材料力學緒論

1、.1.21- -1 材料力學的任務材料力學的任務1-3 1-3 可變形固體的性質及其基本假設可變形固體的性質及其基本假設幾個概念：內(nèi)力和應力、應變、圣維南原理幾個概念：內(nèi)力和應力、應變、圣維南原理1-1-4 材料力學主要研究對象的幾何特征材料力學主要研究對象的幾何特征1-5 1-5 桿件變形的基本形式桿件變形的基本形式第一章第一章 緒論及基本概念緒論及基本概念.3課程性質 本課程是工科院校重要的承先啟后的技術基礎課。可直接應用于道路、橋梁、建筑、航空航天以及工程機械設計。在基礎課與專業(yè)課之間起橋梁作用，為學習后續(xù)課程（如：結構力學、彈性力學、機械原理等）打下基礎。本課程的研究方法為今后的學習工

2、作有幫助。課程特點特點：特點：“三多三多”概念多、公式多、計算多概念多、公式多、計算多 應注意在學習過程中及時歸納總結應注意在學習過程中及時歸納總結11 材料力學的任務材料力學的任務.4 上課適當作一些筆記，特別是一些補充例題上課適當作一些筆記，特別是一些補充例題及其解題思路及方法；平時注意觀察，對一般機及其解題思路及方法；平時注意觀察，對一般機械結構有初步了解；學會處理力學問題的一般方械結構有初步了解；學會處理力學問題的一般方法法 。課程要求由實際問題抽象出力學模型由實際問題抽象出力學模型 ，對力學模型進行，對力學模型進行分析，運用有關定理解決問題。分析，運用有關定理解決問題。.5一、研究內(nèi)

3、容與研究對象一、研究內(nèi)容與研究對象 工程實際中，結構物或機械一般由各種零件（稱為工程構件 member）組成。當結構物或機械工作時，這些構件就會承受一定的載荷（load）即力的作用。本課程具體的研究內(nèi)容與任務力產(chǎn)生的效應力產(chǎn)生的效應)(-)-寸寸大大小小改改變變即即力力使使物物體體的的形形狀狀、尺尺使使物物體體的的形形態(tài)態(tài)發(fā)發(fā)生生改改變變內(nèi)內(nèi)效效應應速速度度、加加速速度度變變化化（即即力力使使物物體體的的位位置置、使使物物體體的的動動態(tài)態(tài)發(fā)發(fā)生生改改變變外外效效應應.6材料力學研究力產(chǎn)生的內(nèi)效應，研究力與物體的變形及破壞規(guī)律 研究對象抽象為可變形固體理論力學研究力產(chǎn)生的外效應，研究力與機械運動

4、之間的普遍規(guī)律 研究對象抽象為剛體二、課程任務二、課程任務 結構物或機械要正常工作，要求組成它們的構件有結構物或機械要正常工作，要求組成它們的構件有足夠的承擔載荷的能力足夠的承擔載荷的能力承載能力承載能力.7（1 1）構件必須具有足夠的）構件必須具有足夠的強度強度（strenth）：）：衡量構件衡量構件承載能力承載能力的三個主指標的三個主指標： 構件在外力作用下具有足夠的抵抗破壞的能力。構件在外力作用下具有足夠的抵抗破壞的能力。構件必須具有足夠的保持原有平衡狀態(tài)的能力構件必須具有足夠的保持原有平衡狀態(tài)的能力構件的強度、剛度和穩(wěn)定性與構件的材料、截面形狀與尺構件的強度、剛度和穩(wěn)定性與構件的材料、

5、截面形狀與尺 寸、成本有關。寸、成本有關。（2 2）構件必須具有足夠的）構件必須具有足夠的剛度剛度（rigidity）：）：構件在外力作用下具有足夠的抵抗變形的能力。構件在外力作用下具有足夠的抵抗變形的能力。（3 3）構件必須具有足夠）構件必須具有足夠穩(wěn)定性穩(wěn)定性（stability）.8房屋梁柱斷裂引起倒塌 1993年8月13日上午10點左右，泰國皇家大飯店倒塌，原房屋設計為三層62套房間，后來又在上面加蓋了三層1套房間，為防斷水，在房頂又加了四個大水箱，下部三層結構承受不了上部的加層及水箱重量，梁柱斷裂引起整幢大飯店倒塌。.9 2005年11月2日下午3時，上海江揚南路臨汾路一處工地，正在

6、吊運貨運電梯的塔吊從中間突然折斷，50米長大臂折成幾段砸向樓頂，駕駛室內(nèi)的操作工當場死亡.10 2007年3月28日上午10時左右，上海江蘇路宣化路交叉口的企發(fā)大廈工地，塔吊在拆卸過程中，鋼絲繩突然斷裂，導致塔吊大臂傾覆，將工地上一臺升降機立柱砸彎，并懸掛在90米高空.11破壞斷裂或過量的塑性變形。變形構件尺寸與形狀的變化。彈性變形外力解除以后可消失的變形。塑性變形外力解除以后不能消失的變形。.12美國塔科瑪大橋在風荷載作用下發(fā)生過量的塑性變形引起大橋整體毀壞.13.14高剛度的橋面結構高剛度的橋面結構.15細長壓桿，當壓力達到或超過一定限度時，桿件可能突然變彎而失去承載能力，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)

7、或屈曲。桿件的失穩(wěn)或屈曲往往產(chǎn)生很大的變形甚至導致整個結構的破壞。.161925年2月13日，修復后的莫濟里橋在試車時出現(xiàn)了問題。幸好桁架落在為試車準備的臨時支座上，人們才可看到斜桿失穩(wěn)后的情景。左圖橋下側面觀察，右圖橋上看：長15.372米的斜桿一根鼓出1.46米，另一根鼓出0.905米。.171875年俄國開伏達河上同名橋，在安裝完畢后，僅當工作車通過時,受壓上弦桿發(fā)生偏離桁架平面的屈曲而毀壞。.182000年10月25日上午10時許南京電視臺演播廳工程封頂，由于腳手架失穩(wěn)，模板倒塌，造成6人死亡，35人受傷，其中一名死者是南京電視臺的攝象記者。.19本課程的任務本課程的任務既安全又既安全

8、又經(jīng)濟地經(jīng)濟地設計構件設計構件 材料力學就是通過對構件承載能力的研究，找到構件的截材料力學就是通過對構件承載能力的研究，找到構件的截面尺寸、截面形狀及所用面尺寸、截面形狀及所用材料的力學性能材料的力學性能與所受載荷之間的內(nèi)與所受載荷之間的內(nèi)在關系，從而在既安全可靠又經(jīng)濟節(jié)省的前提下，為構件選擇在關系，從而在既安全可靠又經(jīng)濟節(jié)省的前提下，為構件選擇適當?shù)牟牧虾秃侠淼慕孛娉叽纭⒔孛嫘螤?。適當?shù)牟牧虾秃侠淼慕孛娉叽?、截面形狀。課程的研究方法：理論分析和實驗手段相結合理論分析和實驗手段相結合 材料的材料的力學性能力學性能( (材料在外力作用下的變形規(guī)律，以及材料在外力作用下的變形規(guī)律，以及抵抗變形與破

9、壞的能力抵抗變形與破壞的能力) )需要通過試驗獲得。需要通過試驗獲得。 一些理論以實驗結果得出的某些假設為前提一些理論以實驗結果得出的某些假設為前提.20 不同材料制成的構件,其承載能力不一樣。 構件的強度、剛度、穩(wěn)定性與制作構件的材料有關。 材料力學還要通過試驗來研究材料的力學性能,并在此基礎上為構件選擇合適的材料。材料的力學性能.21為構件選擇合適的材料 根據(jù)結構的類型選材 超高層建筑.22為構件選擇合適的材料 根據(jù)結構的類型選材 高層 小高層建筑 多層、小別墅建筑.23為構件選擇合適的材料 根據(jù)受力性質選材 南浦大橋英國控威橋趙州橋.24 合理解決安全與經(jīng)濟之間的矛盾構件設計安全經(jīng)濟滿足

10、剛度強度穩(wěn)定性要求材料好些截面大些降低成本、節(jié)約資金材料差些截面小些.25安全經(jīng)濟矛盾力求合理解決選擇材料設計截面恰到好處.26一、變形固體一、變形固體：二、變形固體的基本假設：二、變形固體的基本假設：1、連續(xù)性假設：、連續(xù)性假設：2 2、均勻性假設：、均勻性假設：3 3、各向同性假設：、各向同性假設：在外力作用下可發(fā)生變形的固體。在外力作用下可發(fā)生變形的固體。認為變形固體整個體積內(nèi)都被物質連續(xù)認為變形固體整個體積內(nèi)都被物質連續(xù)地充滿，沒有空隙和裂縫。地充滿，沒有空隙和裂縫。認為變形固體整個體積內(nèi)各點處的力學認為變形固體整個體積內(nèi)各點處的力學性質相同。性質相同。認為變形固體沿各個方向的力學性質

11、認為變形固體沿各個方向的力學性質相同（不適合所有的材料）。相同（不適合所有的材料）。假設2和3表示材料的力學性能與坐標、方向無關1212可變形固體的性質及其基本假設可變形固體的性質及其基本假設.27連續(xù)性假設連續(xù)性假設普通鋼材顯微組織優(yōu)質鋼材顯微組織還例如:砼石子/黃沙/水泥但仍有空隙存在。.28小變形：三、研究材料力學的前提條件三、研究材料力學的前提條件小變形假設小變形假設。指構件在外力作用下發(fā)生的變形量遠小于構件的尺寸指構件在外力作用下發(fā)生的變形量遠小于構件的尺寸材料力學研究的變形通常局限于小變形范圍材料力學研究的變形通常局限于小變形范圍小變形前提小變形前提小變形前提條件的作用小變形前提條

12、件的作用1 1、小變形前提保證構件處于純彈性變形范圍、小變形前提保證構件處于純彈性變形范圍彈性變形彈性變形卸載后能自動恢復的變形卸載后能自動恢復的變形塑性變形塑性變形卸載后不能恢復的變形卸載后不能恢復的變形絕大多數(shù)工程材料的彈性變形都是小變形。絕大多數(shù)工程材料的彈性變形都是小變形。.2912AA1FFBCF1NF2NFA求FN1、 FN1 時，仍可l21按構件原始尺寸計算。按構件原始尺寸計算。2 2、小變形前提允許以變形前的受力分析代替變形后的受力分析、小變形前提允許以變形前的受力分析代替變形后的受力分析 因構件在外力作用下發(fā)生的變形與原尺寸相比非常小，因構件在外力作用下發(fā)生的變形與原尺寸相比

13、非常小，在計算構件所受的力時，可按構件原始尺寸計算。在計算構件所受的力時，可按構件原始尺寸計算。l.303 3、小變形前提保證疊加法成立、小變形前提保證疊加法成立 疊加法指構件在多個載荷作用下產(chǎn)生的變形疊加法指構件在多個載荷作用下產(chǎn)生的變形可以看作為各個載荷單獨作用產(chǎn)生的變形之代數(shù)和可以看作為各個載荷單獨作用產(chǎn)生的變形之代數(shù)和 疊加法是材料力學中常用的方法。疊加法是材料力學中常用的方法。.31板殼塊體桿件桿：空間一個方向的尺度遠大于其它兩個方向的尺度，這種彈性體稱為桿（桿：空間一個方向的尺度遠大于其它兩個方向的尺度，這種彈性體稱為桿（bar)板：空間一個方向的尺度遠小于其它兩個方向的尺度，且各

14、處曲率均為零，板：空間一個方向的尺度遠小于其它兩個方向的尺度，且各處曲率均為零， 這種彈性體稱為板這種彈性體稱為板Plate 殼：空間一個方向的尺度遠小于其它兩個方向的尺度，且至少有一方向的殼：空間一個方向的尺度遠小于其它兩個方向的尺度，且至少有一方向的 曲率不為零，這種彈性體稱為殼曲率不為零，這種彈性體稱為殼shell。體：空間三個方向且有相同量級的尺度，這種彈性體稱為體體：空間三個方向且有相同量級的尺度，這種彈性體稱為體 body。1-1-4 材料力學主要研究對象的幾何特征材料力學主要研究對象的幾何特征.32桿的兩個幾何要素桿的兩個幾何要素軸線：各橫截面中點的連線。各橫截面中點的連線。橫截

15、面軸線橫截面：橫截面：垂直于桿長度方向的截面。垂直于桿長度方向的截面。材料力學最主要的研究對象是等直桿材料力學最主要的研究對象是等直桿.331-5 1-5 桿件變形的基本形式桿件變形的基本形式桿的四種基本變形桿的四種基本變形軸向拉壓軸向拉壓剪切剪切扭轉扭轉彎曲彎曲.34一、內(nèi)力與截面法：一、內(nèi)力與截面法：1 、內(nèi)力的定義：、內(nèi)力的定義：在外力作用下，構件內(nèi)部各部分之間因相在外力作用下，構件內(nèi)部各部分之間因相對位置改變而引起的對位置改變而引起的附加的附加的相互作用力相互作用力附加內(nèi)力附加內(nèi)力。2 、內(nèi)力的特點：、內(nèi)力的特點：連續(xù)分布于截面上各處；連續(xù)分布于截面上各處； 隨外力的變化而變化。隨外力

16、的變化而變化。3 、截面法：、截面法：用以顯示和求解內(nèi)力的方法，其步驟為：用以顯示和求解內(nèi)力的方法，其步驟為：截開：截開：代替：代替：平衡：平衡：分為兩部分，分為兩部分，在待求內(nèi)力的截面處假想地將構件截在待求內(nèi)力的截面處假想地將構件截用內(nèi)力代替棄去部分對脫離體的作用內(nèi)力代替棄去部分對脫離體的作用；用； 通常為通常為分布內(nèi)力系分布內(nèi)力系對脫離體列出平衡方程。對脫離體列出平衡方程。脫離體脫離體；取其中一部分為研究對象取其中一部分為研究對象幾個概念：內(nèi)力、應力、應幾個概念：內(nèi)力、應力、應 變、圣維南原理變、圣維南原理.35FN軸力軸力FSy, FSz剪力剪力Mx扭矩扭矩My、Mz 彎矩彎矩內(nèi)力分量內(nèi)

17、力分量 分布內(nèi)力可以簡化為主矢和主矩分布內(nèi)力可以簡化為主矢和主矩,用用FR 和和 M表示。工程計算中表示。工程計算中有意義的是內(nèi)力的主矢和主矩在確定坐標系上的分量有意義的是內(nèi)力的主矢和主矩在確定坐標系上的分量.36應力的概念應力的概念: :比較比較a、b圖桿兩桿圖桿兩桿 應力定義：應力定義： 截面上一點處內(nèi)力的聚集程度截面上一點處內(nèi)力的聚集程度FmmFNFFmmFNF)(a)(b兩桿的材料、長度均相同。所受的內(nèi)力相同，為FN顯然粗桿更為安全。顯然粗桿更為安全。 構桿的強度與內(nèi)力在截面構桿的強度與內(nèi)力在截面上的分布和在某點處的聚集程上的分布和在某點處的聚集程度有關。度有關。二、二、 應應 力力是

18、反映一點處內(nèi)力的強弱程度的基本量是反映一點處內(nèi)力的強弱程度的基本量.37應力：應力：一點處內(nèi)力的聚集程度一點處內(nèi)力的聚集程度 一點的全應力：一點的全應力：APpA0limTNPNT截面；截面；截面。截面。dAdP 垂直于截面的應力分量垂直于截面的應力分量-正應力正應力ANA0lim 切于截面的應力分量切于截面的應力分量-切應力切應力ATA0limdAdNdAdT, p三者之間的關系：三者之間的關系：222pA面積上的內(nèi)力合力面積上的內(nèi)力合力P.38應力的單位：應力的單位：)/(/22mN米牛頓，或帕，或帕( Pa ) 。1 Mpa (兆帕）兆帕）= 106 Pa , 1 GPa （吉帕）（吉帕

19、） = 109 Pa。 .39三、三、 應應 變變（衡量變形程度的基本量）su av sus lim0 棱邊棱邊 ka 的平均正應變的平均正應變k點沿點沿棱邊棱邊 ka 方向方向的正應變的正應變（一）正應變（線應變）定義（一）正應變（線應變）定義正應變特點正應變特點1、 正應變是無量綱量2、 過同一點不同方位的正應變一般不同.40（二）切應變定義（二）切應變定義微體相鄰棱邊所夾直角的微體相鄰棱邊所夾直角的改變量改變量，稱為，稱為切應變切應變切應變?yōu)闊o量綱量角度單位為 弧度（rad）切應變量綱與單位.41GPaE200鋼的彈性模量：鋼的彈性模量：GPaE120銅的彈性模量：銅的彈性模量：（三）應力應變之間的相互關系（三）應力應變之間的相互關系 實驗結果表明實驗結果表明：在彈性范圍內(nèi)加載，正應力與：在彈性范圍內(nèi)加載，正應力與正應變存在線性關系正應變存