材料力学基础与计算(教材)精选文档.ppt

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1、材料力学基础与计算材料力学基础与计算(教材教材)1本讲稿第一页，共三十五页一一:相关相关的概念的概念1.1.力学力学2.2.力学按其研究对象划分力学按其研究对象划分3.3.材料力学的研究内容材料力学的研究内容4.4.材料力学研究的主要对象材料力学研究的主要对象5.5.杆件受力与变形的几种形式杆件受力与变形的几种形式2本讲稿第二页，共三十五页 1、力学、力学力学物理学的一个分支学科。它是研究物体的机械运动和平衡规律及其应用的。力学力学静力学静力学运动学运动学动力学动力学3本讲稿第三页，共三十五页2、力学按其研究对象划分、力学按其研究对象划分 力学力学材料力学材料力学理论力学理论力学是应用力学的基

2、础；研究对象是质是应用力学的基础；研究对象是质点、质点系以及刚体和刚体系；点、质点系以及刚体和刚体系；应用微积分、微分方程、矢量分析应用微积分、微分方程、矢量分析等数学工具对牛顿力学作深入的阐等数学工具对牛顿力学作深入的阐述及分析述及分析。4本讲稿第四页，共三十五页3 3、材料力学的研究内容、材料力学的研究内容材料力学材料力学:主要研究变形体以及变形体受力后发主要研究变形体以及变形体受力后发生的生的“宏观宏观”变形。变形。材料力学可分为两个学科材料力学可分为两个学科:固体力学：研究物体在外力作用下的应固体力学：研究物体在外力作用下的应力、变形和能量。力、变形和能量。材料的力学行为：研究材料在外

3、力和温度材料的力学行为：研究材料在外力和温度作用下所表现出的变形性能和失效行为。作用下所表现出的变形性能和失效行为。5本讲稿第五页，共三十五页如何有效地设计出构件零部件的合理形状和如何有效地设计出构件零部件的合理形状和尺寸呢？使得它们能保证足够的尺寸呢？使得它们能保证足够的强度强度（strengthstrength）、）、刚度刚度（stiffnessstiffness）、）、稳定稳定性性（stabilitystability）。）。材料力学是工程设计（材料力学是工程设计（engineering engineering designdesign）的重要组成部分。）的重要组成部分。6本讲稿第六页，

4、共三十五页强度：构件或零部件在确定的外力作用下，不强度：构件或零部件在确定的外力作用下，不发生破裂或过量的塑性变形；发生破裂或过量的塑性变形；刚度：构件或零部件在确定的外力作用下其弹刚度：构件或零部件在确定的外力作用下其弹性变形或位移不超过工程允许范围之内；性变形或位移不超过工程允许范围之内；稳定性：构件或零部件在某种受力形式下，稳定性：构件或零部件在某种受力形式下，其平衡形式不会发生突然改变。其平衡形式不会发生突然改变。7本讲稿第七页，共三十五页 将外加载荷加载在零部件上，当载荷将外加载荷加载在零部件上，当载荷取消后物体在载荷之下的变形随之消失了，取消后物体在载荷之下的变形随之消失了，即是即

5、是弹性变形弹性变形。如果没有消失，并具有一。如果没有消失，并具有一定的变形，但没有破坏，即是定的变形，但没有破坏，即是塑性变形塑性变形。8本讲稿第八页，共三十五页4.材料力学研究的主要对象材料力学研究的主要对象杆杆：一个方向的尺度远大于其他两个方面的尺：一个方向的尺度远大于其他两个方面的尺度的弹性体；度的弹性体；板：一个方向的尺度远小于其他两个方面的尺板：一个方向的尺度远小于其他两个方面的尺度，且各处曲率为零的弹性体；度，且各处曲率为零的弹性体；壳：与板大致一样，但至少一处曲率不为零的壳：与板大致一样，但至少一处曲率不为零的弹性体；弹性体；体：三个方向具有相同量级的尺度的弹性体。体：三个方向具

6、有相同量级的尺度的弹性体。9本讲稿第九页，共三十五页5.杆件受力与变形的几种形式杆件受力与变形的几种形式轴向拉伸（或压缩）轴向拉伸（或压缩）剪切剪切扭转扭转弯曲弯曲10本讲稿第十页，共三十五页5.1 轴向拉伸（或压缩）轴向拉伸（或压缩）当杆件两端承受沿轴线方向的拉力或压当杆件两端承受沿轴线方向的拉力或压力载荷时，杆件将产生轴向伸长或压缩变形。力载荷时，杆件将产生轴向伸长或压缩变形。11本讲稿第十一页，共三十五页5.2 剪切剪切 在平行于杆横截面的两个相距很近的平面内，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方向相对地作用着两个横向力，当这两个力相互

7、错动并保持它们之间的距离不变时，杆件将产生剪切变形。并保持它们之间的距离不变时，杆件将产生剪切变形。12本讲稿第十二页，共三十五页5.3 扭转扭转 当作用在杆件上的力组成作用在垂直于杆轴平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面内的力偶 Mx Mx 时，将产生扭转变形，即杆件的横截时，将产生扭转变形，即杆件的横截面绕其轴相互转动。面绕其轴相互转动。13本讲稿第十三页，共三十五页5.4 弯曲弯曲 当外加力偶当外加力偶 M M 或外力作用于杆件的纵向平面内时，或外力作用于杆件的纵向平面内时，杆件将发生弯曲变形，其轴线将变成曲线。杆件将发生弯曲变形，其轴线将变成曲线。14本讲稿第十四页，

8、共三十五页5.5 组合受力与变形组合受力与变形 由两种或两种基本受力形式组成的组合受力产生由两种或两种基本受力形式组成的组合受力产生的变形。如拉伸和弯曲变形等。的变形。如拉伸和弯曲变形等。15本讲稿第十五页，共三十五页二二:材料力学常用的几种分析方法材料力学常用的几种分析方法1.1.内力分析内力分析2.2.正、切应力分析正、切应力分析3.3.位移分析位移分析4.4.强度失效分析与设计准则强度失效分析与设计准则16本讲稿第十六页，共三十五页1.内力分析内力分析内力有以下几种：内力有以下几种：轴力（产生轴向拉伸与压缩）轴力（产生轴向拉伸与压缩）剪力（使杆件产生剪切变形）剪力（使杆件产生剪切变形）扭

9、矩（使杆件产生扭转变形）扭矩（使杆件产生扭转变形）弯矩（使杆件产生弯曲变形）弯矩（使杆件产生弯曲变形）17本讲稿第十七页，共三十五页1.1 内力分析实例内力分析实例 根据弹性体平衡原理根据弹性体平衡原理,运用截面法运用截面法来分析弹性体的内力状况。来分析弹性体的内力状况。18本讲稿第十八页，共三十五页1.1 内力分析实例内力分析实例 根据弹性体平衡原理根据弹性体平衡原理,运用截面法来分析运用截面法来分析弹性体的内力状况。弹性体的内力状况。平衡微分方程：平衡微分方程：即即:也即也即:对其进行求导对其进行求导得平衡微分方程得平衡微分方程:19本讲稿第十九页，共三十五页2.应力分析应力分析应力有以下

10、几种：应力有以下几种：正应变或线应变（正应力）正应变或线应变（正应力）切应变（切应力）切应变（切应力）正应力正应力:切应力切应力:正应变正应变:切应切应变变:20本讲稿第二十页，共三十五页正应变或线应变（正应力）正应变或线应变（正应力）切应变（切应力）切应变（切应力）21本讲稿第二十一页，共三十五页3.位移分析位移分析位移位移:弹性体受力变形后位置的微观改变。弹性体受力变形后位置的微观改变。位移有以下几种：位移有以下几种：挠度（挠度（）：横截面形心处的铅垂位移；）：横截面形心处的铅垂位移；转角（转角（）：横截面相对于变形前的位置绕中）：横截面相对于变形前的位置绕中 性轴转性轴转过的角度；过的角

11、度；水平位移（水平位移（u u）：横截面形心沿水平方向的位移。）：横截面形心沿水平方向的位移。22本讲稿第二十二页，共三十五页3.位移分析位移分析挠度方程：挠度方程：在小变形条件下，由于在小变形条件下，由于 很小，很小，挠度方程：挠度方程：23本讲稿第二十三页，共三十五页4.1.1 失效的基本概念失效的基本概念失效：当材料发生屈服或断裂时都会丧失正常功能，失效：当材料发生屈服或断裂时都会丧失正常功能，这种现象称为失效。这种现象称为失效。对于脆性材料，在单向应力状态下，其失效形式为断对于脆性材料，在单向应力状态下，其失效形式为断裂，故失效判据为：裂，故失效判据为：对于韧性材料，在单向应力状态下，

12、其失效形式为断对于韧性材料，在单向应力状态下，其失效形式为断裂，与脆性材料判断依据一致；如果将屈服作为失裂，与脆性材料判断依据一致；如果将屈服作为失效，则有：效，则有：24本讲稿第二十四页，共三十五页4.1.2失效形式：失效形式：失效形式有以下几种：失效形式有以下几种：强度失效：材料屈服或断裂引起的失效；强度失效：材料屈服或断裂引起的失效；刚度失效：构件过量的弹性变形引起的失效；刚度失效：构件过量的弹性变形引起的失效；屈曲失效：构件平衡构形的突然转变而引起的失效；屈曲失效：构件平衡构形的突然转变而引起的失效；疲劳失效：交变应力作用发生断裂而引起的失效；疲劳失效：交变应力作用发生断裂而引起的失效

13、；蠕变失效：在一定的温度和应力作用下，应变随时间的增加而蠕变失效：在一定的温度和应力作用下，应变随时间的增加而增加，最终导致构件的失效；增加，最终导致构件的失效；应力松弛失效：在一定的温度作用下，应变保持不变，应力随应力松弛失效：在一定的温度作用下，应变保持不变，应力随时间而降低，从而导致失效。时间而降低，从而导致失效。25本讲稿第二十五页，共三十五页4.1.3 主要的强度失效形式：主要的强度失效形式：大量实验结果表明，材料在常温、静载大量实验结果表明，材料在常温、静载作用下主要发生两种形式的强度失效：一作用下主要发生两种形式的强度失效：一种是屈服；另一种是断裂。种是屈服；另一种是断裂。26本

14、讲稿第二十六页，共三十五页4.2.1 设计准则：设计准则：设计准则有以下几种：设计准则有以下几种：屈服准则（最大切应力准则和畸变密度准则）屈服准则（最大切应力准则和畸变密度准则）断裂准则（最大拉应力准则）断裂准则（最大拉应力准则）莫尔准则莫尔准则27本讲稿第二十七页，共三十五页4.2.2 最大切应力准则：最大切应力准则：最大切应力准则认为：最大切应力准则认为：无论材料处于什么应力状态，只要发生屈无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服（或剪断），其共同原因都是由于微元内的最服（或剪断），其共同原因都是由于微元内的最大切应力大切应力 达到了某个共同的极限值达到了某个共同的极限值 。相应的设计准则：

15、相应的设计准则：其中，其中，为许用应力；为许用应力；为安全系数。为安全系数。此准则适用于低强化韧性材料。此准则适用于低强化韧性材料。28本讲稿第二十八页，共三十五页4.2.3 最大拉应力准则：最大拉应力准则：最大拉应力准则认为：最大拉应力准则认为：无论材料处于什么应力状态，只要发生脆无论材料处于什么应力状态，只要发生脆性断裂，其共同原因都是由于微元内的最大拉应性断裂，其共同原因都是由于微元内的最大拉应力力 达到了某个共同的极限值达到了某个共同的极限值 。相应的设计准则：相应的设计准则：其中，其中，为材料的强度极限；为材料的强度极限；为安全系数。为安全系数。此准则适用于脆性材料。此准则适用于脆性

16、材料。29本讲稿第二十九页，共三十五页4.2.4 莫尔准则：莫尔准则：莫尔准则认为：莫尔准则认为：任何应力状态所对应的应力圆如果与极限曲任何应力状态所对应的应力圆如果与极限曲线相接触，材料便产生屈服和断裂。线相接触，材料便产生屈服和断裂。30本讲稿第三十页，共三十五页三三:关于材料力学的其他若干问题关于材料力学的其他若干问题1.1.疲劳问题疲劳问题2.2.超静定问题超静定问题31本讲稿第三十一页，共三十五页1.疲劳失效问题：疲劳失效问题：疲劳失效：疲劳失效：结构的构件或机械、仪表的零部件在交变结构的构件或机械、仪表的零部件在交变应力作用下发生的失效，成为疲劳失效，简称疲应力作用下发生的失效，成

17、为疲劳失效，简称疲劳。劳。32本讲稿第三十二页，共三十五页2.1超静定问题：超静定问题：静定问题：静定问题：在静定学问题中，若未知力（外力或内力）在静定学问题中，若未知力（外力或内力）的个数等于独立的平衡方程数目，则仅由平衡的个数等于独立的平衡方程数目，则仅由平衡方程即可解出全部未知力，这类问题即静定问方程即可解出全部未知力，这类问题即静定问题。题。超静定问题：超静定问题：若未知力的个数超过独立的平衡方程的数目，若未知力的个数超过独立的平衡方程的数目，仅由平衡方程是无法确定所有力的，此类问题即仅由平衡方程是无法确定所有力的，此类问题即为超静定问题或静不定问题。为超静定问题或静不定问题。33本讲

18、稿第三十三页，共三十五页2.2 超静定结构：超静定结构：超静定结构：超静定结构：超静定结构是在静定结构上继续增加一个或超静定结构是在静定结构上继续增加一个或多个约束，这些约束对于特定的工程是必要的，多个约束，这些约束对于特定的工程是必要的，但对于保证结构平衡和几何不变性确是多余的。但对于保证结构平衡和几何不变性确是多余的。解决超静定问题方法：解决超静定问题方法：如果有一多余约束，即一次超静定问题，如果有一多余约束，即一次超静定问题，除平衡方程之外，我们还需增加一几何微量变除平衡方程之外，我们还需增加一几何微量变形方程：变形协调方程，并建立力与位移或变形方程：变形协调方程，并建立力与位移或变形之间的物理关系，即本构方程。形之间的物理关系，即本构方程。34本讲稿第三十四页，共三十五页T Thanks a million!hanks a million!制作:李嘉宁CA-ATM2006/08/1335本讲稿第三十五页，共三十五页