1、材料力学习题及答案汇总材料力学-学习指导及习题答案第 一 章 绪论1-1 图示圆截面杆，两端承受一对方向相反、力偶矩矢量沿轴线且大小均为M的力偶作用。试问在杆件的任一横截面m-m上存在何种内力分量，并确定其大小。 解：从横截面m-m将杆切开，横截面上存在沿轴线的内力偶矩分量Mx，即扭矩，其大小等于M。 1-2 如图所示，在杆件的斜截面m-m上，任一点A处的应力p=120 MPa，其方位角=20，试求该点处的正应力与切应力。 解：应力p与斜截面m-m的法线的夹角=10，故 pcos=120cos10=118.2MPa psin=120sin10=20.8MPa 1-3 图示矩形截面杆，横截面上的
2、正应力沿截面高度线性分布，截面顶边各点处的正应力均为max=100 MPa，底边各点处的正应力均为零。试问杆件横截面上存在何种内力分量，并确定其大小。图中之C点为截面形心。 解：将横截面上的正应力向截面形心C简化，得一合力和一合力偶，其力即为轴力 FN=1001060.040.1/2=200103 N =200 kN 其力偶即为弯矩 Mz=200(50-33.33)10-3 =3.33 kNm 1-4 板件的变形如图中虚线所示。试求棱边AB与AD的平均正应变及A点处直角BAD的切应变。 解： 第 二 章 轴向拉压应力2-1试计算图示各杆的轴力，并指出其最大值。解：(a) FNAB=F, FNB
3、C=0, FN，max=F(b) FNAB=F, FNBC=F, FN，max=F(c) FNAB=2 kN, FN2BC=1 kN, FNCD=3 kN, FN，max=3 kN(d) FNAB=1 kN, FNBC=1 kN, FN，max=1 kN 2-2 图示阶梯形截面杆AC，承受轴向载荷F1=200 kN与F2=100 kN，AB段的直径d1=40 mm。如欲使BC与AB段的正应力相同，试求BC段的直径。解：因BC与AB段的正应力相同，故 2-3 图示轴向受拉等截面杆，横截面面积A=500 mm2，载荷F=50 kN。试求图示斜截面m-m上的正应力与切应力，以及杆内的最大正应力与最大
4、切应力。解： 24（2-11） 图示桁架，由圆截面杆1与杆2组成，并在节点A承受载荷F=80kN作用。杆1、杆2的直径分别为d1=30mm和d2=20mm，两杆的材料相同，屈服极限s=320MPa，安全因数ns=2.0。试校核桁架的强度。解：由A点的平衡方程 可求得1、2两杆的轴力分别为由此可见，桁架满足强度条件。25（2-14） 图示桁架，承受载荷F作用。试计算该载荷的许用值F。设各杆的横截面面积均为A，许用应力均为。 解：由C点的平衡条件 由B点的平衡条件 1杆轴力为最大，由其强度条件 26（2-17） 图示圆截面杆件,承受轴向拉力F作用。设拉杆的直径为d，端部墩头的直径为D，高度为h，试
5、从强度方面考虑，建立三者间的合理比值。已知许用应力=120MPa，许用切应力=90MPa，许用挤压应力bs=240MPa。 解：由正应力强度条件由切应力强度条件 由挤压强度条件式(1)：式(3)得 式(1)：式(2)得 故 D：h：d=1.225：0.333：1 27（2-18） 图示摇臂，承受载荷F1与F2作用。试确定轴销B的直径d。已知载荷F1=50kN，F2=35.4kN，许用切应力=100MPa，许用挤压应力bs=240MPa。 解：摇臂ABC受F1、F2及B点支座反力FB三力作用，根据三力平衡汇交定理知FB的方向如图（b）所示。由平衡条件由切应力强度条件 由挤压强度条件 故轴销B的直
6、径 第 三 章 轴向拉压变形3-1 图示硬铝试样，厚度=2mm，试验段板宽b=20mm，标距l=70mm。在轴向拉F=6kN的作用下，测得试验段伸长l=0.15mm，板宽缩短b=0.014mm。试计算硬铝的弹性模量E与泊松比。 解：由胡克定律 3-2(3-5) 图示桁架，在节点A处承受载荷F作用。从试验中测得杆1与杆2的纵向正应变分别为1=4.010-4与2=2.010-4。试确定载荷F及其方位角之值。已知杆1与杆2的横截面面积A1=A2=200mm2，弹性模量E1=E2=200GPa。 解：杆1与杆2的轴力（拉力）分别为 由A点的平衡条件 (1)2+(2)2并开根，便得式(1)：式(2)得
7、3-3(3-6) 图示变宽度平板，承受轴向载荷F作用。试计算板的轴向变形。已知板的厚度为，长为l，左、右端的宽度分别为b1与b2，弹性模量为E。 解： 3-4(3-11) 图示刚性横梁AB，由钢丝绳并经无摩擦滑轮所支持。设钢丝绳的轴向刚度（即产生单位轴向变形所需之力）为k，试求当载荷F作用时端点B的铅垂位移。 解：设钢丝绳的拉力为T，则由横梁AB的平衡条件钢丝绳伸长量由图（b）可以看出，C点铅垂位移为l/3，D点铅垂位移为2l/3，则B点铅垂位移为l，即 3-5(3-12) 试计算图示桁架节点A的水平与铅垂位移。设各杆各截面的拉压刚度均为EA。 解：(a) 各杆轴力及伸长（缩短量）分别为 因为
8、3杆不变形，故A点水平位移为零，铅垂位移等于B点铅垂位移加2杆的伸长量，即 (b) 各杆轴力及伸长分别为 A点的水平与铅垂位移分别为(注意AC杆轴力虽然为零，但对A位移有约束) 3-6(3-14) 图a所示桁架，材料的应力-应变关系可用方程n=B表示（图b），其中n和B为由实验测定的已知常数。试求节点C的铅垂位移。设各杆的横截面面积均为A。 (a) (b) 解：2根杆的轴力都为 2根杆的伸长量都为 则节点C的铅垂位移 3-7(3-16) 图示结构，梁BD为刚体，杆1、杆2与杆3的横截面面积与材料均相同。在梁的中点C承受集中载荷F作用。试计算该点的水平与铅垂位移。已知载荷F=20kN，各杆的横截
9、面面积均为A=100mm2，弹性模量E=200GPa，梁长l=1000mm。 解：各杆轴力及变形分别为 梁BD作刚体平动，其上B、C、D三点位移相等 3-8(3-17) 图示桁架，在节点B和C作用一对大小相等、方向相反的载荷F。设各杆各截面的拉压刚度均为EA，试计算节点B和C间的相对位移B/C。 解： 根据能量守恒定律，有 3-9(3-21) 由铝镁合金杆与钢质套管组成一复合杆，杆、管各载面的刚度分别为E1A1与E2A2。复合杆承受轴向载荷F作用，试计算铝镁合金杆与钢管横载面上的正应力以及杆的轴向变形。 解：设杆、管承受的压力分别为FN1、FN2，则 FN1+FN2=F (1) 变形协调条件为
10、杆、管伸长量相同，即联立求解方程(1)、(2)，得 杆、管横截面上的正应力分别为 杆的轴向变形 3-10(3-23) 图示结构，杆1与杆2的弹性模量均为E，横截面面积均为A，梁BC为刚体，载荷F=20kN，许用拉应力t=160MPa，许用压应力c=110MPa。试确定各杆的横截面面积。 解：设杆1所受压力为FN1，杆2所受拉力为FN2，则由梁BC的平衡条件得 变形协调条件为杆1缩短量等于杆2伸长量，即 联立求解方程(1)、(2)得 因为杆1、杆2的轴力相等，而许用压应力小于许用拉应力，故由杆1的压应力强度条件得 3-11(3-25) 图示桁架，杆1、杆2与杆3分别用铸铁、铜和钢制成，许用应力分
11、别为1=40MPa，2=60MPa，3=120MPa，弹性模量分别为E1=160GPa，E2=100GPa，E3=200GPa。若载荷F=160kN，A1=A2=2A3，试确定各杆的横截面面积。 解：设杆1、杆2、杆3的轴力分别为FN1(压)、FN2(拉)、FN3(拉)，则由C点的平衡条件 杆1、杆2的变形图如图(b)所示，变形协调条件为C点的垂直位移等于杆3的伸长，即 联立求解式(1)、(2)、(3)得 由三杆的强度条件 注意到条件 A1=A2=2A3，取A1=A2=2A3=2448mm2。 3-12(3-30) 图示组合杆，由直径为30mm的钢杆套以外径为50mm、内径为30mm的铜管组成
12、，二者由两个直径为10mm的铆钉连接在一起。铆接后，温度升高40，试计算铆钉剪切面上的切应力。钢与铜的弹性模量分别为Es=200GPa与Ec=100GPa，线膨胀系数分别为l s=12.510与l c=1610。 解：钢杆受拉、铜管受压，其轴力相等，设为FN，变形协调条件为钢杆和铜管的伸长量相等，即铆钉剪切面上的切应力 3-13(3-32) 图示桁架，三杆的横截面面积、弹性模量与许用应力均相同，并分别为A、E与，试确定该桁架的许用载荷F。为了提高许用载荷之值，现将杆3的设计长度l变为l+。试问当为何值时许用载荷最大，其值Fmax为何。 解：静力平衡条件为 变形协调条件为 联立求解式(1)、(2
13、)、(3)得 杆3的轴力比杆1、杆2大，由杆3的强度条件 若将杆3的设计长度l变为l+，要使许用载荷最大，只有三杆的应力都达到，此时 变形协调条件为 第 四 章 扭转4-1(4-3) 图示空心圆截面轴，外径D=40mm，内径d=20mm，扭矩T=1kNm。试计算横截面上的最大、最小扭转切应力，以及A点处（A=15mm）的扭转切应力。 解：因为与成正比，所以4-2(4-10) 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=100 r/min，传递功率P=10 kW，许用切应力=80MPa，d1/d2=0.6。试确定实心轴的直径d，空心轴的内、外径d1和d2。 解：扭矩由实心轴的切应力强度
14、条件 由空心轴的切应力强度条件 4-3(4-12) 某传动轴，转速n=300 r/min，轮1为主动轮，输入功率P1=50kW，轮2、轮3与轮4为从动轮，输出功率分别为P2=10kW，P3=P4=20kW。 (1) 试求轴内的最大扭矩； (2) 若将轮1与轮3的位置对调，试分析对轴的受力是否有利。 解：(1) 轮1、2、3、4作用在轴上扭力矩分别为轴内的最大扭矩若将轮1与轮3的位置对调，则最大扭矩变为 最大扭矩变小，当然对轴的受力有利。 4-4(4-21) 图示两端固定的圆截面轴，承受扭力矩作用。试求支反力偶矩。设扭转刚度为已知常数。 解：(a) 由对称性可看出，MA=MB，再由平衡可看出MA
15、=MB=M (b)显然MA=MB，变形协调条件为解得(c) (d)由静力平衡方程得 变形协调条件为联立求解式(1)、(2)得 4-5(4-25) 图示组合轴，由套管与芯轴并借两端刚性平板牢固地连接在一起。设作用在刚性平板上的扭力矩为M=2kNm，套管与芯轴的切变模量分别为G1=40GPa与G2=80GPa。试求套管与芯轴的扭矩及最大扭转切应力。 解：设套管与芯轴的扭矩分别为T1、T2，则 T1+T2 =M=2kNm (1) 变形协调条件为套管与芯轴的扭转角相等，即 联立求解式(1)、(2)，得套管与芯轴的最大扭转切应力分别为 4-6(4-28) 将截面尺寸分别为100mm90mm与90mm80
16、mm的两钢管相套合，并在内管两端施加扭力矩M0=2kNm后，将其两端与外管相焊接。试问在去掉扭力矩M0后，内、外管横截面上的最大扭转切应力。 解：去掉扭力矩M0后，两钢管相互扭，其扭矩相等，设为T， 设施加M0后内管扭转角为0。去掉M0后，内管带动外管回退扭转角1（此即外管扭转角），剩下的扭转角(0-1)即为内管扭转角，变形协调条件为 内、外管横截面上的最大扭转切应力分别为 4-7(4-29) 图示二轴，用突缘与螺栓相连接，各螺栓的材料、直径相同，并均匀地排列在直径为D=100mm的圆周上，突缘的厚度为=10mm，轴所承受的扭力矩为M=5.0 kNm，螺栓的许用切应力=100MPa，许用挤压应
17、力 bs=300MPa。试确定螺栓的直径d。 解：设每个螺栓承受的剪力为FS，则 由切应力强度条件 由挤压强度条件 故螺栓的直径 第 五 章 弯曲应力1(51)、平衡微分方程中的正负号由哪些因素所确定?简支梁受力及Ox坐标取向如图所示。试分析下列平衡微分方程中哪一个是正确的。 解：B正确。 平衡微分方程中的正负号由该梁Ox坐标取向及分布载荷q(x)的方向决定。截面弯矩和剪力的方向是不随坐标变化的，我们在处理这类问题时都按正方向画出。但是剪力和弯矩的增量面和坐标轴的取向有关，这样在对梁的微段列平衡方程式时就有所不同，参考下图。当Ox坐标取向相反，向右时，相应(b)，A是正确的。但无论A、B弯矩的
18、二阶导数在q向上时，均为正，反之，为负。 2(52)、对于承受均布载荷q的简支梁，其弯矩图凸凹性与哪些因素相关?试判断下列四种答案中哪一种是错误的。 解：A是错误的。梁截面上的弯矩的正负号，与梁的坐标系无关，该梁上的弯矩为正，因此A是错误的。弯矩曲线和一般曲线的凸凹相同，和y轴的方向有关，弯矩二阶导数为正时，曲线开口向着y轴的正向。q(x)向下时，无论x轴的方向如何，弯矩二阶导数均为负，曲线开口向着y轴的负向，因此B、C、D都是正确的。 3(53)、应用平衡微分方程画出下列各梁的剪力图和弯矩图，并确定|FQ|max和|M|max。（本题和下题内力图中，内力大小只标注相应的系数。） 解： 4(5
19、4)、试作下列刚架的弯矩图，并确定|M|max。 解： 5(55)、静定梁承受平面载荷，但无集中力偶作用，其剪力图如图所示。若已知A端弯矩M(0)=0，试确定梁上的载荷(包括支座反力)及梁的弯矩图。 解： 6(56)、已知静定梁的剪力图和弯矩图，试确定梁上的载荷(包括支座反力)。 解： 7(57)、静定梁承受平面载荷，但无集中力偶作用，其剪力图如图所示。若已知E端弯矩为零。请： （1）在Ox坐标中写出弯矩的表达式； （2）试确定梁上的载荷及梁的弯矩图。 解： 8(5-10) 在图示梁上，作用有集度为m=m(x)的分布力偶。试建立力偶矩集度、剪力及弯矩间的微分关系。 解：用坐标分别为x与x+dx
20、的横截面，从梁中切取一微段，如图(b)。平衡方程为 9(5-11) 对于图示杆件，试建立载荷集度（轴向载荷集度q或扭力矩集度m）与相应内力（轴力或扭矩）间的微分关系。 解：(a) 用坐标分别为x与x+dx的横截面，从杆中切取一微段，如图(c)。平衡方程为 (b) 用坐标分别为x与x+dx的横截面，从杆中切取一微段，如图(d)。平衡方程为 10(5-18) 直径为d的金属丝，环绕在直径为D的轮缘上。试求金属丝内的最大正应变与最大正应力。已知材料的弹性模量为E。 解： 11(5-23) 图示直径为d的圆木，现需从中切取一矩形截面梁。试问： (1) 如欲使所切矩形梁的弯曲强度最高，h和b应分别为何值
21、； (2) 如欲使所切矩形梁的弯曲刚度最高，h和b应分别为何值； 解：(1) 欲使梁的弯曲强度最高，只要抗弯截面系数 取极大值，为此令 (2) 欲使梁的弯曲刚度最高，只要惯性矩取极大值，为此令 12(5-24) 图示简支梁，由18工字钢制成，在外载荷作用下，测得横截面A底边的纵向正应变=3.010-4，试计算梁内的最大弯曲正应力。已知钢的弹性模量E=200GPa，a=1m。 解：梁的剪力图及弯矩图如图所示，从弯矩图可见： 13(5-32) 图示槽形截面铸铁梁，F=10kN，Me=70kNm，许用拉应力 t=35MPa，许用压应力c=120MPa。试校核梁的强度。 解：先求形心坐标，将图示截面看
22、成一大矩形减去一小矩形惯性矩 弯矩图如图所示，C截面的左、右截面为危险截面。 在C左截面，其最大拉、压应力分别为 在C右截面，其最大拉、压应力分别为 故 14(5-35) 图示简支梁，由四块尺寸相同的木板胶接而成，试校核其强度。已知载荷F=4kN，梁跨度l=400mm，截面宽度b=50mm，高度h=80mm，木板的许用应力=7MPa，胶缝的许用切应力=5MPa。 解：从内力图可见木板的最大正应力 由剪应力互等定理知：胶缝的最大切应力等于横截面上的最大切应力 可见，该梁满足强度条件。 15(5-41) 图示简支梁，承受偏斜的集中载荷F作用，试计算梁内的最大弯曲正应力。已知F=10kN，l=1m，
23、b=90mm，h=180mm。 解： 16(5-42) 图示悬臂梁，承受载荷F1与F2作用，已知F1=800N，F2=1.6kN，l=1m，许用应力=160MPa。试分别按下列要求确定截面尺寸： (1) 截面为矩形，h=2b； (2) 截面为圆形。 解：(1) 危险截面位于固定端 (2) 17(5-45) 一铸铁梁，其截面如图所示，已知许用压应力为许用拉应力的4倍，即c=4 t。试从强度方面考虑，宽度b为何值最佳。 解：又因y1+y2=400 mm，故y1=80 mm，y2=320 mm。将截面对形心轴z取静矩，得 18(5-54) 图示直径为d的圆截面铸铁杆，承受偏心距为e的载荷F作用。试证
24、明：当ed/8时，横截面上不存在拉应力，即截面核心为R=d/8的圆形区域。 解： 19(5-55) 图示杆件，同时承受横向力与偏心压力作用，试确定F的许用值。已知许用拉应力t=30MPa，许用压应力c=90MPa。 解：故F的许用值为4.85kN。 第 七 章应力、应变状态分析 7-1(7-1b) 已知应力状态如图所示（应力单位为 ），试用解析法计算图中指定截面的正应力与切应力。解： 与 截面的应力分别为： ； ； ； MPa 7-2(7-2b)已知应力状态如图所示（应力单位为 ），试用解析法计算图中指定截面的正应力与切应力。解： 与 截面的应力分别为： ； ； ； 7-3(7-2d)已知应力
25、状态如图所示（应力单位为 ），试用图解法计算图中指定截面的正应力与切应力。解：如图，得：指定截面的正应力 切应力 7-4(7-7) 已知某点A处截面AB与AC的应力如图所示（应力单位为 ），试用图解法求主应力的大小及所在截面的方位。 解：由图，根据比例尺，可以得到：， ， 7-5(7-10c)已知应力状态如图所示，试画三向应力圆，并求主应力、最大正应力与最大切应力。 解：对于图示应力状态， 是主应力状态，其它两个主应力由 、 、 确定。在 平面内，由坐标( , )与( , )分别确定 和 点，以 为直径画圆与 轴相交于 和 。再以 及 为直径作圆，即得三向应力圆。由上面的作图可知，主应力为，
26、， ， 7-6(7-12)已知应力状态如图所示（应力单位为 ），试求主应力的大小。解： 与 截面的应力分别为： ； ； ；在 截面上没有切应力，所以 是主应力之一。 ； ； ； 7-7(7-13)已知构件表面某点处的正应变 ， ，切应变 ，试求该表面处 方位的正应变 与最大应变 及其所在方位。解： 得： 7-8(7-20)图示矩形截面杆，承受轴向载荷F作用，试计算线段AB的正应变。设截面尺寸b和h与材料的弹性常数E和均为已知。解： ， ， ， AB的正应变为 7-9(7-21)在构件表面某点O处，沿 ， 与 方位，粘贴三个应变片，测得该三方位的正应变分别为 ， 与 ，该表面处于平面应力状态，试
27、求该点处的应力 ， 与 。已知材料的弹性模量 ，泊松比 解：显然， ， 并令 ，于是得切应变： 7-10(7-6)图示受力板件，试证明A点处各截面的正应力与切应力均为零。证明：若在尖点A处沿自由边界取三角形单元体如图所示，设单元体 、 面上的应力分量为 、 和 、 ，自由边界上的应力分量为 ，则有 由于 、 ，因此，必有 、 、 。这时，代表A点应力状态的应力圆缩为 坐标的原点，所以A点为零应力状态。 7-11(7-15)构件表面某点 处，沿 ， ， 与 方位粘贴四个应变片，并测得相应正应变依次为 ， ， 与 ，试判断上述测试结果是否可靠。解：很明显， ， 得： 又 得： 根据实验数据计算得到的两个 结果不一致，所以，上述测量结果不可靠。 第 八 章 应力状态与强度理论1、 (8-4)试比较图示正方形棱柱体在下列两中情况下的相当应力 ，弹性常数E和均为已知。（a） 棱柱体轴向受压；（b） 棱柱体在刚性方模中轴向受压。解：对于图（a）中的情况，应力状态如图（c）
