材料力学 第一章 绪论.ppt

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1、Page,1,面向21世纪课程教材、九五国家级级重点教材,Page,2,教师简介,姓名：蒋持平,办公室：主南110,电话：82317508(O),北京航空航天大学教授、博导，国家级精品课材料力学课程负责人，核心刊物力学与实践主编，北京力学会理事。获国家级教学成果奖二等奖两项，北京市教学名师奖，教育部科技进步二等奖，专著与教材四部，国内外杂志论文100余篇。现主持国家自然科学基金两项。,助教：郭乾坤（研究生），主南102,Page,3,教学安排,总学时：8018 617周（本学期）先修课程：高等数学、理论力学考试方式：平时成绩期末闭卷考试课外要求：2倍上课时间复习与作业答疑：统一安排作业：每周三

2、下课前之前交作业（请客代表提前收好），要求认真独立完成，工整，用工具作图。,Page,4,参考资料,材料力学教材：国内:范钦珊，孙训方，刘鸿文等的教材,国外:铁摩辛柯著,韩耀新译;Beer al,Mechanics of Materials)教辅书：蒋持平等，材料力学常见题型解析及模拟题，国防工业出版社，2009。武际可，力学史，重庆出版社，2000。高云峰,蒋持平,全国大学生竞赛赛题汇编及点评,机械工业出版社，2009。力学与实践杂志：力学纵横栏、教育研究栏 材料力学网站：见北航国家级精品课程网站（2005）,Page,5,材料力学教学网站,Page,6,第一章 绪 论,1-1 材料力学的任

3、务与研究对象,1-3 材料力学的基本假设,1-4 外力与内力,1-5 应力,1-6 应变,1-7 胡克定律,1-2 材料力学发展简史,Page,7,1-1 材料力学的任务与研究对象,“云中牧女”巴黎埃菲尔铁塔,中国新十大建筑之一东海大桥在霞光中展现迷人风采,为什么要学习材料力学？,此情此景，你想到了什么？,Page,8,歼10我国第一架具有完全自主知识产权、世界先进水平的新一代歼击机,2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”,基本要求：安全性与经济性科学分析方法。,课后讨论：材料力学的意义、内容与方法。,Page,9,构件：组成机械与结构的零构件，统称为构件,变形：构件尺寸与形状的变化,弹性变形：

4、外力解除后可消失的变形,塑性变形：外力解除后不能消失的变形,破坏显著的塑性变形或断裂。,一、材料力学的任务,1.构件与构件的力学响应,失稳原有平衡形式的丧失。,Page,10,2.构件安全工作的基本要求：具有足够的强度、刚度与稳定性,破坏,重庆綦(q)江彩虹桥坍塌,Page,11,变形,Page,12,Tacoma 海峡新桥,Tacoma 海峡大桥1940年破坏,原有平衡形式的破坏,Page,13,压杆稳定实验,南京电视台脚手架失稳坍塌,Page,14,构件的承载能力：,强度构件在外力作用下抵抗破坏的能力；,刚度构件在外力作用下抵抗变形的能力；,稳定性构件在外力作用下保持原有平衡形式的能力。,

5、构件安全工作的基本要求：具有足够的强度、刚度与稳定性,构件安全工作的基本要求小结,构件合理设计要求解决安全与经济、安全与重量等之间的矛盾,Page,15,3.材料力学的任务：研究构件在外力作用下变形、内部受力与破坏的规律，为合理设计构件提供强度、刚度与稳定性 分析的基本理论与方法。,截面合理设计示例,Page,16,杆件，简单杆系，某些形状与受力都较简单的板壳,杆件：细而长的构件 lb，h,二、材料力学的研究对象,曲杆,Page,17,板壳：薄片状构件ta,b,Page,18,杆件按受力分类:,弯曲：称为梁。左：曲梁；右：直梁,组合变形,Page,19,我们礼赞杆，它是栋梁，支撑了人类物质文明

6、的壮美大厦；我们礼赞杆，它是中流砥柱，沧海横流时傲然屹立，挽狂澜于既倒；我们礼赞杆，它简单的外表下却有如此丰富的科学内涵，杆内部丰富多彩的力学图景引领我们认识广袤的物质世界的自然规律；我们更礼赞杆，它居功至伟而不炫耀，默默地坚守在不显眼的关键部位。学习杆的精神，做一颗永不生锈的螺丝钉。,世界第一高楼台北101大厦,研究简单的杆件，有何意义？,栋梁 中流砥柱 骨架 螺丝钉 科学宝库,Page,20,中国古代有关材料力学的应用,1-2 材料力学发展简史,Page,21,1103年，李诫在营造法式大木作制度指出：“凡梁之大小，各随其广分为三份，以二份为厚”,Page,22,中国古代力学发展的启示自豪

7、：世界文明发源地之一遗憾：少有完整科学理论,历史重任：如何使中国科学再次腾飞,Page,23,从古代人类开始建筑房屋的时候起，人们就觉察到有必要获得有关建筑材料强度的知识，以便作出决定构件安全尺寸的法则。,古代国外有关材料力学的应用,Page,24,现代意义的材料力学的发展,开创了用实验观察假设形成科学理论的方法,Page,25,关于两种新科学的对话,1638年伽利略出版关于两种新科学的对话被认为是现代材料力学的开端,Page,26,胡克的弹性实验装置,1678年：发现“胡克定律”,雅各布.伯努利，马略特：得出了有关梁、柱性能的基础知识，并研究了材料的强度性能与其它力学性能。,库伦：得到了梁的

8、弯曲正应力和圆杆扭转切应力的正确结果,Page,27,(瑞士)欧拉像,主要研究梁的变形：曲线的变分法，推导出受横向力的悬臂杆的挠度表达式关于柱的承载力，讨论了压杆稳定问题，引入了临界载荷的概念。还研究了大变形问题、变截面梁的问题、具有初始曲率杆的问题。,Page,28,(瑞士)约翰.伯努利像,(意大利)拉格朗日像,提出“虚位移原理”,阐述了“虚功原理”,Page,29,(英国)托马斯.杨像,(法国)纳维像,定义“弹性模量”,研究了扭转问题、梁的弯曲问题、提出了解超静定问题的位移法1826年，第一本材料力学,Page,30,(法国)泊松像,定义“泊松比”,(法国)圣维南像,研究了扭转和弯曲问题，

9、提出了“圣维南原理”,Page,31,(乌克兰)铁摩辛柯像,建立“铁摩辛柯梁”模型,研究了圆孔附近的应力集中问题，梁板的弯曲振动问题，薄壁杆件扭转问题，弹性系统稳定性问题等,出版了大量力学教材：材料力学，高等材料力学，结构力学，板壳理论等20多部,Page,32,材料力学在现代的发展,19世纪中叶，铁路桥梁工程的发展，大大推动了材料力学的发展；,当时，材料力学的主要研究对象为钢材；,20世纪，在以航空航天为代表的现代工业需求的推动下，各种新型材料(复合材料、高分子材料等)广泛应用，实验水平、计算方法不断提高；,材料力学所涉及的领域更加广阔，它仍在发展。,Page,33,美国“西奥多罗斯福”号航

10、母,波音737飞机,Page,34,长江三峡工程,海洋石油钻井平台,Page,35,叉车,汽车,Page,36,现代航空航天高科技包含大量力学问题,Page,37,北航人的成果与材料力学的应用,“北京一号”，新中国第一架轻型旅客机，1958年首飞成功，是北航师生研制的第一项重大成果。,Page,38,“北京二号”探空火箭，中国第一枚高空探空火箭，被誉为“亚洲第一箭”58年由北航师生研制成功。,Page,39,“无侦五”，1981年由北航交付部队使用，为填补我国航空工业空白的小推力涡轮喷气发动机及国内第一套遥控遥测信标三合一地面控制站和机载设备,Page,40,北航研制的共轴式单人单座直升机，9

11、7年8月试飞成功，我国第一架自行研制的共轴式有人直升机。,Page,41,北航在全国大学生力学竞赛连续获最高荣誉,同学们2011年又有两名同学获特等奖（全国共5名）,Page,42,2006年11月1日，北航14位本科生花费一年时间独立研制完成的“北航1号”探空火箭成功升空。这是首枚由中国大学生独立制作的探空火箭。,飞设本科生毕业设计参加的科研项目M22小型无人直升机研制,Page,43,本节结束语认识知识继承与创新的辩证关系,If I have seen further it is by standing on the shoulders of Giants.Bernard（法),牛顿的名言

12、出自12世纪法国哲学家Bernard：,如果我看得更远一些，那是因为我站在前辈巨人的臂膀上。,Page,44,1-3 材料力学的基本假设,连续性假设：认为材料无空隙地充满于整个构件。,均匀性假设：构件内每一处的力学性能相同。,各向同性假设：构件任一处材料沿各个方向的力 学性能相同。,力学量可以用坐标的连续函数表示,通过试样得到的材料性能可用于构件的任何部位,为便于理论分析，根据工程实践，对工程材料性质作如下三个假设：,一般金属材料的宏观性能研究适用（细观晶粒具有方向性）,Page,45,思考：金属材料在宏观、细观和微观是否连续、均匀与各向同性？,铁碳合金（0.2C%）,宏观：连续，均匀，各向同

13、性；细观：非连续（微缺陷、微孔洞等）；非均匀（微夹杂、晶界等）；各向异性（晶粒方位）；微观：分子原子内部结构的非连续，非均匀，各向异性。,Page,46,铸铁模具材料随放大倍数增加的细观图像,Page,47,思考：举例对比均匀与非均匀、各向同性与各向异性的概念。,均匀性：宏观A、B 两点性质材料相同；各向异性：x、y方向性质不同。,Page,48,一、外力,1-4 外力与内力,作用方式,Page,49,Page,50,内力的求法：截面法,内力：构件内部相连各部分之间的相互作用力。,二、内力与截面法,Page,51,内力分量,轴力FN剪力FSx,FSy扭矩Mx弯矩My，Mz,注：内力是分布力，但

14、习惯上也将分布内力的合力（偶）也称为内力。内力分量是指内力合力向（这里指）形心简化的主矢和主矩沿所选坐标的分量）,Page,52,截面法求内力的步骤（切、取、代、平）,平衡方程：,1、用假想截面将构件切开（切）2、抛去另一部分，取分离体（取）3、画分离体受力图，抛去部分代以内力（代）4、对分离体建立平衡方程，求得内力（平）。,Page,53,1、截面法求内力是根据平衡方程，与材料属性无关；2、内力与所处截面有关，不同的截面，内力不同；,注意：,例：求下面两种情况下，图示截面上的内力。,Page,54,理论力学主要研究刚体,材料力学研究变形体（弹性体）,材料力学与理论力学比较,材料力学在取研究对

15、象之前不能用力系简化原理。取研究对象之后能用力系简化原理为什么？,Page,55,一、正应力与切应力,1-5 应力,K点的应力：,正应力：,切应力：,A内平均应力：,应力：内力分布集度,Page,56,应力单位,问题：试比较应力与压强。,Page,57,纯剪切,应力微体与两种常见应力状态,二、单向应力、纯剪切与切应力互等定理,应力微体：构件内部一点处无穷小的六面体,Page,58,思考：竹竿扭转破坏沿纵向还是沿横向开裂？纵向截面上是否存在应力？,微体互垂面上切应力的关系?,Page,59,y,切应力互等定理：,在微体的互垂截面上，垂直于截面交线的切应力数值相等，方向均指向或离开交线。,Page

16、,60,棱边长度改变,棱边夹角改变,1-6 应变,变形的分类,Page,61,正应变定义,ab线段的平均正应变,a点沿ab方向的正应变,切应变定义,直角bac的改变量直角bac的切应变,正应变特点:,正应变是无量纲量 过同一点，不同方位的正应变一般不同,切应变为无量纲量 切应变单位为 rad,Page,62,例:求棱边AB与AD的平均正应变及A点处直角BAD的切应变。,解：,100,100,A,B,D,C,0.1,g,0.05,x,y,D,G,G,Page,63,1-7 胡克定律,胡克定律研究应力与应变的关系。回顾物理中弹簧伸长量与外力关系：F=kx,Page,64,例：已知 Ds=a/1000,G=80GPa,求切应力t.,解：,Page,65,祝同学们新学年九万里风鹏正举 李清照,Page,66,作业1-1,Page,67,谢谢,