惯性矩及惯性积

惯性矩及惯性积

在讨论物体的平面动力学时，需介绍对通过质心G且与运动平面垂直的轴之惯性矩I G。在三维动力分析时，有时需计算六个惯性量。这些项称为惯性矩及惯性积(moments and products of inertia)，其以特殊方式描述物体相对于一已确定方向及原点的坐标系统的质量分布。

惯性矩考虑下图所示的刚体，物体的微分元素dm对三坐标轴的任一轴的惯性矩(moment of inertia)可定义为：元素的质量和此元素到该轴的最短距离的平方之乘积。例如，如图中所标示的，故dm对x轴的质量惯性矩为

物体的质量惯性矩I xx为上式对整个物体的质量积分。因此，对各轴的惯性矩可写成

在此可看出惯性矩必为正的量，由于此量是质量dm与距离平方的乘积之和，而质量dm必为正。

惯性积微分元素dm相对于一组相互正交的两平面的惯性积(product of inertia)定义为：质量元素与至各平面的垂直(或最短)距离的乘积。例如，相对于y-z及x-z平面，上图的质量元素的惯性积dI xy为

dI xy = xydm

同时注意dI yx = dI xy。对整个质量积分，物体对各平面组合的惯性积可表示为

不像惯性矩必为正，惯性积可为正、负或零。其结果是视其定义的两个坐标的符号而定，因其符号的变化是彼此独立的。特殊情况，如质量对称于两正交平面之一或两者，则相对于此二平面的惯性积将为零，在此情况下，质量元素将成对出现于对称平面的两侧，其中一例的元素，惯性积为正，两另一例对应元素的惯性积为负，故其和为零。这种例子如下图所示。在第一种情况，图(a)，y-z平面为对称平面，故I xz = I xy =0，而I yz计算的结果将为正，因所有的质量元素均位于正y及z坐标。对于图(b)所示的圆柱及坐标轴，x-z及y-z，平面均为对称平面，故I zx = I yz = I xy = 0。

平行轴与平行面定理求解物体惯性矩的积分技巧已于前面章节中讨论过。同时也曾讨论过组合物体，即由简单形状所组合成的物体的惯性矩，并表列于后封面内页。在这些情况，平行轴定理(parallel-axis theorem)常被用来计算，此定理于前面章节中导出，用来转移对通过质心G的轴的惯性矩至通过另一点的平行轴上。此时，若G点在x, y, z轴上的坐标为x G, y G, z G，如下图，则用来计算对x, y, z轴的惯性矩的平行轴方程式为

物体或组合体的惯性积的计算方式和物体的惯性矩相同。然而，此时的平行面定理就显得相当重要。此定理是用来将物体对一组通过物体质心的三正交平面的惯性积转移至另一组通过O点的三个平行面上。若平面间的垂直距离为x G, y G, z G，如下图，则平行面方程式可写成

这些方程式的推导和前面章节平行轴方程式相同。

惯性张量物体的惯性性质可由九个量完全描述其特性，其中有六个是彼此独立的。这些量由定义，可写成

此数组称为惯性张量(inertia tensor)。当此张量是对于不同原点O及不同坐标轴方向来计算，物体的惯性张量都有一组唯一的数值。

对于O及点我们可以找到唯一的一组坐标轴方向，使得物体对这些轴的惯性积均为零。在此情况，此惯性张量称为"对角化"，可写成简单形式

此处I x = I xx，I y = I yy及I z= I zz称为物体的主惯性矩(principal moments of inertia)，这是对惯性主轴计算而得。三个主惯性矩中，有一个是物体的最大惯性矩，另有一个是最小惯性矩。

在此将不讨论如何用数学方法来求惯性主轴的方向。但有许多情况下的主轴可由观察即可获得。根据前面惯性积的讨论我们可以注意到，当三相互正交的平面中有两个平面是物体的对称面，则物体对此坐标平面的所有惯性积为零，若坐标轴位于此二平面上，则此坐标轴即为惯性主轴。例如，前图(b)所示的x, y, z轴即为圆柱在O点的惯性主轴。

对任意轴的惯性矩考虑下图所示的物体，并已对原点在O点的x, y, z轴求出惯性张量的九个元素。现在若想求物体对Oa轴的惯性矩，Oa轴的方向由单位向量u a定义，则根据定义I Oa=∫b2dm，其中b是dm至Oa的垂直距离。若dm的位置以r表示，则b = r sinθ即表示u a?r的大小。故惯性矩可表为

若u a = u x i + u y j + u z k及r = x i + y j + z k，故u a?r = (u y z - u z y)i + (u z x - u x z)j + (u x y - u y x)k，代入后并进行点乘积，我们可将惯性矩写成

将物体的惯性矩及惯性积用符号取代，得

若物体的惯性张量是对x, y, z轴计算的，则对倾斜轴Oa的惯性矩可用上式来计算。而计算前必先求出Oa轴的方向余弦u x, u y, u z，此三项乃分别是Oa轴与x, y, z轴间的夹角α, β, γ的余弦值。

惯性矩的计算方法

I等．I等是从不同角度反映了截 S，其数学表达式 (4 -1a ) (4-1b) (4 -2a )

(4-2b) 式中y、z 为截面图形形心的坐标值．若把式(4-2) 改写成 (4-3) 性质： ?若截面图形的静矩等于零，则此坐标轴必定通过截面的形心． ?若坐标轴通过截面形心，则截面对此轴的静矩必为零． ?由于截面图形的对称轴必定通过截面形心，故图形对其对称轴的静矩恒为零。 4 ）工程实际中，有些构件的截面形状比较复杂，将这些复杂的截面形状看成是由若干简单图形( 如矩形、圆形等) 组合 而成的．对于这样的组合截面图形，计算静矩(S) 与形心坐标(y、z ) 时，可用以下公式 (4-4) (4-5) 式中A，y ，z 分别表示第个简单图形的面积及其形心坐标值，n 为组成组合图形的简单图形个数． 即：组合图形对某一轴的静矩等于组成它的简单图形对同一轴的静矩的代数和．组合图形的形心坐标值等于组合图形对相应坐标轴的静矩除以组合图形的面积．组合截面图形有时还可以认为是由一种简单图形减去另一种简单图形所组成的． 例4-1 已知T 形截面尺寸如图4-2 所示，试确定此截面的形心坐标值．

、两个矩形，则 设任一截面图形( 图4 — 3) ，其面积为A ．选取直角坐标系yoz ，在坐标为(y 、z) 处取一微小面积dA ，定义此微面积dA 乘以到坐标原点o的距离的平方，沿整个截面积分，为截面图形的极惯性矩I．微面积dA 乘以到坐标轴y 的距离的平方，沿整个截面积分为截面图形对y 轴的惯性矩I．极惯性矩、惯性矩常简称极惯矩、惯矩． 数学表达式为

极惯性矩(4-6) 对y 轴惯性矩(4 -7a ) 同理，对z 轴惯性矩(4-7b) 由图4-3 看到所以有 即(4-8) 式(4 — 8) 说明截面对任一对正交轴的惯性矩之和恒等于它对该两轴交点的极惯性矩。 在任一截面图形中( 图 4 — 3) ，取微面积dA 与它的坐标z 、y 值的乘积，沿整个截面积分，定义此积分为截面图形对y 、z 轴的惯性积，简称惯积．表达式为 (4-9) 惯性矩、极惯性矩与惯性积的量纲均为长度的四次方．I,I,I恒为正值．而惯性积I其值能为正，可能为负，也可能为零．若选取的坐标系中，有一轴是截面的对称轴，则截面图形对此轴的惯性积必等于零． 当截面图形对某一对正交坐标轴的惯性积等于零时，称此对坐标轴为截面图形的主惯性轴．对主惯性轴的惯性矩称为主惯性矩．而通过图形形心的主惯性轴称为形心主惯性轴( 或称主形心惯轴) ．截面对形心主惯性轴的惯性矩称为形心主惯性矩( 或称主形心惯矩) ．例如，图4-4 中若这对yz 轴通过截面形心，则它们就是形心主惯性轴．对这两个轴的惯性矩即为形心主惯性矩．

惯性矩总结(含常用惯性矩公式)

惯性矩是一个物理量，通常被用作描述一个物体抵抗扭动，扭转的能力。惯性矩的国际单位为(m^4)。 工程构件典型截面几何性质的计算 2.1面积矩 1．面积矩的定义 图2-2.1任意截面的几何图形 如图2-31所示为一任意截面的几何图形(以下简称图形)。定义：积分和分别定义为该图形对z轴和y轴的面积矩或静矩，用符号S z和S y，来表示，如式(2—2.1) (2—2.1)面积矩的数值可正、可负，也可为零。面积矩的量纲是长度的三次方，其常用单位为m3或mm3。 2．面积矩与形心 平面图形的形心坐标公式如式(2—2.2) (2—2.2) 或改写成，如式(2—2.3)

(2—2.3) 面积矩的几何意义：图形的形心相对于指定的坐标轴之间距离的远近程度。图形形心相对于某一坐标距离愈远，对该轴的面积矩绝对值愈大。 图形对通过其形心的轴的面积矩等于零；反之，图形对某一轴的面积矩等于零，该轴一定通过图形形心。 3．组合截面面积矩和形心的计算 组合截面对某一轴的面积矩等于其各简单图形对该轴面积矩的代数和。如式(2—2.4) (2—2.4) 式中，A和y i、z i分别代表各简单图形的面积和形心坐标。组合平面图形的形心位置由式(2—2.5)确定。 (2—2.5) 2.2极惯性矩、惯性矩和惯性积 1．极惯性矩 任意平面图形如图2-31所示，其面积为A。定义：积分称为图形对O点的极惯性矩，用符号I P，表示，如式(2—2.6) (2—2.6) 极惯性矩是相对于指定的点而言的，即同一图形对不同的点的极惯性矩一般是不同

的。极惯性矩恒为正，其量纲是长度的4次方，常用单位为m4或mm4。 (1)圆截面对其圆心的极惯性矩，如式(2—7) (2—2.7) (2)对于外径为D、内径为d的空心圆截面对圆心的极惯性矩，如式(2—2.8) (2—2.8) 式中，d/D为空心圆截面内、外径的比值。 2．惯性矩 在如图6-1所示中，定义积分，如式(2—2.9) (2—2.9) 称为图形对z轴和y轴的惯性矩。惯性矩是对一定的轴而言的，同一图形对不同的轴的惯性矩一般不同。惯性矩恒为正值，其量纲和单位与极惯性矩相同。 同一图形对一对正交轴的惯性矩和对坐标原点的极惯性矩存在着一定的关系。 如式2—2.10) I P=I z+I y (2—2.10) 上式表明，图形对任一点的极惯性矩，等于图形对通过此点且在其平面内的任一对正交轴惯性矩之和。 表6-1给出了一些常见截面图形的面积、形心和惯性矩计算公式，以便查用。工程中使用的型钢截面，如工字钢、槽钢、角钢等，这些截面的几何性质可从附录的型钢表中查取。 3．惯性积 如图2—32所示，积分定义为图形对y，、z轴的惯性积，用符号I yz表示，

惯性矩及惯性积

惯性矩及惯性积 在讨论物体的平面动力学时，需介绍对通过质心G且与运动平面垂直的轴之惯性矩I G。在三维动力分析时，有时需计算六个惯性量。这些项称为惯性矩及惯性积(moments and products of inertia)，其以特殊方式描述物体相对于一已确定方向及原点的坐标系统的质量分布。 惯性矩考虑下图所示的刚体，物体的微分元素dm对三坐标轴的任一轴的惯性矩(moment of inertia)可定义为：元素的质量和此元素到该轴的最短距离的平方 之乘积。例如，如图中所标示的，故dm对x轴的质量惯性矩为 物体的质量惯性矩I xx为上式对整个物体的质量积分。因此，对各轴的惯性矩可写成 在此可看出惯性矩必为正的量，由于此量是质量dm与距离平方的乘积之和，而质量dm必为正。 惯性积微分元素dm相对于一组相互正交的两平面的惯性积(product of inertia)定义为：质量元素与至各平面的垂直(或最短)距离的乘积。例如，相对于y-z及x-z平面，上图的质量元素的惯性积dI xy为 dI xy = xydm 同时注意dI yx = dI xy。对整个质量积分，物体对各平面组合的惯性积可表示为

不像惯性矩必为正，惯性积可为正、负或零。其结果是视其定义的两个坐标的符号而定，因其符号的变化是彼此独立的。特殊情况，如质量对称于两正交平面之一或两者，则相对于此二平面的惯性积将为零，在此情况下，质量元素将成对出现于对称平面的两侧，其中一例的元素，惯性积为正，两另一例对应元素的惯性积为负，故其和为零。这种例子如下图所示。在第一种情况，图(a)，y-z平面为对称平面，故I xz = I xy =0，而I yz计算的结果将为正，因所有的质量元素均位于正y及z坐标。对于图(b)所示的圆柱及坐标轴，x-z及y-z，平面均为对称平面，故I zx = I yz = I xy = 0。 平行轴与平行面定理求解物体惯性矩的积分技巧已于前面章节中讨论过。同时也曾讨论过组合物体，即由简单形状所组合成的物体的惯性矩，并表列于后封面内页。在这些情况，平行轴定理(parallel-axis theorem)常被用来计算，此定理于前面章节中导出，用来转移对通过质心G的轴的惯性矩至通过另一点的平行轴上。此时，若G点在x, y, z轴上的坐标为x G, y G, z G，如下图，则用来计算对x, y, z轴的惯性矩的平行轴方程式为 物体或组合体的惯性积的计算方式和物体的惯性矩相同。然而，此时的平行面定理就显得相当重要。此定理是用来将物体对一组通过物体质心的三正交平面的惯性积转移至另一组通过O点的三个平行面上。若平面间的垂直距离为x G, y G, z G，如下图，则平行面方程式可写成

惯性矩的计算方法及常用截面惯性矩计算公式

惯性矩的计算方法及常用截面惯性矩计算公式 截面图形的几何性质 一.重点及难点： (一).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 ydA dSx xdA dS y ==整个图形对y 、z 轴的静矩分别为 ??==A A y ydA Sx xdA S （I-1）2.形心与静矩关系 图I-1 设平面图形形心C 的坐标为C C z y , 则 0 A S y x = ， A S x y = （I-2） 推论1 如果y 轴通过形心（即0=x ），则静矩0=y S ；同理，如果x 轴通过形心（即0=y ），则静矩0=Sx ；反之也成立。 推论2 如果x 、y 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n A A A A ??321,,的简单图形组成，且一直各族图形的形心坐标分别为??332211,,,y x y x y x ；；，则图形对y 轴和x 轴的静矩分别为

∑∑∑∑========n i n i i i xi x n i i i n i yi y y A S S x A S 1 1 11S （I-3） 截面图形的形心坐标为 ∑∑=== n i i n i i i A x A x 1 1 ， ∑∑=== n i i n i i i A y A y 1 1 （I-4） 4.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) 静矩有的单位为3m 。 (3) 静矩的数值可正可负，也可为零。图形对任意形心轴的静矩必定为零，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）.惯性矩 惯性积 惯性半径 1. 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 ?=A p dA I 2ρ （I-5） 图形对y 轴和x 轴的光性矩分别定义为 ?=A y dA x I 2 ， dA y I A x ?=2 （I-6） 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

惯性矩的计算方法

I等． I等是从不同角度反映了截 S，其数学表达式 (4 -1a ) (4-1b) (4 -2a )

(4-2b) 式中 y、 z 为截面图形形心的坐标值．若把式 (4-2) 改写成 (4-3) 性质： ?若截面图形的静矩等于零，则此坐标轴必定通过截面的形心． ?若坐标轴通过截面形心，则截面对此轴的静矩必为零． ?由于截面图形的对称轴必定通过截面形心，故图形对其对称轴的静矩恒为零。 4 ）工程实际中，有些构件的截面形状比较复杂，将这些复杂的截面形状看成是由若干简单图形 ( 如矩形、圆形等 ) 组合而成的．对于这样的组合截面图形，计算静矩 (S) 与形心坐标 (y、 z ) 时，可用以下公式 (4-4) (4-5) 式中 A， y ， z 分别表示第个简单图形的面积及其形心坐标值， n 为组成组合图形的简单图形个数． 即：组合图形对某一轴的静矩等于组成它的简单图形对同一轴的静矩的代数和．组合图形的形心坐标值等于组合图形对相应坐标轴的静矩除以组合图形的面积．组合截面图形有时还可以认为是由一种简单图形减去另一种简单图形所组成的． 例 4-1 已知 T 形截面尺寸如图 4-2 所示，试确定此截面的形心坐标值．

、两个矩形，则 设任一截面图形 ( 图 4 — 3) ，其面积为 A ．选取直角坐标系 yoz ，在坐标为 (y 、 z) 处取一微小面积 dA ，定义此微面积 dA 乘以到坐标原点o的距离的平方，沿整个截面积分，为截面图形的极惯性矩 I．微面积 dA 乘以到坐标轴 y 的距离的平方，沿整个截面积分为截面图形对 y 轴的惯性矩 I．极惯性矩、惯性矩常简称极惯矩、惯矩． 数学表达式为

惯性矩和惯性半径的区别

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。 ?=A y dA z I 2，?=A z dA y I 2 （Ⅰ-5） 量纲为长度的四次方，恒为正。相应定义 A I i y y =，A I i z z = （Ⅰ-6） 为图形对 y 轴和对 z 轴的惯性半径。 组合图形的惯性矩。设 zi yi I I , 为分图形的惯性矩，则总图形对同一轴惯性矩为yi n i y I I 1=∑=，zi n i z I I 1 =∑= （Ⅰ-7）若以ρ表示微面积dA 到坐标原点O 的距离,则定义图形对坐标原点O 的极惯性矩 ?=A p dA I 2ρ （Ⅰ-8）因为 222z y +=ρ 所以极惯性矩与（轴）惯性矩有关系 ()z y A p I I dA z y I +=+= ?22 （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 ?=A yz yzdA I （Ⅰ-10） 定义为图形对一对正交轴 y 、z 轴的惯性积。量纲是长度的四次方。 yz I 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。 §Ⅰ-3平行移轴公式 由于同一平面图形对于相互平行的两对直角坐标轴的惯性矩或惯性积并不相同，如果其中一对轴是图形的形心轴 () c c z ,y 时，如图Ⅰ-7所示，可得到如下平行移轴公式 ?????+=+=+=abA I I A b I I A a I I C C C C z y yz z z y y 22 （Ⅰ-13） 简单证明之： ()?????++=+==A A C A C A C A y dA a dA z a dA z dA a z dA z I 22 222 其中 ?A C dA z 为图形对形心轴 C y 的静矩，其值应等于零，则得 A a I I C y y 2+= 同理可证（I-13）中的其它两式。 结论：同一平面内对所有相互平行的坐标轴的惯性矩，对形心轴的最小。在使用惯性积移轴公式时应注意 a ,b 的正负号。把斜截面上的总应力p 分解成与斜截面垂直的正应力n σ和相切的切应力n τ（图13.1c ）,则其与主应力的关系为 222123n l m n σσσσ=++ （13.1） n τ= （13.2）

惯性矩及相关总结(画重点)-20200408整理

前引 360知识：惯性矩是一个物理量，通常被用作描述一个物体抵抗弯曲的能力。惯性矩的国际单位为(m^4)。 百度知识：惯性矩(moment of inertia of an area)是一个几何量，通常被用作描述截面抵抗弯曲的性质。惯性矩的国际单位为(m4)。即面积二次矩，也称面积惯性矩，而这个概念与质量惯性矩（即转动惯量）是不同概念。 截面惯性矩（I=截面面积X截面轴向长度的二次方） 结构构件惯性矩I x 结构设计和计算过程中，构件惯性矩I x为截面各微元面积与各微元至与X轴线平行或重合的中和轴距离二次方乘积的积分。主要用来计算弯矩作用下绕X轴的截面抗弯刚度。 结构构件惯性矩I y 结构设计和计算过程中，构件惯性矩I y为截面各微元面积与各微元至与Y轴线平行或重合的中和轴距离二次方乘积的积分。主要用来计算弯矩作用下绕Y轴的截面抗弯刚度。 工程构件典型截面几何性质的计算 2.1面积矩 1．面积矩的定义 图2-2.1任意截面的几何图形 如图2-2.1所示为一任意截面的几何图形(以下简称图形)。定义：积分和分别定义为该图形对z轴和y轴的面积矩或静矩，用符号S z和S y，来表示，如式(2—2.1) (2—2.1)面积矩的数值可正、可负，也可为零。 面积矩的量纲是长度的三次方，其常用单位为m3或mm3。 2．面积矩与形心

平面图形的形心坐标公式如式(2—2.2) (2—2.2) 或改写成，如式(2—2.3) (2—2.3) 面积矩的几何意义： 图形的形心相对于指定的坐标轴之间距离的远近程度。 图形形心相对于某一坐标距离愈远，对该轴的静距（面积矩）绝对值愈大。 图形对通过其形心的轴的静距（面积矩）等于零； 反之，图形对某一轴的面积矩等于零，该轴一定通过图形形心。 形心确定的规律： （a）图形有对称轴时，形心必在此对称轴上。 （b）图形有两个对称轴时，形心必在此两对称轴的交点处。 3．组合截面面积矩和形心的计算 组合截面对某一轴的面积矩等于其各简单图形对该轴面积矩的代数和。如式(2—2.4) (2—2.4) 式中，A和y i、z i分别代表各简单图形的面积和形心坐标。组合平面图形的形心位置由式(2—2.5)确定。 (2—2.5)

惯性矩计算方法

抗弯惯距和抗扭惯距的计算 2009-10-20 09:54 计算过上部的人都知道，在计算横向力分布系数和冲击系数的时候都需要计算截面的抗弯惯距和抗扭惯距，下面就介绍几种方法来计算抗弯惯距和抗扭惯距（本教程拿30米简支转连续箱梁截面做样例）： 一、在AUTOCAD中有一个命令massprop可以计算截面的面积、周长、质心、惯性矩 操作简介：1、首先在CAD中画出如下图的图形；2、用region命令将图形转化成内外两个区域；3、用subtract命令求内外区域的差集；4、用move命令将图形移动至（0，0，0），用scale命令将图形单位调整为米；5、用massprop命令计算截面性质（可惜这个命令不能计算抗扭惯距） Command: mas MASSPROP Select objects: 1 found Select objects: ---------------- REGIONS ---------------- Area（面积）: 1.2739 Perimeter（周长）: 13.7034 Bounding box（边缘）: X: -1.7000 -- 1.7000 Y: 0.0000 -- 1.6000 Centroid（质心）: X: 0.0000 Y: 1.0458 Moments of inertia: X: 1.7883 Y: 0.7922 Product of inertia: XY: 0.0000 Radii of gyration: X: 1.1848 Y: 0.7886 Principal moments and X-Y directions about centroid: I: 0.3950 along [1.0000 0.0000]这就是惯距 J: 0.7922 along [0.0000 1.0000] 第二种方法：采用桥博计算截面惯距 操作简介：本人使用的是桥博3.03，大家可以新建一个项目组，在新建项目上右键选择截面设计，选择C:\Program Files\TongHao\DoctorBridge30\EXAMPLES\Tool\DbDebug2.sds,当前任务类型选择截面几何特征，在截面描述中清除当前截面（包括附加截面还有主截面里面的钢筋），选择“斜腹板单箱单室”（大家在可根据自己计算的截面选择相应的截面，如果桥博内置的截面没有的话，可以选用从CAD中导入，ＣＡＤ导入将在后面的教程中介绍）输入截面相应的数据（附图） 输出结果附后 <<桥梁博士>>---截面设计系统输出 文档文件: C:\Program

材料力学--计算机计算惯性矩和抗弯截面系数方法

材料力学—计算机计算惯性矩和抗弯截面系数方法 1 在AutoCAD中绘制需要计算的截面图形或导入图形，如图1所示。 图1 2 创建面域 面域创建的方式主要有两种： （1）reg命令。输入reg并回车或在菜单栏点选“绘图”→“面域”，按提示选择需要计算的截面图形线条；右键或Enter键确定。会建立两个面域（外围边框和内部边框）； （2）bo命令。在命令行输入bo并回车或在菜单栏点选“绘图”→“边界”，弹出如图2所示“边界创建”对话框。选择创建“对象类型”为“面域”，勾选“孤岛检测”，点击“拾取点”返回绘图界面，用十字光标拾取截面图形内部任意一点，右键或Enter键确定。也会建立两个面域（外围边框和内部边框）。 图2 3 面域差集计算 将建立的两个面域进行差集计算。在命令行输入subtract并回车或在菜单栏点选“修改”→“实体编辑”→“差集”，按提示选择要从中减去的实体或面域（外围边框）并回车，再选择要减去的实体或面域（内部边框）并回车，会将两个面域合成一个整体面域。 4 查询计算 （1）在命令行输入massprop 并回车或在菜单中选择“工具”→“查询”→“面积／质量特性”； （2）选择刚创建的面域并回车，弹出如图3所示的文本对话框；

图3 （3）得到截面面积=37.7mm2，截面形心坐标为（88.11，211.48）。截面惯性矩、惯性积、主力矩。 5 对截面形心坐标轴的惯性矩、惯性半径、抗弯截面系数查询计算 （1）从主力矩与质心的X-Y方向可以得出： I x=188.5mm4, I y=188.5mm4 （2）利用刚得到的截面形心坐标为（88.11，211.48），命令行输入ucs→（88.11，211.48），将用户ucs坐标原点移动到截面形心，如图4； 图4 （3）命令行输入massprop并回车，弹出如图5所示的文本对话框； 图5 （4）可得：截面对形心轴的惯性矩I x=188.5mm4、I y=188.5mm4，惯性积I xy=0（由图5可知，形心轴y 轴为截面图形的对称轴，所以截面图形对形心轴x、y轴的惯性积恒等于零）。 由图5可知，截面图形边界框值为x：-4—4、y：-4—4， 抗弯截面系数计算如下：

静距、惯性矩及惯性积的概念公式汇总

工程构件典型截面几何性质的计算 2.1面积矩 1．面积矩的定义图2-2.1任意截面的几何图形如图2-31所示为一任意截面 的几何图形(以下简称图形)。定义：积分和 分别定义为该图形对z 轴和y 轴的面积矩或静矩，用符号S z 和S y ，来表示，如式(2—2.1) (2—2.1) 面积矩的数值可正、可负，也可为零。面积矩的 量纲是长度的三次方，其常用单位为m 3或mm 3。 2．面积矩与形心平面图形的形心坐标公式如式(2—2.2) (2—2.2)或改写成，如式(2—2.3) (2—2.3) 面积矩的几何意义：图形的形心相对于指定的坐 标轴之间距离的远近程度。图形形心相对于某一坐标距

离愈远，对该轴的面积矩绝对值愈大。 图形对通过其形心的轴的面积矩等于零；反之， 图形对某一轴的面积矩等于零，该轴一定通过图形形 心。 3．组合截面面积矩和形心的计算 组合截面对某一轴的面积矩等于其各简单图形对该轴面积矩的代数和。如式(2—2.4) (2—2.4) 式中，A 和y i 、z i 分别代表各简单图形的面积和形心坐标。组合平面图形的形心位置由式(2—2.5)确定。 (2—2.5) 2.2极惯性矩、惯性矩和惯性积 1．极惯性矩 任意平面图形如图2-31所示，其面积为A 。定义： 积分称为图形对O 点的极惯性矩，用符号I P ，表示，如式(2—2.6) (2—2.6) 极惯性矩是相对于指定的点而言的，即同一图形对 不同的点的极惯性矩一般是不同的。极惯性矩恒为正， 其量纲是长度的4次方，常用单位为m 4或mm 4。(1)圆截面对其圆心的极惯性矩，如式(2—7)

(2—2.7) (2)对于外径为D、内径为d 的空心圆截面对圆心的极惯性矩，如式(2—2.8) (2—2.8)式中，d /D 为空心圆截面内、外径的比值。 2．惯性矩在如图6-1所示中，定义积分，如式(2—2.9) (2—2.9) 称为图形对z 轴和y 轴的惯性矩。惯性矩是对一定 的轴而言的，同一图形对不同的轴的惯性矩一般不同。 惯性矩恒为正值，其量纲和单位与极惯性矩相同。 同一图形对一对正交轴的惯性矩和对坐标原点的 极惯性矩存在着一定的关系。 如式2—2.10) I P =I z +I y (2—2.10) 上式表明，图形对任一点的极惯性矩，等于图形 对通过此点且在其平面内的任一对正交轴惯性矩之和。 表6-1给出了一些常见截面图形的面积、形心和惯 性矩计算公式，以便查用。工程中使用的型钢截面，如 工字钢、槽钢、角钢等，这些截面的几何性质可从附录 的型钢表中查取。 3．惯性积 如图2—32所示，积分定义为图形对y ，、 z 轴的惯性积，用符号I yz 表示，如式(2—11)

惯性矩计算方法及常用截面惯性矩计算公式

惯性矩的计算方法及常用截面惯性矩计算公式 截面图 形的几何性质 一.重点及难点： （一）.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 dS y =xdA dSx 二 ydA 整个图形对y 、z 轴的静矩分别为 S y = A XdA （I ） Sx ydA 、A 2. 形心与静矩关系 设平面图形形心C 的坐标为y C , z C S x S y y - ， x （ I-2） A A 推论1如果y 轴通过形心（即x = 0），则静矩S y =0 ;同理，如果x 轴 通过形心（即y = 0），则静矩Sx=o ；反之也成立。 推论2如果x 、y 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，贝昭形形心必在此轴上。 3. 组合图形的静矩和形心 设截面图形由几个面积分别为 A,A 2,A3……A n 的简单图形组成，且一直 各族图形的形心坐标分别为 丘局乂2*2；壬3,『3"…=，则图形对y 轴和x 轴 的静矩分别为 图I-1 则 0

S y = " S yi = ' A i X i i 4 i 4 n n S x = ' S xi = ' A i y i i 4 i 4 截面图形的形心坐标为 、' A i X i 4. 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）静矩有的单位为m 3 （3）静矩的数值可正可负，也可为零。图形对任意形心轴的静矩必定 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。 ⑷ 若已知图形的形心坐标。则可由式（1-1）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（1-2）求图形的形心坐标。组 合图形的形心位置，通常是先由式（1-3）求出图形对某一坐标系的静 矩，然后由式（1-4）求出其形心坐标。 （二）■惯性矩惯性积惯性半径 1. 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0点的极 惯性矩定义为 I p = A '2dA （1-5） 图形对y 轴和x 轴的光性矩分别定义为 I y 「A X 2dA ， I x 「A y 2dA （ I-6） 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m 4 (1-3) 、A i y i (1-4)

惯性矩的计算方法 (2)

第1节静矩和形心 4.1 静矩和形心 任何受力构件的承载能力不仅与材料性能和加载方式有关，而且与构件截面的几何形状和尺寸有关．如：计算杆的拉伸 与压缩变形时用到截面面积A ，计算圆轴扭转变形时用到横截面的极惯性矩I等．A 、I等是从不同角度反映了截面的几何特性，因此称它们为截面图形的几何性质． 4.1 静矩和形心 设有一任意截面图形如图4 — 1 所示，其面积为A ．选取直角坐标系yoz ，在坐标为(y,z) 处取一微小面积dA ，定义微面积dA 乘以到y 轴的距离z ，沿整个截面的积分，为图形对y 轴的静矩S，其数学表达式 (4 -1a ) 同理，图形对z 轴的静矩为 (4-1b) 图4-1 截面静矩与坐标轴的选取有关，它随坐标轴y 、z 的不同而不同．所以静矩的数值可能是正，也可能是负或是零．静矩的量纲为长度的三次方． 确定截面图形的形心位置( 图4-1 中C 点): (4 -2a ) (4-2b)

式中y、z 为截面图形形心的坐标值．若把式(4-2) 改写成 (4-3) 性质： ?若截面图形的静矩等于零，则此坐标轴必定通过截面的形心． ?若坐标轴通过截面形心，则截面对此轴的静矩必为零． ?由于截面图形的对称轴必定通过截面形心，故图形对其对称轴的静矩恒为零。 4 ）工程实际中，有些构件的截面形状比较复杂，将这些复杂的截面形状看成是由若干简单图形( 如矩形、圆形等) 组合而成的．对于这样的组合截面图形，计算静矩(S) 与形心坐标(y、z ) 时，可用以下公式 (4-4) (4-5) 式中A，y ，z 分别表示第个简单图形的面积及其形心坐标值，n 为组成组合图形的简单图形个数． 即：组合图形对某一轴的静矩等于组成它的简单图形对同一轴的静矩的代数和．组合图形的形心坐标值等于组合图形对相应坐标轴的静矩除以组合图形的面积．组合截面图形有时还可以认为是由一种简单图形减去另一种简单图形所组成的． 例4-1 已知T 形截面尺寸如图4-2 所示，试确定此截面的形心坐标值．

惯性矩的计算方法及常用截面惯性矩计算公式

一.重点及难点： (一).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 ydA dSx xdA dS y == 整个图形对y 、z 轴的静矩分别为 ??==A A y ydA Sx xdA S （I-1） 2.形心与静矩关系 图I-1 设平面图形形心C 的坐标为C C z y , 则 0 A S y x = ， A S x y = （I-2） 推论1 如果y 轴通过形心（即0=x ），则静矩0=y S ；同理，如果x 轴通过形心（即0=y ），则静矩0=Sx ；反之也成立。 推论2 如果x 、y 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n A A A A ??321,,的简单图形组成，且一直各族图形的形心坐标分别为??332211,,,y x y x y x ；；，则图形对y 轴和x 轴的静矩分别为 ∑∑∑∑========n i n i i i xi x n i i i n i yi y y A S S x A S 11 11 S （I-3） 截面图形的形心坐标为

∑∑===n i i n i i i A x A x 11 ， ∑∑===n i i n i i i A y A y 11 （I-4） 4.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) 静矩有的单位为3m 。 (3) 静矩的数值可正可负，也可为零。图形对任意形心轴的静矩必定为零，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）.惯性矩 惯性积 惯性半径 1. 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 ?=A p dA I 2ρ （I-5） 图形对y 轴和x 轴的光性矩分别定义为 ?=A y dA x I 2 ， dA y I A x ?=2 （I-6） 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4m 。 （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 ??+=+==A x y A p I I dA y x dA I )(222ρ （I-7）