材料力学的概念

材料力学的概念材料力学的概念材料力学的概念3.1结构安全要求3.1.1强度要求3.1.2刚度要求3.1.3稳定性要求3.2材料力学的任务及研究方法3.2.1材料力学任务3.2.2力学中的基本关系（方程）3.3固体变形基本假设3.3.1变形固体概念3.3.2连续性假设3.3.3均匀性假设3.3.4各向同性假设3.3.5小变形假设3.4内力及截面法计算方法3.4.1内力（附加内力）3.4.2截面法3.4.3截面法求解内力的方法3.5应力3.5.1应力概念3.5.2全应力、正应力及切应力3.5.3应力单位3.5.4应力计算方法3.6应变3.6.1一点的位移3.6.2一点的线应变3.6.3线应变计算模型3.6.4一点的切应变3.6.5线切变计算模型3.7杆件变形的基本形式3.7.1轴向拉伸、压缩3.7.2剪切3.7.3扭转3.7.4弯曲材料力学的概念材料力学所涉及的内容分属于两个学科研究物体在外力作用下的应力、变形和能量，统称为应力分析。又不同于固体力学，所研究的仅限于杆类物体；材料的力学行为，即研究材料在外力和温度作用下所表现出的力学性能和失效行为。研究仅限于材料的宏观力学行为，不涉及材料的微观机理。固体力学材料科学材料力学主要研究对象是弹性体。材料力学的概念入门材料力学数学物理学理论力学其他采矿工程弹性力学流体力学岩石力学机械零件机械原理其他材料力学与各门课程材料力学的概念§7-2材料力学的任务§7-3材料力学的基本假设§7-4外力、内力与应力§7-5正应变与切应变§7-6杆件变形的基本形式§7-1材料力学简史材料力学的概念古人对材料力学知识和材料强度的认识已积累丰富的经验，并推动了生产的发展；§7-1材料力学简史作为一门系统的科学已有360多年的历史材料力学的概念传统具有柱、梁、檩、椽的木制房屋结构古代建筑结构一材料力学的概念山西应县木塔──現存的中国古代高层木结构范例之一﹐建於1056年。塔高9层共67.31米，用木材7400吨900多年来历经数次地震不倒，现存唯一木塔材料力学的概念对“材力”做出重大贡献的科学家1伽利略Galilei1564-1642“科学的唯一目的是减轻人类生存的苦难”悬臂梁应力分布等强度梁截面形状“实验力学”的奠基人材料力学的概念2虎克（英）——公元1678年物体的变形与所受的外载成正比----《虎克定律》3库仑（法）——1773年《梁的弯曲问题》，提出了材料的强度理论；1784年研究了扭转问题并提出剪切的概念；4欧拉（瑞士）公元1744年《压杆临界载荷》,建立了受压柱体失稳临界值的计算公式；第一个研究稳定性问题的学者材料力学的概念1911年以后，他主要研究弹性力学，第一次世界大战期间，他在梁横向振动微分方程中考虑了旋转惯性和剪力,这种模型后来被称为“铁木辛柯梁”。1925年，他研究很有价值的圆孔周围的应力集中问题；1928年探讨了有实用意义的吊索桥刚度和振动问题。编写了《材料力学》、《高等材料力学》、《结构力学》、《工程力学》、《高等动力学》、《弹性力学》、《弹性稳定性理论》、《工程中的振动问题》、《板壳理论》和《材料力学史》等二十种书。这些书大多已有中译本。材料力学的概念第一部《材料力学》出现17世纪以后法国科学家纳维1826年著《材料力学》法国科学家库仑（1736－1806）通过实验修正了伽利略的错误，提出了最大切应力强度理论材料力学的概念§7-2材料力学的任务材料力学的主要任务：研究构件在外力的作用下的变形、受力与破坏或失效的规律，为合理设计构件提供有关的强度、刚度与稳定性分析的理论与方法材料力学的概念构件工程结构或机械的各组成部分东营黄河桥材料力学的概念刚体F´FF´F材料力学的概念变形体F´FF´F材料力学的研究对象：变形固体材料力学的概念如：力的可传递性原理、力偶的任意移动、力的分解和合成原理等。注意：刚体模型适用的概念、原理、方法，在研究变形体的内部效应（变形）时不适用。材料力学的概念变形在外力的作用下，构件的尺寸和形状发生变化。弹性变形:塑性变形:外力解除以后可消失的变形外力解除以后不能消失的变形材料力学的概念刚度：构件具有足够的抵抗变形的能力强度：构件具有足够的抵抗破坏的能力——具有足够的刚度（变形在允许的范围内）。破坏——显著的塑性变形和断裂。稳定性：构件应具有足够的保持原有直线形态平衡的能力。——足够的稳定性（保持原有平衡状态的能力）。材料力学的概念稳定性主要是针对细长的受压杆而言的材料力学的概念大型桥梁满足的强度、刚度、稳定性要求斜拉桥承受拉力的钢缆、主桥梁、桥墩均有足够的强度、刚度、稳定性。材料力学的概念大型桥梁满足的强度、刚度、稳定性要求材料力学的概念构件的足够的抗破坏能力材料力学的概念挖掘机的各构件具有足够的强度、刚度、稳定性材料力学的概念各构件具有足够的强度、刚度、稳定性材料力学的概念自行车结构也有强度、刚度和稳定问题材料力学的概念澳门桥上海南浦大桥南京长江大桥材料力学的概念人类的灾难对工程中不满足强度、刚度、稳定性而发生失效的构件给工农业生产造成巨大的损失，例子不胜枚举。材料力学的概念维昂特坝崩塌过程：水流自维昂特大坝上100米高处直泻而下，在仅仅几秒钟内就淹没了山谷内的5个村庄结果：4000人丧生时间：1963年10月9日地点：意大利维昂特河上的混凝土拱坝原因：没有制订持续检查山坡状况及其加固的措施。1.5亿吨的泥石材料力学的概念DC－10客机失事情况：土耳其航空公司的一架美制飞机从法国首都巴黎附近的奥利机场起飞，飞机载着335名旅客、11名机组人员和大量行李升入4000米高空，飞往英国的伦敦。结果：8分后爆炸，全部牺牲（舱门设计有误，脱落）时间：1974年3月3日地点：巴黎材料力学的概念推土机铲板拉伸失效材料力学的概念汽车起重机在起重时回转台失稳，造成结构失效材料力学的概念脚手架的坍塌事故材料力学的概念1983年10月4日，北京的一幢正在施工的高层建筑的高54.2m、长17.25m、总重565.4kN大型脚手架屈曲坍塌，5人死亡、7人受伤。横杆之间的距离太大2.2m规定值1.7m;地面未夯实，局部杆受力大；与墙体连接点太少；安全因数太低：1.11-1.75规定值3.0。材料力学的概念TW匀速提升：柔索张力T=W（3）工程现场中，只有一根材料确定、横截面直径确定的柔索，那么此结构的最大起重量是多少？问题：（1）物体重量W一定时，柔索选用何种材料？（2）物体重量W一定、材料确定时，柔索选用多大的截面面积？（材料好的，价格贵，材料差的不结实）（粗的好、结实，但价钱贵）保证构件具有足够的强度、刚度和稳定性的前提下合理的选择构件的材料、截面尺寸和形状，确定系统许可载荷。材料力学的概念在满足强度、刚度、稳定性的要求下，以最经济的代价，为构件确定合理的形状和尺寸，选择适宜的材料，确定系统的许可载荷而提供必要的理论基础和计算方法。材料力学的任务具体地说，材料力学的任务是研究构件受力以后的变形和破坏的规律，为设计构件提供强度、刚度和稳定性的计算依据，力求使设计的构件既经济又安全、适用。材料力学的概念认为整个物体体积内毫无空隙地充满物质•连续性假设引入无限小概念，可以进行极限、积分、微分的运算。★微观不连续，宏观连续球墨铸铁的显微表示§7-3材料力学的基本假设材料力学的概念认为构件内的任何部分，其力学性能相同•均匀性假设普通钢材的纤维组织对于发生于晶粒那样大小的范围内的现象，均匀连续的假设不能成立，不宜应用。固体在外力的作用下表现出变形与破坏方面的性能。力学性能★微观不均匀，宏观均匀材料力学的概念在构件内各个不同方向力学性能相同•各向同性假设大多数工程材料虽然微观上不是各向同性的，例如金属材料，其单个晶粒呈结晶各向异性，但当他们形成多晶聚集体的金属时，呈随机取向，因而在宏观上表现为各向同性★微观各向异性，宏观各向同性；灰口铸铁的显微组织材料力学的概念优质钢材的显微组织各向同性假设材料力学的概念沿不同的方向力学性能不同；如：木材、胶合板、竹。各向异性★微观各向异性，宏观各向异性高分子材料显微组织材料力学的概念•小变形与线弹性范围ABCFδ1δ2δ远小于构件的最小尺寸，所以通过静力平衡求各杆受力时，把变形略去不计。对构件进行受力分析时可忽略其变形。材料力学的概念§7-4外力、内力与应力构件受到的其它物体对它的作用力，外力：外力的分类：按外力在构件表面的分布情况：集中力分布力包括载荷、约束反力。F1F2材料力学的概念水坝受到的水压力；材料力学的概念按载荷是否随时间变化分：静荷：动荷：载荷从零开始缓慢增加到终值；缓慢加载（a≈0）快速加载（a≠0)交变载荷:载荷随时间变化;冲击载荷:载荷随时间周期性变化；Δt时间内发生；如冲床冲压构件、打桩机中木桩受力、打夯机给地面的力。材料力学的概念思考飞鸟能撞坏飞机吗？实验证明一只450克的鸟撞在时速80公里的飞机上，能够产生153千克的作用力；一只7千克的大鸟撞在时速960公里的飞机上，能够产生130吨的作用力；1980年印度航空公司的一架波音客机在加尔各答上空飞行，一只迎面飞来的鸟把机翼撞出一个70多厘米的大洞越来越防止“鸟祸”材料力学的概念构件受外力作用而变形，内部各部分之间因相对位置改变而引起的相互作用（附加内力），称为附加内力，简称内力。内力内力分析是解决构件强度、刚度与稳定性问题的基础。求内力的方法截面法材料力学的概念(1)分二留一假想地沿求内力的截面将构件分为两部分，取其中一部分为研究对象；P1P2P4P5P3mmIIIIP1P2P3mm截面法材料力学的概念(2)内力代弃在保留部分的截面上加上内力，以代替弃去部分对保留部分的作用；IP1P2P3mmP2材料力学的概念(3)内外平衡、求内力根据保留部分的平衡条件，求得截面上内力的合力P1P2P3FRFRxFRyMC材料力学的概念F内力材料力学的概念mm三、应力A上的平均应力；AF内力的分布集度c1、平均应力avFpAA范围内，单位面积上内力的平均集度；材料力学的概念2、一点的应力（全应力）：反映内力系在C点的强弱程度。0FlimAdFpAdAmmAFNc3、一点的正应力、切应力pτσc切于截面的分量正应力垂直于截面的分量切应力222p材料力学的概念4、应力单位国际单位制：PamN12PaMPa6101PaGPa9101；；；受力物体内各截面上每点的应力，一般是不相同的；注意它随着截面和截面上每点的位置而改变。材料力学的概念一、正应变F那么，是否说∆L越大，构件的变形程度越大？而∆L越小，构件的变形程度越小？问题故不能用构件的变形量来衡量构件的变形程度，而衡量构件变形程度的使命落在：单位长度的改变量－正应变的身上。构件原长L，在外力作用下发生变形，变形后的长度L‘，构件变形量∆L＝变形后长度L’－原长L；§7-5正应变与切应变材料力学的概念LMNxy∆sL’M’N’∆s+∆u=末变形-初变形；u//avMNMNusMN平均线应变LMNxy∆s0limsus线应变材料力学的概念二、角应变L’M’N’∆s+∆uLMNxy∆s变形前、后角度的变化是(2–LMN)。MN0ML0lim2LMN材料力学的概念而ε、γ是量度一点处变形程度的两个基本量都是无量纲量。★小结1应力为某一点的应力，该点的应力有二个分量σ、τ；2、一个点有二种应变３个相互垂直方向上εx、εy、εz；３个相互垂直平面内γxy、γxz、γyz。线应变：角应变：材料力学的概念一、轴向拉压变形§7-6杆件变形的基本形式材料力学的概念二、剪切变形PP材料力学的概念三、扭转变形材料力学的概念四、弯曲变形材料力学的概念组合变形构件有时发生两种或两种以上的变形，称为组合变形。铁路或公路上信息板立柱双杠立柱如：拉弯组合、弯扭组合、拉弯扭组合等。发生压弯的组合；在风载作用下发生弯扭的组合变形。材料力学的概念材料力学的概念斜塔会不会坍塌？怎样坍塌？破坏将从哪里开始？材料力学的概念斜塔坍塌材料力学的概念A