材料力学土木类第三章扭转

1、材料力学土木类第三章扭转第1页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四3-1 概 述工程实例第2页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四圆杆各横截面绕杆的轴线作相对转动；杆表面上的纵向线变成螺旋线。受力特点：圆截面直杆受到一对大小相等、转向相反、作用面垂直于杆的轴线的外力偶作用变形特点：Me Me 实际构件工作时除发生扭转变形外，还常伴随有弯曲、拉压等其他变形。第3页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四3-2 传动轴的外力偶矩 扭矩及扭矩图、传动轴的外力偶矩传动轴的转速n ；某一轮上所传递的功率P (kW)作用在该轮上的外力偶矩Me。已知：求：一

2、分钟内该轮所传递的功率等于其上外力偶矩所作的功：Me1 Me2 Me3 n从动轮主动轮从动轮第4页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四传动轮的转速n 、功率P 及其上的外力偶矩Me之间的关系：主动轮上的外力偶矩转向与传动轴的转向相同，从动轮上的外力偶矩转向与传动轴的转向相反。Me1 Me2 Me3 n从动轮主动轮从动轮第5页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四、扭矩及扭矩图 圆轴受扭时其横截面上的内力偶矩称为扭矩，用符号T表示。 扭矩大小可利用截面法来确定。11TTMe Me AB11BMe AMe 11x第6页，共43页，2022年，5月20日，3点57分

3、，星期四扭矩的符号规定按右手螺旋法则确定:扭矩矢量离开截面为正，指向截面为负。 仿照轴力图的做法，可作扭矩图，表明沿杆轴线各横截面上扭矩的变化情况。TTTTT (+)T (-)第7页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四11TTMe Me AB11BMe AMe 11xMeT 图+第8页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四例 3-1 一传动轴如图，转速n = 300r/min； 主动轮输入的功率P1= 500kW，三个从动轮输出的功率分别为： P2= 150kW， P3= 150kW， P4= 200kW。 试作轴的扭矩图。 第9页，共43页，2022年，5月

4、20日，3点57分，星期四首先必须计算作用在各轮上的外力偶矩解：221133M1 M2 M3 M4 ABCD第10页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四分别计算各段的扭矩221133M1 M2 M3 M4 ABCDT111xM2AT2AM2 BM3 22xT333DM4 x第11页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四扭矩图Tmax = 9.56 kNm 在BC段内M1 M2 M3 M4 ABCD4.789.566.37T 图(kNm)第12页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四3-3 薄壁圆筒的扭转通常指 的圆筒，可假定其应力沿壁厚方向均匀

5、分布内力偶矩扭矩T薄壁圆筒nnMeMe dlT Me nndr0第13页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四圆筒两端截面之间相对转过的圆心角相对扭转角表面正方格子倾斜的角度直角的改变量切应变即gjABDCMe Me 薄壁圆筒受扭时变形情况：gABC D B1A1D1 C1 DD1C1C第14页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四Me Me 圆周线只是绕圆筒轴线转动，其形状、大小、间距不变；表面变形特点及分析：横截面在变形前后都保持为形状、大小未改变的平面，没有正应力产生所有纵向线发生倾斜且倾斜程度相同。横截面上有与圆轴相切的切应力且沿圆筒周向均匀分布gjAB

6、DC第15页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四Me Me 1、横截面上无正应力；2、只有与圆周相切的切应力，且沿圆筒周向均匀分布； 薄壁圆筒横截面上应力的分布规律分析：gjABDCgABC D B1A1D1 C1 DD1C1C nnMe r0 xt 3、对于薄壁圆筒，可认为切应力沿壁厚也均匀分布。第16页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四薄壁圆筒横截面上切应力的计算公式：静力学条件因薄壁圆环横截面上各点处的切应力相等得t dAnnMe r0 xdr0第17页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四剪切胡克定律由前述推导可知薄壁圆筒的扭转实验

7、曲线Me Me gjABDC第18页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四钢材的切变模量值约为：这就是剪切胡克定律其中：G材料的切变模量t p剪切屈服极限第19页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四3-4 等直圆杆扭转时的应力强度条件、横截面上的应力（一）几何方面 相邻圆周线绕杆的轴线相对转动，但圆周的大小、形状、间距都未变；纵向线倾斜了同一个角度g ，表面上所有矩形均变成平行四边形。g(a)Me Me (b)第20页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四 杆的横截面上只有垂直于半径的切应力，没有正应力产生。平面假设 等直圆杆受扭转时其横截面如

8、同刚性平面一样绕杆的轴线转动。推论：(a)gMe Me (b)第21页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四gMe Me djgDGGETTO1O2ababdxDAgrrdjgDGGEO1O2DAgrrdxd横截面上任一点处的切应变随点的位置的变化规律第22页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四即相对扭转角沿杆长的变化率，对于给定的横截面为常量djgDGGETTO1O2ababdxDAgrrdjgDGGEO1O2DAgrrdxd第23页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四剪切胡克定律（二）物理方面（三）静力学方面称为横截面的极惯性矩trdA

9、trdA rrrO令得T第24页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四Od等直圆杆扭转时横截面上切应力计算公式rtmaxtrtmaxT第25页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四发生在横截面周边上各点处。称为扭转截面系数最大切应力tmaxtmax令即OdrtrT第26页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四同样适用于空心圆截面杆受扭的情形tmaxtmaxODdTrtr第27页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四（四）圆截面的极惯性矩Ip和扭转截面系数Wp实心圆截面：Odrrd第28页，共43页，2022年，5月20日，3点57

10、分，星期四空心圆截面：DdrrOd第29页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四注意：对于空心圆截面DdrrOd第30页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四此处为以横截面、径截面以及与表面平行的面从受扭的等直圆杆表面处截取一微小的正六面体（五）单元体切应力互等定理单元体Me Me xyzabOcddxdydztttt自动满足存在t得第31页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四 单元体的两个相互垂直的截面上，与该两个面的交线垂直的切应力数值相等，且均指向(或背离) 两截面的交线。切应力互等定理 单元体在其两对互相垂直的平面上只有切应力而无正应力

11、的状态称为纯剪切应力状态。dabcttttxyzabOcddxdydztttt第32页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四例3-2 实心圆截面轴和空心圆截面轴 (a = d2/D2 =0.8)的材料、扭转力偶矩 Me 和长度l 均相同。试求在两圆轴横截面上最大切应力相等的情况下，D2/d1之比以及两轴的重量比。(a) Me Me d1lMe (b) Me lD2d2第33页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四解：已知得第34页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四两轴的重量比可见空心圆轴的自重比实心圆轴轻。讨论：为什么说空心圆轴比实心圆轴更适

12、合于做受扭构件？第35页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四、斜截面上的应力假定斜截面ef 的面积为d Aaefdabcttttxantttaahxsafebax第36页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四讨论：1、2、此时切应力均为零。ftattaebahxsax解得ttttx4545smaxsmaxsminsmin第37页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四、强度条件等直圆轴材料的许用切应力第38页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四例3-3 图示阶梯状圆轴，AB段直径 d1=120mm，BC段直径 d2=100mm 。扭转力偶矩 MA=22 kNm， MB=36 kNm， MC=14 kNm。 材料的许用切应力t = 80MPa ，试校核该轴的强度。解： 1、求内力，作出轴的扭矩图2214T图（kNm）MA MBMC ACB第39页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四BC段AB段2、计算轴横截面上的最大切应力并校核强度即该轴满足强度条件。2214T图（kNm）第40页，共43页，2022年，5月20日，3点57分，星期四例3-4 实心圆轴与空心圆轴通过牙嵌离合器连接。已知轴的转速n=