材料力学教学课件1016

第1章

绪

论1.1材料力学的任务与研究对象1.2材料力学的基本假设1.3外力与内力1.4应力与应变1.5杆件变形的基本形式1.1材料力学的任务与研究对象1.1.1材料力学的任务实践表明：构件的变形与作用力有关。当作用力过大时构件将产生显著塑性变形或发生断裂，这在工程中是不允许的。为了保证机械或工程结构能够安全、正常工作，构件应有足够的能力承担相应的载荷。为此，一般需要满足如下三方面的要求。

(1)强度要求：在规定载荷作用下构件不应发生破坏。这里所指的破坏，不仅是指构件在外力作用下的断裂，还包含构件产生过大的塑性变形，如储气罐在工作时不应发生爆裂。强度是指构件抵抗破坏的能力。

(2)刚度要求：在规定载荷作用下构件不应发生过大的弹性变形，如机床主轴若产生过大弹性变形会影响加工精度。（刚度是指构件抵抗弹性变形的能力。）

(3)稳定性要求：在规定载荷作用下构件应保持其原有的平衡状态。受压的细长杆件，如千斤顶的螺杆、内燃机的挺杆等，当压力增大到一定值时会突然变弯。稳定性是指构件保持其原有平衡状态的能力。

在工程中，一般构件都应满足上述三个要求，但对某一个具体构件往往又有所侧重。如储气罐主要要求保证强度，车床主轴主要要求具备足够的刚度，受压的细长杆则要求足够的稳定性。此外，对某些特殊构件可能还有相反的要求，例如为了防止超载，当载荷超出某一范围时，安全销应立即破坏。又如为了降低振动冲击，车辆的缓冲弹簧应有较大的弹性变形等。在设计构件时，不仅要满足上述三方面的安全性要求，还应尽可能选用合适的材料，减少材料的用量，以降低成本或减轻重量。也就是说，设计构件时既要考虑安全性，又要考虑经济性。安全性要求选用优质材料或增大横截面尺寸，经济性要求尽可能使用廉价材料或减小横截面尺寸，这两个要求是彼此矛盾的。材料力学的任务就是在满足强度、刚度和稳定性要求的前提下，以最经济的代价，为构件确定合理的截面形状和尺寸，选择合适的材料，为设计构件提供必要的理论基础和计算方法。1.1.2材料力学的研究对象

工程中有各种形状的构件，按照其几何特征，主要可分为杆件、板件和块。

一个方向的尺寸远大于其他两个方向尺寸的构件，称为杆件（见图1-1）。杆件是工程中最常见、最基本的构件。梁、轴、柱等均属杆类构件。图1-1杆件横截面的几何中心称为形心，各横截面形心的连线称为杆件的轴线。横截面与轴线相互正交。轴线为直线的杆称为直杆；轴线为曲线的杆称为曲杆。所有横截面形状和尺寸相同的杆称为等截面杆；横截面的形状和尺寸不完全相同的杆称为变截面杆。

一个方向的尺寸远小于其他两个方向尺寸的构件，称为板件（见图1-2）。平分板件厚度的几何面，称为中面。中面为平面的板件称为板（见图1-2(a)），中面为曲面的板件称为壳（见图1-2(b)）。薄壁容器等均属此类构件。图1-2三个方向几何尺寸相近的构件称为块。

材料力学的主要研究对象是杆，以及由若干杆组成的简单杆系，同时也研究一些形状与受力均比较简单的板、壳、块。至于一般较复杂的杆系与板壳问题，则属于结构力学与弹性力学的研究范畴。工程中的大部分构件属于杆件，杆件分析的原理与方法是分析其他形式构件的基础。 1.2材料力学的基本假设

构件在外力作用下会产生变形，制造构件的材料称为变形固体。变形固体的性质是多方面的，从不同角度研究问题，侧重面也有所不同。在研究构件的强度、刚度、稳定性问题时，为了抽象出力学模型，掌握与研究问题有关的主要因素，略去一些次要因素，材料力学对变形固体做出如下基本假设：(1)连续性假设：假设组成固体的物质毫无间隙地充满了固体的几何空间。实际上，组成固体的粒子之间存在着空隙(图1-3是球墨铸铁的显微组织，图1-4是普通碳素钢的显微组织，图1-5是优质碳素钢的显微组织)。但这种空隙的大小与构件尺寸相比极其微小，可以忽略不计，于是就认为固体在其整个体积内是连续的。这样，构件内的一些力学量（例如各点的位移）可用坐标的连续函数来表示，对这些函数可进行坐标增量为无限小的极限分析。图1-3图1-4图1-5应该指出，连续性不仅存在于构件变形前，而且存在于变形后，即构件内变形前相邻的质点变形后仍保持邻近，既不产生新的空隙或空洞，也不出现重叠现象。所以，上述假设也称为变形连续性假设。(2)均匀性假设:假设固体内各点处具有完全相同的力学性能。材料在外力作用下所表现的性能，称为材料的力学性能。就工程中使用最多的金属材料来说，组成金属的各晶粒的力学性能并不完全相同。但构件或构件的任何一部分都包含了无数晶粒，而且无规则地排列，固体的力学性能是各晶粒力学性能的统计平均值，所以可认为各部分的力学性能是均匀的。这样，如果从固体中取出一部分，不论大小，也不论从何处取出，其力学性能总是相同的。

上述两种假设可统称为均匀连续性假设。以此假设为基础，研究构件的强度、刚度、稳定性问题所得出的结论是满足工程要求的。而对于发生在晶粒大小范围内的力学问题，均匀连续性假设不成立。(3)各向同性假设：假设材料沿各个方向具有完全相同的力学性能。沿各个方向具有相同力学性能的材料称为各向同性材料。例如玻璃为典型的各向同性材料。金属的各个晶粒均属于各向异性体，但由于金属构件所含晶粒极多，而且晶粒的排列也是完全无序的，因此，在各个方向上力学性质趋于相同，宏观上可将金属视为各向同性材料。在今后的讨论中一般都将变形固体假定为各向同性的。综上所述，在材料力学中，一般将实际材料看做是连续、均匀和各向同性的可变形固体。实践表明，在此基础上所建立的理论与分析结果，与大多数工程材料制成的构件的实际情况相吻合，符合工程要求。

但是，上述假设并不适用于所有材料,竹子、木材、胶合板及某些人工合成材料的宏观力学性能就是各向异性的，沿各个方向力学性能不同的材料称为各向异性材料。某些高强度或超高强度材料对缺陷具有较强的敏感性，考虑这些材料制成的构件的强度时，便不能采用均匀连续性假设。 1.3外力与内力

1.外力及其分类

研究某一构件时，该构件以外的其他物体作用在该构件上的力称为外力。

按外力的作用方式，可将作用在构件上的外力分为表面力和体积力。表面力是作用于物体表面的力，又可分为分布力和集中力。分布力是连续作用于物体表面的力，如作用于油缸内壁上的油压力等。有些分布力是沿杆件轴线作用的，如楼板对屋梁的作用力。若外力分布面积远小于物体的表面尺寸，或沿杆件轴线分布范围远小于轴线长度，就可将其视为作用于一点的集中力，如车轮对钢轨的压力，轴承对轴的支承力等。体积力是连续分布于物体内各点的力，如物体的自重和惯性力等。按载荷随时间变化的情况又可将外力分为静载荷与动载荷。载荷缓慢地由零增加到某一定值，以后即保持不变，或变动不显著，这种载荷称为静载荷。如机器缓慢地放置在基础上，机器的重量对基础的作用便是静载荷。若载荷随时间的变更而变化，这种载荷称为动载荷。随时间交替变化的载荷称为交变载荷，物体的运动在短时内突然改变所引起的载荷称为冲击载荷。

材料在静载荷和动载荷作用下的性能颇不相同，分析方法也迥异。因为静载荷问题比较简单，所建立的理论和方法又可作为解决动载荷问题的基础，所以，先研究静载荷问题，后研究动荷问题。2.内力与截面法

构件即使不受外力作用，内部各质点之间仍然存在着相互作用力。构件受到外力作用产生变形时，构件内部各质点之间的相对位置将发生变化，同时各质点间的相互作用力也将发生改变。材料力学中的内力，是指在外力作用下构件各质点间相互作用力的改变量，即“附加内力”。这样，内力随外力的增加而增加，达到一定限度时就会引起构件失效，因而内力与构件的破坏、变形密切相关。为了显示内力，假想地用一个m-m截面将构件分为Ⅰ、Ⅱ两部分，如图1-6

(a)所示。任取其中一部分作为研究对象（如Ⅰ），将Ⅱ对Ⅰ的作用用截面上的内力来代替。由均匀连续性假设可知，内力在横截面上是连续分布的。这些分布力构成一空间任意力系，见图1-6(b)，将其向截面形心C简化后可得一主矢F和一主矩M，称其为该截面上的内力。本书中用粗体表示力矢量，用普通字体表示力的大小。原构件在外力作用下处于平衡状态，Ⅰ部分也应处于平衡状态，作用于其上的外力与横截面上的内力F、M构成一平衡力系。根据静平衡方程即可确定m-m截面上的内力。

上述用截面假想地将构件分为两部分，以显示并确定内力的方法称为截面法。可将其归纳为以下三个步骤：(1)截：欲确定构件某一截面上的内力时，假想地用一平面将构件沿该截面分为两部分。(2)取：取其中任一部分为研究对象，弃去另一部分，并用作用于截面上的内力代替弃去部分对留下部分的作用。(3)算：对留下的部分建立静平衡方程，确定该截面上的内力。图1-6

例1-1

某摇臂钻床如图1-7(a)所示，承受载荷F作用。试确定m-m截面上的内力。图1-7

解

（1）截：沿m-m截面假想地将立柱截开。

（2）取：取上半部分为研究对象，并选取Oxy坐标系，如图1-7(b)所示。

（3）算：整个钻床处于平衡状态，上半部分在载荷及内力作用下亦应处于平衡状态。列出静平衡方程为求得内力FN和M分别为

求出的内力是m-m截面上分布内力系向O点简化的结果。 1.4应力与应变

1.应力

前面所求出的杆件横截面上的内力是分布内力系向截面形心简化的结果。它说明了截面上的内力与作用在杆件上的外力的平衡关系，但不能说明分布内力系在截面内某一点处的强弱程度。显然构件的变形和破坏，不仅取决于内力的大小，还取决于内力的分布状况。为此引入内力集度即应力的概念。设在图1-8(a)所示受力构件的m-m截面上，围绕C点取一微小面积ΔA，ΔA上内力的合力为ΔF。则ΔF与ΔA的比值称为ΔA上的平均应力，并用pm表示，即（1-1）

一般情况下，内力在截面上并非均匀分布，平均应力的大小、方向将随所取ΔA的大小不同而变化。当ΔA→0时，平均应力的极限值称为C点的内力集度，或总应力p，即（1-2）

总应力p的方向就是当ΔA→0时ΔF的极限方向。在国际单位制中，应力的单位为Pa（帕），1Pa=1N/m

2。由于这个单位太小，使用起来不方便，通常用MPa（兆帕）表示，1MPa＝106Pa＝106N/m2=1N/mm2。

通常将总应力p沿截面的法向与切向分解为两个量（见图1-8(b)）。沿截面法向的应力分量称为正应力，用σ表示；沿截面切向的应力分量称为切应力，用τ表示。显然有图1-82.应变

假想将构件分割成许多微小的单元体。构件受力后不仅各单元体的位置发生改变，而且单元体棱边的长度发生改变（见图1-9(a)），相邻棱边间的夹角也发生改变（见图1-9(b)）。图1-9设棱边ka的原长为Δs，长度改变量为Δu，则Δu与Δs的比值称为棱边ka的平均线应变，用εm表示，即（1-4）

一般情况下，棱边ka各点处的变形程度并不相同。为了精确地描述k点沿棱边ka方向的变形情况，应选取无限小的单元体进行研究，由此可得平均线应变的极限值：（1-5）称其为k点处沿棱边ka方向的线应变。采用同样方法，还可确定k点处沿其他方向的线应变。

当单元体变形时，相邻棱边间的夹角一般也会发生改变。微体相邻棱边所夹直角的改变量（见图1-9(b)）称为切应变，用γ表示。切应变的单位为弧度（rad）。

由定义可以看出线应变与切应变均是量纲为1的量。

构件的整体变形是构成构件的微体局部变形组合的结果，而微体的局部变形则可用线应变与切应变来度量。

例1-2两边固定的矩形薄板如图1-10所示。变形后ab和ad两边保持为直线。a点沿垂直方向向下移动0.025mm。试求ab边的平均线应变和ab、ad两边夹角的变化量。

解

ab边的平均线应变为变形后ab和ad两边的夹角变化量为由于γ非常微小，显然有图1-101.5杆件变形的基本形式工程中很多构件都可简化为杆件，如连杆、传动轴、立柱、丝杠等。某些构件，如齿轮的轮齿、曲轴的轴颈等，并不是典型的杆件，但在近似计算或定性分析时亦可简化为杆。所以，杆是工程中最常见、最基本的构件。杆件受外力作用时发生的变形是多种多样的。对其进行仔细分析，可以将杆件的变形分为以下四种基本形式：

(1)拉伸或压缩变形：这种变形是由沿轴线方向作用的外力所引起的变形，表现为杆件长度的伸长或缩短，任意横截面间只有沿轴线方向的线位移（见图1-11(a)）。如起吊重物的钢索、构成桁架的杆件等都属于拉伸或压缩变形。(2)剪切变形：这种变形是由等值、反向、相距很近、作用线垂直于轴线的一对力引起的变形，表现为横截面沿外力作用方向发生相对错动（见图1-11(b)）。机械中常用的连接件，如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形。

(3)扭转变形：这种变形是由力偶矩大小相等、转向相反、作用面均垂直于杆件轴线的两个力偶引起的变形，表现为杆件的任意两个横截面绕轴线发生相对转动（见图1-11(c)）。如汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的变形均属于扭转变形。(4)弯曲变形：这种变形是由垂直于杆件轴线的横向力，或由作用于纵向对称面内的一对等值、反向的力偶引起的变形，表现为杆件轴线由直线变为曲线（见图1-11(d)）。如火车轮轴、起重机大梁的变形均属于弯曲变形。图1-11第2章

轴向拉压与材料的力学性能2.1引言2.2拉压杆的内力与应力2.3材料拉伸与压缩时的力学性能2.4拉压杆的强度计算2.5拉压杆的变形计算2.6简单拉压静不定问题2.7连接件的强度计算 2.1引

言

在生产实践中经常遇到承受拉伸或压缩的杆件。例如，图2-1(a)所示的连接螺栓承受拉力作用，图2-1(b)所示的活塞杆承受压力作用。此外，如起重钢索在起吊重物时承受拉力作用；千斤顶的螺杆在顶起重物时承受压力作用；至于桁架中的杆件，则不是受拉就是受压。图2-1工程中受拉或受压的杆件很多，它们的外形各不相同，加载方式也迥异，但它们的共同特点是：作用于杆件上的外力或其合力的作用线沿杆件轴线，而杆件的主要变形为轴向伸长或缩短。作用线沿杆件轴线的载荷称为轴向载荷。以轴向伸长或缩短为主要特征的变形形式，称为轴向拉压。以轴向拉压为主要变形的杆件，称为拉压杆。图2-2是等截面拉压杆的力学简图，图中虚线表示变形后的形状。图2-2 2.2拉压杆的内力与应力

2.2.1轴力与轴力图

对于图2-3(a)所示两端承受轴向载荷F作用的拉压杆，为了显示和确定横截面上的内力，应用截面法，沿横截面m-m假想地将杆件分成两部分（见图2-3(b)、(c)）。杆件两段在横截面m-m上相互作用的内力是一个分布力系，其合力为FN。根据二力平衡条件可知，FN必沿杆件轴线方向，所以称为轴力。轴力或为拉力，或为压力。习惯上把拉伸时的轴力规定为正，压缩时的轴力规定为负。轴力的代数值可以由杆件左段（或右段）的平衡方程∑Fx=0求得。由图2-3(b)，得FN-F=0图2-3

例2-1

试绘制图2-4(a)所示拉压杆的轴力图。

解

(1）计算杆件各段的轴力。根据该拉压杆承受的外力，将杆件分为AB、BC、CD三段，分别以1-1、2-2与3-3截面为各段代表性截面。

先计算AB段的轴力。沿1-1截面假想地将杆件截开，取其受力简单的左段杆为研究对象，假定该截面上的轴力FN1为正（见图2-4(b)），由平衡方程∑Fx=0,得再计算BC段的轴力。沿2-2截面假想地将杆件截开，以左段作为研究对象，假设轴力FN2为正（见图2-4(c)），由平衡方程∑Fx=0,得FN2为负值，表示实际轴力方向与假设方向相反，即为压力。

同样可算得CD段3-3截面（见图2-4(d)）上的轴力为FN3=-4kN。

（2）绘轴力图。以平行于杆轴的坐标x表示横截面的位置，垂直于杆轴的另一坐标FN表示相应截面的轴力，绘制的这种图线就是轴力图（见图2-4(e)）。在工程中，有时可将x和FN坐标轴省略，这样的轴力图如图2-4(f)所示。轴力图需要标明轴力的单位与各段的正、负和数值，并且要与杆件的横截面位置相对应，以便清析表明轴力沿杆轴的变化情形。显然，由轴力图2-4(e)、(f)可以看出，该拉压杆在AB段受拉，在BCD段受压；杆内轴力的最大值为12kN。图2-42.2.2横截面上的应力

仅根据轴力并不能判断拉压杆是否有足够的强度。例如用同一种材料制成粗细不同的两根杆，在相同的拉力作用下，两杆的轴力是相同的。但当拉力逐渐增大时，细杆会先被拉断。这说明拉压杆的强度不仅与轴力有关，而且与横截面面积有关。所以必须用横截面上的应力来量度杆件的内力集中程度。

在拉压杆的横截面上，与轴力FN对应的应力是正应力σ。根据连续性假设，横截面上到处都存在着内力，为了求得内力与应力在横截面上的分布规律，必须先通过试验观察杆件的变形。

图2-5(a)所示为一等截面直杆，变形前，在其侧面画两条垂直于杆轴的横线ab与cd。然后，在杆两端施加一对大小相等、方向相反的轴向载荷F。拉伸变形后，发现横线ab与cd仍为直线，且仍垂直于杆件轴线，只是间距增大，分别平移至图示a′b′与c′d′位置。根据这一现象，可以假设：变形前原为平面的横截面，变形后仍保持为平面且仍垂直于轴线。这就是轴向拉压时的平面假设。由此可以设想，组成拉压杆的所有纵向纤维的伸长是相同的。又由于材料是均匀的，所有纵向纤维的力学性能相同，可以推断各纵向纤维的受力是一样的。因此，拉压杆横截面上各点的正应力σ相等，即横截面上的正应力是均匀分布的。设图2-5（b)所示的拉压杆横截面面积为A，则各面积微元dA上的内力元素σdA组成一个垂直于横截面的平行力系，其合力就是轴力FN。根据静力学力系简化的理论，可得所以（2-1）

式（2-1）已为大量试验所证实，适用于横截面为任意形状的等截面拉压杆。当杆的横截面沿轴线缓慢变化时（小锥度直杆），也可以应用式（2-1）计算横截面上的正应力。

由式（2-1）可知，正应力与轴力具有相同的正负符号，即拉应力为正，压应力为负。图2-52.2.3圣维南原理

当作用在杆端的轴向外力，沿横截面非均匀分布时，外力作用点附近各截面的应力，也为非均匀分布。圣维南（Saint-Venant）原理指出，力作用于杆端的分布方式，只影响杆端局部范围内的应力分布，影响区域的轴向范围约为1～2个杆端的横向尺寸。此原理已为大量试验与计算所证实。例如，图2-6(a)所示承受集中力F作用的杆，其截面宽度为h，在x=h/4与x=h/2的横截面1-1与2-2上，应力明显为非均匀分布（见图2-6(b)），但在x=h的横截面3-3上，应力则趋向均匀分布（见图2-6(c)）。因此，只要外力合力的作用线沿杆件轴线，在离外力作用面稍远处，横截面上的应力分布均可视为均匀的。至于外力作用处的应力分析，则需另行讨论。在材料力学和常规工程设计计算中，一般都不考虑加载方式的影响。图2-62.2.4拉压杆斜截面上的应力

前面研究了拉压杆横截面上的应力，为了更全面地了解杆内的应力情况，还需研究斜截面上的应力。

考虑图2-7(a)所示拉压杆，利用截面法，沿任一斜截面m-m将杆切开，该截面的方位以其外法线On与x轴间的夹角α表示。仿照证明横截面上正应力均匀分布的方法，可知斜截面m-m上的应力pα亦为均匀分布（见图2-7(b)），且其方向与杆轴平行。图2-7设杆件横截面面积为A，则根据上述分析，得杆左段的平衡方程为由此得截面m-m上各点处的应力为式中，σ=F/A代表杆件横截面上的正应力。

将应力pα沿截面法向与切向分解（见图2-7(c)），得斜截面上的正应力与切应力分别为（2-2）（2-3）可见，在拉压杆的任一斜截面上，不仅存在正应力，而且存在切应力，其大小均随截面方位的变化而变化。

由式（2-2）可知，当α＝0°时，正应力最大，其值为（2-4）即拉压杆的最大正应力发生在横截面上，其值为σ。

由式（2-3）可知，当α=45°时，切应力最大，其值为（2-5）即拉压杆的最大切应力发生在与杆轴成45°的斜截面上，其值为σ/2。

此外，当α=90°时，σα=τα=0，这表示在平行于杆件轴线的纵向截面上无任何应力。

为便于应用上述公式，现对方位角与切应力的正负符号作如下规定：以x轴正向为始边，向斜截面外法线方向旋转，规定方位角α逆时针转向为正，反之为负；将截面外法线On沿顺时针方向旋转90°，与该方向同向的切应力为正，反之为负。按此规定，图2-7(c)所示之α与τα均为正。

例2-2图2-8(a)所示右端固定的阶梯形圆截面杆，同时承受轴向载荷F1与F2作用。试计算杆横截面上的最大正应力。已知载荷F1=20kN，F2=50kN，杆件AB段与BC段的直径分别为d1=20mm与d2=30mm。

解

(1)计算约束力。设杆右端的约束力为FR，则由整个杆的平衡方程∑Fx=0,得(2)轴力分析。设AB与BC段的轴力均为拉力，并分别用FN1与FN2表示，则由截面法可知所得FN2为负，说明BC段轴力应为压力。根据上述轴力值，可画出杆的轴力图，如图2-8(b)所示。图2-8(3)应力计算。由式（2-1）可知，AB段内任一横截面上的正应力为(拉应力)而BC段内任一横截面上的正应力则为(压应力)可见，杆内横截面上的最大的正应力为

例2-3图2-9(a)所示的轴向受压等截面杆，横截面面积A=400mm2，载荷F=50kN。试计算斜截面m-m上的正应力与切应力。斜截面m-m的方位角为α=50°于是，由式（2-2）与式（2-3），得截面m-m的正应力与切应力分别为其实际指向如图2-9(b)所示。图2-9 2.3材料拉伸与压缩时的力学性能2.3.1拉伸试验与应力-应变曲线为了便于比较不同材料的试验结果，需要将试验材料按国家标准的规定加工成标准试样。常用的标准拉伸试样如图2-10所示，标记m与n之间的杆段为试验段，其长度l称为标距。对于试验段直径为d的圆截面试样（见图2-10(a)），通常规定或而对于试验段横截面面积为A的矩形截面试样（见图2-10(b)），则规定或图2-10试验时，首先将试样安装在材料试验机的上、下夹头内（见图2-11），并在标记m和n处安装测量变形的仪器。然后开动试验机，缓慢加载，试验段的拉伸变形用Δl表示。通过测量力与变形的装置，试验机可以自动计录所加载荷以及相应的伸长量，得到拉力F与变形Δl间的关系曲线如图2-11所示，称为试样的拉力-伸长曲线或拉伸图。试验一直进行到试样断裂为止。显然，试样的拉力-伸长曲线不仅与试样的材料有关，而且与试样横截面尺寸及其标距的大小l有关。为了消除试样尺寸的影响，反映材料本身的性质，根据轴向拉伸时应力、应变的概念，将拉力-伸长曲线的纵坐标F除以试样横截面的原面积A，得出正应力：；同时，将其横坐标Δl除以试验段的原长l（即标距），得到线应变：（因在标距l内变形是均匀的，任意点的线应变与平均线应变相同）。以σ为纵坐标，以ε为横坐标，作图表示σ与ε的关系曲线，称为材料的应力-应变曲线。现代化的试验机可以自动地绘制出应力-应变曲线。图2-112.3.2低碳钢拉伸时的力学性能

低碳钢（含碳量0.3%以下）是工程中广泛使用的金属材料，其应力-应变曲线非常典型，图2-12所示为Q235钢的应力-应变曲线，现以该曲线为基础，并根据试验过程中观察到的现象，介绍低碳钢的力学性能。图2-121.线性阶段

在拉伸的初始阶段，应力-应变曲线为一直线（图2-12中之OA），说明在此阶段内，正应力与线应变成正比，即引入比例常数E，于是得（2-6）上述关系称为胡克定律，比例常数E称为材料的弹性模量。

线性阶段最高点A所对应的应力，称为材料的比例极限，并用σp表示；直线OA的斜率在数值上等于材料的弹性模量E。Q235钢的比例极限σp≈200MPa，弹性模量E≈200GPa。2.屈服阶段

超过比例极限之后，应力与应变之间不再保持线性关系。当应力增加至某一定值时，应力-应变曲线呈现水平阶段（可能有微小波动）。在此阶段内，应力几乎不变，而应变急剧增长，材料失去抵抗变形的能力，这种现象称为屈服。屈服时所对应的应力最小值称为材料的屈服应力或屈服极限，用σs表示，低碳钢Q235的屈服极限σs≈235MPa。如果试样表面光滑，屈服时试样表面出现与轴线约成45°的线纹（见图2-13）。如前所述，在杆件的45°斜截面上，作用有最大切应力，因此，上述线纹是由最大切应力所引起的，称之为滑移线。材料屈服时将产生显著的塑性变形，而构件的塑性变形将影响机器与结构的正常工作，所以屈服极限σs是衡量材料强度的重要指标。图2-13

3.硬化（强化）阶段

经过屈服阶段之后，材料又有了抵抗变形的能力。这时，要使材料继续变形需要增大应力。经过屈服滑移之后，材料重新呈现抵抗继续变形的能力，这种现象称为应变硬化。硬化阶段的最高点D所对应的应力，称为材料的强度极限，并用σb表示。低碳钢Q235的强度极限σb≈380MPa。强度极限是材料所能承受的最大应力，它是衡量材料强度的另一重要指标。

4.缩颈阶段

当应力增至最大值σb之后，试样的某一局部显著收缩（见图2-14），产生所谓的缩颈现象。由于在缩颈部分横截面面积急剧减小，使试样继续变形所需之拉力也相应减小，因而应力-应变曲线相应呈现下降，最后导致试样在缩颈处断裂。低碳钢断裂时先在中心部分沿横截面方向断开，然后沿45°面剪断，断面呈杯口状。

综上所述，在整个拉伸过程中，材料经历了线性、屈服、硬化与缩颈四个阶段，并存在三个特征点，相应的应力依次为比例极限、屈服应力与强度极限。图2-142.3.3卸载与再加载规律

如果当应力小于比例极限时停止加载，并将载荷逐渐减小至零，即卸载，可以看到，在卸载过程中应力与应变之间仍保持线性关系，并沿直线AO回到O点（见图2-15），变形完全消失。这种仅产生弹性变形的现象，一直可持续到应力-应变曲线上的B点，与该点对应的正应力，称为材料的弹性极限，并用σe表示。

对于钢材，其弹性极限与比例极限非常接近，所以工程上对弹性极限与比例极限并不严格区分，因而线性阶段又常称为线弹性阶段或弹性阶段。但弹性极限与比例极限的物理意义是完全不同的。在超过弹性极限之后，例如在强化阶段的某一点C逐渐卸载，在卸载过程中的应力-应变曲线如图2-15中的CO1所示，该直线与OA大致平行。线段O1O2代表随卸载后消失的应变即弹性应变；而线段OO1则代表应力减小至零时残留的应变，即塑性应变或残余应变。由此可见，当应力超过弹性极限后，材料的应变包括弹性应变与塑性应变，但在卸载过程中，应力与应变之间仍保持线性关系。试验中还发现，如果卸载至O1点后立即重新加载，则加载时的应力-应变关系基本上沿卸载时的直线O1C上升，过C点后仍沿原曲线CDE变化，并至E点断裂。因此，如果将卸载后已有塑性变形的试样当作新试样重新进行拉伸试验，其比例极限、弹性极限将得到提高，而断裂时的残余变形则减小。由于预加塑性变形，而使材料的比例极限或弹性极限提高的现象，称为冷作硬化。工程中常利用冷作硬化，以提高某些构件（例如建筑用的钢筋与起重用的链条等）的承载能力。但冷作硬化使材料变硬、变脆，使加工发生困难，且易产生裂纹，这时可以采用退火处理，部分或全部地消除材料的冷作硬化效应。2.3.4材料的塑性

材料能经受较大塑性变形而不破坏的能力，称为材料的塑性或延性。材料的塑性用延伸率或断面收缩率度量。

试样拉断后，由于保留了塑性变形，试验段的长度由原来的l变为l1，将残余变形与试验段原长l的比值，称为材料的延伸率，并用δ表示，即（2-7）低碳钢的延伸率约为25%～30%。延伸率大的材料，在轧制或冷压成型时不易断裂，并能承受较大的冲击载荷。在工程中，通常将延伸率较大（δ≥5%）的材料称为延性或塑性材料；延伸率较小(δ<5%)的材料称为脆性材料。结构钢、铝合金、黄铜等为塑性材料；而工具钢、灰铸铁、玻璃、陶瓷等属于脆性材料。设试样的原始横截面面积为A，拉断后缩颈处的最小截面面积为A1，则断面收缩率为（2-8）Q235钢的断面收缩率ψ≈60%。应当指出，材料的塑性和脆性并不是固定不变的，它们会因制造工艺、变形速度、应力状态和温度等条件而变化。2.3.5其他材料拉伸时的力学性能

图2-16所示为30铬锰硅钢、50钢、硬铝等金属材料的应力-应变曲线。可以看出，它们断裂时均具有较大的残余变形，属于塑性材料。不同的是，有些材料不存在明显的屈服阶段。图2-16对于不存在明显屈服阶段的塑性材料，工程中通常以卸载后产生数值为0.2%的残余应变所对应的应力作为屈服应力，称为名义屈服极限，并用σ0.2表示。如图2-17所示，在横坐标ε轴上取OC=0.2%，自C点作直线平行于OA，并与应力-应变曲线相交于D，D点对应的正应力即为材料的名义屈服极限σ0.2。

至于脆性材料，例如铸铁，从开始受力直至断裂，变形始终很小，既不存在屈服阶段，也无颈缩现象。图2-18所示为铸铁拉伸时的应力-应变曲线，断裂时的应变仅为0.4%～0.5%，断口垂直于试样轴线，即断裂发生在最大拉应力作用面，断口表面呈粗糙颗粒状。由于铸铁的σ-ε曲线没有明显的直线部分，弹性模量E的数值随应力的大小而变。但在工程中铸铁承受的拉应力不能很高，在较低拉应力下，可近似地认为服从胡克定律，取σ-ε曲线的割线代替曲线的开始部分，并以割线的斜率作为其弹性模量。图2-17图2-182.3.6复合材料与高分子材料的拉伸力学性能

近年来，复合材料得到广泛应用。复合材料具有强度高、刚度大与密度小的特点。碳/环氧（即碳纤维增强环氧树脂基体）是一种常用复合材料，图2-19所示为某种碳/环氧复合材料沿纤维方向与垂直于纤维方向的拉伸应力-应变曲线。可以看出，材料的力学性能随加力方向变化，即并非完全各向同性，而且断裂时残余变形很小。其他复合材料亦具有类似特点。图2-19高分子材料也是一种常用的工程材料，图2-20所示为几种典型高分子材料拉伸时的应力-应变曲线。有些高分子材料在变形很小时即发生断裂，属于脆性材料；有些高分子材料的延伸率甚至高达500%～600%。高分子材料的一个显著特点是，随着温度升高，不仅应力-应变曲线发生很大变化，而且，材料经历了由脆性、塑性到粘弹性的转变。所谓粘弹性，是指材料的变形不仅与应力的大小有关，而且与应力所持续的时间有关。

图2-202.3.7材料在压缩时的力学性能

材料受压时的力学性能由压缩试验测定。一般细长压杆压缩时容易产生失稳现象，常采用短粗圆柱形试样。

低碳钢压缩时的应力-应变曲线如图2-21(a)所示，为了便于比较，图中还画出了拉伸时的应力-应变曲线。可以看出，屈服之前压缩曲线与拉伸曲线基本重合，压缩与拉伸时的屈服应力与弹性模量基本相同。不同的是，过了屈服阶段后，随着压力不断增大，低碳钢试样愈压愈“扁平”（见图2-21(b)），因而得不到压缩强度极限。因为可以从拉伸试验测定低碳钢压缩时的力学性能，所以一般不进行低碳钢压缩试验。图2-21铸铁压缩时的应力-应变曲线如图2-22(a)所示。压缩强度极限远高于拉伸强度极限（约为3～4倍）。其他脆性材料如混凝土与石料等也具有上述特点，所以脆性材料宜作承压构件。铸铁压缩破坏的形式如图2-22(b)所示，断口的方位角约为55°～60°。由于该截面上存在着较大的切应力，所以，铸铁压缩破坏是由最大切应力所引起的。图2-22表2-1几种常用材料的主要力学性能材料名称牌号MpaMpa%普通碳索钢Q235Q255235255375~500410~55021~2619~24优质碳索钢45553553806006451613低合金钢16Mn34551021合金钢40Cr7859809铸钢ZG270-50027050018灰铸铁HT250250(拉伸)铝合金LY1227441219表2-1几种常用材料的主要力学性能2.3.8应力集中

由于结构与使用等方面的需要，许多构件常常带有沟槽（如螺纹）、油孔和圆角（构件由粗到细的过渡圆角）等。在外力作用下，构件中邻近沟槽、油孔或圆角的局部范围内，应力急剧增大。例如，图2-23(a)所示含圆孔的受拉薄板，圆孔处截面A-A上的应力分布如图2-23(b)所示，最大应力σmax显著超过该截面的平均应力。由于截面急剧变化所引起的应力局部增大现象称为应力集中。图2-23应力集中的程度用应力集中因数Ｋ表示，其定义为（2-9）式中：σn

为名义应力；σmax为最大局部应力。名义应力是在不考虑应力集中条件下求得的平均应力。最大局部应力是由试验或数值计算方法确定的。图2-24给出了含圆孔与带圆角板件在轴向受力时的应力集中系数。图2-24各种材料对应力集中的敏感程度并不相同。对于由脆性材料制成的构件，当由应力集中所形成的最大局部应力σmax到达强度极限时，构件即发生破坏。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中对杆件承载能力的削弱。但是，像灰口铸铁这类材料，其内部的不均匀性与缺陷往往是应力集中的主要因素，而杆件外形改变引起的应力集中成为次要因素，对杆件的承载能力不会带来明显的影响。图2-25对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度影响很小。因为当局部最大应力σmax达到屈服应力σs后，该处材料的变形可以继续增长而应力却不再加大。如果继续增大载荷，则所增加的载荷将由同一截面的未屈服部分承担，以致屈服区不断扩大（见图2-25），应力分布逐渐趋于均匀。所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常可以不考虑应力集中的影响。

然而，对于周期性变化的应力或冲击载荷作用下的构件，应力集中对各种材料的强度都有很大的影响，往往是构件破坏的根源。这一问题将在第10章中讨论。所以，在工程设计中，要特别注意减小构件的应力集中。

2.4拉压杆的强度计算

2.4.1失效与许用应力

材料的拉伸压缩试验表明，当正应力达到强度极限σb时，会引起断裂；对于塑性材料，在断裂之前，当正应力达到屈服极限σs时，将产生屈服（显著塑性变形）。构件工作时发生断裂是不允许的，发生屈服一般也是不允许的，因为出现塑性变形后，构件的形状尺寸发生了变化，已经不能正常工作。所以，从强度方面考虑，断裂是构件破坏或失效的一种形式，屈服是构件破坏或失效的另一种形式。除强度失效外，构件还有刚度失效、稳定性失效、疲劳破坏等等。本节主要讨论拉压杆的强度失效问题，其他形式的失效将于以后介绍。通常将材料的强度极限与屈服极限统称为材料的极限应力，用σu表示。对于脆性材料，强度极限为其唯一强度指标，通常以强度极限作为极限应力；对于塑性材料，其屈服应力小于强度极限，通常以屈服应力作为极限应力。

根据分析计算所得构件的应力，称为工作应力。在理想情况下，为了充分利用材料的强度，似乎可以使构件的工作应力接近于材料的极限应力，但实际上是不可能的，原因如下：

(1）作用在构件上的外力常常估计不准确。

(2）构件的外形与所受外力往往比较复杂，进行分析计算常常需要进行一些简化。因此，计算所得应力（即工作应力）与实际应力有一定的差别。

（3）实际材料的组成与品质难免存在差异，不能保证构件所用材料与标准试样具有完全相同的力学性能，更何况由标准试样测得的力学性能，本身也带有一定的分散性，这种差别在脆性材料中尤为显著。

所有这些不确定因素，都有可能使构件的实际工作条件比设想的要偏于不安全的一面。

（4）为了确保安全，构件还应具有适当的强度储备，特别是对于因破坏将带来严重后果的构件，更应该给予较大的强度储备。

由此可见，构件工作应力的最大容许值，必须低于材料的极限应力。对于由确定材料制成的具体构件，工作应力的最大容许值，称为许用应力，并用［σ］表示。许用应力与极限应力的关系为式中，n为大于1的因数，称为安全因数。如上所述，安全因数是由多种因素决定的。各种材料在不同工作条件下的安全因数或许用应力，可从有关规范或设计手册中查到。在一般静强度计算中，对于塑性材料，按屈服应力所规定的安全因数ns通常取为1.5～2.2；对于脆性材料，按强度极限所规定的安全因数nb通常取为3.0～5.0，甚至更大。2.4.2强度条件

根据以上分析，为了保证拉压杆在工作时不因强度不够而破坏，杆内的最大工作应力σmax不得超过材料的许用应力［σ］，即要求（2-11）上述判据称为拉压杆的强度条件或强度设计准则。对于等截面拉压杆，上式可写为（2-12）

利用上述条件，可以解决以下三类强度问题：

(1）强度校核。当已知拉压杆的截面尺寸、许用应力和所受外力时，通过比较工作应力与许用应力的大小，以判断该杆在所受外力作用下能否安全工作。

(2）设计截面。如果已知拉压杆所受外力和许用应力，根据强度条件可以确定该杆所需横截面的面积，进而设计构件横截面各部分的尺寸。例如对于等截面拉压杆，其所需横截面的面积为（2-1３）

(3）确定承载能力。如果已知拉压杆的截面尺寸和许用应力，根据强度条件可以确定该杆所能承受的最大轴力，其值为（2-14）根据杆件所承受的最大轴力，进而确定结构所能承受的最大载荷，即许可载荷。

需要指出的是，如果工作应力σmax超过了许用应力［σ］，但只要超过量（即σmax与［σ］之差）不大，不超过许用应力的5%，在工程计算中仍然是允许的。

例2-4图2-26所示空心圆截面杆，外径D＝20mm，内径d＝15mm，承受轴向载荷F=20kN，材料的屈服应力σs＝235MPa，安全系数ns＝1.5。试校核杆的强度

解

杆件横截面上的正应力为。材料的许用应力为可见，工作应力小于许用应力，说明杆件能够安全工作。图2-26

例2-5

图2-27所示起重机的起重链条由圆钢制成，承受的最大拉力为F=15kN。已知圆钢材料为Q235钢，考虑到起重时链条可能承受冲击载荷，取许用应力［σ］=40MPa。若只考虑链环两边所受的拉力，试确定圆钢的直径d。

解

利用截面法，可以求得链环每边截面上的轴力为所需圆环的横截面面积由此可得链环的圆钢直径为故可选用d=16mm的标准链环圆钢。图2-27

例2-6图2-28(a)所示为简易旋臂式吊车，斜拉杆由两根50×50×5的等边角钢所组成，水平杆由两根10号槽钢组成。材料都是Q235钢，许用应力［σ］=120MPa。整个三角架可绕O1O1轴转动，电动葫芦可沿水平杆移动。当电葫芦在图示位置时，求最大起吊重量F（包括电葫芦自重）。两杆自重略去不计。

解

(1）受力分析。AB、AC两杆的两端均可简化为铰链连接，故吊车的计算简图如图2-28(b)所示。取节点A为研究对象，其受力图如图2-28(c)所示。设AC杆受拉力FN1，AB杆受压力FN2。由平面汇交力系的平衡条件图2-28(a)(b)

（2）

计算最大轴力。由附录B中的型钢表查得斜杆AC横截面面积A1=2×4.8×10-4m2。斜杆允许承担的最大轴力为对于水平杆AB，查得A2=2×12.74×10-4m2。水平杆允许承担的最大轴力为

（3）确定承载能力。将［FN1］代入式(a），得到按斜杆强度计算的吊车许用载荷［F1］:将［FN2］代入式（b），得到按水平杆强度计算的吊车许用载荷［F2］：为保证整个吊车的安全，取上述两个许用载荷中之较小者。故最大起吊重量为

2.5拉压杆的变形计算

2.5.1拉压杆的轴向变形与胡克定律

设杆件的原长为l（见图2-29），横截面积为A，在轴向拉力F的作用下，杆长变为l1，则杆件横截面上的正应力为(a)而其轴向变形为(b)由于拉压杆轴向应变是均匀的，因而其轴向线应变为(c)图2-29根据胡克定律，在比例极限内，线应变与正应力成正比，即(2-15)将式（a）与式（c）代入式(2-14)，可得（2-16）上述关系式仍称为胡克定律。它表明：在比例极限内，杆的轴向变形Δl与轴力FN及杆长l成正比，与乘积EA成反比。乘积EA称为杆截面的抗拉(压)刚度。显然，在一定轴向载荷作用下，抗拉刚度愈大，杆的轴向变形愈小。由式（2-16）可知，轴向变形Δl与轴力FN具有相同的正负符号，即伸长为正，缩短为负。2.5.2拉压杆的横向变形与泊松比

如图2-29所示，设杆件的原宽度为b，受力后，杆件宽度变为b1，所以，杆的横向变形为而横向线应变则为(2-17)

试验表明，轴向拉伸时，杆轴向尺寸伸长，其横向尺寸减小；轴向压缩时，杆沿轴线缩短，其横向尺寸增大。横向线应变ε′与轴向线应变ε恒为异号。试验还表明，在比例极限内，横向线应变与轴向线应变成正比。

设将横向线应变与轴向线应变之比的绝对值用μ表示，则由上述试验可知或（2-18）比例系数μ称为泊松比。在比例极限内，μ是一个常数，其值随材料而异，由试验测定。对绝大多数各向同性材料，0<μ<0.5。

弹性模量E与泊松比μ都是材料的弹性常数。对于各向同性材料，E和μ之值均与方向无关。几种常用材料的E和μ值如表2-2所示。表2-2常见材料的弹性模量与泊松比弹性常数钢与合金钢铝合金铜铸铁木（顺纹）200～22070～72100～12080～1608～120.25～0.300.26～0.340.33～0.350.23～0.27—

例2-7图2-30所示连接螺栓，连接部分的长度l=600mm，直径d=100mm，拧紧螺母时连接部分的伸长变形Δl=0.30mm，螺栓用钢制成，其弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.30。试计算螺栓横截面上的正应力、螺栓的预紧力及横向变形。

解

螺栓的轴向线应变为根据胡克定律，得螺栓横截面上的正应力为螺栓的预紧力为由式（2-17）知，螺栓的横向线应变为由此得螺栓的横向变形为即螺栓直径缩小0.015mm。图2-30

例2-8图2-31所示桁架由杆1和2组成，并在节点A承受集中载荷F作用。杆1用钢杆制成，弹性模量E1=200GPa，横截面积A1=100mm2，杆长l1=1m；杆2用硬铝管制成，弹性模量E2=70GPa，横截面积A2=250mm2；载荷F=10kN。求节点A的位移。

解

首先，根据节点A的平衡条件，求得杆1和杆2的轴力分别为（拉伸）(压缩)

设杆1的伸长为Δl1，并用AA1表示；杆2的缩短为Δl2，并用AA2表示，则由胡克定律可知：加载前，杆1与杆2在节点A相连，受力后，各杆的长度虽然改变，但仍然相交于一点。因此，为了确定节点A位移后的新位置，分别以B、C为圆心，BA1、CA2为半径画圆，其交点A′即为节点A的新位置（见图2-31(a)）。通常杆的变形均很小，上述圆弧线可近似地用其切线代替。于是，过A1与A2分别作BA1与CA2的垂线（见图2-31(b)），其交点A3可视为节点A的新位置。这种确定桁架节点位移的方法称为威里沃特图解法。

按此方法，得节点A的水平与铅垂位移分别为与结构原尺寸相比为很小的变形，称为小变形。在小变形条件下，通常即可按结构原有几何形状与尺寸计算约束力与内力，并可采用上述以切线代替圆弧的方法确定位移。因此，小变形是一个十分重要的概念，利用此条件，可使许多问题的分析计算大为简化。图2-312.5.3轴向拉压时的应变能

在外力作用下，弹性体发生变形，载荷在相应位移上做功。与此同时，弹性体因变形具有做功的能力，即具有能量。当外力逐渐减小时，变形逐渐消失，弹性体又将释放出储存的能量而做功。如机械钟表的发条被拧紧而产生变形，发条内储存能量；随后发条在放松的过程中释放能量，带动齿轮系使指针转动。弹性体因变形而储存的能量，称为应变能，并用Vε表示。根据功能原理，如果载荷是由零逐渐、缓慢地增加，以致在加载过程中弹性体的动能与热能的变化均可忽略不计，则贮存在弹性体内的应变能Vε等于外力所做之功W，即

图2-32(a)所示杆件承受轴向载荷作用。载荷f由零逐渐增加，最后达到最大值F；载荷f的相应位移δ也随之增长，最后达到最大值Δl。在线弹性范围内，载荷f与位移δ成线性关系，其关系如图2-32(b)所示。在加载过程中，载荷所做之总功，数值上等于图示三角形OAB的面积，即图2-32对于两端承受轴向载荷F作用下的等截面直杆，FN=F，其轴向变形为故由式（d）、（e）、（f）可知，拉压杆的变形能为（f）

弹性体单位体积内存储的应变能称为应变能密度，并用νε表示。因为拉压杆各部分的受力与变形是均匀的，杆的每一单位体积贮存的变形能应相同，所以其应变能密度为（2-20）

例2-9试用能量法求例2-8桁架节点

的竖直位移

Δy。

解根据功能原理，载荷

所作之功等于桁架各杆贮存的应变能。即将

代入上式，得≈1.404×10-3m其结果与位移图解法所得结果相同。

2.6简单拉压静不定问题

2.6.1静不定问题分析

在前面讨论的问题中，杆件的约束力与轴力都可由静平衡方程完全确定，这类问题称为静定问题。在有些情况下，杆件的约束力与轴力并不能全由静平衡方程解出，这类问题称为静不定问题或超静定问题。在静定问题中，未知力的数目等于独立静平衡方程的数目，所有未知力具有确定的解；在静不定问题中，未知力的数目多于独立静平衡方程的数目，即存在所谓的多余约束，未知力的解不完全确定。未知力数目与独立静平衡方程数目之差称为静不定次数。在工程中，静不定结构得到广泛应用。多余约束使结构由静定变为静不定，问题由静力学可解变为静力学不可解，这只是问题的一方面。问题的另一方面是，多余约束对结构的变形有着限制作用，而变形与力又紧密相关，这就为求解静不定问题提供了补充条件。求解静不定问题需从静平衡、力与变形之间的关系及变形协调三个方面综合考虑。下面具体说明静不定问题分析求解的方法以及静不定结构的特性。

图2-33(a)为一简单桁架。1、2杆各截面具有相同的抗拉刚度，均为E1A1，杆3各截面的抗拉刚度为E3A3，杆1与杆3的长度分别为l1与l3，α、F均为已知，试求各杆的轴力。

取节点A为研究对象。在载荷F作用下，各杆均伸长，故可设各杆均受拉，节点A的受力如图2-33(b)所示，其独立平衡方程为（a）（b）图2-33

这里存在三个未知力，但是只有两个独立平衡方程，故为一静不定问题。

桁架三根杆原交于一点A，变形后它们仍交于一点，此外，由于杆1与杆2的受力及抗拉刚度均相同，节点A应沿铅垂方向下移，由A移动到A′，桁架的变形如图2-33(c)所示。可见，为保证三杆变形后仍交于一点，即保证结构的连续性，杆1、杆2的变形Δl1、Δl2与杆3的变形Δl3之间应满足如下关系:保证结构连续性所满足的变形几何关系，称为变形协调条件，该条件用数学方程写出来称之为变形协调方程。变形协调条件即为求解静不定问题的补充条件。(c)设三杆的变形均处于线弹性范围，则由胡克定律可知，各杆的变形与轴力间的关系分别为(d)(e)表示变形与轴力的关系式称为物理方程。将式（d）、（e）代入式（c），得到用轴力表示的变形协调方程即补充方程(f)最后，联立求解方程（a）、（b）、（f），得(g)(h)所得结果均为正，说明各杆轴力均为拉力的假设是正确的。

由式（g）、（h）可以看出，各杆的轴力不仅与载荷F及杆间夹角α有关，而且与杆的抗拉刚度有关。一般来说，增大某杆刚度，该杆的轴力亦相应增大。实际上，这也正是静不定问题区别于静定问题的一个重要特征。

综上所述，求解静不定问题必须考虑以下三个方面：满足静平衡方程；满足变形协调条件；符合力与变形之间的物理关系。概而言之，即应综合考虑静力学、几何与物理三方面。

例2-10图2-34所示结构，梁BD可视为刚体，载荷F=50kN，杆1与杆2的弹性模量均为E，横截面面积均为A，许用拉应力［σt］=160MPa，许用压应力［σc］=120MPa，试确定各杆的横截面面积。

解

(1)问题分析。刚性梁BD在B处受固定铰链支座约束，如果再受杆1或杆2中某一个二力杆件约束，结构就是一个平面静定结构；但是该结构是在杆1与杆2共同约束下，显然存在着多余约束，属于静不定结构。

在载荷F作用下，刚性梁BD将绕B点沿顺时针方向作微小转动（如图2-34(a)之虚线所示），杆1伸长，杆2缩短。与此相应，杆1受拉，杆2受压，其受力如图2-34(b)所示，未知约束力共有4个，平面任意力系的独立平衡方程只有3个，故为一静不定问题。图2-34

(2)建立平衡方程。因为本例只需求出轴力FN1与FN2，建立平衡方程（a）另外两个包括未知力FBx、FBy的平衡方程不必一一列出。

(3)建立补充方程。由变形关系图2-34(a)，可写出变形协调方程为（b）根据胡克定律，得物理方程（c）（d）将式（c）、（d）代入式（b），得补充方程为（e）

(4)轴力计算与截面设计。联立求解平衡方程（a）与补充方程（e），得

根据拉压杆的强度条件，得杆1与杆2所需之横截面面积分别为但是，由于该结构的轴力是在A1=A2的条件下求得的，如果杆1与杆2取不同的面积，轴力将随之改变。因此，应取

(5)讨论。

求解静不定问题，在画变形图与受力图时，应该使受力图中的拉力或压力，分别与初步分析的变形图中的伸长与缩短一一对应，这样，建立物理方程时，仅需考虑绝对值即可。最后求得的轴力为正，说明对结构的变形与受力分析符合实际；否则，与之对应的变形及受力与初步分析的方向相反。2.6.2热应力与预应力

静不定问题的另一重要特征是，温度的变化以及制造误差也会在静不定结构中产生应力，这些应力分别称为热应力（温度应力）与预应力（初应力、装配应力）。

静不定结构中的热应力是由于热膨胀（或收缩）受到约束而引起的。设杆件的原长为l，材料的线膨胀系数为αl，则当温度改变ΔT时，杆长的改变量为（2-21）

对于图2-35所示的两端固定杆，由于温度变形被固定端所限制，杆内即引起热应力。图2-35为了分析该杆的热应力，假想地将B端的约束解除，以支反力FR代替其作用，杆的轴向变形包括由温度引起的变形和约束力引起的变形两部分，即由于杆的总长不变，因而有由此求得杆内横截面上的正应力即热应力为

不难看出，当温升较大时，热应力的数值相当可观，不可忽视。例如，对于钢管，E=200GPa，αl=1.25×10-5/℃，ΔT=40℃时，杆内的热应力σT=100MPa。为了避免出现过高的热应力，蒸汽管道中有时设置伸缩节（见图2-36），钢轨在两段接头之间预留一定量的缝隙等等，以削弱热膨胀所受的限制，降低温度应力。图2-36在加工制造构件时，尺寸上的一些微小误差难以避免。对于静定结构，加工误差只不过是造成结构几何形状的微小变化，不会引起内力。但对静不定结构，加工误差却往往要引起内力。例如图2-33所示桁架，若杆3比设计长度短Δ，装配时为了将三根杆下端联结于一点，必须使杆3拉长，使杆1、2缩短。杆系经装配后，杆3内便产生拉应力，而杆1、2内便产生压应力。这种由于加工误差而在装配时产生的应力称为装配应力。装配应力是在载荷作用以前已经具有的应力，因而是一种初应力、预应力。工程实际中，常利用预应力进行某些构件的装配（例如将轮圈套装在轮毂上），或提高某些构件的承载能力（例如预应力混凝土构件）。

2.7连接件的强度计算

2.7.1剪切与剪切强度条件

如图2-37所示，当作为连接件的销钉两侧承受一对大小相等、方向相反、作用线互相平行且相距很近的力作用时，其主要失效形式之一是沿两侧外力之间、并与外力作用线平行的横截面发生剪切破坏。发生剪切破坏的横截面称为剪切面。剪切面上的内力既有剪力FS，又有弯矩，但弯矩很小，可以忽略。利用截面法和静力平衡方程不难求得剪切面上的剪力。例如，由图2-37(c)可得

剪切面上的实际应力分布很复杂，切应力也非均匀分布。在实用计算中，一般假定剪切面上的切应力是均匀分布的。于是，有（2-22)式中：A为剪切面的面积；FS为作用在该剪切面上的剪力。

实用计算的剪切强度条件为（2-23）式中：［τ］为连接件的许用切应力，即（2-24）τb是根据连接件实物进行剪切破坏实验得到的强度极限，即通过试验获得破坏时的剪力值FSb，再由式（2-22）算得强度极限τb。τ与τb都是在同样假定前提下计算得到的应力数值，所以它们具有可比性。

实践表明，剪切实用计算中材料的许用切应力［τ］与拉伸许用应力［σ］有关，对于钢材（2-25）

需要注意的是，在计算中要具体分析确定连接件有几个剪切面，以及每个剪切面上的剪力。例如图2-37所示的铆钉只有一个剪切面，而图2-39所示的铆钉则有两个剪切面。图2-372.7.2挤压与挤压强度计算

在外力作用下，连接件与其所连接的构件相互接触并产生挤压，因而在二者接触面的局部区域产生垂直于接触面的挤压力Fbs与挤压应力σbs。挤压应力过大时，二者接触的局部区域内将产生显著的塑性变形或被压溃，从而导致配合失效。

挤压接触面上的应力分布也是很复杂的。因此，在工程中同样采取实用计算的方法，即假定挤压应力在有效挤压面上均匀分布。有效挤压面简称挤压面，其面积用符号Abs表示，它是指实际挤压面面积在垂直于总挤压力作用线平面上的投影。若实际挤压面为平面，如图2-38(a)所示的键，则图示阴影部分实际挤压面的面积就是有效挤压面的面积Abs。对于销钉、铆钉等圆柱形连接件，其实际挤压面为半圆柱面，挤压面上的实际应力分布如图2-38(b)所示。图2-38根据试验与分析结果，其最大挤压应力约等于有效挤压面上的平均应力。故对于圆柱形连接件，若直径为d，连接板厚度为δ，则有效挤压面的面积为Abs=δd。于是，挤压应力为（2-26）实用计算的挤压强度条件为（2-27）式中：［σbs］为许用挤压应力，它也是根据同类构件的挤压破坏试验确定极限挤压力，并由式（2-26）计算名义挤压强度极限，再除以挤压安全因数得到的。试验表明，对于钢材式中：［σ］为拉伸许用应力。

例2-11图2-39所示的钢板铆接件中，已知钢板的许用应力为［σ］=98MPa，许用挤压应力［σbs］=196MPa，钢板厚度δ=10mm，宽度b=100mm，铆钉直径d=17mm，铆钉许用切应力［τ］=137MPa，挤压许用应力为［σbs］=314MPa。若载荷Fp=23.5kN。试校核钢板与铆钉的强度。

解

(1）接头破坏形式分析。铆接接头的破坏形式可能有如下四种：铆钉被剪断；铆钉与孔壁相互挤压产生显著塑性变形；钢板沿铆钉孔中心所在的截面被拉断；钢板被拉豁。对于钢板，由于自铆钉孔边缘线至端部的距离比较大，该钢板纵向承受剪切的面积较大，因而具有较高的抗剪切强度，拉豁的可能性比较小。因此，本例中只需校核钢板的拉伸强度和挤压强度，以及铆钉的挤压和剪切强度。现分别计算如下：图2-39

（2）对钢板进行强度校核。

拉伸强度校核：考虑到铆钉孔对钢板的削弱，有钢板的拉伸强度是安全的。

挤压强度校核：在图示情况下，钢板所受的总挤压力大小等于Fp，有效挤压面面积为Abs=dδ，于是有钢板的挤压强度也是安全的。

（3）对铆钉进行强度校核。剪切强度：在图2-39所示的情况下，铆钉有两个剪切面，每个剪切面剪力为，于是有铆钉的剪切强度是安全的。

挤压强度：铆钉的总挤压力与有效挤压面面积均与钢板相同，而且挤压许用应力较钢板为高，而钢板的挤压强度已校核是安全的，故无需重复计算。

所以整个连接结构的强度都是安全的。

例2-12如图2-40所示,齿轮用平键与轴联结（图中只画出了轴与键，没有画齿轮）。已知轴的直径d=70mm，键的尺寸为b×h×l=(20×12×100)mm，传递的扭转力偶矩为Me=2kN·ｍ，键的许用切应力［τ］=60MPa，许用挤压应力为［σbs］=100MPa。试校核键的强度。

解

(1)校核键的剪切强度。

键的剪切面为n-n面，其面积为A=bl，因为假设在n-n截面上切应力均匀分布，故n-n截面上的剪力为对矩心O取矩，由平衡条件∑MO=0，得故有图2-40第3章

扭

转3.1引言

3.2扭力偶矩、扭矩与扭矩图

3.3薄壁圆筒扭转试验与剪切胡克定律

3.4圆轴扭转的应力与变形

3.5圆轴扭转时的强度条件与刚度条件

3.6圆柱形密圈螺旋弹簧的应力与变形

3.7非圆截面轴扭转 3.1引

言

扭转是杆件的基本变形形式之一。例如，汽车的转向轴（见图3-1(a)）上端受到经由方向盘传来的力偶Me作用，下端承受来自转向器的阻抗力偶Me′作用，转向轴各横截面绕轴线作相对转动（见图3-1(b)）。再如变速机构中的传动轴（见图3-2(a)），轴上每个齿轮都承受圆周力Fi和径向力