材料力學(xué)課件

材料力學(xué)材料力學(xué)是研究材料在各種外力作用下的力學(xué)行為的學(xué)科。它涵蓋了應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度、剛度、韌性等概念，以及材料在彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸、壓縮等載荷下的變形和失效行為。課程簡介11.課程目標(biāo)幫助學(xué)生掌握材料力學(xué)基本理論知識和分析方法。22.課程內(nèi)容包含應(yīng)力應(yīng)變，材料的力學(xué)性能，以及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析。33.學(xué)習(xí)方法課本學(xué)習(xí)，課堂練習(xí)，以及課后習(xí)題。44.課程考核平時(shí)作業(yè)，期中考試，期末考試綜合評分?；靖拍盍W(xué)材料力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，研究材料在各種外力作用下的力學(xué)性能和變形規(guī)律。應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)力是材料內(nèi)部抵抗外力作用的內(nèi)力，應(yīng)變是材料在外力作用下的變形程度。材料特性材料的力學(xué)性能取決于材料的種類、形狀、尺寸、溫度等因素。工程應(yīng)用材料力學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)、土木工程、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)力物體內(nèi)部抵抗變形的能力，單位為帕斯卡（Pa）。應(yīng)變物體在受力后形狀和尺寸的變化程度，是無量綱量。楊氏模量楊氏模量（Young'smodulus），也稱為彈性模量，是材料在彈性范圍內(nèi)的一種力學(xué)性質(zhì)。它反映了材料抵抗形變的能力。楊氏模量可以通過拉伸試驗(yàn)測量，在試驗(yàn)中，材料被拉伸至其彈性極限，測量其應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，從而計(jì)算出楊氏模量。普餌松比定義橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比符號ν單位無量綱影響因素材料性質(zhì)典型值0.2-0.4普餌松比是材料力學(xué)中的重要參數(shù)，反映了材料在受拉伸或壓縮時(shí)，橫向尺寸變化與軸向尺寸變化的比例關(guān)系。幾何相似原理1比例關(guān)系形狀相同，尺寸比例一致2對應(yīng)角相等對應(yīng)角大小完全相同3形狀相似幾何形狀完全相同幾何相似原理在材料力學(xué)中被廣泛應(yīng)用，它可以通過研究小比例模型的力學(xué)行為來推斷實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。應(yīng)力分量正應(yīng)力正應(yīng)力是指垂直于截面的力，它會(huì)導(dǎo)致物體拉伸或壓縮。剪應(yīng)力剪應(yīng)力是指平行于截面的力，它會(huì)導(dǎo)致物體發(fā)生剪切變形。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力是指作用于圓形截面的力，它會(huì)導(dǎo)致物體發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力是指作用于梁上的力，它會(huì)導(dǎo)致梁發(fā)生彎曲變形。平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)是指物體內(nèi)部只有兩個(gè)方向上的應(yīng)力分量不為零，而第三個(gè)方向上的應(yīng)力分量為零。平面應(yīng)力狀態(tài)是材料力學(xué)中重要的概念，它簡化了問題的分析，并為我們提供了一種有效的方法來計(jì)算物體在平面應(yīng)力狀態(tài)下的變形和強(qiáng)度。平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)是材料力學(xué)中的一種重要概念，它描述了材料在特定情況下所受到的應(yīng)變。在這種情況下，材料的變形只發(fā)生在兩個(gè)平面上，而第三個(gè)方向上的應(yīng)變可以忽略。了解平面應(yīng)變狀態(tài)對于理解材料的變形行為和預(yù)測材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。它是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中的一個(gè)關(guān)鍵因素，尤其在設(shè)計(jì)橋梁、建筑物和其他大型結(jié)構(gòu)時(shí)。主應(yīng)力和主應(yīng)變主應(yīng)力材料內(nèi)部最大和最小的正應(yīng)力。它們作用在垂直于應(yīng)力方向的平面上，并具有最大剪應(yīng)力。主應(yīng)變材料內(nèi)部最大和最小的正應(yīng)變。它們對應(yīng)于主應(yīng)力方向上的最大和最小拉伸或壓縮。莫爾應(yīng)力圈圖形表示莫爾應(yīng)力圓是一種圖形工具，用于可視化材料內(nèi)部不同方向的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力分析該圓形圖形表示材料內(nèi)任意方向的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，方便進(jìn)行應(yīng)力分析。計(jì)算工具莫爾應(yīng)力圓可以用于確定主應(yīng)力、主應(yīng)變以及最大剪應(yīng)力，方便工程計(jì)算。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力11.扭轉(zhuǎn)應(yīng)力定義扭轉(zhuǎn)應(yīng)力是指作用在圓形截面物體上的切向應(yīng)力，由扭矩引起。22.扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算扭轉(zhuǎn)應(yīng)力可以通過扭矩、極慣性矩和半徑計(jì)算得出。33.扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在截面上的分布是不均勻的，最大值出現(xiàn)在截面的外緣。44.扭轉(zhuǎn)應(yīng)力影響因素扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的影響因素包括扭矩、材料的剪切模量和截面的形狀和尺寸。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1線性彈性階段材料在受力時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變之間成正比關(guān)系，去除載荷后材料完全恢復(fù)原狀。2屈服階段當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，即使去除載荷，材料也不能完全恢復(fù)原狀。3強(qiáng)化階段在屈服點(diǎn)之后，應(yīng)力繼續(xù)增加，應(yīng)變也隨之增加，材料硬度提高，抵抗變形的能力增強(qiáng)。4頸縮階段當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，材料開始發(fā)生頸縮現(xiàn)象，截面積開始減小，最終斷裂。彈性變形恢復(fù)能力彈性變形是指材料在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力移除后，材料能夠恢復(fù)到原始形狀。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，符合胡克定律。能量存儲(chǔ)彈性變形過程中，材料儲(chǔ)存了彈性勢能，當(dāng)外力移除時(shí)，這些能量會(huì)釋放出來。應(yīng)用領(lǐng)域彈性變形在許多工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如彈簧、橡膠、纖維等。塑性變形永久變形加載結(jié)束后，材料不會(huì)恢復(fù)到原始形狀。金屬材料金屬材料常發(fā)生塑性變形。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力和應(yīng)變之間是非線性關(guān)系。屈服準(zhǔn)則屈服的概念材料在受到外力作用時(shí)，發(fā)生永久變形。屈服點(diǎn)指材料開始發(fā)生永久變形的應(yīng)力值。常見的屈服準(zhǔn)則最大正應(yīng)力準(zhǔn)則最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則形狀改變能理論屈服強(qiáng)度理論瑞利準(zhǔn)則失效原因瑞利準(zhǔn)則是評估材料失效的一種方法。它指出當(dāng)材料內(nèi)部的應(yīng)力集中達(dá)到材料的極限強(qiáng)度時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生斷裂。應(yīng)力集中應(yīng)力集中是指在材料內(nèi)部的某個(gè)部位，由于幾何形狀或外力作用導(dǎo)致應(yīng)力明顯增大的現(xiàn)象。材料強(qiáng)度材料的極限強(qiáng)度是材料所能承受的最大應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過極限強(qiáng)度，材料就會(huì)發(fā)生斷裂。極限承載能力極限承載能力是指材料在達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)能夠承受的最大載荷。它是在材料承受載荷時(shí)發(fā)生斷裂或永久變形之前的最大載荷。100%強(qiáng)度材料所能承受的最大應(yīng)力，以MPa為單位。50%屈服強(qiáng)度材料開始發(fā)生永久變形時(shí)的應(yīng)力。10%抗拉強(qiáng)度材料在拉伸試驗(yàn)中所能承受的最大應(yīng)力。20%抗壓強(qiáng)度材料在壓縮試驗(yàn)中所能承受的最大應(yīng)力。材料的極限承載能力是材料力學(xué)中的一個(gè)重要概念，它決定了結(jié)構(gòu)的安全性。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮材料的極限承載能力，并根據(jù)安全系數(shù)選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)形式。安全因子安全因子是用來衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在實(shí)際載荷下抵抗失效的能力的指標(biāo)。它是材料或結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度或極限強(qiáng)度與實(shí)際工作應(yīng)力之間的比值。安全因子通常大于1，意味著結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在實(shí)際工作應(yīng)力下可以承受大于實(shí)際載荷的負(fù)載。例如，如果材料的屈服強(qiáng)度為200MPa，而實(shí)際工作應(yīng)力為100MPa，則安全因子為2。這意味著該結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可以承受實(shí)際載荷的兩倍，而不會(huì)發(fā)生失效。安全因子的選擇取決于許多因素，包括材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的類型、工作條件以及風(fēng)險(xiǎn)承受能力等。對于高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用，例如橋梁、飛機(jī)和核電站，需要更高的安全因子，以確保結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。壓縮件的分析定義壓縮件是指在軸向載荷作用下，發(fā)生縮短的構(gòu)件。類型常見的壓縮件包括柱子、梁、板等結(jié)構(gòu)部件。分析方法壓縮件的分析通常包括應(yīng)力、應(yīng)變、穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。應(yīng)用壓縮件的分析在建筑、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。彎曲梁分析1外力分析彎曲梁的受力狀態(tài)和位移2應(yīng)力分布計(jì)算彎曲應(yīng)力，確定最大應(yīng)力位置3強(qiáng)度分析判斷梁是否能夠承受外力4變形分析計(jì)算梁的撓度和轉(zhuǎn)角彎曲梁分析是材料力學(xué)中的重要內(nèi)容，它幫助我們理解和計(jì)算承受彎曲載荷的梁的受力狀態(tài)，從而保證結(jié)構(gòu)的安全性。連接件分析連接件分類連接件是用于連接不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的元件。它們可以是螺栓、鉚釘、焊接或其他連接方式。連接件受力分析連接件在結(jié)構(gòu)中承受各種力，例如拉力、剪切力、彎曲力、扭轉(zhuǎn)力等。連接件強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)連接件的材料、形狀和尺寸，可以使用相應(yīng)的公式計(jì)算連接件的強(qiáng)度，確保其能夠承受預(yù)期的載荷。連接件疲勞分析對于承受重復(fù)載荷的連接件，需要進(jìn)行疲勞分析，以評估其抗疲勞性能。應(yīng)力集中幾何形狀不規(guī)則孔洞、缺口或其他幾何形狀的突然變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。裂縫材料中的裂縫或裂紋會(huì)顯著增加局部應(yīng)力。焊接焊接接頭處由于材料性質(zhì)和加工過程的變化，會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中。表面粗糙表面粗糙度和表面缺陷會(huì)增加局部應(yīng)力。疲勞強(qiáng)度循環(huán)載荷材料在反復(fù)荷載作用下，會(huì)發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞通常發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域。疲勞強(qiáng)度是指材料在循環(huán)載荷作用下抵抗破壞的能力。應(yīng)力腐蝕11.應(yīng)力與腐蝕應(yīng)力腐蝕是指在腐蝕環(huán)境中，材料因拉伸應(yīng)力而發(fā)生斷裂的一種現(xiàn)象。22.腐蝕環(huán)境某些環(huán)境會(huì)加速應(yīng)力腐蝕，例如：鹽溶液，酸性溶液和高溫。33.裂紋擴(kuò)展應(yīng)力腐蝕通常會(huì)導(dǎo)致微觀裂紋的產(chǎn)生，這些裂紋會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸擴(kuò)展。44.影響因素影響應(yīng)力腐蝕的因素包括材料類型，應(yīng)力水平，環(huán)境條件和溫度。熱應(yīng)力溫度變化材料受熱膨脹，冷卻收縮，不同溫度下的應(yīng)力。熱傳遞熱傳導(dǎo)、對流和輻射導(dǎo)致材料內(nèi)部溫度分布不均勻。熱應(yīng)力計(jì)算基于材料的熱膨脹系數(shù)、溫度變化和約束條件進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)方法拉伸試驗(yàn)測量材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)。壓縮試驗(yàn)測量材料的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)。彎曲試驗(yàn)測量材料的抗彎強(qiáng)度、抗彎剛度等參數(shù)。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)