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第7章 弯曲应力


第 7 章 弯曲应力
7.1 引言
前一章讨论了梁在弯曲时的内力——剪力和弯矩。但是,要解决梁的弯曲强度问 题,只了解梁的内力是不够的,还必须研究梁的弯曲应力,应该知道梁在弯曲时,横 截面上有什么应力,如何计算各点的应力。 在一般情况下,横截面上有两种内力——剪力和弯矩。由于剪力是横截面上切向 内力系的合力, 所以它必然与切应力有关; 而弯矩是横截面上法向内力

系的合力偶矩, 所以它必然与正应力有关。由此可见,梁横截面上有剪力 FQ 时,就必然有切应力 τ ; 有弯矩 M 时,就必然有正应力 ? 。为了解决梁的强度问题,本章将分别研究正应力与 切应力的计算。

7.2 弯曲正应力
7.2.1 纯弯曲梁的正应力 由前节知道,正应力只与横截面上的弯矩有关,而与剪力无关。因此,以横截面 上只有弯矩,而无剪力作用的弯曲情况来讨论弯曲正应力问题。 在梁的各横截面上只 有弯矩,而剪力为零的弯 曲,称为纯弯曲。如果在 梁的各横截面上,同时存 在着剪力和弯矩两种内 力,这种弯曲称为横力弯 曲或剪切弯曲。例如在图 7-1 所示的简支梁中,BC 段为纯弯曲,AB 段和 CD 段为横力弯曲。 分析纯弯曲梁横截面 上正应力的方法、步骤与 分析圆轴扭转时横截面上 切应力一样,需要综合考 虑问题的变形方面、物理 方面和静力学方面。 图 7-1 变形方面 为了研究与横截面上正应力相应的纵向线应变,首先观察梁在纯弯曲 时的变形现象。为此,取一根具有纵向对称面的等直梁,例如图 7-2(a)所示的矩形截
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面梁, 并在梁的侧面上画出垂直于轴线的横向线 m-m、 和平行于轴线的纵向线 d-d、 n-n b-b。然后在梁的两端加一对大小相等、方向相反的力偶 M e ,使梁产生纯弯曲。此时 可以观察到如下的变形现象。 纵向线弯曲后变成了弧线 a ' a ' 、b ' b ' , 靠顶面的 aa 线缩短了, 靠底面的 bb 线伸长 了。横向线 m-m、n-n 在梁变形后仍为直线,但相对转过了一定的角度,且仍与弯曲 了的纵向线保持正交,如图 7-2(b)所示。 梁内部的变形情况无法直接观察,但根据梁表面的变形现象对梁内部的变形进行 如下假设: (1) 平面假设 梁所有的横截面变形后仍为平面.且仍垂直于变形后的梁的轴线。 (2) 单向受力假设 认为梁由许许多多根纵向纤维组成, 各纤维之间没有相互挤压, 每根纤维均处于拉伸或压缩的单向受力状态。 根据平面假设,前面由实验观察到的变形现象已经可以推广到梁的内部。即梁在 纯弯曲变形时,横截面保持平面并作相对转动,靠近上面部分的纵向纤维缩短,靠近 下面部分的纵向纤维伸长。由于变形的连续性,中间必有一层纵向纤维既不伸长也不 缩短,这层纤维称为中性层(图 7-3)。中性层与横截面的交线称为中性轴。由于外力偶 作用在梁的纵向对称面内因此梁的变形也应该对称于此平面,在横截面上就是对称于 对称轴。所以中性轴必然垂直于对称轴,但具体在哪个位置上,目前还不能确定。

考察纯弯曲梁某一微段 dx 的变形(图 7-4)。设弯曲变形以后,微段左右两横截面 的相对转角为 d?,则距中性层为 y 处的任一层纵向纤维 bb 变形后的弧长为

b'b' ? ( ρ ? y)dθ
式中, ρ 为中性层的曲率半径。该层纤维变形前的长度与中性层处纵向纤维 OO 长度 相等,又因为变形前、后中性层内纤维 OO 的长度不变,故有

bb ? OO ? O'O' ? ρdθ
由此得距中性层为 y 处的任一层纵向纤维的线应变

ε?

b'b' ? bb (ρ ? y)dθ ? ρdθ y ? ? bb ρdθ ρ
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(a)

上式表明,线应变 ε ?随 y 按线性规律变化。 物理方面 根据单向受力假设,且材料在拉伸及压缩时的弹性模量 E 相等,则由 虎 克定律,得

σ ? Eε ? E

y ρ

(b)

式(b)表明,纯弯曲时的正应力按线性规律变化,横截面上中性轴处,y=0,因而 ?=0,中性轴两侧,一侧受拉应力,另一侧受压应力,与中性轴距离相等各点的正应 力数值相等(图 7-5) 。 静力学方面 虽然已经求得了由式(b)表示的正应力分布规律,但因曲率半径?和 中性轴的位置尚未确定,所以不能用式(b)计算正应力,还必须由静力学关系来解决。 在图 7-5 中,取中性轴为 z 轴,过 z、y 轴的交点并沿横截面外法线方向的轴为 x 轴,作用于微面积 dA 上的法向微内力为 ?dA 。在整个横截面上,各微面积上的微内 力构成一个空间平行力系。由静力学关系可知,应满足

?F

x

? 0 , ?M y ? 0 ,

?M

z

? 0 三个平衡方程。

由于所讨论的梁横截面上设有轴力, FN ? 0 ,故由

?F

x

? 0 ,得
(c)

FN ? σdA ?0
A

?

将式(b)代人式(c),得

? σdA ?? E ρ dA ? ρ ? ydA ? ρ S
A A A

y

E

E

z

?0

式中,E/??恒不为零,故必有静矩 S z ?

? ydA ?0 ,由第 5 章知道,只有当 z 轴通过
A

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截面形心时,静矩 Sz 才等于零。由此可得结论:中性轴 z 通过横截面的形心。这样就 完全确定了中性轴在横截面上的位置。 由于所讨论的梁横截面上没有内力偶 My,因此由

?M

y

? 0 ,得
(d)

M y ? zσdA ?0
A

?

将式(b)代人式(d),得

? zσdA ? ρ ? yzdA ? ρ I
A A

E

E

yz

?0

上式中,由于 y 轴为对称轴,故 I yz ? 0 ,平衡方程 纯弯曲时各横截面上的弯矩 M 均相等。因此,由

?M
z

z

? 0 自然满足。

?M

? 0 ,得
(e)

M?
将式(b)代人式(e),得

? yσd A
A

M?
由式(f)得

? yE ρ dA ? ρ ? y dA ? ρ I
2 A A

y

E

E

z

(f)

1 M ? ρ EI z

(7-1)

式中,1 ρ 为中性层的曲率,EIz 为抗弯刚度,弯矩相同时,梁的抗弯刚度愈大,梁的 曲率越小。最后,将式(7-1)代入式(b),导出横截面上的弯曲正应力公式为

σ?

My Iz

(7-2)

式中,M 为横截面上的弯矩,Iz 为横截面对中性轴的惯性矩,y 为横截面上待求应力 的 y 坐标。应用此公式时,也可将 M、y 均代入绝对值, ? 是拉应力还是压应力可根 据梁的变形情况直接判断。以中性轴为界,梁的凸出一侧为拉应力,凹入一侧为压应 力。 以上分析中,虽然把梁的横截面画成矩形,但在导出公式的过程中,并没有使用 矩形的几何性质。所以,只要梁横截面有一个对称轴,而且载荷作用于对称轴所在的 纵向对称面内,式(7-1)和式(7-2)就适用。 由式(7-2)可见,横截面上的最大弯曲正应力发生在距中性轴最远的点上。用 ymax 表示最远点至中性轴的距离,则最大弯曲正应力为
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σ max ?
上式可改写为

Mymax Iz

σ max ?
其中

M Wz

(7-3)

Wz ?

Iz y max

(7-4)

为抗弯截面系数,是仅与截面形状及尺寸有关的几何量,量纲为[长度]3。高度为 h、 宽度为 b 的矩形截面梁,其抗弯截面系数为

Wz ?

bh3 / 12 bh2 ? h/ 2 6

直径为 D 的圆形截面梁的抗弯截面系数为

Wz ?

πD4 / 64 πD3 ? D/ 2 32

工程中常用的各种型钢,其抗弯截面系数可从附录的型钢表中查得。当横截面对中性 轴不对称时.其最大拉应力及最大压应力将不相等。用式(7-3)计算最大拉应力时,可 在式(7-4)中取 ymax 等于最大拉应力点至中性轴的距离;计算最大压应力时,在式(7-4) 中应取 ymax 等于最大压应力点至中性轴的距离。 例 7-1 受纯弯曲的空心圆截面梁如图 7-6(a)所示。已知:弯矩 M= l kN.m,外径 D=50mm,内径 d=25mm。试求横截面上 a、b、c 及 d 四点的应力,并绘过 a、b 两点的 直径线及过 c、d 两点弦线上各点的应力分布图。

解:
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(1) 求 Iz

?( D 4 ? d 4 ) π(504 ? 254 ) Iz ? ? ? (10?3 ) 4 m 4 ? 2.88? 10?7 m 4 64 64
(2) 求? a 点

ya ?

D ? 25mm 2

M 1? 103 σa ? ya ? ? 25? 10?3 Pa ? 86.8MPa(压应力) ?7 Iz .88? 10
b 点

yb ?

d ? 12.5mm 2

σb ?
c 点

M 1? 103 yb ? ? 12.5 ? 10?3 Pa ? 43.4MPa(拉应力) Iz .88? 10?7
1 1

D2 d 2 2 502 252 2 yc ? ( ? ) ?( ? ) ? 21.7mm 4 4 4 4
σc ?
d 点

M 1? 103 yc ? ? 21.7 ? 10?3 Pa ? 75.3MPa(压应力) ?7 Iz .88? 10
yd ? 0
σd ? M yd ? 0 Iz

给定的弯矩为正值,梁凹向上,故 a 及 c 点是压应力,而 b 点是拉应力。过 a、b 的直 径线及过 c、d 的弦线上的应力分布图如图 7-6(b)、(c)所示。 7.2.2 横力弯曲梁的正应力 公式 (7-2) 是纯弯曲情况下以 7-2-1 提出的 两个假设为基础导出的。 工程上最常见的弯曲问 题是横力弯曲。 在此情况下, 梁的横截面上不仅 有弯矩,而且有剪力。由于剪力的影响,弯曲变 形后, 梁的横截面将不再保持为平面, 即发生所
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谓的“翘曲”现象,如图 7-7(a) 。但当剪力为常量时,各横截面的翘曲情况完全相 同,因而纵向纤维的伸长和缩短与纯弯曲时没有差异。图 7-7(b)表示从变形后的横 力弯曲梁上截取的微段,由图可见,截面翘曲后,任一层纵向纤维的弧长 A’B’,与横 截面保持平面时该层纤维的弧长完全相等,即 A’B’=AB。所以,对于剪力为常量的横 力弯曲,纯弯曲正应力公式(7-2)仍然适用。当梁上作用有分布载荷,横截面上的剪力 连续变化时,各横截面的翘曲情况有所不同。此外,由于分布载荷的作用,使得平行 于中性层的各层纤维之间存在挤压应力。但理论分析结果表明,对于横力弯曲梁,当 跨度与高度之比 l/h 大于 5 时,纯弯曲正应力计算公式(7-2)仍然是适用的,其结果能 够满足工程精度要求。 例 7-2 槽形截面梁如图 7-8(a)所示,试求梁横截面上的最大拉应力。 解 绘 M 图,得 B、C 两截面的弯矩 M B ? ?10kN.m, M C ? 7.5kN.m,如图 7-8(b)所示。

求截面的形心及对形心轴的惯性矩,取参考坐标 z1Oy,如图 7-8(c)所示,得截面形心 C 的纵坐标

y?
因 y 为对称轴,故

350 ? 500 ? 250 ? 250 ? 400 ? 200 mm ? 317 mm 350 ? 500 ? 250 ? 400

z1 ? 0
过形心 C 取 z 轴,截面对 z 轴的惯性矩为

1 I z ? { ? 350 ? 5003 ? 350 ? 500 ? (317 ? 250) 2 12 1 ? [ ? 250 ? 4003 ? 250 ? 300 ? (317 ? 200) 2 ]}mm4 12
? 1728? 106 mm4
B 截面的最大拉应力为
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σ Bt ?

MB 10 ? 103 ? (500? 317) ? 10?3 y max ? Pa ? 1.06MPa Iz 1728? 106 ? (10?3 ) 4 MC 7.5 ? 103 ? 317? 10?3 y max ? Pa ? 1.38MPa Iz 1728? 106 ? (10?3 ) 4

C 截面的最大拉应力为

σ Ct ?

可见,梁的最大拉应力发生在 C 截面的下部边缘线上。

7.3 弯曲切应力
横力弯曲时,梁横截面上的内力除弯矩外还有剪力,因而在横截面上除正应力外 还有切 应力。本节按梁截面的形状,分几种情况讨论弯曲切应力。 7.3.1 矩形截面梁的切应力 在图 7-9(a)所示矩形截面梁的任意截面上, 剪力 FQ 皆与截面的对称轴 y 重合, 见 图 7-9(b)。现分析横截面内距中性轴为 y 处的某一横线,ss’上的切应力分布情况。 根据切应力互等定理可知,在截面两侧边缘的 s 和 s’处,切应力的方向一定与截 面的侧边相切,即与剪力 FQ 的方向一致。而由对称关系知,横线中点处切应力的方 向,也必然与剪力 FQ 的方向相同。因此可认为横线 ss’上各点处切应力都平行于剪力 FQ。由以上分析,我们对切应力的分布规律做以下两点假设: 1.横截面上各点切应力的方向均与剪力 FQ 的方向平行。 2.切应力沿截面宽度均匀分布。

现以横截面 m-m 和 n-n 从图 7-9(a)所示梁中取出长为 dx 的微段, 见图 7-10(a)。 设作用 于微段左、右两侧横截面上的剪力为 FQ,弯矩分别为 M 和 M+dM,再用距中性层为 y 的 rs 截面取出一部分 mnsr,见图 7-10 (b)。该部分的左右两个侧面 mr 和 ns 上分别作
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用有由弯矩 M 和 M+dM 引起的正应力 ? mr 及 ? ns 。除此之外,两个侧面上还作用有 切应力 ? 。根据切应力互等定理,截出部分顶面 rs 上也作用有切应力 ? ' ,其值与距中 性层为 y 处横截面上的切应力 ? 数值相等,见图 7-10(b)、(c)。设截出部分 mnsr 的两 个侧面 mr 和 ns 上的法向微内力 ? mr dA 和 ? ns dA 合成的在 x 轴方向的法向内力分别 为 FN1 及 FN2,则 FN2 可表示为

FN 2 ?
同理

?

A1

σ ns dA ?

?

M ? dM M ? dM y1dA ? A1 Iz Iz

?

A1

y1dA ?

M ? dM * Sz Iz

(a)

FN 1 ?

M * Sz Iz

(b)

式中,A1 为截出部分 mnsr 侧面 ns 或 mr 的面积,以下简称为部分面积 S * 为 A1 对中 z 性轴的静矩。

考虑截出部分 mnsr 的平衡,见图 7-10(c).由

? Fx ? 0 ,得
(c)

FN 2 ? FN1 ? τ' bdx ? 0
将式(a)及式(b)代入式(c),化简后得

dM S * z τ ? dx I z b
'

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注意到上式中

dM ? FQ ,并注意到 ? ' 与 ? 数值相等,于是矩形截面梁横截面上的切 dx

应力计算公式为

τ?

FQ S * z I zb

(7-5)

式中,FQ 为横截面上的剪力,b 为截面宽度, I z 为横截面对中性轴的惯性矩, S * 为 z 横截面上部分面积对中性轴的静矩。 对于给定的高为 h 宽为 b 的矩形截 面(图 7-11),计算出部分面积对中性轴 的静矩如下
* SZ ?

?

A1

y1dA ?

?

b h2 by1dy1 ? ( ? y2 ) y 2 4
h/ 2

将上式代入(7-5) ,得

τ?

FQ 2I z

(

h2 ? y2 ) 4

(7-6)

由(7-6)可见,切应力沿截面高度按抛物线规律变化。当 y=±h/2 时,?=0,即截 面的上、下边缘线上各点的切应力为零。当 y=0 时,切应力?有极大值,这表明最大切 应力发生在中性轴上,其值为

τ max ?
将 I z ? bh3 / 12 代人上式,得

FQ h 2 8I z

τ max ?

3 FQ 2 bh

(7-7)

可见,矩形截面梁横截面上的最大切应力为平均切应力 FQ/bh 的 1.5 倍。 根据剪切虎克定律,由式(7-6)可知切应变

γ?

FQ h 2 τ ? ( ? y2 ) G 2GI z 4
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(7-8)

式(7-8)表明,横截面上的切应变沿截面高度按抛物线规律变化。沿截面高度各点具有 按非线性规律变化的切应变,这就说明横截面将发生扭曲。由式(7-8)可见,当剪力 FQ 为常量时, 横力弯曲梁各横截面 上对应点的切应变相等, 因而各 横截面扭曲情况相同。 这一情况 已在 5-7-2 中做了说明。 例 7-3 矩形截面梁的横截 面尺寸如图 7-12(b)所示。集中 力 F=88kN,试求 1-1 截面上的 最大切应力以及 a、b 两点的切 应力。 解 支反力 FA、FB 分别为 FA=40kN,FB=48kN 1-1 截面上的剪力 FQ1=FA=40kN 截面对中性轴的惯性矩

Iz ?
截面上的最大切应力

40 ? 703 ? (10?3 ) 4 m 4 ? 1.143? 10?6 m 4 12

? max
a 点的切应力

3 FQ1 3 ? 40 ? 103 ? ? Pa ? 21.4MPa 2 A 2 ? 40 ? 70 ? 10?6

S * ? Aa y a ? 40 ? ( z

70 1 70 ? 25) ? 10 ?6 ? [25 ? ? ( ? 25)] ? 10 ?3 m 3 ? 1.2 ? 10 ?5 m 3 2 2 2

τa ?
b 点的切应力

FQ1 S * z I zb

?

40 ? 103 ? 1.2 ? 10?5 Pa ? 10.5MPa 1.143? 10?6 ? 40 ? 10?3

S * ? Ab y b ? 40 ? ( z

70 1 70 ? 15) ? 10 ?6 ? [15 ? ? ( ? 15)] ? 10 ?3 m 3 ? 2 ? 10 ?5 m 3 2 2 2

τb ?

FQ1 S * z I zb

?

40 ? 103 ? 2 ? 10?5 Pa ? 17.5MPa 1.143? 10?6 ? 40 ? 10?3

7.3.2 工字形截面梁的切应力 工字形截面由上、下翼缘及腹板构成,见图 7-13(a),现分别研究腹板及翼缘上的
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切应力。

1.工字形截面腹板部分的切应力 腹板是狭长矩形,因此关于矩形截面梁切应力分布的两个假设完全适用。在工字 形截面梁上,用截面 m-m 和 n-n 截取 dx 长的微段,并在腹板上用距中性层为 y 的 rs 平面在微段上截取出一部分 mnsr,见图 7-13(b)、(c),考虑 mnsr 部分的平衡,可得腹 板的切应力计算公式

τ?

FQ S * z Izd

(7-9)

式(7-9)与式(7-5)形式完全相同,式中 d 为腹板厚度。 计算出部分面积 Al 对中性轴的静矩

S* ? z
代人式(7-9)整理,得

1 H h H h 1 h h ( ? )b( ? ) ? ( ? y )d ( ? y ) 2 2 2 2 2 2 2 2

τ?

FQ 8I z d

[b( H 2 ? h2 ) ? 4d (

h2 ? y 2 )] 4

(7-10)

由式(7-10)可见,工字形截面梁腹板上的切应力 ??按抛物线规律分布,见图 7-13(c)。 以 y=0 及 y=±h/2 分别代人式(7-10)得中性层处的最大切应力及腹板与翼缘交界处的最小切 应力分别为

τ max ?

FQ 8I z d

[bH 2 ? (b ? d )h2 ]

τ min ?

FQ 8I z d

[bH 2 ? bh2 ]

由于工字形截面的翼缘宽度 b 远大于腹板厚度 d,即 b ?? d ,所以由以上两式可以看
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出, ? max 与 ? min 实际上相差不大。因而,可以认为腹板上切应力大致是均匀分布的。 若以图 7-13(c)中应力分布图的面积乘以腹板厚度 d,可得腹板上的剪力 FQ1。计算结 果表明,FQ1 约等于(0.95-0.97) FQ。可见,横截面上的剪力 FQ 绝大部分由腹板承受。 因此,工程上通常将横截面上的剪力 FQ 除以腹板面积近似得出工字形截面梁腹板上 的切应力为

τ?

FQ hd

(7-11)

2.工字形截面翼缘部分的切应力 现进一步讨论翼绦上的切应力分布问题。在翼缘上有两个方向的切应力:平行于 剪力 FQ 方向的切应力和平行于翼绦边缘线的切应力。平行于剪力 FQ 的切应力数值极 小,无实际意义,通常忽略不计。在计算与翼缘边缘平行的切应力时,可假设切应力 沿翼缘厚度大小相等,方向与冀缘边缘线相平行,根据在冀缘上截出部分的平衡,由 图 7-13(d)可以得出与式(7-9)形式相同的冀缘切应力计算公式

τ?

FQ S * z I zt

(7-12)

式中 t 为翼缘厚度,图 7-13(c)中绘有冀缘上的切应力分布图。工字形截面梁翼缘上的 最大切应力一般均小于腹板上的最大切应力。 从图 7-13(c)可以看出,当剪力 FQ 的方向向下时,横截面上切应力的方向,由上 边缘的外侧向里,通过腹板,最后指向下边缘的外侧,好象水流一样,故称为“切应 力流” 。所以在根据剪力 FQ 的方向确定了腹扳的切应力方向后,就可由“切应力流” 确定翼缘上切应力的方向。对于其他的 L 形、丁形和 Z 形等薄壁截面,也可利用“切 应力流”来确定截面上切应力方向。 7.3.3 圆形截面梁的切应力

在圆形截面梁的横截面上,除中性轴处切应力与剪力平行外,其他点的切应力并 不平行于剪力。考虑距中性轴为 y 处长为 b 的弦线 AB 上各点的切应力如图 7-14(a)。 根据切应力互等定理,弦线两个端点处的切应力必与圆周相切,且切应力作用线交于 y 轴的某点 p。弦线中点处切应力作用线由对称性可知也通过 p 点。因而可以假设 AB 线上各点切应力作用线都通过同一点 p,并假设各点沿 y 方向的切应力分量 τ y 相等, 则可沿用前述方法计算圆截面梁的切应力分量 τ y ,求得 τ y 后,根据已设定的总切应 力方向即可求得总切应力 τ 。

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圆形截面梁切应力分量 τ y 的计算公式与矩形截面梁切应力计算公式形式相同。

τy ?

FQ S * z I zb

(7-13)

2 2 * 式中 b 为弦线长度, b ? 2 R ? y S z ;仍表示部分面积 A1 对中性轴的静矩,见图

7-14(b)。 圆形截面梁的最大切应力发生在中性轴上, 且中性轴上各点的切应力分量 τ y 与总 切应力 τ 大小相等、方向相同,其值为

τ max ?

4 FQ 3 πR2

(7-14)

由式(7-14)可见,圆截面的最大切应力 ? max 为平均切应力 7.3.4 环形截面梁的切应力

FQ πR 2

的 4/3 倍。

图 7-15 所示为一环形截面梁,已知壁厚 t 远小于平均半径 R,现讨论其横截面上 的切应力。环形截面内、外圆周线上各点的切应力与圆周线相切。由于壁厚很小,可 以认为沿圆环厚度方向切应力均匀分布并与圆周切线相平行。据此即可用研究矩形截 面梁切应力的方法分析环形截面梁的切应力。 在环形截面上截取 dx 长的微段, 并用与 纵向对称平面夹角 ??相同的两个径向平面在微段中截取出一部分如图 7-15(b),由于 对称性,两个 rs 面上的切应力 τ ' 相等。考虑截出部分的平衡图 7-15(b),可得环形截 面梁切应力的计算公式

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τy ?

FQ S * z 2tI z

(7-15)

式中,t 为环形截面的厚度。 环形截面的最大切应力发生在中性轴处。计算出半圆环对中性轴的静矩
* SZ ?

?

ydA ?2 R cos θtRdθ ? 2 R 2t
0

A1

?

π/ 2

及环形截面对中性轴的惯性矩

Iz ?

?

y 2dA ?2

A

?



R2 cos2 θtRdθ ? πR3t

0

将上式代入式(7-15)得环形截面最大切应力

τ max ?

FQ (2 R 2t ) 2tππ t
3

?

FQ πRt

(7-16)

注意上式等号右端分母?Rt 为环形横截面面积的一半,可见环形截面梁的最大切应力 为平均切应力的两倍。

7.4 弯曲强度计算
梁在受横力弯曲时,横截面上既存在正应力又存在切应力,下面分别讨论这两种 应力的强度条件。 7.4.1 弯曲正应力强度条件 横截面上最大的正应力位于横截面边缘线上,一般说来,该处切应力为零。有些 情况下,该处即使有切应力其数值也较小,可以忽略不计。所以,梁弯曲时,最大正 应力作用点可视为处于单向应力状态。因此,梁的弯曲正应力强度条件为

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? max ? (

M ) max ? [?] Wz

(7-17)

对等截面梁,最大弯曲正应力发生在最大弯矩所在截面上,这时弯曲正应力强度 条件为

? max ?

M max ? [?] Wz

(7-18)

式(7-17)、式(7-18)中,[?] 为许用弯曲正应力,可近似地用简单拉伸(压缩)时的许用应 力来代替,但二者是略有不同的,前者略高于后者,具体数值可从有关设计规范或手 册中查得。对于抗拉、压性能不同的材料,例如铸铁等脆性材料,则要求最大拉应力 和最大压应力都不超过各自的许用值。其强度条件为

?t max ? [?t ] , ? c max ? [? c ]
7.4.2 弯曲切应力强度条件

(7-19)

一般来说,梁横截面上的最大切应力发生在中性轴处,而该处的正应力为零。因 此最大切应力作用点处于纯剪切应力状态。这时弯曲切应力强度条件为

τ max ? (

FQ S* z I zb

)max ? [? ]

(7-20)

对等截面梁,最大切应力发生在最大剪力所在的截面上。弯曲切应力强度条件为

τ max ?

FQ max S * max z I zb

? [τ]

(7-21)

许用切应力[??通常取纯剪切时的许用切应力。 对于梁来说,要满足抗弯强度要求,必须同时满足弯曲正应力强度条件和弯曲切 应力强度条件。也就是说,影响梁的强度的因素有两个:一为弯曲正应力.一为弯曲 切应力。对于细长的实心截面梁或非薄壁截面的梁来说,横截面上的正应力往往是主 要的.切应力通常只占次要地位。例如图 7-16 所示的受均布载荷作用的矩形截面梁, 其最大弯曲正应力为

- 165 -

图 7-16

σ max ?

M max Wz

ql 2 3ql 2 ? 82 ? bh 4bh2 6

而最大弯曲切应力为

τ max
二者比值为

ql FQ max 3 2 3 3ql ? ? ? 2 A 2 bh 4bh

σ max τ max

3ql 2 l ? 4bh ? 3ql h 4bh

即,该梁横截面上的最大弯曲正应力与最大弯曲切应力之比等于梁的跨度 l 与截面高 度 h 的比。当 l>>h 时,最大弯曲正应力将远大于最大弯曲切应力。因此,一般对于细 长的实心截面梁或非薄壁截面梁,只要满足了正应力强度条件,无需再进行切应力强 度计算。但是,对于薄壁截面梁或梁的弯矩较小而剪力却很大时,在进行正应力强度 计算的同时,还需检查切应力强度条件是否满足。 另外,对某些薄壁截面(如工字形、T 字形等)梁,在其腹板与翼缘联接处,同时 存在相当大的正应力和切应力。这样的点也需进行强度校核,将在第 10 章进行讨沦。

- 166 -

例 7-4

图 7-17 T 形截面铸铁梁的载荷和截面尺寸如图 7-17(a)所示,铸铁抗拉许用应力

为 [? t ] =30MPa,抗压许用应力为 [? c ] =140MPa。已知截面对形心轴 z 的惯性矩为

I z ? 763cm4,且 y1 ? 52mm,试校核梁的强度。
解 由静力平衡方程求出梁的支反力为

FA ? 2.5kN, FB ? 10.5kN
做弯矩图如图 7-17(b)所示。最大正弯矩在截面 C 上,MC=2.5Kn.m,最大负弯矩在截 面 B 上, M B ? ?4kN.m。T 形截面对中性轴不对称,同一截面上的最大拉应力和压 应力并不相等。在截面 B 上,弯矩是负的,最大拉应力发生于上边缘各点,且

σt ?

M B y1 Iz

?

4 ? 103 ? 52 ? 10?3 Pa ? 27.2MPa 763? (10?2 ) 4

最大压应力发生于下边缘各点,且

σc ?

MB y2 Iz

?

40 ? 103 ? (120? 20 ? 52)? 10?3 Pa ? 46.2MPa 763? (10?2 ) 4

在截面 C 上,虽然弯矩 MC 的绝对值小于 MB,但 Mc 是正弯矩,最大拉应力发生 于截面的下边缘各点,而这些点到中性轴的距离却比较远,因而就有可能发生比截面 B 还要大的拉应力,其值为

σt ?

MC y2 Iz

?

2.5? 103 ? (120? 20 ? 52)? 10?3 Pa ? 28.8MPa 763? (10?2 ) 4

所以,最大拉应力是在截面 C 的下边缘各点处,但从所得结果看出,无论是最大 拉应力或最大压应力都未超过许用应力,强度条件是满足的。
- 167 -

由例 7-4 可见,当截面上的中性轴为非对称轴,且材料的抗拉、抗压许用应力数 值不等时,最大正弯矩、最大负弯矩所在的两个截面均可能为危险截面,因而均应进 行强度校核。 例 7-5 简支梁 AB 如图 7-18(a)所示。l=2m, a=0.2m。梁上的载荷为 q=10kN/m,F=200kN。材 料的许用应力为 [?] ? 160MPa, [?] ? 100MPa。试 选择适用的工字钢型号。 解 计算梁的支反力, 然后做剪力图和弯矩图, 如图 7-18(b)、(c)所示。 根据最大弯矩选择工字钢型号, M max ? 45kN·m, 由弯曲正庄力强度条件,有

Wz ?

M max 45? 103 3 ? m ? 281 3 cm 6 [?] 160? 10

查型钢表,选用 22a 工字钢,其 Wz ? 309cm3。校核 梁的切应力。 由表中查出, 代入切应力强度条件

Iz

* Sz

腹板厚度 d=0.75cm。 由剪力图 FQ max ? 210kN。 ? 18.9m,

τ max ?

FQ max S * z I zb

?

210? 103 Pa ? 148MPa? [τ] 18.9? 10?2 ? 0.75? 10?2

? max 超过 [?] 很多,应重新选择更大的截面。现以 25b 工字钢进行试算。由表查出,

Iz
* Sz

? 21.27cm,d=lcm。再次进行切应力强度校核。
210 ? 103 21.27 ? 10 ?2 ? 1 ? 10 ?2

? max ?

Pa ? 98.7MPa ? [?]

因此,要同时满足正应力和切应力强度条件,应选用型号为 25b 的工字钢。

7.5 提高弯曲强度的一些措施
前面曾经指出,弯曲正应力是控制抗弯强度的主要因素。因此,讨论提高梁抗弯

- 168 -

强度的措施, 应以弯曲正应力强度条件为主要依据。 σ max ? 由 为了提高梁的强度,可以从以下三方面考虑。 7.5.1 合理安排梁的支座和载荷

M max ? [σ] 可以看出, Wz

从正应力强度条件可以看出,在抗弯截面模量 Wz 不变的情况下,Mmax 越小,梁 的承载能力越高。因此,应合理地安排梁的支承及加载方式,以降低最大弯矩值。例 如图 7-19(a)所示简支梁,受均布载荷 q 作用,梁的最大弯矩为 M max ?

1 2 ql 。 8

图 7-19 如果将梁两端的铰支座各向内移动 0.2l,如图 7-19(b)所示,则最大弯矩变为

M max ?

1 2 ql ,仅为前者的 1/5。 40

由此可见,在可能的条件下,适当地调整梁的支座位置,可以降低最大弯矩值, 提高梁的承载能力。例如,门式起重机的大梁图 7-20(a),锅炉筒体图 7-20(b)等,就是 采用上述措施,以达到提高强度,节省材料的目的。

图 7-20 再如,图 7-21(a)所示的简支梁 AB,在集中力 F 作用下梁的最大弯矩为

- 169 -

M max ?

1 Fl 4

如果在梁的中部安置一长为 l/2 的辅助梁 CD(图 7-21b),使集中载荷 F 分散成两个 F/2 的集中载荷作用在 AB 梁上,此时梁 AB 内的最大弯矩为

M max ?

1 Fl 8

如果将集中载荷 F 靠近支座,如图(7-21c) 所示,则梁 AB 上的最大弯矩为

M max ?

5 Fl 36


由上例可见,使集中载荷适当分散和 使集载荷尽可能靠近支座均能达到降低最 大弯矩的目的。 7.5.2 采用合理的截面形状 由正应力强度条件可知,梁的抗弯能 力还取决于抗弯截面系数 WZ。 为提高梁的 抗弯强度,应找到一个合理的截面以达到 既提高强度,又节省材料的目的。比值

Wz A

图 7-21

可作为衡量截面是否合理的尺度,

Wz 值越大,截面越趋于合理。例如图 7-22 中 A

所示的尺寸及材料完全相同的两个矩形截面悬臂梁,由于安放位置不同,抗弯能力也 不同。竖放时

bh 2 Wz h ? 6 ? A bh 6
平放时

b2h Wz b ? 6 ? A bh 6
当 h>b 时,竖放时的

Wz W 大于平放时的 z ,因此,矩形截面梁竖放比平放更为合理。 A A
- 170 -

在房屋建筑中,矩形截面梁几乎都是竖放的,道理就在于此。 表 7-1 列出了几种常用截面的

Wz 值,由此看出,工字形截面和槽形截面最为合 A

理,而圆形截面是其中最差的一种,从弯曲正应力的分布规律来看,也容易理解这一 事实。以图 7-23 所示截面面积及高度均相等的矩形截面及工字形截面为例说明如下: 梁横截面上的正应力是按线性规律分布的,离中性轴越远,正应力越大。工字形截面 有较多面积分布在距中性轴较远处,作用着较大的应力,而矩形截面有较多面积分布 在中性轴附近,作用着较小的应力。因此,当两种截面上的最大应力相同时,工字形 截面上的应力所形成的弯矩将大于矩形截面上的弯矩。即在许用应力相同的条件下, 工字形截面抗弯能力较大。同理,圆形截面由于大部分面积分布在中性轴附近,其抗 弯能力就更差了。

图 7-22

图 7-23

W 表 7-1 几种常用截面的 z
截面形状 矩形 0.167h 圆形 0.125d

A


槽钢 (0.27~0.31)h 工字钢 (0.27~0.31)h

Wz

A

以上是从抗弯强度的角度讨论问题。工程实际中选用梁的合理截面,还必须综 合考虑刚度、稳定性以及结构、工艺等方面的要求,才能最后确定。 在讨论截面的合理形状时,还应考虑材料的特性。对于抗拉和抗压强度相等的材 料,如各种钢材,宜采用对称于中性轴的截面,如圆形、矩形和工字形等。这种横截 面上、下边缘最大拉应力和最大压应力数值相同,可同时达到许用应力值。对抗拉和 抗压强度不相等的材料,如铸铁,则宜采用非对称于中性轴的截面,如图 7-24 所示。 我们知道铸铁之类的脆性材料,抗拉能力低于抗压能力,所以在设计梁的截面时,应 使中性轴偏于受拉应力一侧,通过调整截面尺寸,如能使 y1 和 y2 之比接近下列关系:

σ t max ? σ c max

M max y1 Iz

M max y 2 Iz

?

y1 [σ t ] ? y 2 [σ c ]

- 171 -

图 7-24 则最大拉应力和最大压应力可同时接近许用应力, 式中 [? t ] 和 [? c ] 分别表示拉伸和压 缩许用应力。 7.5.3 采用等强度梁 横力弯曲时,梁的弯矩是随截面位置而变化的,若按式(7-18)设计成等截面的 梁,则除最大弯矩所在截面外,其它各截面上的正应力均未达到许用应力值,材料强 度得不到充分发挥。为了减少材料消耗、减轻重量,可把梁制成截面随截面位置变化 的变截面梁。若截面变化比较平缓,前述弯曲应力计算公式仍可近似使用。当变截面 梁各横截面上的最大弯曲正应力相同,井与许用应力相等时,即

σ max ?

M(x) ? [?] W(x)

时,称为等强度梁。等强度梁的抗弯截面模量随截面位置的变化规律为

Wz (x) ?

M(x) [?]

(7-22)

由式(7-22)可见,确定了弯矩随截面位置的变化规 律,即可求得等强度梁横截面的变化规律,下面举例说 明。 设图 7-25(a)所示受集中力 F 作用的简支梁为矩形截 面的等强度梁,若截面高度 h=常量,则宽度 b 为截面位 置 x 的函数,b=b(x),矩形截面的抗弯截面模量为

Wz ( x) ?

b ( x )h 2 6
F x 2
0? x? L 2
图 7-25

弯矩方程式为 M(x) ?

将以上两式代人式(7-22),化简后得

- 172 -

b( x) ?

3F x h 2 [?]

(a)

可见,截面宽度 b(x)为 x 的线性函数。由于约束与载荷均对称于跨度中点,因而 截面形状也对跨度中点对称(图 7-25b)。在左、右两个端点处截面宽度 b(x)=0,这显然 不能满足抗剪强度要求。为了能够承受切应力,梁两端的截面应不小于某一最小宽度

bmin ,见图 7-25(c)。由弯曲切应力强度条件
3 FQ max 3 ? ? [ ?] 2 A 2 bmin h F 2

τ max ?


bmin ?
若设想把这一等强度梁分成若干 狭条,然后叠置起来,并使其略微拱 起,这就是汽车以及其他车辆上经常 使用的叠板弹簧,如图 7-26 所示。 若上述矩形截面等强度梁的截面 宽度 b 为常数,而高度 h 为 x 的函数, 即 h=h(x),用完全相同的方法可以求 得

3F 4h[?]

(b)

h( x) ?

3Fx b[?]

(c)

图 7-26

hmin ?

3F 4b[?]

(d)

按式(c)和式(d)确定的梁形状如图 7-27(a)所示。如把梁做成图 7-27(b)所示的形式,就 是厂房建筑中广泛使用的“鱼腹梁” 。

- 173 -

图 7-27 图 7-28 使用公式(7-17),也可求得圆截面等强度梁的截面直径沿轴线的变化规律。但考 虑到加工的方便及结构上的要求,常用阶梯形状的变截面梁(阶梯轴)来代替理论上的 等强度梁,如图 7-28 所示。

7.6 开口薄壁杆件的弯曲中心
在前面讨论中指出,当杆件有纵 向对称面,且载荷也作用于对称面内 时,杆件的变形是平面弯曲。对非对 称杆件来说,即使横向力作用于形心 主惯性平面内,杆件除弯曲变形外, 还将发生扭转变形, 如图 7-29(a)所示。 只有当横向力的作用平面平行于形心 主惯性平面, 且通过某一特定点 A 时, 杆件才只有弯曲而无扭转图 7-29(b)。 这一特定点 A 称为弯曲中心。 图 7-29 开口薄壁杆件的弯曲中心有较大的实际意义,而且它的位置用材料力学的方法就 可确定。为此,首先讨论开口薄壁杆件弯曲切应力计算。

图 7-30
- 174 -

图 7-30(a)为一开口薄壁杆件,y 和 z 为横截面的形心主惯性轴,设载荷 F 平行于 y 轴,且通过弯曲中心。这时杆件只有弯曲而无扭转,z 轴为弯曲变形的中性轴。横截 面上的弯曲正应力仍由式(7-2)计算。至于弯曲切应力.由于杆件的壁厚 t 远小于横截 面的其它尺寸,所以可以假设沿壁厚 t 切应力的大小无变化。又因杆件的内侧表面和 外侧表面都为自由面,未作用任何与表面相切的载荷,所以横截面上的切应力应与截 面的周边相切。以相距为 dx 的两个横截面和沿薄壁厚度 t 的纵向面,从杆中截出一部 分 abcd 图 7-30(b)、(c)。在这一部分的 ad 和 bc 面上作用着弯曲正应力,在底面 dc 上 作用着切应力。这些应力的方向都平行于 x 轴。由 7-3 所述的方法,求得 bc 和 ad 面 上的合力 FN1 和 FN2 分别是

FN 1 ?

M * Sz Iz

FN 2 ?

M ? dM * Sz Iz

式中 M 和(M+dM)分别是 bc 和 ad 两个横截面上的弯矩; * 是截面上截出部分面积(图 Sz 中画阴影线的面积)对中性轴的静矩: I z 是整个截面对中性轴的惯性矩。根据横截面 上的切应力分布规律和切应力互等定理,底面 dc 上的内力为 ? tdx
'

把作用于 abcd 部分上的力投影于,x 轴.由平衡条件

? Fx ? 0 ,可知

FN 2 ? FN1 ? τ' tdx ? 0


M ? dM * M * ' S z ? S z ? τ tdx ? 0 Iz Iz
* dM S* FQ S z z τ ? ? dx I zt I zt '

由此求得

由切应力互等定理可知, ? ' 等于横截面上距自由边缘为 ? 处的切应力 ? ,即

τ?

FQ S * z I zt

(7-23)

这就是开口薄壁杆件弯曲切应力的计算公式。

- 175 -

图 7-31 求得开口薄壁杆件横截面上弯曲切应力后,就可以确定弯曲中心的位置。现以槽 钢为例,说明确定弯曲中心的方法。设槽形截面尺寸如图 7-31(a)所示,且外力平行于 y 轴。当计算上翼缘距右边为 ? 处的切应力 ? 1 时,
* SZ ?

ξth 2

代人公式(7-23),得

τ1 ?

FQ ξh 2I z

可见,上翼缘上的切应力 ? 1 ,沿翼缘宽度按直线规律变化,见图 7-31(b)。 如以 FQ1 代表上冀缘上切向内力系的合力,则

FQ1 ? ? τ1 dA ? ?
A1

b

0

FQ ξh FQ b 2 ht tdξ ? 2I z 4I z

(a)

用同样的方法可以求得下翼缘上的内力 F ' Q1 。 F ' Q1 与 FQ1 大小相等,但方向相反。计 算腹板上距中性轴为 y 处的切应力 ? 2 时

bth d h 2 S ? ? ( ? y2 ) 2 2 4
* z

代人公式(7-23),得

τ2 ?

FQ bth d h 2 [ ? ( ? y 2 )] Izd 2 2 4

可见腹板上切应力 ? 2 沿高度按抛物线规律变化。以 FQ 2 代表腹板上切向内力系的合
- 176 -

力,则

FQ 2 ? ? 2h
? 2

h

FQ bth d h 2 FQ bth2 dh3 [ ? ( ? y 2 )]ddy ? ( ? ) Izd 2 2 4 Iz 2 12

槽形截面对中性轴 z 的惯性矩 I z 约为

Iz ?
以 I z 代人上式,得

bth2 dh3 ? 2 12

FQ2 ? FQ

(b)

至此,我们已经求得了截面上的三个切向内力 FQ1 、 F'Q1 和 FQ 2 ,见图 7-31(c)。

FQ1 和 F ' Q1 组成力偶矩 FQ1 h,将它与 FQ 2 合并,得到内力系的最终合力。这一合力
仍等于 FQ 2 ( FQ2 ? FQ ), 只是作用线向左平移了一个距离 e。 如对腹板中线与 z 轴的 交点取矩,由合力矩定理知

FQ1h ? FQ e
以式(a)代人上式,得

e?

FQ1h FQ

?

b 2 h 2t 4I z

(7-24)

由于截面上切向内力系的合力 FQ (即截面上的剪力)在距腹板中线为 e 的纵向平 面内,如外力 F 也在同一平面内,则杆件就只有弯曲而无扭转,这就是图 7-29(b)所表 示的情况。 若外力沿 z 轴作用,因 z 轴是横截面的对称轴,因此杆将产生平面弯曲而无扭转 变形。这表明弯曲中心一定在截面的对称轴上。所以, FQ 和对称轴的交点 A 即为弯 曲中心也称为剪切中心。在槽形截面的情况下,弯曲中心 A 在对称轴 z 上,其位置由 公式 7-24 确定。该式表明,弯曲中心的位置与外力的大小和材料的性质无关,它是截 面图形的几何性质之一。 由以上分析可知,对于具有一个对称轴的截面,例如槽形、T 形、开口环形和等 边角钢等,截面的弯曲中心一定位于对称轴上。因此,只要确定出 e 值后,即可定出 弯曲中心的位置。对于具有两个对称轴的截面,例如矩形、圆形和工字形等,弯曲中
- 177 -

心必在两对称轴的交点上,即截面形心和弯曲中心重合。如截面为反对称,例如 Z 字 形截面,则弯曲中心必在反对称的中点,也与形心重合。表 7-2 给出了几种常见开口 薄壁截面梁弯曲中心的位置。 表 7-2 开口薄壁靛面的弯曲中心的位置

截面 形状

弯曲 与截面形心重合 中心

e?

3 t 2 b2 h 3 3 t1b1 ? t 2 b2

t 2h2 e? 4Iz

截面 形状

弯曲 与截面形心重合 中心

e ? 2R

sin? - ?cos ? ? - sin?cos ?

综上所述,当外力通过弯曲中心时,无论是平行于 y 轴或沿着 z 轴,外力和横截 面上的剪力在同一纵向平面内, 杆件只有弯曲变形。 反之, 若外力 F 不通过弯曲中心, 这时把外力向弯曲中心简化,将得到一个通过弯曲中心的力 F 和一个扭转力偶矩。通 过弯曲中心的横向力 F 仍引起上述弯曲变形, 而扭转力偶矩却将引起杆件的扭转变形, 这就是图 7-29(a)所表示的情况。 对实体截面或闭口薄壁截面杆件,因其弯曲中心和形心重合或靠近形心,且切应 力数值通常又较小,所以不必考虑弯曲中心的位置。但对于开口薄壁截面杆件,因其 承受扭转变形的能力很差,所以外力的作用线应尽可能通过弯曲中心,以避免产生扭 转变形。因此,确定开口薄壁杆件弯曲中心的位置,是具有实际意义的。 例 7-6 试确定图 7-32(a)所示开口薄壁截面的弯曲中心,设截面中线为圆周的一 部分。 解 以截面的对称轴为 z 轴,y、z 轴为形心主惯性轴,因而弯曲中心 A 必在 z 轴 上。设剪力 FQ 过弯曲中心 A,且平行于 y 轴。用与 z 轴夹角为?的半径截取部分面积 A1,其对 z 轴的静矩为
- 178 -

图 7-32
* SZ ?

?

ydA ? 2 Rsin ?tRd? ? tR 2 (cos θ ? cosα )
θ

A1

?

α

整个截面对 z 轴的惯性矩为

Iz ?

?

y 2dA ?2

A

?

α



(Rsin? )2 tRd? ? tR 3 (α ? sinα cosα )

代入公式(7-23),得

τ?

FQ( cosθ ? cosα ) tR(α ? sin α cosα )
FQ( cosθ ? cosα )

以圆心为力矩中心,由合力矩定理

FQe ?
积分后求得

? RτdA ? ? R tR(α ? sin α cos ααtRdθ
A ?α

α

e ? 2R
当??

sin α ? α cos α α ? sin α cos α

(a)

? 时,得到半圆形开口薄壁截面如图 7-33(b),此时由式(a)得 2

e?

4R π

当 ? ? ? 时,得到圆形开口薄壁截面如图 7-33(c),此时由式(a)得

e ? 2R





7-l 把直径 d=lmm 的钢丝绕在直径 D=2m 的轮缘上,已知材料的弹性模量 E=200GPa,试求钢丝内的量大弯曲正应力。 7-2 简支梁受均布载荷如图所示。若分别采用截面面积相等的实心和空心圆截
- 179 -

面,且 Dl=40mm,

d2 3 ? 。试分别计算它们的最大弯曲正应力。并问空心截面比实 D2 5

心截面的最大弯曲正应力减小了百分之几? 7-3 图示圆轴的外伸部分是空心圆截面,试求轴内的最大弯曲正应力。

7-4 某操纵系统中的摇臂如图所示,右端所受的力 F1=8.5kN,截面 1-1 和 2-2 均 为高度比 h/b=3 的矩形,材料的许用应力 [?] =50MPa。试确定 1-1 和 2-2 两个横截面 的尺寸。 7-5 桥式起重机大梁 AB 的跨长 l=16m,原设计最大起重量为 100kN。若在大梁 上距 B 端为 x 的 C 点悬挂一根钢索,绕过装在重物上的滑轮,将另一端再挂在吊车的 吊钩上。使吊车驶到 C 的对称位置 D。这样就可吊运 150kN 的重物。试问 x 的最大值 等于多少,设只考虑大梁的正应力强度。

- 180 -

7-6 图示轧辊轴直径 D=280mm,L=1000mm,l=450mm,b=100mm,轧辊材料 的弯曲许用应力 [?] =100MP。试求轧辊能承受的最大轧制力 F(F=qb)。 7-7 割刀在切割工件时,受到 F=1kN 的切削力作用。割刀尺寸如图所示。试求割 刀内的最大弯曲正应力。

7-8 图示为一承受纯弯曲的铸铁梁,其截面为 ? 形,材料的拉伸和压缩许用应力 之比

[? t ] ? 1/4。求水平翼扳的合理宽度。 [? c ]

7-9

? 形截面铸铁悬臂梁,尺寸及载荷如图所示。若材料的拉伸许用应力

[?] =40MPa , 压 缩 许 用 应 力 [?] =160MPa , 截 面 对 形 心 轴 zc 的 惯 性 矩

I zC ? 10180 4 , h1 ? 9.64cm ,试计算该梁的许可载荷 F。 cm

- 181 -

7-10

当 20 号 槽 钢 受 纯 弯 曲 变 形 时 , 测 出 A 、 D 两 点 间 长 度 的 改 变

?l ? 27 ?10?3 mm材料的 E=200GPa,试求梁截面上的弯矩 M。

7-11 梁 AB 的截面为 10 号工字钢,B 点由圆钢杆 BC 支承,已知圆杆的直径 d=20mm,梁及杆的 [?] =160MPa,试求许用均布载荷 [q ] 。 7-12 某吊车用 28b 工字钢制成,其上、下各焊有 75mm x 6mm x 5200mm 的钢 板,如图所示。已知 [?] =100MPa,试求吊车的许用载荷 F。 7-13 设梁的横截面为矩形,高 300mm,宽 50mm,截面上正弯矩的数值为 240kN·m。材料的抗拉弹性模量 Et 为抗压弹性摸量 Ec 的 1.5 倍。若应力未超过材料 的比例极限,试求最大拉应力与最大压应力。

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7-14 铸铁梁的载荷及横截面尺寸如图所示。许用拉应力 [? t ] =40MPa,许用压应 力 [? c ] =160MPa。试按正应力强度条件校核梁的强度。若载荷不变,但将 T 形横截面 倒置,即成为 ? 形,是否合理?何故? 7-15 图示为一用钢板加固的木梁。已知木材的弹性模量 E1=10GPa,钢的弹性横 量 E2=210GPa,若木梁与钢板之间不能相互滑动,试求木材及钢板中的最大正应力。

7-16 图示为用两根尺寸、材料均相同的矩形截面直杆组成的悬臂梁,试求下列 两种情况下梁所能承受的均布载荷集度的比值: (1)两杆固结成整体。 (2)两杆叠置在一起,交界面上摩擦可忽略不计。

7-17 试计算图示矩形截面简支梁的 1-1 截面上 a 点和 b 点的正应力和切应力。

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7-18 图示圆形截面简支梁,受均布载荷作用。试计算梁内的最大弯曲正应力和 最大弯曲切应力,并指出它们发生于何处。 7-19 试计算图示工字形截面梁内的最大正应力和最大切应力。

7-20 起重机下的梁由两根工字钢组成,起重机自重 W=50kN,起重量 W2=10kN。 许用应力 [?] =160MPa, [?] =100MPa。若暂不考虑梁的自重,试按正应力强度条件选 定工字钢型号,然后再按切应力强度条件进行校核。 7-21 由三根本条胶合而成的悬臂梁截面尺寸如图所示。跨度 l = l m。若胶合面 上的许用切应力为 [?] =0.34MPa,木材的许用弯曲正应力 [?] =10MPa,许用切应力为 [?] =1MPa,试求许可载荷 F。

7-22 在图(a)中,若以虚线所示的纵向面和横向面从梁中截出一邪分,如图(b) 所示。试求在纵向面 abcd 上由?dA 组成的内力系的合力,并说明它与什么力平衡。

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7-23 用螺钉将四块木板联接而成的箱形梁如图所示。每块木板的横截面都为 150mm x 25mm。若每一螺钉的许可剪力为 1 lkN,试确定螺钉的间距 s。设 F=5.5kN。 7-24 图示梁由两根 36a 工字钢铆接而成。 铆钉的间距为 s=150mm, 直径 d=20mm, 许用切应力 [?] =90MPa。梁横截面上的剪力 FQ=40kN,试校核该铆钉的剪切强度。

7-25 截面为正方形的梁按图示两种方式放置。试问按哪种方式比较合理? 7-26 为改善载荷分布,在主梁 AB 上安置辅助梁 CD。设主梁和辅助梁的抗弯截 面系数分别为 Wl 和 W2,材料相同,试求辅助梁的合理长度 a。

7-27 在 18 号工字梁上作用着可移动载荷 F。为提高梁的承载能力,试确定 a 和 b 的合理数值及相应的许可载荷。 [?] =160MPa。 7-28 我国制造规范中,对矩形截面梁给出的尺寸比例是 h:b=3:2。试用弯曲正应 力强度证明:从圆木锯出的矩形截面梁,上述尺寸比例接近最佳比值。

7-29 均布载荷作用下的简支梁由圆管及实心圆杆套合而成,如图所示。变形后 两杆仍密切接触。两杆材料的弹性模量分别为 E1 和 E2,且 E1=2E2。试求两杆各自承 担的弯矩。

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7-30 以 F 力将置放于地面的钢筋提起。若钢筋单位长度的重量为 Q,当 b=2a 时.试求所需的力 F。 7-31 试判断图示各截面的切应力流的方向和弯曲中心的大致位置。设剪力 FQ 铅垂向下。

7-32 试确定图示箱形开口薄壁截面梁弯曲中心 A 的位置。设截面的壁厚 t 为常 量,且壁厚及开口切缝都很小。 7-33 试确定图示薄壁截面梁弯曲中心 A 的位置,设壁厚 t 为常量。

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