截面的极惯性矩Ip与抗扭惯性矩It

极惯性矩I_{p} 是用来衡量截面抗扭性能的参数,其计算公式为:

    I_{p} =\int_{A}^{} \rho ^2dA=I_{x} +I_{y}

对于圆形截面和圆环截面,可直接由I_{p} 来计算抗扭截面系数W_{t}

    W_{t} =\frac{I_{p} }{R}         (R-外圆半径

而抗扭截面系数可用来计算扭转时的最大切应力\tau _{max}

    \tau _{max} =\frac{T}{W_{t} }         (T-扭矩

在计算圆轴扭转变形,即扭转角φ时,也要用到I_{p}

    \varphi =\frac{Tl}{GI_{p} }         (l-圆轴长度,G-材料的切变模量

但是对于非圆截面扭转,I_{p} 与φ,\tau _{max} 的关系便没有这么直接。



对于矩形截面

    \tau _{max} =\frac{T}{\alpha ba^2 }         (α-与高宽比b/a有关的系数)

扭转角φ

    \varphi =\frac{Tl}{G\beta ba^3 }         (β-也是与高宽比b/a有关的系数)

这里为了与上面圆轴扭转角公式对应,令

    \varphi =\frac{Tl}{G\beta ba^3 } =\frac{Tl}{GI_{t} }         (GI_{t} -称为杆件的抗扭刚度)

于是便有了矩形截面的抗扭惯性矩I_{t} 的概念

    I_{t} =\beta ba^3

对于高宽比\frac{b}{a} >10的狭长矩形,\alpha =\beta \approx \frac{1}{3} ,于是

    I_{t} =\frac{1}{3} ba^3=\frac{1}{3} ht^3        (h-狭长矩形高度/宽度,t-狭长矩形宽度/厚度 )



型材截面扭转切应力流

对于工程上各种型材截面,其壁厚均远小于截面尺寸,称为薄壁杆件。若杆件的截面中线是一条不封闭的折线或曲线,则称为开口薄壁杆件。例如角钢、工字钢、槽钢、T字钢等。这种开口薄壁杆件,其截面可看作是若干个狭长矩形组合而成,因此其抗扭惯性矩I_{t}

    I_{t} =\sum_{}\frac{1}{3} h_{i} t_{i} ^3

实际的型材截面,其狭长矩形内侧连接处有圆角,板厚也不均匀,翼缘内侧通常有斜度,因此用系数η加以修正

    I_{t} =\eta \sum_{}\frac{1}{3} h_{i} t_{i}^3

\eta 取值:角钢\eta =1,槽钢\eta =1.12,T字钢\eta =1.15,工字钢\eta =1.20

同时,对于开口薄壁杆件的扭转,扭转角φ

    \varphi =\frac{Tl}{GI_{t} }

最大切应力\tau _{max} 发生在厚度最大的狭长矩形长边上

    \tau _{max} =\frac{Tt_{max} }{I_{t} }

对于中线为曲线的开口薄壁杆件(上图第三个管件),计算时可将截面展平,作为狭长矩形处理。即将周长作为狭长矩形长边,厚度作为狭长矩形短边计算。


闭口薄壁杆件,如方管、矩形钢管等,则不能直接用上述公式计算I_{t} ,翻遍我的材料力学课本,没有这方面的定义,只介绍了这种截面的切应力和扭转角算法(即使壁厚不均匀一样成立):

    \tau _{max} =\frac{T}{2\omega t_{min} }         (ω-截面中线所围面积,t_{min} -最小壁厚)

    \varphi =\frac{T l}{4G\omega ^2 } \oint_{}^{} \frac{ds}{t}         (ds-截面中线上一段微分长度)

若杆件的壁厚t不变,则

    \varphi =\frac{TlS}{4G\omega ^2t }            (S=\oint_{}^{} ds,是截面中线的长度)


GB/T 6728-结构用冷弯空心型钢中,列出了圆管、方管和矩形管的扭转惯量(即本文中所说扭转惯性矩)以及计算公式:

I_{t} =\frac{t^3h}{3}  +2KA_{h}

h=2[(B-t)+(H-t)]-2R_{c}(4-\pi )

R_{c}=\frac{R+r}{2}

A_{h} =(B-t)(H-t)-R_{c}^2(4-\pi )

K=\frac{2A_{h}t }{h}


矩形截面杆件扭转时的系数

参考资料

《材料力学》刘鸿文 主编  高等教育出版社

《机械设计手册》 成大先 主编 化学工业出版社

GB/T 6728-2017 结构用冷弯空心型钢

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