材料力学第三章(下)

一、静矩、形心及其相互关系

1、静矩

静矩

2、形心:图形几何形状的中心

形心

3、静矩和形心的关系

二、惯性矩、极惯性矩、惯性积、惯性半径

惯性矩
惯性半径
惯性矩与极惯性矩

对于圆截面:I_P=\frac{\pi d^4}{32}=I_y+I_z

圆截面

对于圆环:I_P=\frac{\pi d^4}{32}(1-\alpha ^4)=I_y+I_z,\alpha = \frac{d}{D}

矩形

三、惯性矩与惯性积的移轴定理

移轴定理:图形对于互相平行轴的惯性矩、惯性积之间的关系。

yz轴通过形心的条件下:

I_{y1}=I_y+b^2A,I_{z1}=I_z+a^2A,I_{y1z1}=I_{yz}+abA.

a,b为原坐标系原点在新坐标系中的坐标,即y_1=y+a,z_1=z+b

四、惯性矩与惯性积的转轴定理

转轴定理:研究坐标轴绕原点转动时,图形对这些坐标轴的惯性矩和惯性积的变化规律。

转轴定理及推导

图形对一对垂直轴的惯性矩之和与转轴时的角度无关,即在轴转动时,其和保持不变:

五、主轴与形心主轴、主矩与形心主矩

主轴:如果图形对于过一点的一对坐标轴的惯性积为零,则称这一对坐标轴为过这一点的主轴。

主惯性矩:图形对主轴的惯性矩。主惯性矩是某一点惯性矩的极大值和极小值。

y_0、z_0通过O点的主轴:\tan 2\alpha_0 =\frac{2I_{yz}}{I_y-I_z},I_{y_0z_0}=0.

\frac{\mathrm{d}I_{y_1}}{\mathrm{d}\alpha}=0,\frac{\mathrm{d}I_{z_1}}{\mathrm{d}\alpha}=0,值为\frac{I_y+I_z}{2}\pm \frac{1}{2}\sqrt{(I_y-I_z)^2+4I_{yz}^2}

主轴

通过形心的主轴称为形心主轴,图形对形心主轴的惯性矩称为形心主惯性矩,简称形心主矩。

有对称轴截面的惯性主轴:对称轴及与之垂直的任意轴即为过二者交点的主轴。

六、组合图形的形心、形心主轴、形心主惯性矩的计算方法

y_c=\frac{S_z}{A}=\frac{\sum_{i=1}^n A_iy_{Ci}}{\sum_{i=1}^n A_i}

第三章:弹性杆件上的正应力分析(2)

一、梁弯曲的若干定义与概念

对称面、主轴平面、平面弯曲、纯弯曲、横向弯曲。

平面弯曲:所有外力和力偶与弯曲的梁在同一平面内。

纯弯曲:梁的横截面上只有弯矩一个内力分量(没有剪力)。

横向弯曲:横截面上同时产生剪力和弯矩。

二、纯弯曲时梁横截面上的正应力分析

1、应用平面假定确定应变分布

(1)梁的中性层和横截面的中性轴。

(2)梁弯曲时的平面假定:变形后,横截面仍保持为平面,且垂直于变形后的轴线,只是绕横截面内某一轴旋转了一个角度。

(3)沿梁横截面高度方向分布正应变表达式

\Delta \mathrm{d}x=-y\mathrm{d}\theta,

\varepsilon =\frac{\Delta \mathrm{d}x}{\mathrm{d}x}=-y\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}x}=-\frac{y}{\rho}.

\varepsilon _x=\frac{2\pi (\rho_0-y)-2\pi \rho_0}{2\pi \rho_0}=\frac{-y}{\rho_0}

2、应用胡克定律\sigma =E\varepsilon 确定横截面上的正应力分布

M_z=-\int \sigma _x dA \cdot y=\int \frac {E}{\rho_0} \cdot y^2 dA=\frac {E}{\rho_0}\int  y^2 dA=\frac {E}{\rho_0}I_z\Rightarrow \rho_0 = \frac{EI_z}{M_z}

\sigma_x =E\varepsilon _x=-\frac{M_zy}{I_z}

其中\rho=\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}\theta}为曲率半径。

3、利用静力方程确定待定常数

\int_{A}^{} \sigma \mathrm{d}A=F_N=0

4、利用静力学方程确定中性轴位置

\int_{A}^{} y \mathrm{d}A=0

截面对于某一轴的静矩如果为0,该轴通过截面的形心。

中性轴z通过截面形心,并且垂直于形心主轴。有两根对称轴的截面,两根对称轴的交点就是截面的形心。

5、最大正应力公式与弯曲截面模量

\sigma _{max} =-\frac{M_zy_{max}}{I_z}=\frac{M_z}{W_z},其中W_z=\frac{I_z}{y_{max}}称为弯曲截面系数。

常见的弯曲截面系数:

矩形:W_z=\frac{bh^2}{6},圆截面W_z=W_y=\frac{\pi d^2}{32}

注意:某一横截面上的最大正应力不一定就是梁内的最大正应力。应该首先判断可能产生最大正应力的危险截面,然后比较所有危险截面上的最大正应力。

6、梁弯曲后轴线曲率计算公式

\frac{1}{\rho }=\frac{M_z}{EI_z},其中EI_z称为梁的弯曲刚度。

三、斜弯曲时梁横截面上的正应力

斜弯曲:外力未作用在主轴平面或者多个外力未作用于同一个主轴平面。

杆件横截面的两个主轴平面内都有弯矩作用时的弯曲正应力公式:

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