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1、截面图形的几何性质截面图形的几何性质一一.重点及难点：重点及难点：(一一).).截面静矩和形心截面静矩和形心1.静矩的定义式如图 1 所示任意有限平面图形，取其单元如面积dA，定义它对任意轴的一次矩为它对该轴的静矩，即ydSy xdAdSx ydAxdA整个图形对 y、z 轴的静矩分别为xCySyxdAASx ydAA（I-1）0Ayx2.形心与静矩关系图 I-1设平面图形形心 C 的坐标为yC,zC则0SySxy，x（I-2）AA推论推论 1 1 如果 y 轴通过形心（即x 0），则静矩Sy 0；同理，如果x 轴通过形心（即y 0），则静矩Sx 0；反之也成立。推论推论 2 2 如果 x、y
2、 轴均为图形的对称轴，则其交点即为图形形心；如果y 轴为图形对称轴，则图形形心必在此轴上。3.组合图形的静矩和形心设截面图形由几个面积分别为A1,A2,A3An的简单图形组成，且一直各族图形的形心坐标分别为x1,y1；x2,y2；x3,y3，则图形对 y 轴和 x 轴的静矩分别为SySyiAixii1ni1nnn（I-3）SxSxiAiyii1i1截面图形的形心坐标为x A xii1nni，y A yii1nni（I-4）Ai1iAi1i4.静矩的特征(1)界面图形的静矩是对某一坐标轴所定义的，故静矩与坐标轴有关。(2)静矩的单位为m3。(3)静矩的数值可正可负，也可为零。图形对任意形心轴的静
3、矩必定为零，反之，若图形对某一轴的静矩为零，则该轴必通过图形的形心。(4)若已知图形的形心坐标。则可由式（I-1）求图形对坐标轴的静矩。若已知图形对坐标轴的静矩，则可由式（I-2）求图形的形心坐标。组合图形的形心位置，通常是先由式（I-3）求出图形对某一坐标系的静矩，然后由式（I-4）求出其形心坐标。（二）（二）.惯性矩惯性矩 惯性积惯性积 惯性半径惯性半径1.惯性矩（极惯性矩、对 y 轴和 x 轴的惯性矩）定义 设任意形状的截面图形的面积为 A（图 I-3），则图形对 O 点的极惯性矩定义为Ip2dA（I-5）A图形对 y 轴和 x 轴的惯性矩分别定义为Iyx2dA，Ixy2dA（I-6）A
4、A惯性矩的特征（1）界面图形的极惯性矩是对某一极点定义的；轴惯性矩是对某一坐标轴定义的。（2）极惯性矩和轴惯性矩的单位为m4。（3）极惯性矩和轴惯性矩的数值均为恒为大于零的正值。（4）图形对某一点的极惯性矩的数值，恒等于图形对以该点为坐标原点的任意一对坐标轴的轴惯性矩之和，即Ip2dA(x2 y2)dA Iy Ix（I-7）AA（5）组合图形（图 I-2）对某一点的极惯性矩或某一轴的轴惯性矩，分别等于各组成部分图形对同一点的极惯性矩或同一轴惯性矩之和，即IIi，IyIyi，Ix Ixi（I-8）i1i1i1nnnyx1C1A1 yx2C2xdAA2yxnCnAny10 x0yny2x图 I-2
5、图 I-32.惯性积定义设任意形状的截面图形的面积为 A（图 I-3），则图形对 y 轴和x 轴的惯性积定义为IxyxydA（I-9）A惯性积的特征（1）界面图形的惯性积是对相互垂直的某一对坐标轴定义的。（2）惯性积的单位为m4。（3）惯性积的数值可正可负，也可能等于零。若一对坐标周中有一轴为图形的对称轴，则图形对这一对称轴的惯性积必等于零。但图形对某一对坐标轴的惯性积为零，这一对坐标轴重且不一定有图形的对称轴。（4）组合图形对某一对坐标轴的惯性积，等于各组分图形对同一坐标轴的惯性积之和，即IxyIxyi（I-10）i1n3.惯性半径（回转半径）定义：任意形状的截面图形的面积为 A（图 I-3
6、）,则图形对 y 轴和 x 轴的惯性半径分别定义为iyIyA，ixIx（I-11）A惯性半径的特征（1）惯性半径是对某一坐标轴定义的。（2）惯性半径的单位为 m。（3）惯性半径的数值恒取正。（三）（三）.惯性矩和惯性积的平行移轴公式惯性矩和惯性积的平行移轴公式平行移轴公式Ix IxC a2AIy IyCb A2（I-12）Ixy Ix C y（I-13）Ca b A平行移轴公式的特征（1）意形状界面光图形的面积为 A（图（I-4）；xC，yC轴为图形的形心轴；x，y 轴为分别与xC，yC形心轴相距为 a 和 b 的平行轴。（2）两对平行轴之间的距离a 和 b 的正负，可任意选取坐标轴x，y 或
7、形心xC，yC为参考轴加以确定。（3）在所有相互平行的坐标轴中，图形对形心轴的惯性矩为最小，但图形对形心轴的惯性积不一定是最小。yyCdAbCxCa0 x图 I-4(四四)、惯性矩和惯性积的转轴公式、惯性矩和惯性积的转轴公式.主惯性轴主惯性矩主惯性轴主惯性矩转轴公式转轴公式Ix1Ix Iy2Ix Iy2Ix Iy2Ix Iy2cos2 Ixysin2Iy1cos2 Ixysin2Ix1y1转轴公式的特征转轴公式的特征Ix Iy2sin2 Ixycos2(1)角度的正负号，从原坐标轴 x,y 转至新坐标轴x1,y1，以逆时针转向者为正（图 5）。(2)原点 O 为截面图形平面内的任意点，转轴公式
8、与图形的形心无关。原、新坐标轴的原点须相同。(3)图形对通过同一坐标原点任意一对相互垂直坐标轴的两个轴惯性矩之和为常量，等于图形对原点的极惯性矩，即Ix Iy Ix1 Iy1 IP主惯性轴、主惯性矩主惯性轴、主惯性矩任意形状截面图形对以某一点 O 为坐标原点的坐标轴x0、y0的惯性积为零（Ix y 0），则坐标轴x0、y0称为图形通过点00O 的主惯性轴(图 6)。截面图形对主惯性轴的惯性矩Ix0,Iy0，称为主惯性矩。主惯性轴、主惯性矩的确定主惯性轴、主惯性矩的确定(1)对于某一点O，若能找到通过点 O 的图形的对称轴，则以点 O为坐标原点，并包含对称轴的一对坐标轴，即为图形通过点 O的一对
9、主惯性轴。对于具有对称轴的图形（或组合图形），往往已知其通过自身形心轴的惯性矩。于是，图形对通过点 O 的主惯性轴的主惯性矩，一般即可由平行移轴公式直接计算。(2)若通过某一点 O 没有图形的对称轴，则可以点 O 为坐标原点，任作一坐标轴 x，y 为参考轴，并求出图形对参考轴 x，y 的惯性矩Ix,Iy和惯性积Ixy。于是，图形通过点O 的一对主惯性轴方位及主惯性矩分别为tan20 2IxyIx Iy（I-16）2 Ixy (I-17)2Ix0Iy0Ix Iy2 Ix Iy2主惯性轴、主惯性矩的特征主惯性轴、主惯性矩的特征（1）图形通过某一点 O至少具有一对主惯性轴，而主惯性矩是图形对通过同一
10、点 O 所有轴的惯性矩中最大和最小。（2）主惯性轴的方位角0，从参考轴 x，y 量起，以逆时针转向为正。（3）若图形对一点 O 为坐标原点的两主惯性矩相等，则通过点 O的所有轴均为主惯性轴，且所有主惯性矩都相同。（4）以截面图形形心为坐标原点的主惯性轴，称为形心主惯性轴。图形对一对形心主惯性轴的惯性矩，称为形心主惯性矩。yyy1x1y0 x00 x0 xA0图 I-5图 I-6二二.典型例题分析典型例题分析例 I-a 试计算图示三角形截面对于与其底边重合的 x 轴的静矩。解：计算此截面对于 x 轴的静矩Sx时，可以去平行于 x 轴的狭长条(见图)作为面积元素（因其上各点的y 坐标相等），即dA
11、 b(y)dy。由相似三角形关系，可知:b(y)bb(h y),因此有dA(h y)dy。将其代入公式（I-1）的第二式，即得hhh0hbbh2bh2(h y)dy bydy y dy 0hh06SxydA Aydyhb(y)y0 xb例题 I-a 图解题指导解题指导：此题为积分法求图形对坐标轴的静矩。例 I-2 试确定图示-b截面形心 C 的位置解：将截面分为、两个矩形。为计算方便，取 x 轴和 y 轴分别与界面的底边和左边缘重合（见图）。先计算每一个矩形的面积Ai和形心坐标（xi,yi）如下：矩形 A10120 1200mm2x10120 5mm，y 60mm22矩形 A1070 700m
12、m27010 45mm，y 5mm22将其代入公式（I-4），即得截面形心 C 的坐标为x10 x Ax Ax37500 20mmA A1900A y Ay75500y 40mmA A1900解题指导：此题是将不规则图形划分为两个规则图形利用已有的规则图形的面积和形心，计算不规则图形的形心。y10120 xy10 xx80图-b例 I-3 试求图 I-c 所示截面对于对称轴 x 轴的惯性矩Ix解：此截面可以看作有一个矩形和两个半圆形组成。设矩形对于 x 轴的惯性矩为Ix，每一个半圆形对于 x 轴的惯性矩为Ix，则由公式（I-11）的第一式可知，所给截面的惯性矩：Ix Ix 2Ix（1）矩形对于
13、 x 轴的惯性矩为：d(2a)3802003Ix 5330104mm4（2）1212半圆形对于 x 轴的惯性矩可以利用平行移轴公式求得。为此，先求出每个半圆形对于与 x 轴平行的形心轴xC（图 b）的惯性矩IxC。已知半圆形对于其底边的惯性矩为圆形对其直径轴x（图 b）的惯性据之半，即Ixd4128。而半圆形的面积为A d28，其形心到底边的距离为2d（图 b）。故由平行移轴公式（I-10a），3可以求出每个半圆形对其自身形心轴xC的惯性矩为：IxC2d2d42d2d2 Ix()A()（3）312838由图 a 可知，半圆形形心到 x 轴距离为a 半圆形对于 x 轴的惯性矩为：Ix IxC2d，故在由平行移轴公式，求得每个32d2d42d2d22d2d2(a)A()(a)31283838a22ad()43223ad2d2将 d=80mm、a=100mm（图 a）代入式（4），即得Ix(80)280241002210080()3460104mm43223将求得的Ix和Ix代入式（1），便得Ix 5330104 2346010412250104mm4解题指导：此题是将不规则图形划分为若干个规则图形，利用已有的规则图形的面积、形心及对自身形心轴的惯性矩，结合平行移轴公式计算组合截面图形对组合截面形心的惯性矩。图I-c40a=100a 2d3xc2dxx10040d=803d图 I-c