材料力学-第1章绪论.ppt

《材料力学-第1章绪论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学-第1章绪论.ppt（97页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、实验选课通知,第四周:常温单轴拉伸实验、压缩实验 HE107,第六周:扭转实验、各向异性材料的单轴拉伸实验 HE104,第九周:弹性常数E、的测定、梁的弯曲正应力测定 HE216,1、选课网址http:/2、选课时间 12月7日0：00时12月13日24：00时截至。3、学生登陆帐号和密码均为自己的学号。4、选课截止前一定要再次复查自己的选课结果，若发现“未满5人，请重选”的提示信息，说明该时段未满5人不开课，请务必重新选择其它时段。5、实验指导书电子版网址http:/页面的实验指导，实验指导页面的表格下载中有实验报告可供学生下载，请同学们在实验前预习相关实验，实验课后要认真填写完整的实验报告

2、。6、由于学生自身原因未选好实验课程，责任自负。,材料力学,Shanghai University,材料力学第一课,课堂学习要求,严禁抄作业按时上课，不可迟到手机保持关机或者静音上课期间严禁饮食、聊天,材料力学第一课,考试、考核方法,期末考试成绩 70 平时成绩 30 平时作业 20（严禁抄作业）实验 10 每周五上课之前交上一周作业，过时不收!,我的联系方式：,Email:,Office:HE206,材料力学第一课,任何时候欢迎来办公室答疑,材料力学,第一章 绪论,材料力学第1章 绪论,本课程的目的：具有将常用构件简化为力学计算简图的能力掌握材料力学的基本假设、研究方法、基本理论及其适用范围

3、能熟练对杆件进行强度、刚度和稳定性计算和分析 掌握材料力学性能实验的基本方法,材料力学第1章 绪论,1.概述 材料力学的任务 变形固体的性质及基本假定 理想化模型 材料力学的研究对象 杆件变形的基本形式,2.基本概念 外力与内力 应力 应变 胡克定律（Hookes law）,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,材料力学第1章 绪论,自然和工程实际中各种各样的结构物和机械（如机床、起重机、建筑物等）都是由许多基本元件组成的（如梁、柱、轴、板、齿轮等）,这些基本元件称为结构的构件或机器的零件,材料力学的任务,材料力学第1章 绪论,结构物、机器安全正常工作的前提是充分认识和了解其材料的力学性能。因

4、此，材料力学是众多工程学科的基础整体结构安全的基础是各个构件、零件应具有足够的承受荷载（即外力）的能力简称为承载能力,材料力学的任务,材料力学是研究和分析各种构件承载能力的学科之一在材料力学中，对构件承载能力（力学性能）的研究包含以下三个方面的内容：强度在载荷作用下构件不致于发生破坏（断裂、屈服），即构件抵抗破坏的能力刚度构件的变形不能超过工程上允许的范围，即构件抵抗变形的能力稳定性构件的原有平衡应保持为稳定平衡，即构件保持原有平衡状态的能力,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,强度 构件受力后不发生破坏或不产生不可恢复的变形,录音磁带,桥梁的钢索、桥面、立柱等,材料力学第1章 绪论,材料力

5、学的任务,强度 构件受力后不发生破坏或不产生不可恢复的变形,地震中桩的破坏（断裂）,水库大坝,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,强度 构件受力后不发生破坏或不产生不可恢复的变形,结构的破坏（屈服）,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,强度 构件受力后不发生破坏或不产生不可恢复的变形,风载下桥的破坏,Tacoma Damage(1940,USA)桥梁的风致振动,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,刚度 构件的变形不能超过工程上允许的范围,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（图中虚线所

6、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。,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,刚度 构件的变形不能超过工程上允许的范围,桥面的刚度,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,刚度 构件的变形不能超过工程上允许的范围,轴的刚度,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,稳定性构件的原有平衡应保持为稳定平衡,受压杆件的稳定性,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,稳定性构件的原有平衡应保持为稳定平衡,塔吊中的稳定性,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,稳定性构件的原有平衡应保持为稳定平衡,高速行驶的火车的稳定性,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,稳定性构件的原有

7、平衡应保持为稳定平衡,强度、刚度、稳定性问题,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,材料力学的任务：在保证构件安全可靠的前提下，为构件选择适当的材料确定合理的尺寸、形状提供必要的理论基础和计算方法,由于构件的强度、刚度和稳定性问题的分析都涉及到材料的变形特征。因此，材料力学中的构件都是变形体，这是材料力学和理论力学的本质区别,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,Paper produces large deformation,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,设计原则 一般情况下，对于某一具体构件，强度、刚度和稳定性这三个方面，只有一个方面是主要的，从而，只需解决这个主要方面的矛盾对于某

8、些特殊结构，可能这三个方面都必须详细研究、设计，以保证结构的正常工作,材料力学第1章 绪论,材料力学的任务,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,材料力学的发展简史“科学的发生和发展，一开始就由生产决定的”恩格斯“力学是现代工业的基础”马克思在材料力学建立和发展的历史中，始终伴随着理论分析、实验研究和工程实践的紧密结合,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,在古代建筑中，没有严格的科学理论。只是在长期生产实践中，对构件承力的性质积累了一些定性或较粗浅的定量认识例如，从圆木中截取矩形截面的木梁时，当高宽比为32时最为经济（材料力学的结论为1.41

9、4:1）秦代建造的都江堰，充分利用了岩石的热胀冷缩、卵石的抗压性和楠竹的良好抗拉性,古人的感性认识,都江堰水利工程,北京天坛祈年殿,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,随着工业的发展，在船舶、大型建筑工程等的建造中所碰到的问题日益复杂，单凭经验已无法解决在对构件强度和刚度长期定量研究的基础上，逐渐形成了材料力学学科意大利科学家伽利略（Galileo，15641642）为解决建造船舶和水闸所需的梁的尺寸问题，于1638年首次提出梁的强度计算公式，出版了世界上第一本材料力学教本两门新的科学,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,两门新的科学（16

10、38）,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,受力分析（有误）,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,英国科学家胡克(Robert Hooke，16351703)在1678年发表了根据弹簧实验观察所得的“力与变形成正比”这一重要物理定律（即胡克定律），奠定了材料力学的科学基础从18世纪起，材料力学开始沿着科学理论的方向发展,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,Hooke,胡克“弹簧实验”装置,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,此后瑞士的数学家、力学家欧拉（L.Euler,17071783）、法国的科学家泊松（S.D.Poisson

11、,17811840）、法国的力学家圣维南（Saint-Venant,17971886）、法国的力学家工程师纳维埃（Navier 17851838）等都对弯曲理论、扭转理论、稳定理论以及材料实验作出卓越的贡献，丰富、发展和完善了材料力学这门学科,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,Euler,力学家欧拉（L.Euler,17071783）对弹性线的研究,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,近代工业、高速车辆、飞机、大型机械以及铁路桥梁等的出现，使减轻构件的自重成为亟待解决的问题随着冶金工业的发展，新的高强度金属（如钢和铝合金等）逐渐成为主要的工程材料，从而使薄型和细长型构件大量被采用

12、这类构件的失稳破坏屡有发生，引起工程界的重视，从而成为构件刚度和稳定性理论发展的推动力,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,由于超高强度材料和焊接结构的广泛应用，循环载荷下的低应力脆断和疲劳事故又成为新的研究课题，促使这方面研究迅速发展这些问题的研究使得力学的分工越来越细，出现了更多的以材料力学、结构力学、弹性力学和塑性力学为基础的固体力学分支,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,TIMOSHENKO,铁摩辛柯教授的专著,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,von Karman,钱学森教授,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,地质力学家李四光教授,钱伟长教授,随着生产的

13、发展和科学的进步，材料力学的研究内容不断深化、研究范围不断扩大目前，材料力学的主要研究领域为薄壁结构的应用及其力学性能预应力结构的应用新型材料的力学性质及其应用（如聚合物、合成橡胶、高强度合金、纳米材料等）多孔材料结构的力学行为,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,A bike frame is made of thin-walled steel pipes,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,如：纳米力学纳米微机械生物探针,纳米材料制成的齿轮,生物探针的纳米力学行为,材料力学第1章 绪论,材料力学的发展简史,材料力学第1章 绪论,变形固体的性质及基本假定 理想化模型,材料力学第1

14、章 绪论,变形固体的基本假设,通常，在荷载作用下，固体的形状和尺寸都发生改变，这种现象称为固体变形，这些材料称为可变形固体材料力学是研究可变形固体力学行为的学科之一，而理论力学研究的是刚体力学,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,刚体与变形体模型,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,刚 体,F,F,F,F,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,变 形 体,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,实际材料的物质结构是各不相同的金属具有晶体结构塑料具有长链分子结构玻璃由排列规则的硅原子和氧原子组成微观上，它们的共同特征为物质结构都具有不同程度的孔隙可能含有杂质等缺陷,材料力学第1

15、章 绪论,变形固体的基本假设,灰口铸铁的显微组织,球墨铸铁的显微组织,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,普通钢材的显微组织,优质钢材的显微组织,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,不同成分的纳米复合陶瓷的显微组织,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,高分子材料 微观结构,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,变形固体的三个主要基本假定连续性假定均匀性假定各向同性假定,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,连续性假定假设物体在其整个体积内充满物质，毫无孔隙，其结构是密实的,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,均匀性假定假设物体内任意部分的单元体具有相同的力学性质

16、在统计平均的意义下，认为物体各个部分的力学性质是相同的,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,各向同性假定假设物质材料沿各个方向的力学性质相同对于某些材料（如金属），就其微粒（单个晶粒）而言，其力学性质是有方向的在微粒排列是随机的条件下，按统计平均的观点，材料中取出的单元体在各个方向呈现相同的力学性质现实世界中，存在着大量非各向同性（即各向异性）的材料，如木材、岩石、还氧树脂碳纤维等,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,除上述基本假设外，材料力学分析中常用的另一个假定为小变形假设如果构件的变形与其形状尺寸相比是很小的，则称这类变形称为小变形在这类变形中，构件的位移（小位移）和应变都很

17、小。因此，可在未变形的构形中计算静力平衡问题，从而简化问题的分析,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,例如：两铰接直杆的拉伸,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,在工程中，除特定的目的和用途，一般情况下，构件的变形都限制在弹性范围内，因此，常用的另一假定为弹性假设弹性和塑性变形 物体在外荷载作用下发生变形，当外荷载卸除后，如果材料能恢复其原有的形状，这种变形称为弹性变形，否则称为塑性变形,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,弹性变形（可恢复性）,海绵,沥青,塑性变形(不可恢复性）,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,构件的变形分为两类：弹性变形外力解除后可恢复的变形塑性

18、变形（残余变形）外力解除后不能恢复的变形材料在弹性变形范围内不存在塑性变形材料在发生塑性变形时，通常含有弹性变形,材料力学第1章 绪论,变形固体的基本假设,一段直钢丝的弯曲,卸除荷载后,材料力学第1章 绪论,材料力学的研究对象,材料力学第1章 绪论,材料力学的研究对象,工程中的构件，形状多种多样，按照其几何特征，一般可分为杆件和板件杆件 指其一个方向的尺寸远大于其它两个方向尺寸的构件,杆件的形状和尺寸由其轴线与横截面确定轴线是指通过横截面形心的线段横截面是指与杆件轴线方向垂直的截面,材料力学第1章 绪论,材料力学的研究对象,杆件的分类,杆 件,直杆,曲杆,等截面直杆,变截面直杆,等截面曲杆,变

19、截面曲杆,材料力学第1章 绪论,材料力学的研究对象,材料力学研究的主要对象为杆件，即一维结构，并且，通常研究等截面直杆,材料力学第1章 绪论,材料力学的研究对象,另外，材料力学也研究简单壳体，如液压缸的气缸、薄壁锅炉的筒体，这类结构称之为薄壁结构,材料力学第1章 绪论,杆件变形的基本形式,材料力学第1章 绪论,杆件变形的基本形式,可以证明，对于小变形、线弹性的杆件，其一般变形可由如下四种基本变形形式组合而成拉伸、压缩变形剪切变形扭转变形弯曲变形,材料力学第1章 绪论,杆件变形的基本形式,拉伸或压缩（tension or compression）,当杆件两端承受沿轴线方向的拉力或压力载荷时，杆件

20、将产生轴向伸长或压缩变形。,材料力学第1章 绪论,杆件变形的基本形式,剪切(shearing),在平行于杆横截面的两个相距很近的平面内，方向相对地作用着两个横向力，当这两个力相互错动并保持二者之间的距离不变时，杆件将产生剪切变形。,材料力学第1章 绪论,杆件变形的基本形式,Grand Canyon,大自然的剪切效应,材料力学第1章 绪论,杆件变形的基本形式,扭转(torsion),当作用在杆件上的力组成作用在垂直于杆轴平面内的力偶T时，杆件将产生扭转变形，即杆件的横截面绕其轴相互转动。,材料力学第1章 绪论,杆件变形的基本形式,弯曲(bending),当外加力偶M或外力作用于与杆件垂直的纵向平

21、面内时，杆件将发生弯曲变形，其轴线将变成曲线。,材料力学第1章 绪论,材料力学（单辉祖主编）材料力学（刘鸿文主编）材料力学（叶开沅主编）材料力学（铁摩辛柯著）Mechanics of Materials（James M.Gere著）材料力学解题指导及习题集（清华大学材料力学教研室）材料力学学习指导（范钦珊）,参考数目,材料力学第1章 绪论,2.基本概念 外力与内力 应力 应变 胡（虎）克定律（Hookes law）,材料力学第1章 绪论,外力和内力,材料力学第1章 绪论,外力和内力,外力 其他构件和物体作用在所研究对象上的力,随时间变化？,静载荷,动载荷,材料力学第1章 绪论,外力和内力,内力

22、：当物体受到外力作用而变形时，物体内部各质点的相对位置将发生变化，从而导致构件内部相邻两部分之间产生相互作用力。,由于内力是物体内部的力，只有将物体假想地截开，并将其显示地表现出来，才能确定内力的大小及其方向,材料力学第1章 绪论,外力和内力,内力 由于外力作用，构件内部相连部分之间的相互作用力,杆件要平衡，则外力须平衡,杆件要平衡，外力须与内力平衡,材料力学第1章 绪论,外力和内力,几种内力？,轴力 作用线垂直所切横截面 并通过形心的内力分量（与杆件轴线重合）,弯矩 矢量位于所切横截面的 内力偶矩分量,剪力 作用线位于所切横截面的 内力分量,扭矩 矢量沿轴线的内力偶矩分量,将杆件假想的切开以

23、显示内力，根据平衡由外力确定内力的方法，称为截面法。,材料力学第1章 绪论,外力和内力,内力主矢和内力主矩的分解,材料力学第1章 绪论,外力和内力,例1：图示杆件，两端承受载荷F 作用，试分析横截面m-m上的内力。,材料力学第1章 绪论,外力和内力,例2：图示悬臂梁，自由端承受集中力F，试分析横截面m-m上的内力分量。,先分析截面右端杆件,再分析截面左端杆件,材料力学第1章 绪论,应 力,材料力学第1章 绪论,应力,应力 内力的分布集度,应力：描述某一点处单位面积上力的大小，单位为N/m2,材料力学第1章 绪论,应力,一点处应力状态的表示,材料力学第1章 绪论,应力,切应力互等定理：,相互正交的两截面上，切应力数值相等，方向相向或背离,材料力学第1章 绪论,应 变,材料力学第1章 绪论,应变,正应变：微元棱边单位长度的改变量,切应变：微元相邻棱边所夹直角的改变量,材料力学第1章 绪论,应变,例3：图示板件ABCD，变形如虚线所示。求棱边AB与AD的平均正应变以及A点处直角BAD的切应变。,解：,棱边AB长度未改变，故,棱边AD长度改变量为：,棱边AD平均正应变：,直角BAD的切应变：,课后作业,材料力学第1章 绪论,1-31-61-4(选做),The end!,谢谢大家！,材料力学第1章 绪论,