材料力学基本知识课件.ppt

模块三模块三 材料力学材料力学基本知识基本知识机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/252基本知识材料力学的基本任务及研究对象材料力学的基本任务及研究对象材料力学的基本任务及研究对象材料力学的基本任务及研究对象(The tasks and research objects ofThe tasks and research objects of mechanics of mechanics of materials)materials)变形固体的基本假设变形固体的基本假设变形固体的基本假设变形固体的基本假设(The basic assumptions of deformable body)(The basic assumptions of deformable body)力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本概念概念概念概念(B Basicasic c conceptoncepts s ofof force force、stressstress、strain and strain and displacementdisplacement)杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式(The basic forms of deformation)(The basic forms of deformation)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/253材料力学的基本任务材料力学的基本任务v研究研究结构构件结构构件和和机械零件机械零件承载能力承载能力的的基础学科基础学科；为满足工程结构或机械的正常工作,构件应具有足够的承载能力。承载能力承载能力承载能力承载能力 (carrying(carrying capacity)capacity)强度强度强度强度（strength)strength)刚度刚度刚度刚度（stiffness)stiffness)稳定性稳定性稳定性稳定性（stability)stability)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2541 1、强度、强度（strengthstrength)构件抵抗破坏的能力构件抵抗破坏的能力构件抵抗破坏的能力构件抵抗破坏的能力机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/255强度是指构件在外力的作用下，不发生破坏的能力。机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2562 2、刚度刚度 刚度是指构件在外力作用下，抵抗变形的能力。(stiffness):(stiffness):机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2573 3、稳定性稳定性稳定性稳定性（stability)stability)构件保持原有平衡状态的能力。构件保持原有平衡状态的能力。稳定性是指构件在某些受力形式（如轴向压力）下，其平衡形式不会发生突然转变的能力。某些细长杆件（或薄壁构件）在轴向压力达到一定的数值时，会失去原来的平衡形态而丧失工作能力，这种现象称为失稳。机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/258材料力学的基本任务材料力学的基本任务v研究研究结构构件结构构件和和机械零件机械零件承载能力承载能力的的基础学科基础学科；v基本任务：将工程结构和机械中的简单构件简化为基本任务：将工程结构和机械中的简单构件简化为一维杆件，计算杆中的应力、变形，以保证结构能一维杆件，计算杆中的应力、变形，以保证结构能承受预定的载荷；选择适当的材料、截面形状和尺承受预定的载荷；选择适当的材料、截面形状和尺寸，以便设计出即安全又经济的结构构件和机械零寸，以便设计出即安全又经济的结构构件和机械零件。件。机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/259（2）设计截面尺寸：）设计截面尺寸：三种强度计算：三种强度计算：（1）校核强度：）校核强度：（3）确定许可载荷：）确定许可载荷：已知荷载大小、杆子尺寸和材料，问是否安全？已知荷载大小、杆子尺寸和材料，问是否安全？已知荷载大小和材料，确定杆子截面面积。已知荷载大小和材料，确定杆子截面面积。已知材料和杆子截面面积，确定许可荷载大小。已知材料和杆子截面面积，确定许可荷载大小。材料力学的基本任务材料力学的基本任务机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2510材料力学的目的材料力学的目的vv为确保设计安全，通常要求多用材料和用高质量材料；为确保设计安全，通常要求多用材料和用高质量材料；为确保设计安全，通常要求多用材料和用高质量材料；为确保设计安全，通常要求多用材料和用高质量材料；vv为使设计符合经济的原则，有要求少用材料和用廉价材料；为使设计符合经济的原则，有要求少用材料和用廉价材料；为使设计符合经济的原则，有要求少用材料和用廉价材料；为使设计符合经济的原则，有要求少用材料和用廉价材料；vv合理地解决上述矛盾，为完成即安全（满足强度、刚度、稳合理地解决上述矛盾，为完成即安全（满足强度、刚度、稳合理地解决上述矛盾，为完成即安全（满足强度、刚度、稳合理地解决上述矛盾，为完成即安全（满足强度、刚度、稳定性的要求）又经济（以最经济的代价，为构件确定合理的定性的要求）又经济（以最经济的代价，为构件确定合理的定性的要求）又经济（以最经济的代价，为构件确定合理的定性的要求）又经济（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，）的设计提供理论依据和计形状和尺寸，选择适宜的材料，）的设计提供理论依据和计形状和尺寸，选择适宜的材料，）的设计提供理论依据和计形状和尺寸，选择适宜的材料，）的设计提供理论依据和计算方法。算方法。算方法。算方法。机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2511研究对象研究对象研究对象研究对象(research objects)research objects)1 1 1 1、构件、构件、构件、构件(element)element)2 2 2 2、构件的分类、构件的分类、构件的分类、构件的分类(classification of elements)classification of elements)板板板板(plate)(plate)壳壳壳壳(shell)(shell)块体块体块体块体(body)(body)(bar)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2512 材料力学以材料力学以材料力学以材料力学以“杆件杆件杆件杆件”为主要研究对象为主要研究对象为主要研究对象为主要研究对象（the main research the main research objective in mechanics of materials include axially-loaded bars,objective in mechanics of materials include axially-loaded bars,shafts,beams,and columns)shafts,beams,and columns)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2513工程中多为梁、杆结构工程中多为梁、杆结构工程中多为梁、杆结构工程中多为梁、杆结构机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2514基本知识材料力学的基本任务材料力学的基本任务材料力学的基本任务材料力学的基本任务(The tasks and research objects ofThe tasks and research objects of mechanics of mechanics of materials)materials)变形固体的基本假设变形固体的基本假设变形固体的基本假设变形固体的基本假设(The basic assumptions of deformable body)(The basic assumptions of deformable body)力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本概念概念概念概念(B Basicasic c conceptoncepts s ofof force force、stressstress、strain and strain and displacementdisplacement)杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式(The basic forms of deformation)(The basic forms of deformation)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2515变形固体的基本假设(The basic assumptions of deformable body)(The basic assumptions of deformable body)一、均匀连续性假设一、均匀连续性假设一、均匀连续性假设一、均匀连续性假设 (homogenizationhomogenization&continuity continuity assumption)assumption)物体内，各处的力学性质完全相同；物质密实地充满物体所在空间，毫无空隙。物体内，各处的力学性质完全相同；物质密实地充满物体所在空间，毫无空隙。物体内，各处的力学性质完全相同；物质密实地充满物体所在空间，毫无空隙。物体内，各处的力学性质完全相同；物质密实地充满物体所在空间，毫无空隙。二、二、二、二、各向同性假设各向同性假设各向同性假设各向同性假设（isotropy assumption)isotropy assumption)组成物体的材料沿各方向的力学性质完全相同。组成物体的材料沿各方向的力学性质完全相同。组成物体的材料沿各方向的力学性质完全相同。组成物体的材料沿各方向的力学性质完全相同。三、弹性小变形假设三、弹性小变形假设三、弹性小变形假设三、弹性小变形假设（neglecting deformation neglecting deformation assumption)assumption)材料力学所研究的构件在载荷作用下的变形与原始尺寸相比甚小，故对构件进行受力材料力学所研究的构件在载荷作用下的变形与原始尺寸相比甚小，故对构件进行受力材料力学所研究的构件在载荷作用下的变形与原始尺寸相比甚小，故对构件进行受力材料力学所研究的构件在载荷作用下的变形与原始尺寸相比甚小，故对构件进行受力分析时可忽略其变形。分析时可忽略其变形。分析时可忽略其变形。分析时可忽略其变形。机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2516基本知识材料力学的基本任务材料力学的基本任务材料力学的基本任务材料力学的基本任务(The tasks and research objects ofThe tasks and research objects of mechanics of mechanics of materials)materials)变形固体的基本假设变形固体的基本假设变形固体的基本假设变形固体的基本假设(The basic assumptions of deformable body)(The basic assumptions of deformable body)力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本概念概念概念概念(B Basicasic c conceptoncepts s ofof force force、stressstress、strain and strain and displacementdisplacement)杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式(The basic forms of deformation)(The basic forms of deformation)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2517一、外力一、外力一、外力一、外力（external force)external force)构件所承受的载荷及约束反力统称为外力。1 1、按作用方式分、按作用方式分、按作用方式分、按作用方式分体积力体积力体积力体积力 （body force)body force)表面力表面力表面力表面力(surface force(surface force)集中力集中力集中力集中力(concentrated force)(concentrated force)分布力分布力分布力分布力(distributed force)(distributed force)2 2、按随时间变化分按随时间变化分按随时间变化分按随时间变化分静载荷静载荷静载荷静载荷（static load)static load)动载荷动载荷动载荷动载荷 (dynamic load)(dynamic load)交变载荷交变载荷交变载荷交变载荷（alternate load)alternate load)冲击载荷冲击载荷冲击载荷冲击载荷（impact load)impact load)力、应力、应变和位移的基本概念力、应力、应变和位移的基本概念(B Basicasic c conceptoncepts s ofof force,stress,strain,and displacement)force,stress,strain,and displacement)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2518 1 1 1 1、定义：、定义：、定义：、定义：构件在外力作用下将产生变形，其各部分之间的相对位置构件在外力作用下将产生变形，其各部分之间的相对位置构件在外力作用下将产生变形，其各部分之间的相对位置构件在外力作用下将产生变形，其各部分之间的相对位置发生变化，从而产生构件内部各部分之间的相互作用力。这种由外力作发生变化，从而产生构件内部各部分之间的相互作用力。这种由外力作发生变化，从而产生构件内部各部分之间的相互作用力。这种由外力作发生变化，从而产生构件内部各部分之间的相互作用力。这种由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间相互作用力，称为内力。用所引起的、物体内相邻部分之间相互作用力，称为内力。用所引起的、物体内相邻部分之间相互作用力，称为内力。用所引起的、物体内相邻部分之间相互作用力，称为内力。二、内力二、内力二、内力二、内力（internal force)internal force)力、应力、应变和位移的基本概念力、应力、应变和位移的基本概念(B Basicasic c conceptoncepts s ofof force,stress,strain,and displacement)force,stress,strain,and displacement)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2519第四章 材料力学基本知识v截面法求内力的一般步骤是：求内力的一般步骤是：v截截沿假想截面将构件截成两段（应当注意，截面不能选在沿假想截面将构件截成两段（应当注意，截面不能选在外力作用点处）；外力作用点处）；v取取选取被截分后的任意一段构件（左段或右段）为研究对选取被截分后的任意一段构件（左段或右段）为研究对象；象；v代代画出作用在研究对象上的外力，并用作用于截面上的内画出作用在研究对象上的外力，并用作用于截面上的内力，代替舍去部分对研究对象的作用；力，代替舍去部分对研究对象的作用；v平平对研究对象建立平衡方程式，求解该截面上内力的大小对研究对象建立平衡方程式，求解该截面上内力的大小和方向。和方向。机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2520mm2 2、内力的求法内力的求法内力的求法内力的求法 截面法截面法截面法截面法 (method of sections)(method of sections)步骤步骤步骤步骤 (procedures for analysis)(procedures for analysis)截截截截 在所求内力的截面处，假想在所求内力的截面处，假想在所求内力的截面处，假想在所求内力的截面处，假想地用截面将杆件一分为二。地用截面将杆件一分为二。地用截面将杆件一分为二。地用截面将杆件一分为二。F1F2机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2521取取取取 任取一部分，作为研究对象。任取一部分，作为研究对象。任取一部分，作为研究对象。任取一部分，作为研究对象。F1机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2522代代代代 其弃去部分对留下部分的作用，用作用在截面其弃去部分对留下部分的作用，用作用在截面其弃去部分对留下部分的作用，用作用在截面其弃去部分对留下部分的作用，用作用在截面上相应的内力（力或力偶）代替。上相应的内力（力或力偶）代替。上相应的内力（力或力偶）代替。上相应的内力（力或力偶）代替。mmF1Fm机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2523平平平平 对留下的部分建立平衡方程，根据其上的已知外力来对留下的部分建立平衡方程，根据其上的已知外力来对留下的部分建立平衡方程，根据其上的已知外力来对留下的部分建立平衡方程，根据其上的已知外力来计算杆在截开面上的未知内力（此时截开面上的内力对计算杆在截开面上的未知内力（此时截开面上的内力对计算杆在截开面上的未知内力（此时截开面上的内力对计算杆在截开面上的未知内力（此时截开面上的内力对所留部分而言是外力）。所留部分而言是外力）。所留部分而言是外力）。所留部分而言是外力）。mmF1FmF1-Fm=0机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2524截面法求内力v例1 如图如图4-8所示为一受拉杆件的力学模型，所示为一受拉杆件的力学模型，拉杆两端各作用有一轴向外力拉杆两端各作用有一轴向外力F，求在该杆，求在该杆的任一截面处所受的内力。的任一截面处所受的内力。解：解：1.切沿截面将构件切成左右两段。2.留选取被截分后的左/右段构件为研究对象。3.代用作用于截面上的内力FN代替舍去右段部分对左段的作用。4.平建立平衡方程式，求解。FX0 FNF0，故FNF。机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2525三、应力三、应力三、应力三、应力（stress)stress)1 1 1 1、定义、定义、定义、定义 (definition)(definition)：由外力引起的内力的集度由外力引起的内力的集度由外力引起的内力的集度由外力引起的内力的集度（the intensity of internal force by external loads)the intensity of internal force by external loads)。F F AM 2 2 2 2、应力的表示应力的表示应力的表示应力的表示平均应力平均应力平均应力平均应力 (mean stress)(mean stress)全应力（总应力）全应力（总应力）全应力（总应力）全应力（总应力）(total stress)(total stress)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2526全应力分解为全应力分解为全应力分解为全应力分解为p M 垂直于截面的应力称为垂直于截面的应力称为垂直于截面的应力称为垂直于截面的应力称为“正应力正应力正应力正应力”(The stress acting normal to(The stress acting normal to section is called the Normal Stress)section is called the Normal Stress)位于截面内的应力称为位于截面内的应力称为位于截面内的应力称为位于截面内的应力称为“切切切切应力应力应力应力”(The stress acting tangent to(The stress acting tangent to section is called the Shear Stress)section is called the Shear Stress)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2527应力的另一种分解方式应力的另一种分解方式 p为横截面上为横截面上M点的内力集度点的内力集度应力。是矢量，通常它分解成垂直于截面的应力。是矢量，通常它分解成垂直于截面的分量和相切与截面的分量，若与垂直于横截面的轴线呈分量和相切与截面的分量，若与垂直于横截面的轴线呈角，则有角，则有 称为正应力，称为正应力，称为剪应力（或切应力）称为剪应力（或切应力）机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2528v四、许用应力使材料丧失工作能力的应力称为极限应力，使材料丧失工作能力的应力称为极限应力，一般将极限应力除以一个大于1的系数，即安全安全因数因数n，作为强度设计时的最大许可值，称为许许用应力用应力 =机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2529许用应力v保证构件不被破坏的强度条件，即保证构件不被破坏的强度条件，即v v构件在纯剪切时的应力状态下的强度条件为构件在纯剪切时的应力状态下的强度条件为 v 机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2530许用应力四四四四 、变形和位移、变形和位移、变形和位移、变形和位移（deformation and displacement)deformation and displacement)1 1 1 1、变形、变形、变形、变形（deformationdeformation）在外力作用下物体形状和尺寸发生改变在外力作用下物体形状和尺寸发生改变在外力作用下物体形状和尺寸发生改变在外力作用下物体形状和尺寸发生改变2 2 2 2、位移、位移、位移、位移（displacementdisplacement）变形前后物体内一点位置的变化变形前后物体内一点位置的变化变形前后物体内一点位置的变化变形前后物体内一点位置的变化3 3 3 3、应变、应变、应变、应变（strain)strain)度量构件一点处的变形程度度量构件一点处的变形程度度量构件一点处的变形程度度量构件一点处的变形程度 平均线应变平均线应变平均线应变平均线应变（mean normal strain)mean normal strain)角应变角应变角应变角应变（shearing strain)shearing strain)线应变线应变线应变线应变 (normal strain)(normal strain)(preface)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2533基本知识材料力学的基本任务材料力学的基本任务材料力学的基本任务材料力学的基本任务(The tasks and research objects ofThe tasks and research objects of mechanics of mechanics of materials)materials)变形固体的基本假设变形固体的基本假设变形固体的基本假设变形固体的基本假设(The basic assumptions of deformable body)(The basic assumptions of deformable body)力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本力、应力、应变和位移的基本概念概念概念概念(B Basicasic c conceptoncepts s ofof force force、stressstress、strain and strain and displacementdisplacement)杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式(The basic forms of deformation)(The basic forms of deformation)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2534(a)(a)轴向拉伸轴向拉伸轴向拉伸轴向拉伸(axial tension)(axial tension)(b)(b)轴向压缩轴向压缩轴向压缩轴向压缩 (axial compression)(axial compression)1 1 1 1、轴向拉伸和压缩、轴向拉伸和压缩、轴向拉伸和压缩、轴向拉伸和压缩(axial tension and compression)(axial tension and compression)F FF FF FF F杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式 (The basic forms of deformation)机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2535杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式v1、轴向拉伸或压缩机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/25362 2 2 2、剪切、剪切、剪切、剪切(shear)(shear)P/2P/2P机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2537杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式v2、剪切机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/25383 3 3 3、扭转、扭转、扭转、扭转(torsion)(torsion)mm机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2539杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式v3、扭转机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/25404 4、弯曲弯曲弯曲弯曲 (bending)(bending)MM机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2541杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式v（四）（四）弯曲机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2542杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式v（五）（五）组合变形机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2543 材料力学是一门很重要的技术基础课，它与机械、土建、航材料力学是一门很重要的技术基础课，它与机械、土建、航材料力学是一门很重要的技术基础课，它与机械、土建、航材料力学是一门很重要的技术基础课，它与机械、土建、航空、交通水利等工程密切相关，他在基础课和专业课之间起着空、交通水利等工程密切相关，他在基础课和专业课之间起着空、交通水利等工程密切相关，他在基础课和专业课之间起着空、交通水利等工程密切相关，他在基础课和专业课之间起着桥桥桥桥梁梁梁梁作用作用作用作用.机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2544数学数学物理学物理学理论力学理论力学其他其他入门入门材料力学材料力学建建筑筑材材料料建建筑筑结结构构结结构构力力学学弹弹性性力力学学机机械械零零件件机机械械原原理理其其他他机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2545本章小结材料力学的主要任务材料力学的主要任务：在保证构件满足强度、刚度和稳定性要求的前提下，以最经济的代价为构件确定最合理的形状与尺寸，选择适宜的材料提供必要的理论基础、计算方法和实验技术。材料力学的研究对象：材料力学的研究对象：变形固体（杆件）。材料力学的基本假设材料力学的基本假设：均匀连续性假设；各向同性假设；弹性小变形假设。杆件受力和变形的基本形式有：杆件受力和变形的基本形式有：轴向拉伸和压缩；剪切；扭转；弯曲。机械基础机械基础-材料力学材料力学-绪论绪论2023/1/2546内力内力是构件在外力作用下内部各部分之间的相互作用力。内力的求解方法是截面法截面法。截面法求内力的一般步骤是：切；留；代；平。应力应力是作用在横截面上的内力的集度。作用线垂直于截面的应力称为正应力正应力；作用线位于截面内的应力称为剪应力剪应力。应力的单位是Pa和MPa。为了保证构件的安全性，必须使杆内的最大工最大工作应力作应力不超过材料的许用应力许用应力，这就是保证构件不被破坏的强度条件。