第01章材料力学绪论精选文档.ppt

第01章材料力学绪论本讲稿第一页，共二十五页21材料力学课程的任务材料力学课程的任务2变形固体的物性假设变形固体的物性假设 小变形前提小变形前提3内力和应力内力和应力4应应 变变5工程构件的分类工程构件的分类 圣维南原理圣维南原理6杆件基本变形杆件基本变形本讲稿第二页，共二十五页3课程性质本课程是工科大学重要的承先启后的技术基础课本课程是工科大学重要的承先启后的技术基础课可直接应用于道路、桥梁、建筑、航空航天以及工程机械设计在基础课与专业课之间起桥梁作用，为学习后续课程（如：结构力学、弹性力学、机械原理等）打下基础本课程的研究方法为今后的学习工作有帮助课程特点特点：特点：“三多三多”概念多、公式多、计算多概念多、公式多、计算多 应注意在学习过程中及时归纳总结应注意在学习过程中及时归纳总结11 材料力学课程的任务材料力学课程的任务本讲稿第三页，共二十五页4 上课适当作一些笔记，特别是一些补充例题及其解题上课适当作一些笔记，特别是一些补充例题及其解题思路及方法思路及方法课程要求 平时注意观察，对一般机械结构有初步了解平时注意观察，对一般机械结构有初步了解 学会处理力学问题的一般方法学会处理力学问题的一般方法 由实际问题抽象出力学模型由实际问题抽象出力学模型 ，对力学模型，对力学模型 进行分析，运用有关定理解决问题进行分析，运用有关定理解决问题 本讲稿第四页，共二十五页5一、研究内容与研究对象一、研究内容与研究对象 工程实际中，结构物或机械一般由各种零件（称为工程构件 member）组成。当结构物或机械工作时，这些构件就会承受一定的载荷（load）即力的作用本课程具体的研究内容与任务力产生的效应力产生的效应本讲稿第五页，共二十五页6材料力学研究力产生的内效应，研究力与物体的变形及破坏规律 研究对象抽象为可变形固体理论力学研究力产生的外效应，研究力与机械运动之间的普遍规律 研究对象抽象为刚体二、课程任务二、课程任务 结构物或机械要正常工作，要求组成它们的构件有结构物或机械要正常工作，要求组成它们的构件有足够的承担载荷的能力足够的承担载荷的能力承载能力承载能力本讲稿第六页，共二十五页7（1 1）构件必须具有足够的）构件必须具有足够的强度强度（strenth）：）：衡量构件衡量构件承载能力承载能力的三个主指标的三个主指标：构件在外力作用下具有足够的构件在外力作用下具有足够的抵抗破坏抵抗破坏抵抗破坏抵抗破坏的能力。的能力。构件必须具有足够的保持原有构件必须具有足够的保持原有平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态的能力的能力 构构件件的的强强度度、刚刚度度和和稳稳定定性性与与构构件件的的材材料料、截截面面形形状状与与尺尺寸寸、成本有关。成本有关。（2 2）构件必须具有足够的）构件必须具有足够的刚度刚度（rigidity）：）：构件在外力作用下具有足够的构件在外力作用下具有足够的抵抗变形抵抗变形抵抗变形抵抗变形的能力。的能力。（3 3）构件必须具有足够）构件必须具有足够稳定性稳定性（stability）本讲稿第七页，共二十五页8本课程的任务：本课程的任务：（既安全又（既安全又经济地经济地设计构件）设计构件）材料力学就是通过对构件承载能力的研究，找到构件的截面尺寸、截材料力学就是通过对构件承载能力的研究，找到构件的截面尺寸、截面形状及所用面形状及所用材料的力学性质材料的力学性质与所受载荷之间的内在关系，从而在既与所受载荷之间的内在关系，从而在既安全可靠又经济节省的前提下，为构件选择适当的材料和合理的截面尺安全可靠又经济节省的前提下，为构件选择适当的材料和合理的截面尺寸、截面形状。寸、截面形状。课程的研究方法理论分析和实验手段相结合理论分析和实验手段相结合 材料的力学性质材料的力学性质(材料在外力作用下的变形规律材料在外力作用下的变形规律)需要通过试需要通过试验获得验获得 一些理论以实验结果得出的某些假设为前提一些理论以实验结果得出的某些假设为前提本讲稿第八页，共二十五页9一、变形固体一、变形固体：二、变形固体的基本假设：二、变形固体的基本假设：1、连续性假设：、连续性假设：2 2、均匀性假设：、均匀性假设：3 3、各向同性假设：、各向同性假设：在外力作用下可发生变形的固体。在外力作用下可发生变形的固体。认为变形固体整个体积内都被物质连续认为变形固体整个体积内都被物质连续地充满，没有空隙和裂缝地充满，没有空隙和裂缝。认为变形固体整个体积内各点处的力学性质相同。认为变形固体整个体积内各点处的力学性质相同。认为变形固体沿各个方向的力学性质相同认为变形固体沿各个方向的力学性质相同（不适合所有的材料）（不适合所有的材料）。假设2和3表示材料的力学性能与坐标、方向无关112 2变形固体的物性假设变形固体的物性假设 小变形前提小变形前提本讲稿第九页，共二十五页10小变形：三、研究材料力学的前提条件三、研究材料力学的前提条件小变形假设小变形假设。指构件在外力作用下发生的变形量远小于构件的尺寸指构件在外力作用下发生的变形量远小于构件的尺寸材料力学研究的变形通常局限于小变形范围材料力学研究的变形通常局限于小变形范围小变形前提小变形前提小变形前提条件的作用小变形前提条件的作用1 1、小变形前提保证构件处于纯弹性变形范围、小变形前提保证构件处于纯弹性变形范围弹性变形弹性变形卸载后能自动恢复的变形卸载后能自动恢复的变形塑性变形塑性变形卸载后不能恢复的变形卸载后不能恢复的变形绝大多数工程材料的弹性变形都是小变形。绝大多数工程材料的弹性变形都是小变形。本讲稿第十页，共二十五页1112AA1FFBC求FN1、FN1 时，仍可按构件原始尺寸计算。按构件原始尺寸计算。2 2、小变形前提允许以变形前的受力分析代替变形后的受力分析、小变形前提允许以变形前的受力分析代替变形后的受力分析 因构件在外力作用下发生的变形与原尺寸相比非常小，因构件在外力作用下发生的变形与原尺寸相比非常小，在计算构件所受的力时，可按构件原始尺寸计算。在计算构件所受的力时，可按构件原始尺寸计算。l本讲稿第十一页，共二十五页123 3、小变形前提保证叠加法成立、小变形前提保证叠加法成立 叠加法指构件在多个载荷作用下产生的变形叠加法指构件在多个载荷作用下产生的变形可以看作为各个载荷单独作用产生的变形之代数和可以看作为各个载荷单独作用产生的变形之代数和 叠加法是材料力学中常用的方法。叠加法是材料力学中常用的方法。本讲稿第十二页，共二十五页13一、内力与截面法：一、内力与截面法：1、内力的定义：、内力的定义：在外力作用下，构件内部各部分之间因相在外力作用下，构件内部各部分之间因相对位置改变而引起的对位置改变而引起的附加的附加的相互作用力相互作用力附加内力附加内力。2、内力的特点：、内力的特点：连续分布于截面上各处；连续分布于截面上各处；随外力的变化而变化。随外力的变化而变化。3、截面法：、截面法：用以显示和求解内力的方法，其步骤为：用以显示和求解内力的方法，其步骤为：截开：截开：代替：代替：平衡：平衡：分为两部分，分为两部分，在待求内力的截面处假想地将构件截在待求内力的截面处假想地将构件截用内力代替弃去部分对脱离体的作用；用内力代替弃去部分对脱离体的作用；通通常为常为分布内力系分布内力系对脱离体列出平衡方程。对脱离体列出平衡方程。脱离体脱离体；取其中一部分为研究对象取其中一部分为研究对象113 3 内力和应力内力和应力本讲稿第十三页，共二十五页14FN轴力轴力FSy,FSz剪力剪力Mx扭矩扭矩My、Mz 弯矩弯矩内力分量内力分量 分布内力可以简化为主矢和主矩分布内力可以简化为主矢和主矩,用用FR 和和 M表示。工程计算中表示。工程计算中有意义的是内力的主矢和主矩在确定坐标系上的分量有意义的是内力的主矢和主矩在确定坐标系上的分量本讲稿第十四页，共二十五页15应力的概念应力的概念:比较比较a、b图杆两杆图杆两杆 应力定义：应力定义：截面上一点处内力的聚集程度截面上一点处内力的聚集程度FNFN两杆的材料、长度均相同。所受的内力相同，为FN显然粗杆更为安全。显然粗杆更为安全。构杆的强度与内力在截面上的构杆的强度与内力在截面上的分布和在某点处的聚集程度有关。分布和在某点处的聚集程度有关。二、二、应应 力力是反映一点处内力的强弱程度的基本量是反映一点处内力的强弱程度的基本量本讲稿第十五页，共二十五页16应力：应力：一点处内力的聚集程度一点处内力的聚集程度 一点的全应力：一点的全应力：截面；截面；截面。截面。垂直于截面的应力分量垂直于截面的应力分量-正应力正应力 切于截面的应力分量切于截面的应力分量-切应力切应力三者之间的关系：三者之间的关系：A面积上的内力合力面积上的内力合力本讲稿第十六页，共二十五页17应力的单位：应力的单位：，或帕，或帕(Pa)。1 Mpa(兆帕）兆帕）=106 Pa,1 GPa（吉帕）（吉帕）=109 Pa。本讲稿第十七页，共二十五页18114 4 应应 变变（衡量变形程度的基本量）棱边棱边 ka 的平均正应变的平均正应变k点沿点沿棱边棱边 ka 方向方向的正应变的正应变一、正应变（线应变）定义一、正应变（线应变）定义正应变特点正应变特点1、正应变是无量纲量2、过同一点不同方位的正应变一般不同本讲稿第十八页，共二十五页19二、切应变定义二、切应变定义微体相邻棱边所夹直角的改变微体相邻棱边所夹直角的改变量量 g g ，称为，称为切应变切应变切应变为无量纲量切应变单位为 弧度（rad）切应变量纲与单位本讲稿第十九页，共二十五页20钢的弹性模量：钢的弹性模量：铜的弹性模量：铜的弹性模量：三、应力应变之间的相互关系三、应力应变之间的相互关系 实验结果表明实验结果表明：在弹性范围内加载，正应力与：在弹性范围内加载，正应力与正应变存在线性关系正应变存在线性关系：虎克定律虎克定律 E 称为材料的弹性模量或杨氏模量称为材料的弹性模量或杨氏模量 实验结果表明实验结果表明：在弹性范围内加载，切应力：在弹性范围内加载，切应力与切应变存在线性关系与切应变存在线性关系：剪切虎克定律剪切虎克定律 G 称为材料的切变模量称为材料的切变模量,也称剪切弹性模量也称剪切弹性模量钢的切变模量：钢的切变模量：一点的一点的应力应力与一点的应变之间存在对应的关系与一点的应变之间存在对应的关系单向正应力作用下的变形切应力作用下的变形本讲稿第二十页，共二十五页21板壳块体杆件杆：空间一个方向的尺度远大于其它两个方向的尺度，这种弹性体称为杆（杆：空间一个方向的尺度远大于其它两个方向的尺度，这种弹性体称为杆（bar)板：空间一个方向的尺度远小于其它两个方向的尺度，且各处曲率均为零，板：空间一个方向的尺度远小于其它两个方向的尺度，且各处曲率均为零，这种弹性体称为板这种弹性体称为板Plate 壳：空间一个方向的尺度远小于其它两个方向的尺度，且至少有一方向的壳：空间一个方向的尺度远小于其它两个方向的尺度，且至少有一方向的 曲率不为零，这种弹性体称为壳曲率不为零，这种弹性体称为壳shell。体：空间三个方向且有相同量级的尺度，这种弹性体称为体体：空间三个方向且有相同量级的尺度，这种弹性体称为体 body。115 5 工程构件的分类工程构件的分类 圣维南原理圣维南原理本讲稿第二十一页，共二十五页22杆的两个几何要素杆的两个几何要素轴线：各横截面中点的连线。各横截面中点的连线。横截面：横截面：垂直于杆长度方向的截面。垂直于杆长度方向的截面。材料力学最主要的研究对象是等直杆材料力学最主要的研究对象是等直杆本讲稿第二十二页，共二十五页23圣维南原理：圣维南原理：作用于杆上的外力可以用其等效力系代替，但替换后外力作用点附近的应力分布将产生显著影响，且分布复杂，其影响范围不超过杆件的横向尺寸。外力的等效外力的等效外力对内力的影响区域标外力对内力的影响区域标本讲稿第二十三页，共二十五页24116 6 杆件基本变形杆件基本变形杆的四种基本变形杆的四种基本变形轴向拉压轴向拉压剪切剪切扭转扭转弯曲弯曲本讲稿第二十四页，共二十五页25本讲稿第二十五页，共二十五页