材料力学第5版(孙训方编高等教育出版社)第一章.ppt

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1、,材料力学,主要参考教材,1、孙训方主编.材料力学(I).第5版.高等教育出版社2、刘鸿文主编.材料力学I.第4版.高等教育出版社3、单辉祖主编.材料力学I.第2版.高等教育出版社,第一章 绪论及基本概念,材料力学研究什么？,材料力学主要研究杆件的强度、刚度和稳定性等问题，以理论分析为基础，将工程实际问题提炼成力学问题（即力学建模），从而进行求解的能力以及实验技能，发挥其他课程不可替代的综合素质教育作用，为后续课程的学习打下坚实的基础。,理论力学,材料力学,研究物体机械运动一般规律的科学刚体,研究构件承载能力的科学可变形固体,第一章 绪论及基本概念,1-1 课程概述材料力学的任务,1-4 主要

2、研究对象（杆件）的几何特性,1-1 课程概述材料力学的任务,一、材料力学的任务及研究对象 材料力学是研究 工程材料的力学行为 及构件安全工作设计理论 的学科。工程材料的力学行为通常理解为材料在受载时所表现出来的有关破坏、变形的行为。构件安全工作设计理论是在保证构件安全工作的前提下，为构件选用合理的材料。设计科学、合理的形状和截面尺寸，使设计达到既安全又经济的要求。,第一章 绪论及基本概念,荷载：结构物和机械受到的各种外力构件：组成结构物和机械的单个组成部分,第一章 绪论及基本概念,每一个构件均应正常工作，才能保证结构物和机械的正常工作。,二、对构件在荷载作用下正常工作的要求,、具有足够的强度荷

3、载作用下，构件不至于破坏（断裂、或失效即产生过大的塑性变形）、具有足够的刚度荷载作用下，弹性变形不超过工程允许范围、满足稳定性的要求构件在其原有形态下的平衡应保持为稳定的平衡,第一章 绪论及基本概念,.具有足够的强度荷载作用下不断裂，荷载去除后不产生过大的永久变形(塑性变形),第一章 绪论及基本概念,桥梁简图钢筋用于承载拉应力,美国的Tacoma老桥于1940年11月7日因风力引起的振动而产生断裂,第一章 绪论及基本概念,强度问题：,垮塌后的彩虹桥,1999年1月4日，我国重庆市綦江县彩虹桥发生垮塌，造成：40人死亡；14人受伤；直接经济损失631万元。,垮塌前的彩虹桥,塑形变形示例,第一章

4、绪论及基本概念,塑形变形示例,第一章 绪论及基本概念,.具有足够的刚度荷载作用下的弹性变形不超过工程允许范围。,第一章 绪论及基本概念,刚度问题：机械加工用的钻床的立柱，如果强度不够，就会折断(断裂)或折弯(塑性变形)；如果刚度不够，钻床立柱即使不发生断裂或者折弯，也会产生过大弹性变形（图中红线所示为夸大的弹性变形），从而影响钻孔的精度，甚至产生振动，影响钻床的在役寿命。,刚度问题：,.满足稳定性要求荷载作用下杆件能保持原有形态的平衡。,第一章 绪论及基本概念,理想中心压杆,稳定性问题：稳定失效的例子多见于承受轴向压力的工程构件。,翻斗货车的液压机构中的顶杆，如果承受的压力过大，或者过于细长，

5、就有可能突然由直变弯，发生稳定失效。,为了完成常规的工程设计任务，需要进行以下几方面的工作：,分析并确定构件所受各种外力的大小和方向。,研究在外力作用下构件的内部受力、变形和失效的规律。,提出保证构件具有足够强度、刚度和稳定性的设计准则与设计方法。,材料力学课程就是讲授完成这些工作所必需的基础知识。,材料力学的主要内容与分析模型,同时须尽可能合理选用材料和降低材料消耗量，以节约投资。,材料力学包含的两个方面,理论分析,实验研究,第一章 绪论及基本概念,研究构件在载荷作用下变形及破坏的规律,测定材料的力学性能；解决某些不能全靠理论分析的问题,三、材料力学课程内容及基本要求,总共9章：1、绪论及基

6、本概念（2课时）材料力学的任务，可变形固体的基本假设，杆件变形的基本形式。2、轴向拉伸和压缩（8+2课时）截面法，轴力和轴力图，横截面上的应力，纵向变形，线应变，拉压胡克定律，变形和位移的计算，材料拉伸和压缩时的力学性质，强度条件，应力集中的概念。实验一：拉伸、压缩实验,第一章 绪论及基本概念,3、扭转(6+2课时）切应变，切应变互等定律，剪切胡克定律，扭矩与扭矩图，圆杆扭转时横截面上的应力及强度条件，扭转角和单位长度扭转角，刚度条件，矩形截面杆的扭转。实验二：扭转实验 4、弯曲应力（10+2课时）对称弯曲的概念，剪力和弯矩的概念，剪力方程和弯矩方程，剪力图和弯矩图，平面刚架和曲杆的内力图，梁

7、横截面上的正应力、切应力以及对应的强度条件。实验三：弯曲实验 上半学期,第一章 绪论及基本概念,5、梁弯曲时的位移（4课时）梁的变形和位移，挠度和转角，梁的挠曲线近似微分方程，用积分法求梁的挠度和转角，用叠加法求梁的挠度和转角，梁的刚度校核。6、简单的超静定问题（3课时）拉压超静定问题，装配应力，温度应力，简单的扭转超静定问题，简单超静定梁。7、应力状态和强度理论（7课时）应力状态的概念，平面应力状态的分析，主应力，三相应力圆，广义胡克定律，强度理论及其相当应力，莫尔强度理论及其相当应力。,第一章 绪论及基本概念,8、组合变形及连接部分的计算（6课时）两个互相垂直平面内弯曲时的正应力强度计算和

8、位移计算，平面弯曲的条件，拉伸（压缩）与弯曲组合时正应力强度计算和位移计算（含偏心拉伸与压缩），扭转与弯曲的组合，连接件的实用计算（普通螺栓连接）实验四：弯扭组合实验 9、压杆稳定（4课时）压杆稳定的概念，欧拉公式及其适用范围，杆端约束的影响，强度系数、相当长度、柔度，实际压杆的稳定因数，压杆的稳定计算和合理截面设计。附录I（4课时）截面几何性质：惯性矩、惯性积，移轴公式。,第一章 绪论及基本概念,四、对学生的能力的培养要求,通过材料力学课程的学习，学生应掌握杆件的强度、刚度以及稳定性问题的基本概念、基础知识和一定的分析能力，具有比较熟练的计算能力和一定的实验能力。,第一章 绪论及基本概念,1

9、-2 材料力学发展概述,河北赵州桥(石拱桥)隋朝595-605年建，充分利用石料的压缩强度,四川安澜竹索桥(宋代）建充分利用竹材的拉伸强度，1964年改为钢缆承托的索桥,第一章 绪论及基本概念,材料力学的发展与人类的生产实践密切相关,材料力学与工程密切相关,上海虹桥国际机场 电影紧急迫降,前起落架锁连杆 安装螺栓(销子)意外断裂,材料力学与工程密切相关,飞机起落架,飞机起落架简图,我国的长征火箭家族,材料力学与工程密切相关,Space Shuttle Discovery,材料力学与工程密切相关,和平号空间站,材料力学与工程密切相关,国际空间站,材料力学与工程密切相关,蛟龙号,材料力学与工程密切

10、相关,奔驰加长版S600,撑高跳女皇 伊辛巴耶娃,力学是一种文化。基础力学教育是一种素质教育。,材料力学与工程密切相关,通过科学实验建立理论,伽利略(G.Galileo)1638年提出计算梁强度的公式,胡克(R.Hooke)1678年提出胡克定律（物体弹性变形与所受力成正比）,第一章 绪论及基本概念,达芬奇：最早用实验方法测定材料强度圣维南：圣维南原理欧 拉：压杆稳定理论（欧拉公式）,材料力学是随生产的发展而建立的关于强度、刚度和稳定性计算的理论。从生产实践和科学实验中来，并对生产实践和科学实验进行指导。,生产实践,科学实验,材料力学,第一章 绪论及基本概念,1-3 可变形固体的性质及其基本假

11、设,材料在荷载作用下都会产生变形尺寸改变和形状改变可变形固体。,对可变形固体的基本假设：、连续性假设、均匀性假设、各向同性假设、小变形假设,第一章 绪论及基本概念,.连续性假设无空隙、密实连续。,(1)从受力构件内任意取出的体积单元内均不含空隙；,(2)变形必须满足几何相容条件，变形后的固体内既无“空隙”，亦不产生“挤入”现象。可用微积分数学工具进行研究,据此：,.均匀性假设各点处材料的力学性能相同。物体内任意一点出取出的体积单元，其力学性能都能代表整个物体。,第一章 绪论及基本概念,球墨铸铁的 显微组织,微观不连续，宏观连续。,普通钢材的 显微组织,微观不连续，宏观连续。,高分子材料 微观结

12、构,第一章 绪论及基本概念,.各向同性假设材料沿各个方向的力学性能相同（这样的材料称为各向同性材料；沿各方向的力学性质不同的材料称为各向异性材料。）,小变形假设构件在承受荷载作用时，其变形与构件的原始尺寸相比甚小，甚至可以略去不计（分析压杆稳定时除外）。在研究构件的平衡、受力和变形时，可按构件原始尺寸进行计算。,构件的分类：杆件、板壳*、块体*,1-4 杆件的几何特性,杆件：构件一个方向的尺寸（长度）远大于其它两个方向的尺寸。板和壳：构件一个方向的尺寸（厚度）远小于其它两个方向的尺寸。块件：三个方向（长、宽、高）的尺寸相差不多的构件,按轴线分：直杆、曲杆,主要几何因素：横截面、轴线,按横截面分

13、：等截面杆和变截面杆,第一章 绪论及基本概念,杆 件,材料力学主要研究等截面直杆,1-5 杆件变形的基本形式,1、轴向拉伸或轴向压缩2、剪切3、扭转4、弯曲,第一章 绪论及基本概念,1、拉伸或压缩实例,轴向拉伸或压缩,受力特征变形特征,2、剪切实例,剪切,受力特征变形特征,3、扭转实例,扭转,受力特征变形特征,4、弯曲实例,弯曲,受力特征变形特征,工程中常用构件在荷载作用下，大多为几种基本变形形式的组合组合变形。,第一章 完,第一章 绪论及基本概念,主要内容：一、对构件在荷载作用下正常工作的要求：刚度、强度、稳定性。弹性变形与塑性变形的定义与区别。二、可变形固体的基本假设：连续性、均匀性、各向

14、同性，以及小变形假设。三、杆件变形的基本形式：轴向拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲。基本要求：明确刚度、强度、稳定性要求的概念；理解可变形固体基本假设的意义及其合理性；初步了解杆件变形的基本形式。,本章小结：,赵州桥 世界上现存最早、跨度最大的空腹式单孔圆弧拱石桥。位于中国河北省赵县，跨洨水。原名安济桥，俗称大石桥。隋开皇十五年至大业元年(595605年)由匠人李春修建。净跨 37.02 m，矢高7.23 m，桥面宽9 m。拱由28券(窄拱)并列组成。大拱券上两端各建有两个小拱(净跨分别为2.85 m和3.81 m)，以减轻桥身自重和增大泄洪面积。由于桥位良好、基底应力适宜，千余年来虽经多次洪水和

15、地震，桥身基本完好。该桥构思精巧，造型稳重，是世界桥梁史上的杰作。1961年定为中国全国重点文物保护单位。,第一章 绪论及基本概念,安澜索桥 安澜索桥是国家重点文物保护单位，相传始建于李冰建都江堰的战国末期，宋代时重建。历史上这座桥曾毁坏过几次，当时的政府均马上加以重修。这座桥原为一座竹索桥，现已改建成钢索桥，只是表面进行了仿竹木处理。全桥有九墩八孔，长340 m,宽1.4 m，高13 m。,第一章 绪论及基本概念,胡克（Hooke Robert,16351703年),胡克1635年出生于英格兰怀特岛清水村,1653年到牛津大学作工读生。1655年成为玻意耳的助手，由于他的实验才能，1662年

16、被任命为皇家学会的实验主持人，1663年获硕士学位，同年被选为皇家学会正式会员，又兼任了学会陈列室管理员和图书管理员。1665年任格雷姆学院几何学教授，16671683年任学会秘书并负责出版会刊。1703年在伦敦逝世。,17世纪英国优秀的物理学家和天文学家。他的成就是多方面的。在光学和引力研究方面仅次于牛顿，而作为科学仪器的发明者和设计者，在当时是无与伦比的。,第一章 绪论及基本概念,1665年，胡克提出了光的波动学说，将光振动的传播同水波的传播相比较。1672年，他进一步指出，光振动可以垂直于光传播的方向，他还研究了云母片的颜色，确认光现象随着云母片厚度的变化而变化。,胡克根据弹簧实验的结果

17、，于1678年得出了胡克定律，即在比例极限内，弹性物体的应力与应变成正比。,1674年，胡克根据修正的惯性原理，以及离开太阳的离心力同向着太阳的吸引力之间的平衡，提出了行星运动的理论。,胡克的主要著作有显微检测法、哲学实验与观察等。,第一章 绪论及基本概念,伽利略（Galileo Galilei,15641642年)意大利物理学家、天文学家。生于意大利北部佛罗伦萨一个贵族的家庭。1581年入比萨大学学医。主张研究自然界必须进行系统的观察和实验，是近代实验科学与机械唯物主义的奠基者之一。通过实验，推翻了向来奉为权威的亚里士多德关于“物体下落的速度和重量成比例”的学说。还发现物体的惯性定律、摆振动的等时性、抛体运行定律，并确定了伽利略相对性原理，因而被认为是经典力学和实验物理的先驱。,第一章 绪论及基本概念,1632年发表关于两种世界体系对话，反对托勒密的地心体系，次年遭到罗马教廷异端裁判所判罪判刑。此后他完成了两种新科学的对话。他主张：自然之书以数学特征写成。,第一章 绪论及基本概念,