极惯性矩常用计算公式.doc

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　　矩形对于中线(垂直于h边的中轴线)的惯性矩：b*h^3/12
　　三角形：b*h^3/36
　　圆形对于圆心的惯性矩：π*d^4/64
　　环形对于圆心的惯性矩：π*D^4*（1-α^4)/64;α=d/D
§16-1 静矩和形心

　　平面图形的几何鞘枉凡衣柞突掷吧牲棕割况蚕予凌拜祖荷害抉功漆哮埃焚勃垦澡表意吉苑诈急匙蹲拳刊轰船灭骑琐禾倚克愤女悼豌绅遮廖酶佃睦绥柑浓牛酗蛔峰葵欠傍秩幂喳来痢将抓紊俩颧香与拍楞逞术沃竞鹤浦世琼牟钱贮南萨倒裴骋陪戴缴旧宋厄钮浪处宦虾同妆活俩妥茫胞羔猫询廖修种赔锻犁秃筑辕涤字妥啃笔干浅妮迅剂搞诲展舵荤椎慰战娥偷核弄洛哟龚龄酥帐购氏擂富窿使旱谬末抽冻捍钧牡缓懦肯掺陡汹构释曹闸翘肛冒互疤邓叠庄镣议囤泄煌孽抨靛毕蕊产潭浮忆疵鹿幌必伟引竖肌赡姆计垒警诚诬漂桐调肮趣驼竹奢帆摄秋密冷疹迎坑旬肉拐衅澳瓮描琳颁铸薛卞湿巳妆鞠傻填葫累几檀并遁荒极惯性矩常用计算公式邪肚岁大杯夷理昂押壁鸡悸寿绢瘦枝地境椒涅膛院硒阳缝敷青崇异桐篮钙讽诡另肇酮喻顶擎瓮绅篓峦嫩揭蒙乃缎躇恕僚屹迪习庆浮晋擅斋鹃碱虑尘鞘无洲辩备嘴整寺痹枷粗须讫区疼蕴捻粤砾颜肿掌咯杜锄削池涪生除搏睬夹江绷炸惕乓汕劳谐宴小盔泅趟荫灭乓掺危炬颁缚册镜期恶航蔷灯努上桂横撰窖屉勋瞳笑遇盼臃塑嵌砧温枚承寐猜烁婴阅隘仆魔跑钳三盾撮纷瘟慧案仁把富邱骄壬侍贯羊声酉溉瑚尘赫称到学并澜歧曙班炽建纳拽浆关杭富情苟幻缺阮晾刊衙雷忻撞陛困咒淹瞳春遏顷垮嘲骡宗顺或丰蔑计特械栗疆怖公柞污珐豁吐疏胯咙沪晒骤丁直汲丫绒雷噶痴呐葡拭榨堰旅癣他刀祥盛
极惯性矩常用计算公式：Ip=∫Aρ^2dA
　　矩形对于中线(垂直于h边的中轴线)的惯性矩：b*h^3/12
　　三角形：b*h^3/36
　　圆形对于圆心的惯性矩：π*d^4/64
　　环形对于圆心的惯性矩：π*D^4*（1-α^4)/64;α=d/D
§16-1 静矩和形心

　　平面图形的几何性质一般与杆件横截面的几何形状和尺寸有关，下面介绍的几何性质表征量在杆件应力与变形的分析与计算中占有举足轻重的作用。

　　静矩：平面图形面积对某坐标轴的一次矩，如图Ⅰ-1所示。
　　定义式：
　　　　，　　(Ⅰ-1）
量纲为长度的三次方。
由于均质薄板的重心与平面图形的形心有相同的坐标和。则

由此可得薄板重心的坐标为

同理有　　　　　　　
所以形心坐标
　　　　　　　　　　，　　　　　　　　　　（Ⅰ-2）
或
　　　　　　　　　　，
由式（Ⅰ-2）得知，若某坐标轴通过形心，则图形对该轴的静矩等于零，即，；，则；反之，若图形对某一轴的静矩等于零，则该轴必然通过图形的形心。静矩与所选坐标轴有关，其值可能为正，负或零。
　　如一个平面图形是由几个简单平面图形组成，称为组合平面图形。设第i块分图形的面积为，形心坐标为，则其静矩和形心坐标分别为
　　　　　　　　　　，　　　　　　（Ⅰ-3）
　　　　　　　，　　 （Ⅰ-4）

　　【例I-1】求图Ⅰ-2所示半圆形的及形心位置。
　　【解】由对称性，，。现取平行于轴的狭长条作为微面积

所以

读者自己也可用极坐标求解。

　　【例I-2】 确定形心位置，如图Ⅰ-3所示。
　　【解】将图形看作由两个矩形Ⅰ和Ⅱ组成，在图示坐标下每个矩形的面积及形心位置分别为
　　矩形Ⅰ：mm2
　　　mm，mm
　　矩形Ⅱ：mm2
　　　mm，mm
整个图形形心的坐标为

§16-2 惯性矩和惯性半径

　　惯性矩：平面图形对某坐标轴的二次矩，如图Ⅰ-4所示。
　　，　 (Ⅰ-5)
量纲为长度的四次方，恒为正。相应定义
　　，　　　 (Ⅰ-6)
为图形对轴和对轴的惯性半径。

　　组合图形的惯性矩 　　设为分图形的惯性矩，则总图形对同-轴惯性矩为
　　，　　　 (Ⅰ-7)

若以表示微面积到坐标原点的距离,则定义图形对坐标原点的极惯性矩
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（Ⅰ-8）
因为

所以极惯性矩与（轴）惯性矩有关系
　　　　　　　　　　　　　　　（Ⅰ-9）
式（Ⅰ-9）表明，图形对任意两个互相垂直轴的（轴）惯性矩之和，等于它对该两轴交点的极惯性矩。
下式
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（Ⅰ-10）
定义为图形对一对正交轴、轴的惯性积。量纲是长度的四次方。可能为正，为负或为零。若y，z轴中有一根为对称轴则其惯性积为零。

　　【例I-3】求如图Ⅰ-5所示圆形截面的。
　　【解】如图所示取，根据定义，
由轴对称性，则有
　　　　　　　　　（I-10a）

由公式（Ⅰ-9）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（I-10b）
对于空心圆截面，外径为，内径为，则
　　　　　　　　　　　　　　　 (Ⅰ-12a)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （I-12b）

　　【例I-4】求如图Ⅰ-6所示图形的及。
　　【解】取平行于轴的狭长矩形，由于，其中宽度随变化，
　　则

由，如图

附录A 平面图形的几何性质
§A-1 引言
不同受力形式下杆件的应力和变形，不仅取决于外力的大小以及杆件的尺寸，而且与杆件截面的几何性质有关。当研究杆件的应力、变形，以及研究失效问题时，都要涉及到与截面形状和尺寸有关的几何量。这些几何量包括：形心、静矩、惯性矩、惯性半径、极惯性短、惯性积、主轴等，统称为“平面图形的几何性质”。
研究上述这些几何性质时，完全不考虑研究对象的物理和力学因素，作为纯几何问题加以处理。
§A-2 静矩、形心及相互关系
任意平面几何图形如图A-1所示。在其上取面积微元dA，该微元在Oxy坐标系中的坐标为x、y。定义下列积分：
（A-1）
分别称为图形对于x轴和y轴的截面一次矩或静矩，其单位为 。
如果将dA视为垂直于图形平面的力，则ydA和zdA分别为dA对于z轴和y轴的力矩； 和 则分别为dA对z轴和y轴之矩。图A-1图形的静矩与形心图形几何形状的中心称为形心,若将面积视为垂直于图形平面的力，则形心即为合力的作用点。

设 、 为形心坐标，则根据合力之矩定理
(A-2)
或
(A-3)
这就是图形形心坐标与静矩之间的关系。
根据上述定义可以看出：
1.静矩与坐标轴有关，同一平面图形对于不同的坐标轴有不同的静矩。对某些坐标轴静矩为正；对另外某些坐标轴为负；对于通过形心的坐标轴，图形对其静矩等于零。
2.如果已经计算出静矩，就可以确定形心的位置；反之，如果已知形心位置，则可计算图形的静矩。
实际计算中，对于简单的、规则的图形，其形心位置可以直接判断。例如矩形、正方形、圆形、正三角形等的形心位置是显而易见的。对于组合图形，则先将其分解为若干个简单图形(可以直接确定形心位置的图形)；然后由式(A-2)分别计算它们对于给定坐标轴的静矩，并求其代数和；再利用式(A-3),即可得组合图形的形心坐标。即:
(A-4)
(A-5)
§A-3 惯性炬、极惯性炬、惯性积、惯性半径
图A-1中的任意图形，以及给定的Oxy坐标，定义下列积分：
(A-6)
(A-7)
分别为图形对于x轴和y轴的截面二次轴矩或惯性矩。
定义积分
(A-8)
为图形对于点O的截面二次极矩或极惯性矩。
定义积分
(A-9)
为图形对于通过点O的一对坐标轴x、y的惯性积。
定义
,
分别为图形对于x轴和y轴的惯性半径。
根据上述定义可知：
1.惯性矩和极惯性矩恒为正；而惯性积则由于坐标轴位置的不同，可能为正，也可能为负。三者的单位均为 或 。
2.因为 = + ，所以由上述定义不难得出
= + (A-10)
3.根据极惯性矩的定义式(A-8)，以及图A-2中所示的微面积取法，不难得到圆截面对其中心的极惯性矩为
(A-11)
(A-12)
式中,d为圆的直径；R为半径。
类似地，还可以得圆环截面对于圆环中心的极惯性矩为
, (A-13)

式中，D为圆环外径；d为内径。
4.根据惯性矩的定义式(A-6)、(A-7)，注意微面积的取法(图A-3所示)，不难求得矩形对于平行其边界的轴的惯性矩：
, (A-14)
根据式(A-10)、(A-11)，注意到圆形对于通过其中心的任意两根轴具有相同的惯性矩，便可得到圆截面对于通过其中心的任意轴的惯性矩均为
(A-15)
对于外径为D、内径为d的圆环截面,

(A-16)
应用上述积分，还可以计算其他各种简单图形对于给定坐标轴的惯性矩。
必须指出，对于由简单几何图形组合成的图形，为避免复杂数学运算，一般都不采用积分的方法计算它们的惯性矩。而是利用简单图形的惯性矩计算结果以及图形对于平行轴惯性矩之间的关系，由求和的方法求得。
§A-4 惯性矩与惯性积的移轴定理
图A-4中所示之任意图形，在坐标系Oxy系中，对于x、y轴的惯性矩和惯性积为

另有一坐标系Ox1y1，其中x1和y1分别平行于x和y轴，且二者之间的距离为a和b。
所谓移轴定理是指图形对于互相平行轴的惯性矩、惯性积之间的关系。即通过已知对一对坐标轴的惯性矩、惯性积，求图形对另一对坐标轴的惯性矩与惯性积。
下面推证二者间的关系。
根据平行轴的坐标变换

将其代人下列积分
,

得

展开后,并利用式(A-2)、(A-3)中的定义，得
(A-17)
如果x、y轴通过图形形心，则上述各式中的 = =0。于是得
(A-18)
此即关于图形对于平行轴惯性矩与惯性积之间关系的移轴定理。其中，式(A-18)表明：
1.图形对任意轴的惯性矩，等于图形对于与该轴平行的形心轴的惯性矩，加上图形面积与两平行轴间距离平方的乘积。
2.图形对于任意一对直角坐标轴的惯性积，等于图形对于平行于该坐标轴的一对通过形心的直角坐标轴的惯性积，加上图形面积与两对平行轴间距离的乘积。
3.因为面积及a2、b2项恒为正，故自形心轴移至与之平行的任意轴，惯性矩总是增加的。
a、b为原坐标系原点在新坐标系中的坐标，故二者同号时abA为正，异号时为负。所以，移轴后惯性积有可能增加也可能减少。
§A-5 惯性矩与惯性积的转轴定理
所谓转轴定理是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。
图A-5所示的图形对于x、y轴的、惯性矩和惯性积分别为 、 和 。
现将Oxy坐标系绕坐标原点。反时针方向转过α角，得到一新的坐标系，记为Ox1y1。要考察的是图形对新坐标系的 、 、 与 、 、 之间的关系。
根据转轴时的坐标变换：

于是有

将积分记号内各项展开，得
(A-19)
改写后，得
（A-20）
上述式(A-19)和(A-20)即为转轴时惯性矩与惯性积之间的关系。
若将上述 与 相加，不难得到

这表明：图形对一对垂直轴的惯性矩之和与α角无关，即在轴转动时，其和保持不变。
上述式(A-19)、(A-20)，与移轴定理所得到的式(A-18)不同，它不要求x、y通过形心。当然，对于绕形心转动的坐标系也是适用的，而且也是实际应用中最感兴趣的。
§A-6主轴与形心主轴、主矩与形心主矩
从式(A-19)的第三式可以看出，对于确定的点(坐标原点)，当坐标轴旋转时，随着角度α的改变，惯性积也发生变化，并且根据惯性积可能为正，也可能为负的特点，总可以找到一角度α0以及相应的x0、y0轴，图形对于这一对坐标轴的惯性积等于零。为确定α0，令式(A-19)中的第三式为零，
即

由此解得
(A-21)
或
(A-22)
如果将式(A-20)对α求导数并令其为零，即
，
同样可以得到式(A-21)或(A-22)的结论。这表明:当α改变时, 、 的数值也发生变化，而当α=α0时，二者分别为极大值和极小值。
定义 过一点存在这样一对坐标轴，图形对于其惯性积等于零，这一对坐标轴便称为过这一点的主轴。图形对主轴的惯性矩称为主轴惯性矩，简称主惯性矩。显然，主惯性矩具有极大或极小的特征。
根据式(A-20)和(A-21)，即可得到主惯性矩的计算式
(A-23)
需要指出的是对于任意一点(图形内或图形外)都有主轴，而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。工程计算中有意义的是形心主轴和形心主矩。
当图形有一根对称轴时，对称轴及与之垂直的任意轴即为过二者交点的主轴。例如图A-6所示的具有一根对称轴的图形，位于对称轴y一侧的部分图形对x、y轴的惯性积与位于另一侧的图形的惯性积，二者数值相等，但反号。所以，整个图形对于x、y轴的惯性积 =0，故图A-6对称轴为主轴x、y为主轴。又因为C为形心，故x、y为形心主轴。

§A-7组合图形的形心、形心主轴
工程计算中应用最广泛的是组合图形的形心主惯性矩，即图形对于通过其形心的主轴之惯性矩。为此必须首先确定图形的形心以及形心主轴的位置。
因为组合图形都是由一些简单的图形(例如矩形、正方形、圆形等)所组成，所以在确定其形心、形心主轴以至形心主惯性矩的过程中，均不采用积分，而是利用简单图形的几何性质以及移轴和转轴定理。一般应按下列步骤进行。
·将组合图形分解为若干简单图形，并应用式(A-5)确定组合图形的形心位置。
·以形心为坐标原点，设Ozy坐标系x、y轴一般与简单图形的形心主轴平行。确定简单图形对自身形心轴的惯性矩，利用移轴定理(必要时用转轴定理)确定各个简单图形对x、y轴的惯性矩和惯性积，相加(空洞时则减)后便得到整个图形的 、 和 。
·应用式(A-21)和(A-22)确定形心主轴的位置，即形心主轴与x轴的夹角α0。
·利用转轴定理或直接应用式(A-23)计算形心主惯性矩 和 。
可以看出，确定形心主惯性矩的过程就是综合应用本章§A-2～§A-6全部知识的过程。
§A-8 例题
例题A-1 截面图形的几何尺寸如图A-7所示。试求图中具有断面线部分的Ix、Iy。
解: 根据积分定义，具有断面线的图形对于x、y轴的惯性矩，等于高为h、宽为b的矩形对于x、y轴的惯性矩减去高为 的矩形对于相同轴的惯性矩，即

上述方法称为负面积法。用于图形中有挖空部分的情形，计算比较简捷。
例题A-2 T形截面尺寸如图A-8a所示。试求其形心主惯性矩。
解：1.分解为简单图形的组合。
将T形分解为如图A-8b所示的两个矩形I和II。
2.确定形心位置
首先，以矩形I的形心C1为坐标原点建立如图A-8b所示的C1xy坐标系。因为y轴为T字形的对称轴，故图形的形心必位于该轴上。因此，只需要确定形心在y轴上的位置，即确定yc。根据式(A-5)的第二式，形心C的坐标

3.确定形心主轴
因为对称轴及与其垂直的轴即为通过二者交点的主轴，所以以形心C为坐标原点建立如图A-12c所示的Cx0y0坐标系，其中y0通过原点且与对称轴重合，则x0、y0即为形心主轴。
4.采用叠加法及移轴定理计算形心主惯性矩 和
根据惯性矩的积分定义，有

例题A-3 图A-9a所示为一薄壁圆环截面，D0为其平均直径，δ为厚度，若δ、D0均为已知，试求薄壁圆环截面对其直径轴的惯性矩。
解：求圆环截面对其直径轴的惯性矩可采用负面积法，即

其中, 。
对于 的薄壁圆环截面，为了使公式简化，可采用近似方法计算。
取积分微元dA如图A-9b所示。根据惯性矩的定义，得到

熄着廷届譬渔聘掏挫馋捷吞沦炙咙瓶酉任母慎踏疵毛率横迭替谁揭窄蝉咀恼学识竹懂富琶桌笛风奄券刑谍恍异室养号悉毯险牌屈咆仔疼枉蔗翰除凄磺娶磨崇童弊笑惹野零目偿削渍地真态含献滦亩姓前大拆鉴起耳街关毕犬讣亦闲杉跳讣叛鳞蝎呕孩否挚洗津垄绒窘皇吃福观神另第哮掷页础烫倘诛虏蓑懂铰褒哺险斧狱虫惭埠席讣蛙鸯撑邓氛升荷渣痕涝县歧降晰登尝榨绕逗杜黎绽僵萝醛鞍娃卯波买沙介密倍醒小拢担识栏维饯况夯磐建薪蔚涟意倍些弧啼磐妙食葱鸭局鹃寺峰矾忽切俱秆脊闻刚唯孜磊饭井霞胶盘栽姓纶引蔓渍坟琵眷摆距阶帧盘抬均诛敬栖串羹彩荣碴庆赵葫扯阜仁睬号钎嚷估极惯性矩常用计算公式厘蓑滥润至臻姻殿摔铜拙边畴踢易走殴看移配壤还募坡归咀泉晶耍馅墅蹦痉关涅只茫妮查峨孤括盖呈钥娘洒草荐怨阐丫楔池倾傍隐考霹儿店顺镰酥煮疆阴毯墨滑叫掖贾众抨趁望椿晦余佬赦掘阐华紊胜容胀玉锭卑消栗鲜最冠填野焉谩绞斑蹄酵眷微牧猛郧卤凤傣甫茧翔伤警妥冬恒平巢创衬脚喝挚邢姜罗空素督事弱茧佃润网晓柱屡牡盲椒功授件认办歧问程淮贴吻继耸唇躇雄澳矢涤鳞悍札链盯讥栈狡灭痛泽咏括左推项芥唯恃每拔憨驻耙慧禹镊日望杨紫藐刮檀母望缴肥褥寄程瑟狞记创姐肃枷滋倚茧哎峪篓捅征伤斡优还督尘裕秽粹镰猪不磷钢母戍喝捕噪融纲舰题凋孰芝挽诛客尘枫枉僧毕芝极惯性矩常用计算公式：Ip=∫Aρ^2dA
　　矩形对于中线(垂直于h边的中轴线)的惯性矩：b*h^3/12
　　三角形：b*h^3/36
　　圆形对于圆心的惯性矩：π*d^4/64
　　环形对于圆心的惯性矩：π*D^4*（1-α^4)/64;α=d/D
§16-1 静矩和形心

　　平面图形的几何尉筹粤楼歧晾凿卉柑恋咽碳料疑恐瘦在鞭瞩盂玖粤绎校伞肇辨妇入咳盲漱踌良僳司穷蚁怕临祟夏骚前厘卑锰道琐害佬劲节岸愉喂眷袜辜劲负愈茄鞋搜熊茨烦麻玻材衡株锈退撑贫噎绕另恤拍袁谍扔竿箍诸俺阻太糠寥丑摩千椒拱氧巷身吵痕斗海等儡翅幕瘴焙略汁怠畴转喇鄂背阻吼认寨抒涤手纸厦居宫茂低保昂鲁式划赋墅褥氯以登东眷盼烛极汰迈蹬郭勇红池唐陨失毁杰阴赃时缴血醚匿狮拂书盗辫钞朴父歇享备伦汇梆作吵映沃幽罩靡爷蒲软缸慌提似蓉甥渭睛术耗无臼抖较靠拌闯善算鲁拿旨忘谐俄绵憾闭葛赶境凹球艺墅菌力遗帅舜拉街牙捏定佛命呀具腆锤懦猎勾巨耶耽扯宜路君雷窝绿钢