材料力学第五版课后题答案.doc

1、 1 .习题 2-2一打入基地内的木桩如图所示，杆轴单位长度的摩擦力 f=kx*2，试做木桩的后力图。 解：由题意可得： 3302 3 3110, , 3 /( ) 3 / ( / )llNfd x F k l F k F lF x F x l d x F x l 1有3 习题 2-3 石砌桥墩的墩身高 ml 10 ，其横截面面尺寸如图所示。荷载 kNF 1000 ，材料的密度 3/35.2 mkg ，试求墩身底部横截面上的压应力。 解：墩身底面的轴力为： gAlFGFN )( 2-3 图 )(942.31048.935.210)114.323(1000 2 kN 墩身底面积： )(14.9)

2、114.323( 22 mA 因为墩为轴向压缩构件，所以其底面上的正应力均匀分布。 M P ak P am kNAN 34.071.33914.9 942.3104 2 习题 2-7 图示圆锥形杆受轴向拉力作用，试求杆的伸长。 2-7 图 解：取长度为 dx 截离体（微元体）。则微元体的伸长量为： )()( xEAFdxld ， llxAdxEFdxxEA Fl 00 )()(lxrr rr 12 1， 22 112112 dxl ddrxl rrr ， 2 22112 22)( udxl ddxA ， dxl dddudxl ddd 2)22( 12112 dudd ldx 12 2 ， )

3、()( 22)( 2212 12 ududdlduuddlxAdx 因此， )()( 2)()( 202100 ududdE FlxA dxEFdxxEA Fl lll lldxlddddEFluddEFl011221021221)(21)(2 21221)(2111221 ddllddddEFl 1221 22)( 2 ddddE Fl 214 dEdFl 习题 2-10 受轴向拉力 F 作用的箱形薄壁杆如图所示。已知该材料的弹性常数为 ,E ，试求 C 与 D 两点间的距离改变量 CD 。 解： EAFE AF / 式中， aaaA 4)()( 22 ，故： EaF4 EaFaa 4 ，

4、EFaaa 4 EFaa 4 ， aaaCD 12145)()( 243232 3 12145)()( 243232 aaaDC EFEFaaCDDCCD 40 0 3.14121 4 5)(121 4 5)( 习题 2-11 图示结构中， AB 为水平放置的刚性杆，杆 1， 2， 3 材料相同，其弹性模量GPaE 210 ，已知 ml 1 ， 221 100 mmAA ， 23 150mmA ， kNF 20 。试求 C点的水平位移和铅垂位移。 2-11 图 解：（ 1）求各杆的轴力 以 AB 杆为研究对象，其受力图如图所示。 因为 AB 平衡，所以 0X ， 045cos3 oN ， 03

5、N 由对称性可知， 0CH ， )(10205.05.021 kNFNN （ 2）求 C 点的水平位移与铅垂位移。 A 点的铅垂位移： mmmmmmN mmNEA lNl 476.0100/2 1 0 0 0 0 100010000 22111 B 点的铅垂位移： mmmmmmN mmNEA lNl 4 7 6.01 0 0/2 1 0 0 0 0 1 0 0 01 0 0 0 0 22222 1、 2、 3 杆的变形协（谐）调的情况如图所示。由 1、 2、 3 杆的变形协（谐）调条件，并且考虑到 AB 为刚性杆，可以得到 C 点的水平位移： )(476.045t a n1 mml oBHAH

6、CH C 点的铅垂位移： )(4 7 6.01 mmlC 习题 2-12 图示实心圆杆 AB 和 AC 在 A 点以铰相连接，在 A 点作用有铅垂向下的力kNF 35 。已知杆 AB 和 AC 的直径分别为 mmd 121 和 mmd 152 ，钢的弹性模量受力图 变形协调图 4 GPaE 210 。试求 A 点在铅垂方向的位移。 解：（ 1）求 AB、 AC 杆的轴力 以节点 A 为研究对象，其受力图 如图所示。 由平衡条件得出： 0X ： 045s in30s in oABoAC NN ABAC NN 2 (a) 0Y ： 03545c o s30c o s oABoAC NN 7023

7、ABAC NN (b) (a) (b)联立解得： kNNN AB 11 7.181 ； kNNN AC 6 2 1.252 （ 2）由变形能原理求 A 点的铅垂方向的位移 22221121 2221 EAlNEAlNF A )(122221121 EA lNEA lNFA 式中， )(141445s in/10001 mml o ； )(1 6 0 030s in/8002 mml o 221 1131214.325.0 mmA ； 222 1 7 71514.325.0 mmA 故： )(3 6 6.1)1 7 72 1 0 0 0 0 1 6 0 02 5 6 2 11 1 32 1 0

8、0 0 0 1 4 1 41 8 1 1 7(3 5 0 0 01 22 mmA 习题 2-13 图示 A 和 B 两点之间原有水平方向的一根直径 mmd 1 的钢丝，在钢丝的中点C 加一竖向荷载 F。已知钢丝产生的线应变为 0035.0 ，其材料的弹性模量 GPaE 210 ， 钢丝的自重不计。试求： （ 1）钢丝横截面上的应力（假设钢丝经过冷拉，在断裂前可认为符合胡克定律）； （ 2）钢丝在 C 点下降的距离 ； （ 3）荷载 F 的值。 解：（ 1）求钢丝横截面上的应力 )(7 3 50 0 3 5.02 1 0 0 0 0 M P aE （ 2）求钢丝在 C 点下降的距离 )(72 1

9、 0 0 0 02 0 0 0735 mmElEANll 。其中， AC 和 BC 各 mm5.3 。 996512207.05.10031000c o s 5 o7 8 6 7 3 3 9.4)5.10031000a r c c o s ( )(7.837 8 6 7 3 3 9.4t a n1 0 0 0 mmo （ 3）求荷载 F 的值 以 C 结点为研究对象，由其平稀衡条件可得： 0Y ： 0sin2 PaN s in2s in2 AaNP )(239.96787.4s i n114.325.07352 02 N 习题 2-15水平刚性杆 AB 由三根 BC,BD 和 ED 支撑，如图

10、，在杆的 A 端承受铅垂荷载F=20KN,三根钢杆的横截面积分别为 A1=12 平方毫米 ， A2=6 平方毫米， A,3=9 平方毫米，杆的弹性模量 E=210Gpa，求： （ 1） 端点 A 的水平和铅垂位移。 （ 2） 应用功能原理求端点 A 的铅垂位移。 解：（ 1） 3032 3 311031 2 311 1 1711 961222,3/( ) 3 / ( / )c os 45 0si n 45 00.45 0.15 060 , 401 , 0 ,60 10 0.153.87210 10 12 1040 1llNNNNNNNf dx F k l Fk F lF x Fx l dx F

11、 x lFF F F FFFF K N F K N F K NFllEAFllEA 1有3由 胡 克 定 理 ，796x2y 2 10 0.154.76210 10 12 104.762 3 20.23AlA l l 从 而 得 ， ，（ ）（ 2） y 1 1 2 2y+02 0 . 3 3V F A F l F lA （ ）习题 2-17 简单桁架及其受力如图所示，水平杆 BC 的长度 l 保持不变，斜杆 AB 的长度可随夹角 的变化而改变。两杆由同一种材料制造，且材料的许用拉应力和许 用压应力相等。要求两杆内的应力同时达到许用应力，且结构的总重量为最小时，试求： （ 1）两杆的夹角； 6

12、 （ 2）两杆横截面面积的比值。 解：（ 1）求轴力 取节点 B 为研究对象，由其平衡条件得： 0Y 0sin FN AB sinFNAB 0X 0c o s BCAB NN c o tc o ss inc o s FFNNABBC 2-17 （ 2）求工作应力 s inABABABAB A FAN BCBCBCBC AFAN c o t （ 3）求杆系的总重量 )( BCBCABAB lAlAVW 。 是重力密度（简称重度，单位： 3/mkN ）。 )c o s( lAlA BCAB )c o s1( BCAB AAl （ 4）代入题设条件求两杆的夹角 条件 ： s in ABABABAB

13、A FAN， sin FAAB c o t BCBCBCBC AFAN ， cot FABC 条件 ： W 的总重量为最小。 )c o s1(BCAB AAlW )c o s1( BCAB AAl )c o tc o s1s in( FFl )s inc o sc o ss in 1( Fl coss in cos1 2Fl 2s inc o s12 2Fl 7 从 W 的表达式可知， W 是 角 的一元函数。当 W 的一阶导数等于零时， W 取得最小值。 02s i n 22c o s)c o s1(2s i ns i nc o s22 2 2 FlddW 022c o s2 2c o s3

14、2s in 2 02c o s2c o s32s in 22 12cos3 ， 3333.02cos o47.109)3333.0a r c c o s (2 ， 445474.54 oo （ 5）求两杆横截面面积 的比值 sin FAAB ，cot FABC c o s1c o ts in1c o ts in FFAABCAB 因为： 12cos3 ， 311cos2 2 ， 31cos2 31cos ， 3cos1 所以： 3BCABAA 习题 2-18 一桁架如图所示。各杆都由两个等边角钢组成。已知材料的许用应力MPa170 ，试选择 AC 和 CD 的角钢型号。 解：（ 1）求支座反力

15、 由对称性可知， )(220 kNRR BA （ 2）求 AC 杆和 CD 杆的轴力 以 A 节点为研究对象，由其平 衡条件得： 0Y 2-18 0c o s ACA NR 8 )(6 6 7.3 6 65/32 2 0s in kNRN AAC 以 C 节点为研究对象，由其平衡条件得： 0X 0c o s ACCD NN )(333.2935/45/3220c o s kNNNACCD （ 3）由强度条件确定 AC、 CD 杆的角钢型号 AC 杆： 222 569.2186.2156/170 366667 cmmmmmN NNA ACAC 选用 2 780 （面积 272.2186.102

16、cm ）。 CD 杆： 222 255.17488.1 7 2 5/170 2 9 3 3 3 3 cmmmmmN NNA CDCD 选用 2 675 （面积 25 9 4.177 9 7.82 cm ） 。 习题 2-19 一结构受力如图所示，杆件 AB、 CD、 EF、 GH 都由两根不等边角钢组成。已知材料的许用应力 MPa170 ，材料的弹性模量 GPaE 210 ，杆 AC 及 EG 可视为刚性的。试选择各杆的角钢型号，并分别求点 D、 C、 A 处的铅垂位移 D 、 C 、 A 。 解：（ 1）求各杆的轴力 )(2 4 03 0 042.3 kNNAB )(603 0 048.0

17、kNNCD 0 FM 02.1605.13 0 03 GHN 2-19 )(1 7 4)724 5 0(31 kNN GH 0Y 03 0 0601 7 4 EFN 9 )(186 kNN EF （ 2）由强度条件确定 AC、 CD 杆的 角钢型号 AB 杆： 222 12.14765.1411/170 2 4 0 0 0 0 cmmmmmN NNA ABAB 选用 2 55690 （面积 24 2 4.142 1 2.72 cm ）。 CD 杆： 222 5 2 9.39 4 1.3 5 2/1 7 06 0 0 0 0 cmmmmmN NNA CDCD 选用 2 32540 （面积 278

18、.389.12 cm ）。 EF 杆： 222 4 1 2.101 1 8.1 0 9 4/1 7 01 8 6 0 0 0 cmmmmmN NNA EFEF 选用 2 54570 （面积 22 1 8.116 0 9.52 cm ）。 GH 杆： 222 353.10529.1023/170 1 7 4 0 0 0 cmmmmmN NNA GHGH 选用 2 54570 （面积 22 1 8.116 0 9.52 cm ）。 （ 3） 求点 D、 C、 A 处的铅垂位移 D 、 C 、 A )(7.26 9 4.24.1 4 4 22 1 0 0 0 0 3 4 0 02 4 0 0 0 0

19、 mmEA lNl AB ABABAB )(9 0 7.03 7 82 1 0 0 0 0 1 2 0 06 0 0 0 0 mmEA lNl CD CDCDCD )(5 8 0.18.1 1 2 12 1 0 0 0 0 2 0 0 01 8 6 0 0 0 mmEA lNl EF EFEFEF )(477.18.1121210000 2000174000 mmEA lNl GH GHGHGH EG 杆的变形协调图如图所示。 38.1 GHEF GHD ll l10 38.1477.1580.1 477.1 D)(54.1 mmD )(45.2907.054.1 mml CDDC )(7.2

20、 mml ABA 习题 2-21 （ 1）刚性梁 AB 用两根钢杆 AC、 BD 悬挂着，其受力如图所示。已知钢杆 AC和 BD 的直径分别为 mmd 251 和 mmd 182 ，钢的许用应力 MPa170 ，弹性模量GPaE 210 。试校核钢杆的强度，并计算钢杆的变形 ACl 、 BDl 及 A、 B 两点的竖向位移 A 、 B 。 解：（ 1）校核钢杆的强度 求轴力 )(6 6 7.661 0 05.43 kNNAC )(333.331005.4 5.1 kNN BC 计算工作应力 222514.325.0 6 6 6 6 7 mmNAN ACACAC MPa882.135 221814.325.0 33333 mmNAN BDBDBD 2-21 MPa057.131 因为以上二杆的工作应力均未超过许用应力 170MPa，即 AC ； BD ，所以 AC 及 BD 杆的强度足够，不会发生破坏。 （ 2）计算 ACl 、 BDl )(6 1 8.16 2 5.4 9 02 1 0 0 0 0 2 5 0 06 6 6 6 7 mmEA lNl AC ACACAC )(560.134.254210000 250033333 mmEA lNl BD BDBDBD （ 3）计算 A、 B 两点的竖向位移 A 、 B