材料力學第一章緒論

1、材 料 力 學講授:顧志榮致謝詞 本材料力學多媒體課件在編輯過程中,參考并編用了范欽珊、王元勛教授,上海交通大學材料力學教研室、西南交通大學配套孫訓方教材、南京航空航天大學陶秋帆等老師的材料力學課件中的圖片、例題,在此首頁致詞表示由衷的謝意! 本課件的編輯由朱海陽同仁制作,在此一并致謝!材料力學第一章 緒 論同濟大學航空航天與力學學院 顧志榮一、材料力學的任務二、材料力學的研究內容三、材料力學的基本假設四、材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式五、材料力學的課程性質與特點六、如何學好材料力學第一章 緒 論 研究構件的承載能力，研究材料的力學性質，在既安全又經(jīng)濟的條件下，為構件選擇合適的材料，確

2、定合理的截面形狀和尺寸提供計算理論與方法。一 材料力學的任務第一章 緒 論、研究構件的承載能力 構件：組成結構或機械的部件。 衡量構件承載能力的強度要求： 強度：構件抵抗破壞的能力。 不因發(fā)生斷裂或過量的塑性變形而失效。緒論 / 一 材料力學的任務一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力強 度 問 題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。一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能

3、力橋梁斷塌1994年10月21日早晨7時45分，韓國漢城圣水大橋中段50米的橋梁斷塌，造成48人死亡，20多人受傷漢城市市長辭職，總理辭職被挽留一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力 當?shù)貢r間2007年8月1日19時5分左右,在美國中西部城市明尼阿波利斯，一座40年歷史的雙向8車道州際大橋突然斷裂成幾大段，墜入18米之下的密西西比河。當?shù)卣汛_認這次事故造成至少4人死亡，數(shù)十人受傷。初步調查顯示，這是一起橋梁結構性垮塌事故，并非恐怖襲擊。 1998年9月10日19時38分，東方航空公司從上海飛往北京的MU586航班起飛，23時07分成功迫降上

4、海機場驚心動魄3小時，就是因為飛機前起落架的銷子斷裂導致起落架收放失效一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力前起落架鎖連桿安裝螺栓（銷子）發(fā)生斷裂一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力 1993年7月23日下午2時41分，西北航空公司從銀川至北京的2119航班從銀川市起飛時，因機尾突然斷裂，沖出跑道，沖破機場鐵絲網(wǎng)，栽入附近一淺水湖“7.23”銀川空難死亡59人，揚子晚報的報導催人淚下一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力 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，駕駛室內的操作工當場死亡一

5、材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力 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米高空一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力高速公路直道與彎道的連接路面的剪切破壞一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力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。一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力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一 材料力學的任務/ 1 研究構件

6、的承載能力、研究構件的承載能力衡量構件承載能力的剛度要求： 剛度：構件抵抗彈性變形的能力。 不因發(fā)生過大的彈性變形而失效。緒論 / 一 材料力學的任務一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力剛 度 問 題剛度問題一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力高剛度的橋面結構剛度問題一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力強度 剛度問題一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力強度剛度問題一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力、研究構件的承載能力衡量構件承載能力的穩(wěn)定要求： 穩(wěn)定性：構件保持原有平衡狀態(tài)的能力。 不因發(fā)生因平衡形式的突然轉彎而失效。緒論 / 一 材料力學的任務一 材

7、料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力穩(wěn) 定 問 題一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力細長壓桿，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)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。一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力19世紀的最后25年,歐美發(fā)生過一系列鐵路和公路橋梁因壓桿失穩(wěn)而造成結構破壞的事件。其中最有影響的兩例失穩(wěn)事故：美國阿什特比拉河上同名橋失穩(wěn)事故瑞士明漢斯太因村鐵路橋失穩(wěn)事故一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力美國阿什特比拉河上同名橋失穩(wěn)事故1876年12月29日晚8時許，一列由兩輛機車和11節(jié)車廂

8、組成的快車，在美國橫跨阿什特比拉河的同名橋上通過。在離對岸不到15米時，司機回頭一看，后面的列車都墜入河中，158名乘客中有92人遇難。該橋結構破壞的原因是因為這座金屬桁架式鐵路橋的受壓斜桿失穩(wěn)引起的。一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力這座橋由法國著名設計師和建筑師埃菲爾（A.-G.Eiffel)設計并建造。采用埃菲爾式桁架，其結構的立面圖和平面圖如上圖所示。瑞士明漢斯太因村鐵路橋失穩(wěn)事故一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力1891年5月14日瑞士這座架設在萊茵河支流比爾斯河上的單軌鐵橋，因結構設計缺乏全面的穩(wěn)定性分析而造成鐵橋墜毀，行駛其上的12節(jié)車廂中74人蒙難，200多

9、人受傷。一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力1925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。一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力1875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。一 材料力學的任務/ 1 研究構件的承載能力2000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

10、的攝象記者。緒論 / 一 材料力學的任務2、研究材料力學的力學性能 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。一 材料力學的任務/ 2 研究材料的力學性能為構件選擇合適的材料 根據(jù)結構的類型選材 超高層建筑一 材料力學的任務/ 2 研究材料的力學性能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 一 材料力學的任務/ 2 研究材料的力學性能為構件選擇合適的材料 根據(jù)結構的類型選材 多層 小別墅建筑 一 材料力學的任務/ 2 研究材料的力學性能為構件選擇合適的材料

11、 根據(jù)受力性質選材 一 材料力學的任務/ 2 研究材料的力學性能為構件選擇合適的材料 根據(jù)受力性質選材 一 材料力學的任務/ 2 研究材料的力學性能為構件選擇合適的材料 根據(jù)受力性質選材 南浦大橋楊浦大橋緒論 / 一 材料力學的任務3 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一 材料力學的任務/ 3 合理解決安全與經(jīng)濟矛盾安全經(jīng)濟矛盾力求合理解決選擇材料設計截面恰到好處第一章 緒 論1、基本理論部分 研究物體在外力作用下的內部力學響應,即構件的內力、應力和變形分析,這些都是強度、剛度和穩(wěn)定性分析的基礎。二 材料力學的

12、研究內容緒論 / 二 材料力學的研究內容2、實驗部分 實驗是材料力學的重要組成部分,通過實驗研究材料在外力作用下的力學性能和失效行為,確定材料抵抗破壞和變形的能力。同時實驗也是驗證理論和解決理論分析難于處理的問題的重要手段。緒論 / 二 材料力學的研究內容3、應用部分 上述兩部分內容的結合,成為工程設計的重要組成部分,即根據(jù)安全與經(jīng)濟的控制條件(以后各章要介紹的強度條件、剛度條件和穩(wěn)定性條件)為構件選擇 合適的材料,設計出合理的截面形狀和尺寸。二 材料力學的研究內容/ 3 應用部分方案設計靜力設計設計定型工程設計程序二 材料力學的研究內容/ 3 應用部分靜力設計 受力分析 內力分析應力分析 失

13、效分析穩(wěn)定設計剛度設計強度設計第一章 緒 論 1、兩種簡化的力學模型 剛體 變形固體 FFF FFFF F三 材料力學的基本假定(或稱簡化模型)緒論 / 三 材料力學的基本假設2、變形固體的三個物體假設(又稱材料性質模型) 連續(xù)性假設 均勻性假設 各向同性假設 三 材料力學的基本假設/ 2 變形固體的物性假設(1)、連續(xù)性假設(不同的地方) 含義:認為組成物體的物質毫無空隙地充滿整個物體的幾何容積。 作用:可用連續(xù)函數(shù)來表示此物體的各力學量,如內力、應力、應變和位移等變化。 實際情況:宏觀連續(xù),微觀不連續(xù)。三 材料力學的基本假設/ 2 變形固體的物性假設灰口鑄鐵顯微組織球墨鑄鐵顯微組織三 材料

14、力學的基本假設/ 2 變形固體的物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。三 材料力學的基本假設/ 2 變形固體的物性假設(2)均勻性假設(不同的地方) 含義:認為物體內任何部分的力學性質相同、均勻分布。 作用:可以從小到大(為研究一個整體，可取一小部分研究）也可以從大到?。ù蟪叽缭嚰y試的力學性能可應用到任何微小部分） 實際情況：宏觀均勻，微小不均勻。 砼振搗密實度會存在差異三 材料力學的基本假設/ 2 變形固體的物性假設低碳鋼拉伸局部頸縮現(xiàn)象三 材料力學的基本假設/ 2 變形固體的物性假設(3)、各向同性假設（同一點不同的方向） 含義：認為物體在一點

15、處各個方向具有相同的力學性能。 作用：研究問題時不必考慮方向性，即材料力學性能與坐標方向無關。 例如：從鋼板中取試樣。 實際情況：多數(shù)各向異性，少數(shù)各向同性。 例如：木材順紋橫紋、竹子順紋橫紋、復合材料的經(jīng)向緯向存在很大差異。緒論 / 三 材料力學的基本假定3、材料力學的研究范圍及前提條件 在材料力學中，實際材料被看是連續(xù)、均勻、各向同性的變形固體，但只限于研究彈性范圍內的小變形情況。三 材料力學的基本假設/ 3 材料力學的研究范圍及前提條件小變形：認為物件在外力作用下所產(chǎn)生的變形極其微小，與物體原始尺寸比較要小得多（也稱小變形假設）。第一章 緒 論 1、按空間三個方向的幾何特征，變形固體大致

16、可分為 （1）塊體：空間三個方向具有相同量級的尺度。 （2）殼體：空間一個方向尺度遠小于其它兩個方向的尺度，且至少有一個方向的曲率為零。 （3）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。 （4）桿: 空間一個方向的尺度遠大于其它兩個方向的尺度。四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式緒論 / 四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式2 材料力學的研究對象：桿（1）直桿軸線是直線（2）曲桿軸線是曲線（3）等截面桿截面相同（4）變截面桿橫截面沿軸線變化緒論 / 四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式3 、桿件變形的基本形式四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式/

17、3 桿件變形的基本形式拉 伸四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式壓 縮四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式剪 切四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式扭 轉四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式彎 曲四 材料力學的研究對象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式彎 曲第一章 緒論 1 、課程性質 材料力學是固體力學的一個分支，是一門技術基礎課。 無論是土建、機械、航空航天等專業(yè)，它的理論、概念、方法對工程設計、

18、科學研究和后續(xù)課程的學習是必不可少的。五 材料力學的課程性質與特點緒論 / 五 材料力學的課程性質與特點2 課程特點(三強三多）（1）內容的系統(tǒng)性強（2）方法的科學性強（3）理論聯(lián)系實際的密切性強（4）概念多、公式多、數(shù)字計算多五 材料力學的課程性質與特點/ 2 課程特點（1）內容的系統(tǒng)性強（一分析三計算兩先兩后）主線：桿件的應力分析（應力、變形及能量） 危險段、面、點處的強度計算最大變形處的剛度計算一定受力情況下桿的穩(wěn)定計算先討論基本變形，后研究組合變形先討論靜力問題，后研究動荷問題五 材料力學的課程性質與特點/ 2 課程特點（2）方法的科學性強 兩個前提： 桿件在各種力作用下必須平衡 整體平衡、局部平衡、微元平衡作用在彈性體上的外力相互平衡內力與外力平衡；內力與內力平衡。F1F3F2FnF1F2F3Fn分布內力五 材料力學的課程性質與特點/ 2 課程特點（2）方法的科學性強 兩個前提： 桿件各部分的變形必須協(xié)調 小到組成物體的各質點 大到變形協(xié)調條件變形前變形不協(xié)調變形不協(xié)調變形協(xié)調一致五 材料力學的課程性質與特點/ 2 課程特點（2）方法的科學性強 靜力學方面（平衡）綜合三方面 變形幾何學方面（變形協(xié)調） 物理學方面（力與變形）