吉林大學(xué)材料力學(xué)課件

吉林大學(xué)材料力學(xué)課件本課程是機(jī)械、土木、航空航天等工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一。它涵蓋了材料在各種載荷下的力學(xué)行為，包括應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度、剛度、韌性等概念。課程簡(jiǎn)介核心內(nèi)容材料力學(xué)是研究材料在各種外力作用下的力學(xué)行為，例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲。重要性它為工程設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，保證結(jié)構(gòu)安全、可靠，避免失效和破壞。應(yīng)用廣泛材料力學(xué)應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，如土木工程、機(jī)械工程、航空航天工程等。課程目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維引導(dǎo)學(xué)生掌握材料力學(xué)的基本概念、原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維和解決問題的能力。提升工程實(shí)踐能力使學(xué)生能夠運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)分析工程結(jié)構(gòu)的受力情況，并進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面的計(jì)算和設(shè)計(jì)。課程內(nèi)容力學(xué)實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論知識(shí)，例如拉伸實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和彎曲實(shí)驗(yàn)等。理論分析學(xué)習(xí)材料力學(xué)的基本概念和理論，如應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度和剛度等。應(yīng)用案例將材料力學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程問題，例如機(jī)械零件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析。材料力學(xué)的定義材料力學(xué)是研究材料在各種外力作用下的變形和破壞規(guī)律的學(xué)科。它研究材料的力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。材料力學(xué)是工程設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，它為工程師提供分析和設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑物、飛機(jī)等提供理論依據(jù)。材料力學(xué)的作用和應(yīng)用橋梁設(shè)計(jì)材料力學(xué)在橋梁設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，幫助工程師確定橋梁的承載能力和穩(wěn)定性，確保橋梁的安全性和耐久性。建筑設(shè)計(jì)材料力學(xué)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，用于分析建筑物結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保建筑物能夠承受各種載荷，并滿足安全和舒適的要求。航空航天設(shè)計(jì)材料力學(xué)在飛機(jī)和航天器設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用，幫助工程師優(yōu)化飛機(jī)和航天器的結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度、剛度和抗疲勞性能。機(jī)械設(shè)計(jì)材料力學(xué)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)，用于分析機(jī)械零件的強(qiáng)度和剛度，優(yōu)化機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械的性能和可靠性。材料力學(xué)的基本假設(shè)1連續(xù)性材料內(nèi)部無空隙，連續(xù)分布。2各向同性材料在各個(gè)方向上具有相同的力學(xué)性質(zhì)。3小變形材料變形較小，可以忽略變形對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)的影響。4線彈性材料受力后，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈線性關(guān)系，且撤除外力后能夠完全恢復(fù)原狀。材料的力學(xué)性質(zhì)彈性材料在外力作用下發(fā)生形變，當(dāng)外力撤銷后，形變消失，恢復(fù)原狀的性質(zhì)。塑性材料在外力作用下發(fā)生形變，當(dāng)外力撤銷后，形變不能完全消失，保留一部分永久變形。強(qiáng)度材料抵抗外力破壞的能力。硬度材料抵抗局部壓入的能力。應(yīng)力和應(yīng)變的概念應(yīng)力應(yīng)力是指物體內(nèi)部抵抗形變的力。它反映了物體內(nèi)部微觀粒子之間相互作用的強(qiáng)度。應(yīng)力是單位面積上的力，可以用帕斯卡（Pa）或牛頓每平方米（N/m2）來衡量。應(yīng)變應(yīng)變是指物體在外力作用下產(chǎn)生的形變程度。它反映了物體在受到外力作用時(shí)發(fā)生的幾何形狀變化。應(yīng)變是形變量與原尺寸的比值，它是一個(gè)無量綱的量。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系被稱為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。該關(guān)系描述了材料在承受載荷時(shí)的行為。應(yīng)力-應(yīng)變曲線是研究材料力學(xué)性質(zhì)的重要工具。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1彈性階段材料受力后發(fā)生變形，但當(dāng)外力去除后，變形消失，材料恢復(fù)原狀。2屈服階段材料發(fā)生永久變形，即使外力去除后也不會(huì)完全恢復(fù)，但應(yīng)力仍然保持穩(wěn)定。3強(qiáng)化階段材料發(fā)生塑性變形，應(yīng)力繼續(xù)增加，材料的強(qiáng)度提高，但變形量也逐漸增大。4頸縮階段材料強(qiáng)度下降，發(fā)生頸縮，最終導(dǎo)致材料斷裂。軸向拉伸和壓縮1定義軸向拉伸是指外力沿著桿件的軸線方向作用，使桿件伸長(zhǎng)。2應(yīng)力拉伸應(yīng)力是指外力作用在桿件橫截面上產(chǎn)生的內(nèi)力，方向與桿件軸線一致。3應(yīng)變拉伸應(yīng)變是指桿件由于外力作用而產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化量與原長(zhǎng)度的比值。軸向壓縮是指外力沿著桿件的軸線方向作用，使桿件縮短。壓縮應(yīng)力和壓縮應(yīng)變的概念與拉伸類似，只是方向相反。扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)的概念扭轉(zhuǎn)是指物體受到扭矩作用而發(fā)生的變形形式，橫截面上各點(diǎn)均繞軸線旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度隨離軸線距離的增加而增加。扭矩扭矩是指作用在物體上使物體繞軸線旋轉(zhuǎn)的力矩，它是扭轉(zhuǎn)變形的主要原因。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力是指物體橫截面上由于扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的切應(yīng)力，其大小與扭矩和橫截面面積有關(guān)。扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)角是指物體由于扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的橫截面旋轉(zhuǎn)的角度，其大小與扭矩、材料性質(zhì)和桿件的幾何形狀有關(guān)。彎曲1彎曲變形材料在外力作用下發(fā)生的變形2彎曲應(yīng)力材料內(nèi)部抵抗彎曲變形所產(chǎn)生的應(yīng)力3彎曲強(qiáng)度材料在彎曲狀態(tài)下所能承受的最大應(yīng)力4彎曲剛度材料抵抗彎曲變形的能力彎曲是一種常見的結(jié)構(gòu)力學(xué)現(xiàn)象，是指材料在受到外力作用下發(fā)生變形的一種形式，這種變形通常是由于材料的橫截面發(fā)生彎曲而產(chǎn)生的。在實(shí)際應(yīng)用中，彎曲現(xiàn)象普遍存在，例如橋梁、房屋、汽車等結(jié)構(gòu)中的梁、板等構(gòu)件，都可能發(fā)生彎曲變形。了解彎曲現(xiàn)象及其相關(guān)理論，對(duì)于設(shè)計(jì)和制造這些結(jié)構(gòu)，保證其安全性和可靠性至關(guān)重要。復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)在許多工程應(yīng)用中，材料會(huì)同時(shí)受到多種方向的應(yīng)力作用，形成復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。1平面應(yīng)力狀態(tài)主要在薄板結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)2平面應(yīng)變狀態(tài)常見于長(zhǎng)桿的橫截面3三向應(yīng)力狀態(tài)例如，深埋在地下的物體復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)的分析比單向應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，需要考慮應(yīng)力的相互作用和疊加效應(yīng)。應(yīng)力分析應(yīng)力分析方法應(yīng)力分析是材料力學(xué)的重要組成部分，它用于確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力分布。解析法數(shù)值法實(shí)驗(yàn)法應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)力分析廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、制造、施工等領(lǐng)域，例如：橋梁設(shè)計(jì)飛機(jī)制造建筑施工薄壁構(gòu)件應(yīng)力分析薄壁圓筒形容器薄壁圓筒形容器廣泛應(yīng)用于壓力容器、儲(chǔ)罐等領(lǐng)域，例如水塔、鍋爐等。薄壁圓形彎管薄壁圓形彎管在壓力管道系統(tǒng)中常見，用于改變流體方向，例如管道彎頭、排氣管等。薄壁球形容器薄壁球形容器具有高強(qiáng)度和良好的密封性能，適用于存儲(chǔ)和運(yùn)輸各種介質(zhì)，例如氣體儲(chǔ)罐、壓力容器等。梁的應(yīng)力分析11.彎曲應(yīng)力梁承受彎矩時(shí)，梁的橫截面上會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，通常是拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力。22.剪切應(yīng)力梁承受剪力時(shí)，梁的橫截面上會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，通常是切向應(yīng)力。33.應(yīng)力分布梁的彎曲應(yīng)力分布不均勻，最大應(yīng)力通常出現(xiàn)在梁的彎曲中心。44.應(yīng)力計(jì)算使用彎曲應(yīng)力公式和剪切應(yīng)力公式可以計(jì)算梁的應(yīng)力。柱的穩(wěn)定性穩(wěn)定性概念柱在軸向壓力作用下保持直立的能力。屈曲現(xiàn)象柱在超過臨界壓力后，會(huì)發(fā)生橫向彎曲，失去穩(wěn)定性。歐拉公式計(jì)算柱的臨界壓力，判斷其穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)考慮根據(jù)材料、截面形狀、長(zhǎng)度等因素進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。撓度分析定義撓度是指梁在載荷作用下發(fā)生的形變，反映了梁的剛度和承載能力。影響因素?fù)隙仁懿牧闲再|(zhì)、梁的幾何形狀、載荷大小和位置影響。計(jì)算方法常用的計(jì)算方法包括疊加法、積分法和有限元法。應(yīng)用撓度分析用于評(píng)估結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性能，確保結(jié)構(gòu)的正常使用。構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)11.確定材料選擇合適的材料滿足強(qiáng)度要求，考慮材料性能、成本和加工性。22.計(jì)算應(yīng)力根據(jù)構(gòu)件的載荷和幾何形狀計(jì)算最大應(yīng)力，確保應(yīng)力不超過材料的屈服強(qiáng)度。33.安全系數(shù)引入安全系數(shù)以考慮各種不確定因素，例如材料性能波動(dòng)和載荷變化。44.設(shè)計(jì)尺寸根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果確定構(gòu)件的尺寸，確保滿足強(qiáng)度要求并符合規(guī)范。構(gòu)件的剛度設(shè)計(jì)剛度定義剛度是指構(gòu)件抵抗變形的能力。構(gòu)件的剛度越大，在外力作用下產(chǎn)生的變形越小。剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)剛度設(shè)計(jì)旨在確保構(gòu)件在承受外力時(shí)，變形量滿足設(shè)計(jì)要求。這對(duì)于確保結(jié)構(gòu)的正常功能和使用壽命至關(guān)重要。剛度設(shè)計(jì)方法剛度設(shè)計(jì)通常通過計(jì)算構(gòu)件的撓度來進(jìn)行。撓度是指構(gòu)件在荷載作用下產(chǎn)生的最大變形量。剛度設(shè)計(jì)影響因素構(gòu)件的材料性質(zhì)、截面形狀和尺寸都會(huì)影響剛度。此外，荷載類型和大小也會(huì)影響構(gòu)件的變形量。疲勞與斷裂疲勞斷裂反復(fù)應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。斷裂表面形貌通過觀察斷裂表面形貌，可以分析斷裂原因。疲勞試驗(yàn)通過疲勞試驗(yàn)可以評(píng)估材料的疲勞強(qiáng)度，并確定疲勞壽命。力學(xué)試驗(yàn)的基本方法靜態(tài)試驗(yàn)靜態(tài)試驗(yàn)用于測(cè)量材料在恒定載荷下的力學(xué)性能，例如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)用于測(cè)量材料在交變載荷下的力學(xué)性能，例如疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性和斷裂韌性。沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)用于測(cè)量材料抵抗突然沖擊載荷的能力，例如材料的抗沖擊韌性。蠕變?cè)囼?yàn)蠕變?cè)囼?yàn)用于測(cè)量材料在恒定應(yīng)力下隨時(shí)間推移的變形，例如材料的蠕變性能。力學(xué)試驗(yàn)的要求和步驟材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證理論知識(shí)，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)方法和操作技能的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)過程需要遵循一定的規(guī)范和步驟，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑴?zhǔn)備實(shí)驗(yàn)儀器和材料，并確保設(shè)備正常工作。2實(shí)驗(yàn)操作按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀察現(xiàn)象，并及時(shí)處理突發(fā)狀況。3數(shù)據(jù)處理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和計(jì)算，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行誤差分析。4實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，記錄實(shí)驗(yàn)過程，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并得出結(jié)論。每個(gè)步驟都至關(guān)重要，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行，確保實(shí)驗(yàn)順利完成。力學(xué)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析力學(xué)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析是材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以得到材料的力學(xué)性能參數(shù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和解釋。數(shù)據(jù)分析主要包括以下幾個(gè)方面：原始數(shù)據(jù)的整理和處理，數(shù)據(jù)擬合和曲線分析，誤差分析和可靠性評(píng)價(jià)。應(yīng)力(MPa)應(yīng)變(%)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是理論學(xué)習(xí)的延伸，通過實(shí)際操作驗(yàn)證理論知識(shí)，加深對(duì)材料力學(xué)知識(shí)的理解。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括拉伸實(shí)驗(yàn)、彎曲實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)等，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器，測(cè)量材料的力學(xué)性能，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。材料力學(xué)習(xí)題討論討論形式以小組討論的形式進(jìn)行，每個(gè)小組4-5人，并選出一名小組代表。小組成員可以就習(xí)題中遇到的問題互相交流，并進(jìn)行解答。討論內(nèi)容主要圍繞課程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)和疑點(diǎn)展開討論。例如，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)用，軸向拉伸和壓縮的計(jì)算，彎曲和扭轉(zhuǎn)的分析方法等。課程總結(jié)回顧知識(shí)回顧整個(gè)學(xué)期所學(xué)內(nèi)容，理解材料力學(xué)的核心概念和原理。掌握技能熟練運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題，并進(jìn)行科學(xué)的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)踐將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中，積累經(jīng)驗(yàn)，提升實(shí)踐能力。持續(xù)學(xué)習(xí)材料力學(xué)是一個(gè)不斷發(fā)展的學(xué)科，要保持持續(xù)學(xué)習(xí)的態(tài)度，不斷提升自身能力?？己朔绞浇榻B課堂考勤課堂考勤占總成績(jī)的10%，主要考察學(xué)生上課出勤情況，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課堂討論。作業(yè)作業(yè)占總成績(jī)的20%，主要