材料力學課件劉鴻文版

材料力學課件全套劉鴻文版材料力學是研究材料在各種外力作用下的力學性能和破壞規(guī)律的學科。它涉及彈性、塑性、強度、剛度、穩(wěn)定性等方面的理論和應用。材料力學是機械、土木、航空航天等工程領域的重要基礎學科之一。課程簡介1材料力學機械工程和土木工程的必修課程2劉鴻文版經(jīng)典教材，內(nèi)容全面，講解清晰3課程目標理解力學原理，分析結構行為4課程內(nèi)容從基本概念到復雜結構的分析力的基本概念外力外力是由物體外部施加的力，例如推力、拉力、重力等。內(nèi)力內(nèi)力是指物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力，例如彈性力、摩擦力等。力的合成與分解多個力作用于同一個物體，可以將它們合成一個合力，也可以將合力分解成多個分力。力矩力矩是指力使物體繞軸旋轉的趨勢，大小等于力的大小乘以力臂的長度。應力基本概念應力定義應力是物體內(nèi)部抵抗形變的內(nèi)力，是作用于截面上的內(nèi)力與截面面積之比。應力單位應力的單位通常為帕斯卡(Pa)或牛頓每平方米(N/m2)。應力類型應力可分為正應力和切應力。正應力垂直于截面作用，切應力平行于截面作用。應力分布應力在物體內(nèi)部的分布并非均勻，而是受物體形狀、載荷類型和邊界條件的影響。應力分析1應力集中幾何形狀變化處2應力分布應力在截面上變化3應力計算根據(jù)外力求解應力4應力類型正應力、剪應力應力分析是材料力學的重要組成部分。它是對材料內(nèi)部由于外力作用而產(chǎn)生的內(nèi)力進行分析，以判斷材料是否能夠承受外力，并評估其可能發(fā)生的變形。在實際應用中，應力分析可以幫助工程師設計安全可靠的結構，避免材料失效。應力-應變關系1彈性階段材料恢復原始形狀2屈服階段材料發(fā)生永久變形3強化階段應力繼續(xù)增加，材料變硬4頸縮階段材料強度下降，最終斷裂材料力學中，應力-應變曲線描述了材料在受力時的行為。不同材料有不同的應力-應變曲線，影響因素包括材料類型、溫度、加載速度等。軸向載荷定義軸向載荷是指作用于桿件軸線方向上的力。它會導致桿件發(fā)生拉伸或壓縮變形。應力分析軸向載荷引起的應力稱為正應力，可以根據(jù)桿件的截面積和外力計算。變形分析軸向載荷引起的變形稱為軸向變形，可以使用胡克定律計算。應用場景軸向載荷廣泛應用于各種工程結構，例如橋梁、建筑物、機械等。扭轉載荷1扭矩和扭轉角扭矩是施加在物體上的旋轉力矩，導致物體產(chǎn)生扭轉角。2切應力扭轉載荷在物體內(nèi)部產(chǎn)生切應力，導致橫截面上的剪切變形。3扭轉強度材料在扭轉載荷下的抵抗能力，取決于材料的剪切強度和截面的幾何形狀。彎曲載荷1彎曲應力彎曲載荷會引起橫截面的彎曲應力。橫截面上的彎曲應力分布不均勻，最大值出現(xiàn)在最外層纖維上。2彎曲變形彎曲載荷會導致橫截面發(fā)生彎曲變形。這種變形被稱為撓度，表示橫截面中心線在載荷作用下產(chǎn)生的位移。3彎曲強度彎曲強度指的是材料在彎曲載荷作用下所能承受的最大應力，是衡量材料抵抗彎曲載荷能力的重要指標。復合應力狀態(tài)定義當物體上存在兩種或兩種以上不同方向的應力時，稱之為復合應力狀態(tài)。復合應力狀態(tài)是材料力學研究的重要內(nèi)容之一，因為它可以幫助我們更準確地分析物體的強度和變形。類型常見的復合應力狀態(tài)包括平面應力狀態(tài)、平面應變狀態(tài)、三向應力狀態(tài)等。不同的復合應力狀態(tài)對應不同的應力分析方法和變形計算公式。應用復合應力狀態(tài)分析在許多工程領域都有重要的應用，例如橋梁、建筑、飛機、汽車等。通過分析復合應力狀態(tài)，我們可以設計出更安全、更可靠的結構。變形基本定理該定理表明結構的變形與外力成正比，與結構的剛度成反比。該定理是結構分析中的基本原理之一，廣泛應用于各種工程結構的設計和分析中。應用該定理可以計算出結構在特定載荷下的變形量，從而判斷結構是否滿足設計要求。靜定結構位移分析1位移法基于力的平衡方程和幾何關系，求解結構的位移和內(nèi)力。2虛功原理將位移分析問題轉化為求解虛功的方程。3能量法利用結構的能量原理，求解結構的位移和內(nèi)力。靜定結構位移分析是材料力學的重要內(nèi)容之一，通過分析結構的位移和內(nèi)力，可以評估結構的安全性，指導結構的設計和建造。力熱應變分析溫度變化材料溫度變化會引起尺寸變化，產(chǎn)生熱應變。熱應變與溫度變化和材料熱膨脹系數(shù)有關。熱應力當材料受熱膨脹或收縮時，如果受到約束，就會產(chǎn)生熱應力。熱應力的大小取決于約束條件和材料的彈性模量。熱應力分析分析熱應力問題，需要考慮材料的熱膨脹系數(shù)、約束條件、溫度變化以及材料的彈性模量等因素。應力集中裂紋結構中存在的裂紋會使應力集中，從而導致材料的強度降低。孔洞結構中存在的孔洞或其他幾何形狀的突變也會導致應力集中。角結構中的尖角或銳角會使應力集中，從而降低材料的強度。斷裂力學基礎11.裂紋擴展裂紋擴展是指材料中裂紋尺寸逐漸增大的過程，是導致結構失效的重要原因。22.應力強度因子應力強度因子是表征材料斷裂韌性的重要參數(shù)，它反映了材料在裂紋尖端承受的應力水平。33.斷裂韌性斷裂韌性是指材料抵抗裂紋擴展的能力，是評價材料抗斷裂性能的重要指標。44.斷裂力學應用斷裂力學在工程實際中被廣泛應用于材料選擇、結構設計、安全評估等方面。疲勞與斷裂疲勞材料在反復應力作用下，即使應力水平低于材料的屈服強度，也會發(fā)生斷裂。疲勞破壞是結構失效的重要原因，占結構失效的90%以上。疲勞過程分為三個階段：裂紋萌生、裂紋擴展和斷裂。斷裂材料在應力或應變的作用下，發(fā)生分離或斷裂的過程稱為斷裂。斷裂可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種類型。脆性斷裂的特點是斷裂前無明顯塑性變形，斷裂面平整，斷裂速度快。韌性斷裂的特點是斷裂前有明顯塑性變形，斷裂面粗糙，斷裂速度慢。柱的穩(wěn)定問題穩(wěn)定性與失穩(wěn)當柱子受到軸向壓縮載荷時，會發(fā)生彎曲變形，最終可能導致失穩(wěn)。臨界載荷柱子所能承受的最大軸向壓縮載荷稱為臨界載荷，超過臨界載荷，柱子將發(fā)生失穩(wěn)。細長比的影響柱子的細長比是指柱子長度與其橫截面慣性半徑的比值，細長比越大，臨界載荷越低。薄壁構件應力與變形薄壁構件概念薄壁構件是指截面尺寸遠小于長度的構件，如薄板、薄殼等。應力與變形特點薄壁構件的應力分布不均勻，存在彎曲應力和剪切應力，變形也較為復雜。分析方法薄壁構件的應力與變形分析常用薄壁理論、有限元方法等。應用薄壁構件廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等領域，具有重量輕、強度高的特點。結構設計總論結構類型介紹不同類型的結構，例如梁、柱、拱、殼、桁架等，并分析它們的優(yōu)缺點和應用場景。設計原則探討結構設計的基本原則，包括安全性、適用性、經(jīng)濟性、美觀性、可施工性等方面的考慮。設計方法介紹結構設計的常用方法，例如極限狀態(tài)設計法、工作狀態(tài)設計法、可靠度設計法等，并比較它們的適用范圍和優(yōu)缺點。強度理論強度理論概述強度理論研究結構或材料在各種載荷作用下，發(fā)生失效或破壞時的極限狀態(tài)。強度理論用于確定材料或結構的承載能力，評估其安全性。常見強度理論最大拉應力理論最大剪應力理論能量理論屈服準則理論塑性屈服準則屈服強度材料開始發(fā)生塑性變形時的應力值。該值反映材料抵抗永久變形的強度。屈服準則用于預測材料在復雜應力狀態(tài)下的屈服行為。常用的屈服準則包括最大剪應力準則、最大應變能準則和馮·米塞斯準則。應用塑性屈服準則廣泛應用于結構設計、材料分析和失效預測，確保材料在承受載荷時不會發(fā)生永久變形。限制設計1安全系數(shù)將材料強度除以實際工作應力，以確保結構安全。2工作應力設計允許的應力，不得超過材料的屈服強度。3疲勞強度考慮結構在重復載荷下的耐久性，確保結構不會因疲勞失效。4穩(wěn)定性考慮結構在載荷作用下保持穩(wěn)定的能力，確保結構不會發(fā)生失穩(wěn)。工程材料力學性能金屬材料金屬材料具有較高的強度、韌性、塑性和良好的導電性，適用于各種結構件、零件和工具等。陶瓷材料陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、絕緣性能優(yōu)異的特點，廣泛應用于建筑、電子、航空航天等領域。復合材料復合材料由兩種或多種材料組成，通過不同的組合方式，可以獲得優(yōu)異的綜合性能，例如高強度、高剛度、耐高溫等。聚合物材料聚合物材料具有輕質(zhì)、易加工、可塑性強、成本低廉等特點，廣泛應用于包裝、建筑、汽車等領域。材料失效模式脆性斷裂材料在沒有明顯塑性變形的情況下突然斷裂。這種失效模式通常發(fā)生在應力集中區(qū)域或存在裂紋的情況下。韌性斷裂材料在斷裂前出現(xiàn)明顯的塑性變形。這種失效模式通常發(fā)生在拉伸載荷下，材料會發(fā)生頸縮，然后斷裂。疲勞斷裂材料在反復載荷下，即使載荷低于材料的屈服強度，也會發(fā)生斷裂。疲勞斷裂通常發(fā)生在應力集中區(qū)域，并形成裂紋。蠕變斷裂材料在高溫和長期載荷下，會發(fā)生緩慢的變形，最終導致斷裂。蠕變斷裂通常發(fā)生在高溫部件，如渦輪葉片。材料選擇與設計性能需求根據(jù)工程應用需求，確定材料的強度、剛度、韌性、疲勞強度等性能指標。成本考量選擇經(jīng)濟實惠的材料，并考慮材料的加工成本、運輸成本等。環(huán)境因素考慮材料的耐腐蝕性、耐高溫性、耐低溫性等，確保材料能夠在實際環(huán)境中正常工作。可持續(xù)性優(yōu)先考慮可回收、可再生、環(huán)保的材料，減少對環(huán)境的影響。機構與設備設計中的應用11.結構設計材料力學可以預測機構和設備的承載能力和強度，從而優(yōu)化結構設計。22.優(yōu)化設計通過對機構和設備進行應力分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，進行優(yōu)化設計，提高安全性和可靠性。33.疲勞分析利用材料力學理論，評估機構和設備的疲勞壽命，防止因疲勞失效造成的意外。44.故障診斷根據(jù)機構和設備的變形情況，判斷故障類型，并進行維修或更換。鋼結構設計結構分析鋼結構設計需考慮多種因素，例如材料強度、荷載類型以及結構穩(wěn)定性。建造技術鋼結構的建造工藝，包括焊接、螺栓連接以及防腐處理等，對結構的性能和壽命有重要影響?？拐鹪O計鋼結構在高層建筑和橋梁等工程中具有較高的抗震性能。應用領域鋼結構廣泛應用于建筑、橋梁、工業(yè)廠房等領域?；炷两Y構設計材料性能混凝土是一種復合材料，其強度和耐久性取決于原材料的質(zhì)量、配比和施工工藝。結構類型混凝土結構可用于各種建筑類型，包括橋梁、房屋、辦公樓和基礎設施。設計原則混凝土結構設計遵循強度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性等原則，以確保安全和可靠性。復合材料設計纖維增強復合材料例如碳纖維增強塑料、玻璃纖維增強塑料，具有高強度、輕量化的特點，廣泛應用于航空航天、汽車等領域。顆粒增強復合材料例如金屬基復合材料、陶瓷基復合材料，具有良好的耐磨性、耐高溫性能，應用于發(fā)動機、工具等領域。層狀復合材料例如夾層板、蜂窩板，具有高強度、高剛度、輕量化的特點，應用于建筑、航空等