一段均布荷载等效为作用在该段中点的一个集中力。

V = RA − (截面左侧所有向下荷载)
Vx = 32 − 8·7.5 = −28 kN

答案

Vx = −28 kN
6.剪力和弯矩

答案: Mmax = 30 kN·m

截面法:在需要求内力的位置截开梁,保留一侧。剪力 V 平衡该侧的竖向力,弯矩 M 平衡这些力对截面的矩。 最大弯矩:由于 dM/dx = V,弯矩的峰值出现在剪力过零的位置,可能在集中荷载处,也可能在分布荷载范围内。

支座反力

整根梁的平衡。

均布荷载合力:W = w·ℓ = 20·2 = 40 kN,作用于 x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 20·2·2
RB = 80/4 = 20 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 20 = 20 kN

剪力为零

剪力从 RA 开始,在无荷载段保持不变,在荷载范围内以斜率 w 下降。

RA − w·(x0 − 1) = 0
x0 = 1 + 20/20 = 2 m

最大弯矩

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 1)²/2 = 20·2 − 20·1²/2 = 30 kN·m

答案

Mmax = 30 kN·m
7.形心和惯性矩

答案: Ix = 329.8 × 10⁶ mm⁴

带孔的截面:把孔当作负面积。形心为 ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂),其中 A₁、y₁ 对应完整的板,A₂、y₂ 对应孔。对形心轴的截面二次矩,对每一部分使用平行轴定理,再减去孔:I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²),其中 d 是各部分自身形心到通过 ȳ 的轴的距离。矩形的 Ic = bh³/12,圆的 Ic = πd⁴/64。

形心

ȳ = (45000·150 − 1963·210)/(45000 − 1963) = 147.3 mm

完整的板关于 ȳ

150·300³/12 + 45000·2.737² = 337.8 × 10⁶ mm⁴

孔关于 ȳ

π·50⁴/64 + 1963·62.74² = 8.035 × 10⁶ mm⁴

相减

Ix = 329.8 × 10⁶ mm⁴

答案

Ix = 329.8 × 10⁶ mm⁴
8.形心和惯性矩

答案: σ顶部 = 63.81 MPa

组合截面:将截面分成若干矩形。形心为面积加权平均 ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ。对形心轴的惯性矩等于各部分自身的 bh³/12 加上平行移轴项 A·d²,其中 d 为该部分形心到整体形心的距离。弯曲应力 σ = M·y/I。

分成两个矩形

每个 y 都从底边量起。

翼缘: Af = 260·20 = 5200 mm², yf = 200 + 20/2 = 210 mm
腹板: Aw = 12·200 = 2400 mm², yw = 200/2 = 100 mm

形心

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (5200·210 + 2400·100)/7600 = 175.3 mm

平行移轴定理

翼缘: 260·20³/12 + 5200·(210 − 175.3)² = 6.448 × 10⁶ mm⁴
腹板: 12·200³/12 + 2400·(100 − 175.3)² = 2.159 × 10⁷ mm⁴
Ix = 6.448 × 10⁶ + 2.159 × 10⁷ = 2.804 × 10⁷ mm⁴

弯曲应力

顶边距中性轴 h − ȳ。

y = 220 − 175.3 = 44.74 mm
σ = M·y/I = 4 × 10⁷·44.74/2.804 × 10⁷ = 63.81 MPa

答案

σ顶部 = 63.81 MPa
9.莫尔圆与应力变换

答案: τabs = 44.27 MPa

平面应力变换:在转过 θ 的截面上,σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ。莫尔圆可同时表示所有截面:圆心位于 C = (σₓ + σᵧ)/2,半径为 R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)。主应力为 C ± R,面内最大切应力为 R。 在三维中,绝对最大切应力为三个主应力中 (σmax − σmin)/2;平面应力状态下第三个主应力为零。

στxyCσ1​σ2​

面内主应力

C = 55 MPa, R = √((−15)² + 30²) = 33.54 MPa
σ1 = 88.54 MPa, σ2 = 21.46 MPa, σz = 0

三个圆中最大的

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(67.08, 88.54, 21.46)/2 = 44.27 MPa

答案

τabs = 44.27 MPa

这里由面外的圆控制:绝对最大值大于面内最大值 R。

10.莫尔圆与应力变换

答案: σθ = 85.72 MPa

平面应力变换:在转过 θ 的截面上,σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ。莫尔圆可同时表示所有截面:圆心位于 C = (σₓ + σᵧ)/2,半径为 R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)。主应力为 C ± R,面内最大切应力为 R。

变换公式

σθ = 75 + −5·−0.1736 + 10·0.9848 = 85.72 MPa

答案

σθ = 85.72 MPa
11.梁的挠度

答案: δP = 19.09 mm

梁的挠度:挠度由曲率 M/(EI) 积分两次得到。常见情况有表可查,例如端部受集中力的悬臂梁为 PL³/(3EI),全跨均布荷载的简支梁为 5wL⁴/(384EI)。各荷载产生的挠度可以叠加。

单位一致

用 N 和 mm 计算:P 用 N,w 用 N/mm (kN/m = N/mm),L 用 mm,E 用 N/mm² (GPa × 1000),I 用 mm⁴。

P = 14000 N, a = 2000 mm, b = 3000 mm, L = 5000 mm
EI = 1.76 × 10¹² N·mm²

荷载作用处的挠度

δP = Pa²b²/(3EIL) = 14000·2000²·3000²/(3·1.76 × 10¹²·5000) = 19.09 mm

答案

δP = 19.09 mm
12.梁的挠度

答案: Ireq = 872.7 × 10⁶ mm⁴

梁的挠度:挠度由曲率 M/(EI) 积分两次得到。常见情况有表可查,例如端部受集中力的悬臂梁为 PL³/(3EI),全跨均布荷载的简支梁为 5wL⁴/(384EI)。各荷载产生的挠度可以叠加。

挠度限值

δallow = L/360 = 8000/360 = 22.22 mm

所需惯性矩

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·4·8000⁴/(384·11000·22.22) = 8.727 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 872.7 × 10⁶ mm⁴

答案

Ireq = 872.7 × 10⁶ mm⁴
13.柱的屈曲

答案: Pcr = 3.473 kN

欧拉屈曲:细长柱在 Pcr = π²EI/(KL)² 时失稳,KL 为计算长度:两端铰接 K = 1,一端固定一端自由 2,一端固定一端铰接 0.7,两端固定 0.5。柱绕 I 最小的轴屈曲。该公式适用于临界应力低于屈服应力的细长柱。

最小惯性矩

圆形截面对任意轴的 I 都相同。

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

计算长度

KL = 0.5·2500 = 1250 mm

临界荷载

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/1250² = 3473 N = 3.473 kN

答案

Pcr = 3.473 kN
14.柱的屈曲

答案: d = 92 mm

欧拉屈曲:细长柱在 Pcr = π²EI/(KL)² 时失稳,KL 为计算长度:两端铰接 K = 1,一端固定一端自由 2,一端固定一端铰接 0.7,两端固定 0.5。柱绕 I 最小的轴屈曲。该公式适用于临界应力低于屈服应力的细长柱。

所需临界荷载

Pcr = n·P = 3·90000 = 270000 N
KL = 1·3000 = 3000 mm

求解直径

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 92 mm

答案

d = 92 mm

校核:长细比 KL/r 为 130.4,柱为细长柱,适用欧拉公式。

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