材料力學(xué)（第2版）緒論

材料力學(xué)（第2版）

材料力學(xué)的研究對象1.2材料力學(xué)的研究對象材料力學(xué)材料力學(xué)(MechanicsofMaterials)是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強度、剛度、穩(wěn)定和導(dǎo)致各種材料破壞的極限。固體力學(xué)的一個分支，研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件和機械零件承載能力的基礎(chǔ)學(xué)科。其基本任務(wù)是：將工程結(jié)構(gòu)和機械中的簡單構(gòu)件簡化為一維桿件，計算桿中的應(yīng)力、變形并研究桿的穩(wěn)定性，以保證結(jié)構(gòu)能承受預(yù)定的載荷；選擇適當(dāng)?shù)牟牧?、截面形狀和尺寸，以便設(shè)計出既安全又經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和機械零件。1.2材料力學(xué)的研究對象剛體與變形固體理論力學(xué)主要研究的是物體的平衡和運動規(guī)律，將物體抽象為剛體(Rigidbody)任何物體受載荷（外力）作用后其內(nèi)部質(zhì)點都將產(chǎn)生相對運動，從而導(dǎo)致物體的形狀和尺寸發(fā)生變化，稱為變形(Deformation)，材料力學(xué)中研究的對象是可變形固體(Deformablebody)1.2材料力學(xué)的研究對象彈性變形與塑性變形外力去除后能恢復(fù)原裝的變形-彈性變形外力去除后不能恢復(fù)原裝的變形（永久變形）–塑性變形去除外力后能夠恢復(fù)原狀，也就是受力后發(fā)生的變形全部是彈性變形的物體稱為彈性體如果物體的彈性變形大小與載荷成線性關(guān)系，則稱為線彈性變形，相應(yīng)的物體材料稱為線彈性材料大多數(shù)金屬材料當(dāng)載荷在一定范圍內(nèi)所產(chǎn)生的變形是線彈性變形1.2材料力學(xué)的研究對象為什么理論力學(xué)的方法解決不了超靜定問題？求A、B兩處的約束反力(偶)1.2材料力學(xué)的研究對象材料力學(xué)的研究對象變形固體抽象，一維構(gòu)件（桿、軸、梁、框架）-材料力學(xué)

機械、土木及其它工程結(jié)構(gòu)等都是由零、部件組裝而成，這些零、部件統(tǒng)稱為構(gòu)件。二維、三維構(gòu)件（板、殼、塊）-彈性力學(xué)1.2材料力學(xué)的研究對象一維構(gòu)件等截面直桿等截面曲桿變截面桿1.2材料力學(xué)的研究對象變形固體及其理想化連續(xù)性假設(shè)

微觀不連續(xù)，宏觀連續(xù)均勻性假設(shè)

物體內(nèi)各處的力學(xué)性能完全相同各向同性假設(shè)

固體在各個方向上的力學(xué)性能完全相同小變形假設(shè)

假設(shè)物體的幾何尺寸、形狀的改變與其總的尺寸相比是很微小的。1.2材料力學(xué)的研究對象變形固體及其理想化連續(xù)性假設(shè)

微觀不連續(xù)，宏觀連續(xù)。認(rèn)為固體在其整個體積內(nèi)是連續(xù)的，由此可以引入無限小的概念，可以進行極限、積分、微分等高等數(shù)學(xué)運算。球墨鑄鐵的顯微組織普通鋼材的顯微組織1.2材料力學(xué)的研究對象變形固體及其理想化均勻性假設(shè)

物體內(nèi)各處的力學(xué)性能完全相同

物體的任一部份的力學(xué)性能就可以代表整體的力學(xué)性能。1.2材料力學(xué)的研究對象變形固體及其理想化各向同性假設(shè)

固體在各個方向上的力學(xué)性能完全相同。有些材料并非如此，比如復(fù)合材料玻璃鋼在不同的方向上力學(xué)性能差異較大。玻璃鋼型材1.2材料力學(xué)的研究對象變形固體及其理想化小變形假設(shè)

假設(shè)物體的幾何尺寸、形狀的改變與其總的尺寸相比是很微小的。小變形下，研究物體的靜力平衡時，均可略去小變形，而按照原始尺寸計算，從而使計算簡化。A小變形下點A的反力矩在變形前后相差不大AA大變形下點A的反力矩如何？1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)結(jié)構(gòu)工作時，任一構(gòu)件通常均受到載荷(Load)的作用。結(jié)構(gòu)必須具備必要的承載能力(1)必要的強度Strength(2)必要的剛度Stiffness(3)必要的穩(wěn)定性Stability1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)強度（Strength）構(gòu)件抵抗破壞(斷裂、塑性變形)的能力稱為強度1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)強度（Strength）構(gòu)件抵抗破壞(斷裂、塑性變形)的能力稱為強度1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)強度（Strength）構(gòu)件抵抗破壞(斷裂、塑性變形)的能力稱為強度1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)強度（Strength）構(gòu)件抵抗破壞(斷裂、塑性變形)的能力稱為強度?1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)剛度（Stiffness）構(gòu)件受載荷作用時產(chǎn)生過大的彈性變形會影響結(jié)構(gòu)的正常工作，因而在設(shè)計時，應(yīng)使其具有必要的抵抗彈性變形的能力，即剛度。1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)穩(wěn)定性（Stability）構(gòu)件或零部件在某些受力形式(例如軸向壓力)下其平衡形式不會發(fā)生突然轉(zhuǎn)變的能力稱為穩(wěn)定性。1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)綜合考慮強度剛度穩(wěn)定性1.3材料力學(xué)的研究任務(wù)

強度、剛度和穩(wěn)定性是構(gòu)件設(shè)計時必須要考慮的三個問題，但對于不同的構(gòu)件以及不同的工況，又會有所區(qū)別和側(cè)重。

設(shè)計時在滿足“必要的強度、剛度和穩(wěn)定性”的前提下，應(yīng)盡可能降低構(gòu)件的成本，這是設(shè)計時的經(jīng)濟性要求。還需要考慮社會、法律、法規(guī)、安全等因素。

安全與經(jīng)濟的矛盾與統(tǒng)一1.4材料力學(xué)在課程體系中的地位1.4材料力學(xué)在課程體系中的地位

材料力學(xué)(MechanicsofMaterials)是一門與工程技術(shù)聯(lián)系極為廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，它是工程技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)之一?；A(chǔ)課：高等數(shù)學(xué)大學(xué)物理靜力學(xué)運動學(xué)動力學(xué)對象：質(zhì)點(系)，剛體理論力學(xué)材料力學(xué)一維變形固體強度、剛度、穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)力學(xué)彈性力學(xué)機械設(shè)計…1.4材料力學(xué)在課程體系中的地位理論力學(xué)材料力學(xué)剛體力學(xué)變形體力學(xué)1.4材料力學(xué)在課程體系中的地位專業(yè)核心課程支撐專業(yè)畢業(yè)要求能力達成：1-1工程知識–強支撐2-2

問題分析–強支撐3-2設(shè)計/開發(fā)解決方案–強支撐4-1研究–中等支撐1.5材料力學(xué)簡史1.5材料力學(xué)簡史力學(xué)的發(fā)展始終是由生產(chǎn)決定的。材料力學(xué)是以工程材料的力學(xué)性能和數(shù)學(xué)與力學(xué)的分析為基礎(chǔ)的一門科學(xué)。古代人類在從事建筑、水利、簡單機械的一些生產(chǎn)實踐過程中，已經(jīng)覺察到有必要獲得有關(guān)材料力學(xué)性質(zhì)的知識，從而設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件尺寸。埃及人靠經(jīng)驗法則建造了金字塔，希臘人發(fā)明了靜力學(xué)，成為材料力學(xué)的基礎(chǔ)。1.5材料力學(xué)簡史1638伽利略《兩種新的科學(xué)》-材料力學(xué)的開端。在這本著作中，討論了直桿軸向拉伸，得出承載能力與橫截面面積成正比，而與長度無關(guān)的正確結(jié)論；對于梁的彎曲，指出空心截面梁具有更好的強度（課程第三章）1678羅伯特?胡克《論彈簧》彈性體實驗中得到了力的大小和力所產(chǎn)生的變形之間的線性關(guān)系，后來被稱為胡克定律，是材料力學(xué)和彈性力學(xué)進一步發(fā)展的基礎(chǔ)（課程第五章）1.5材料力學(xué)簡史雅各布?伯努利–梁的撓曲線近似微分方程（課程第四章）列昂納多?歐拉–壓桿穩(wěn)定的臨界載荷公式（課程第九章）庫倫–梁橫截面上的內(nèi)力分布有了清晰的概念（課程第二章）托馬斯?楊–彈性模量的概念，并討論剪切、彎曲、非彈性變形、沖擊等材料力學(xué)問題（課程第五章、第十章）納維–彎曲時的曲率公式，并指出中性層過截面的形心（課程第三章）柯西–應(yīng)力狀態(tài)理論（課程第六章）拉梅、蘭金、特雷斯卡、馮?米塞斯–強度理論（課程第七章）1.5材料力學(xué)簡史我國對于材料力學(xué)的研究早在東漢時期，鄭玄在其所著《考工記?弓人篇》提到，“假令弓力勝三石，引之中三尺，弛其弦，以繩緩攝之，每加物一石，則張一尺”，對力和變形的關(guān)系有了比較初步的認(rèn)識。鄭玄-胡克定律

東漢建武七年，杜詩發(fā)明了水排，表明中國古代已經(jīng)清楚地知道如用用拉壓桿、彎曲梁、扭轉(zhuǎn)軸等構(gòu)件才能創(chuàng)造出一個完整的工程結(jié)構(gòu)。1.5材料力學(xué)簡史我國對于材料力學(xué)的研究北宋崇武二年，李誡在《營造法式》一書中提到“凡梁之大小，各隨其廣分為三分，以二分為其厚?！币簿褪钦f：無論何種類型的建筑梁，其截面的高寬比都應(yīng)為3∶2。這與材料力學(xué)理論分析（教材第三章）的結(jié)論基本吻合。

我國古代涉及到材料力學(xué)知識的著作還包括宋代曾公亮的《武經(jīng)總要》、蘇頌的《新儀象法要》、沈括的《夢溪筆談》、元代王禎的《農(nóng)書》、明代宋應(yīng)星的《天工開物》等1.5材料力學(xué)簡史我國對于材料力學(xué)的研究應(yīng)縣木塔趙州橋1.5材料力學(xué)簡史我國對于材料力學(xué)的研究我國在古代并沒有形成材料力學(xué)系統(tǒng)性的理論和科學(xué)研究，更多的是在生產(chǎn)實踐中得到的經(jīng)驗性的材料力學(xué)知識。中國古代并沒有一部專門的力學(xué)著作，力學(xué)知識散見于各種書籍中。總的特點是器具制造多于數(shù)理總結(jié)。1.5材料力學(xué)簡史我國對于材料力學(xué)的研究建國以后，我國在力學(xué)研究、教學(xué)領(lǐng)域取得了長足的進步。1952年，周培源在北京大學(xué)設(shè)立了我國第一個力學(xué)專業(yè)；1956年，中國科學(xué)院力學(xué)研究所成立；力學(xué)科學(xué)家錢學(xué)森、周培源、錢偉長、郭永懷等在我國“兩彈一星”工程中發(fā)揮了核心作用。改革開放以來，以錢偉長、馮康、胡海昌、徐芝綸等為代表的力學(xué)工作者在材料力學(xué)、彈性力學(xué)、計算力學(xué)等領(lǐng)域取得了豐富的理論成果。1.5材料力學(xué)簡史我國對于材料力學(xué)的研究理論作用于實踐，三峽大壩、港珠澳大橋、長征系列運載火箭、蛟龍?zhí)柹詈］d人潛水器、中國航天探月工程中無不蘊含著大量我國科學(xué)工作者，特別是力學(xué)工作者的智慧結(jié)晶。在機械工程行業(yè)中，我國自行研制的“春風(fēng)號”盾構(gòu)機總長135米，重4800多噸，開挖直徑15.80米，打破西方國家的壟斷，標(biāo)志著我國大直徑泥水平衡盾構(gòu)機研制技術(shù)達到了世界領(lǐng)先水平，這說明我國在超大型機械的強度、剛度設(shè)計方面達到世界先進水平。1.5材料力學(xué)簡史我國對于材料力學(xué)的研究1.5材料力學(xué)簡史我國對于材料力學(xué)的研究

2019年我國自行研制的可任意卷曲彎折的超薄柔性芯片問世，柔性電子設(shè)備要求在一定的形變范圍內(nèi)仍然可以正常工作，從這個側(cè)面說明我國力學(xué)工作者在大變形材料力學(xué)方面取得的成就。在微納制造領(lǐng)域，我國在微構(gòu)件的力學(xué)性能研究、基于剛度最大化的微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論的進展已經(jīng)用于微型醫(yī)療機器人、微型探測傳感設(shè)備等領(lǐng)域。從極大到極微，力學(xué)，特別是材料力學(xué)發(fā)揮了巨大的作用。1.5材料力學(xué)簡史馬克思指出：“力學(xué)是大工業(yè)的真正科學(xué)的基礎(chǔ)”。展望未來，材料力學(xué)必然和材料科學(xué)、微電子微機械工程、機器人工程、智能制造工程、航空航天工程等領(lǐng)域相結(jié)合，形成許多新的交叉領(lǐng)域的研究，盡管我國在這些方面有了長足進步，但也必須清醒地認(rèn)識到我國在力學(xué)領(lǐng)域的理論、工程研究和發(fā)達國家先進水平相比還有一定的差距，亟待我國年青的科學(xué)工作者、工程人員掌握好力學(xué)基礎(chǔ)，為實現(xiàn)我國科學(xué)技術(shù)新突破，實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興貢獻力量。1.6材料力學(xué)課程目標(biāo)與能力培養(yǎng)*1.6材料力學(xué)課程目標(biāo)與能力培養(yǎng)應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識材料力學(xué)的基本概念和基本理論，掌握應(yīng)力、應(yīng)變、位移等力學(xué)變量的計算方法，對實際桿類問題的強度、剛度、穩(wěn)定性進行分析、評價。對于桿類零件能夠按照強度理論進行截面設(shè)計、選擇合理的截面形式、確定許可載荷。能夠通過操作試驗機完成有關(guān)材料力學(xué)性能試驗，了解材料的力學(xué)性能；掌握應(yīng)變電測技術(shù)的基本方法。學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，能夠提升利用材料力學(xué)知識、理論、方法解決專業(yè)復(fù)雜工程問題的能力，同時提高自己的工程責(zé)任意識和科學(xué)素養(yǎng)。課程學(xué)習(xí)總目標(biāo)1.6材料力學(xué)課程目標(biāo)與能力培養(yǎng)掌握和應(yīng)用桿、軸、梁等構(gòu)件的內(nèi)力分析、應(yīng)力分析和變形分析的理論基礎(chǔ)和計算方法，正確計算基本變形條件下的桿類構(gòu)件、連接件的內(nèi)力、應(yīng)力和變形；掌握和應(yīng)用壓桿穩(wěn)定的基本理論，正確計算受壓桿件的臨界載荷；掌握和應(yīng)用簡單的超靜定、動載荷、交變應(yīng)力等的基本理論和計算方法，正確計算簡單的超靜定問題和動載荷、交變應(yīng)力問題。初步了解和掌握能量方法。此課程目標(biāo)支撐工程知識的畢業(yè)要求。課程學(xué)習(xí)分目標(biāo)1-工程知識1.6材料力學(xué)課程目標(biāo)與能力培養(yǎng)掌握強度、剛度、穩(wěn)定性的概念，能夠通過已有的材料力學(xué)、相關(guān)專業(yè)文獻，對具體工程中的力學(xué)問題進行抽象，并建立起合理的力學(xué)模型。正確分析其載荷、約束、危險點、危險截面；對計算結(jié)果進行評價和判斷，判定和選擇提高桿件承載能力的措施，提出解決方案。此課程目標(biāo)支撐問題分析的畢業(yè)要求。課程學(xué)習(xí)分目標(biāo)2-問題分析1.6材料力學(xué)課程目標(biāo)與能力培養(yǎng)掌握基本變形條件下的強度、剛度、穩(wěn)定性設(shè)計準(zhǔn)則，掌握應(yīng)力狀態(tài)分析的基本理論和方法，能夠通過解析方法和圖解方法計算單元體不