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1、1,2,1 孙训方等主编.材料力学. 高等教育出版社 2刘鸿文主编.材料力学. 高等教育出版社 3天津大学材力教研室等主编.材料力学.天津大学出版社 4材料力学解题指导及习题集. 清华大学出版社,主要参考书,3,本课需要解决的问题：,1. 材料力学是一门什么课？ 2. 为什么要学习材料力学？ 3. 如何学好材料力学？ 4. 材料力学成绩如何确定？ 5. 研究材料力学的方法是什么？ 6. 构件有哪些基本类型？(第二节) 7. 杆件的变形有哪些基本形式？ (第三节) 8. 材料力学的研究对象和任务是什么？ (第四节),4,一个故事引发的问题,日本战国时期的大名毛利元就临死之前把三个儿子叫来，让他们
2、分别折一枝箭，他们每个人都很轻易的做到了。接着，他把三支箭绑在一起让他的儿子去折，结果没有人能够折断。故事的原意是团结就是力量，但我们的问题是: 1、为什么三支箭绑在一起比一支箭难折断? 2、如果箭柄是钢做的，他们能不能折断？为什么？ 3、如果不是折，而是拉，你认为他们能不能拉断一支箭吗？为什么？,引言,1. 生活中的材料力学,5,一个任务引发的思考,张三上班第一天，老板叫他去买一种型钢用来制作结构的主梁，必须满足下面下面这张图的要求：（黄色的梁不能因为在受到 q (均布载荷)而发生过大的变形甚至断裂）,潜在的威胁: 1、买的型钢无法承载q 发生事故 被炒鱿鱼 2、买的型钢牌号过大 造成浪费
3、被炒鱿鱼,引言,我们的问题是： 1、究竟应该买什么样牌号的型钢呢？ 2、如果已经有了某种牌号的型钢制成的梁，那么这根梁能承受多大的 q 呢？,6,一张照片引起的思考,引言,7,一张照片引起的思考,引言,8,一张照片引起的思考,引言,9,究竟是什么原因造成了这样大的裂缝？,为什么裂缝与水平线的夹角是45度？,引言,10,以上我们谈到了这么多的问题，大家也许对这些问题不能做出正确的解释和回答，但是有一门课程可以帮助您解决这些问题，这就是,材料力学 Mechanics of Materials,2 什么是材料力学,引言,11,材料力学(mechanics of materials)是研究材料在各种外
4、力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。 材料力学是所有工科学生必修的学科，是设计工业设施必须掌握的知识。材料力学是机械类专业后续课程的重要基础。 学习材料力学一般要求学生先修高等数学和理论力学。 材料力学与理论力学、结构力学并称三大力学。,引言,12,学好材料力学的几个环节： 上课认真听讲，掌握基本概念和基本理论； 课后独立完成作业，态度第一，对错第二，不要抄袭； 认真完成实验，增强动手能力和实验分析能力； 理论联系实际，开拓思维； 有问题及时解决，应主动答疑； 利用现代计算机技术解决问题。（后期）,如何学好材料力学,13,最终成绩评定的构成： 平时 30%（涵盖
5、作业、提问、测试、出勤等） 考试成绩 70%,成绩评定,14,第一章 绪论,主要内容： 1.1 变形固体及其理想化 1.2 构件的基本类型 1.3 杆件变形的基本形式 1.4 材料力学的研究对象和任务,15,1.1 变形固体及其理想化,理论力学：研究物体机械运动一般规律的科学刚体 材料力学：研究构件承载能力的一门科学变形固体,变形 Deformation：构件尺寸和形状发生变化 弹性变形 Elastic Deformation ：外力解除后可以消失的变形 塑性变形 Plastic Deformation ：外力解除后不能消失的变形 可变形的物体统称为变形固体，也就是说在外力作用下发生变形的物体
6、。,16,1.1 变形固体及其理想化,变形固体模型的理想化：,（1）连续性假设 微观不连续，宏观连续 （2）均匀性假设 物体内各处的力学性能完全相同 （3）各向同性假设 固体在各个方向上的力学性能完全相同 （4）小变形假设 假设物体的几何尺寸、形状的改变与其总的尺寸相比是很微小的。,17,1.1 变形固体及其理想化,连续性假设 微观不连续，宏观连续。认为固体在其整个体积内是连续的，由此可以引入无限小的概念，可以进行极限、积分、微分等高等数学运算。,18,1.1 变形固体及其理想化,均匀性假设 物体内各处的力学性能完全相同 物体的任一部份的力学性能就可以代表整体的力学性能。,各向同性假设 固体在
7、各个方向上的力学性能完全相同。有些材料并非如此，比如复合材料玻璃钢等，其抗拉性能和抗剪性能相差很大。,19,1.1 变形固体及其理想化,小变形假设 研究材料力学的前提条件 材料力学研究的变形通常局限于小变形范围 小变形：指构件在外力作用下发生的变形量远小于构件的尺寸 小变形前提条件的作用 (1)小变形前提保证构件处于纯弹性变形范围 弹性变形卸载后能自动恢复的变形 塑性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。,20,2、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 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。,1.1
8、 变形固体及其理想化,21,(3)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。,1.1 变形固体及其理想化,22,1.2 构件的基本类型,我们在日常生活中，经常见到建筑物，交通车辆、机械设备，这些在力学课程中统称为结构。 结构由部件和零件组成，而这些部件和零件便是构件（element）。,通常情况下，构件根据其几何形状的不同分为四类：杆、板、壳、块。 其中杆是工程中最常见、最基本的构件。,23,杆：空间一个方向的尺寸远大于其他两个方向的尺寸。,1.2 构件的基本类型,24,板：空间一个方向的尺寸（
9、厚度）远小于其它两个方向的尺寸，且各处曲率均为零。,1.2 构件的基本类型,25,壳：空间一个方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，至少有一个方向的曲率不为零。,1.2 构件的基本类型,26,块：空间三个方向的尺寸相差不很大的构件。,1.2 构件的基本类型,27,轴向拉伸或压缩 Tension or Compression) 剪切 （Shearing） 扭转 （Torsion） 弯曲 （Bending）,杆件的变形某一种基本变形或者是几种基本变形的组合。,1.3 杆件变形的基本形式,杆件变形的基本形式,28,拉伸或压缩（tension or compression）,当杆件两端承受沿轴线方向的拉
10、力或压力载荷时，杆件将产生轴向伸长或压缩变形。,1.3 杆件变形的基本形式,29,剪切(shearing),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并保持二者之间的距离不变时，杆件将产生剪切变形 。,1.3 杆件变形的基本形式,30,剪切(shearing),大自然的剪切效应大峡谷,1.3 杆件变形的基本形式,31,扭转(torsion),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Me时，杆件将产生扭转变形。 即杆件的横截面绕其轴相互转动 。,1.3 杆件变形的基本形式,32,扭转(torsion),位于瑞典马尔摩的扭转大楼内拥有三十三种不
11、同形式、共一百四十七间公寓，由于大楼从一楼到屋顶共扭转了九十度，所以每间公寓都拥有充足的自然光，这栋大楼的杰出设计，在法国坎城举行的世界房地产市场颁奖典礼中，获得最佳住宅类大奖。,1.3 杆件变形的基本形式,33,弯曲(bending),当外加力偶M或外力作用在与杆件垂直的纵向平面内时，杆件将发生弯曲变形，其轴线将变成曲线。,1.3 杆件变形的基本形式,第一款可以弯曲的计算机微处理器,34,为了建筑物、交通车辆以及机器能够正常工作，必须对构件提出一定的要求。 构件必须具有足够的强度（Strength）、刚度（Stiffness）、稳定性（Stability）。,1.4 材料力学的研究对象和任务
12、,35,强度 Strength： 构件抵抗失效（破坏）的能力。强度是对构件是最基本的要求。,1.4 材料力学的研究对象和任务,36,1.4 材料力学的研究对象和任务,辽宁202国道熊岳大桥断裂,37,钻床的立柱，如果强度不够，就会折断(断裂)或折弯(塑性变形)； 如果刚度不够，钻床立柱即使不发生断裂或者折弯，也会产生过大弹性变形（图中虚线所示为夸大的弹性变形），从而影响钻孔的精度，甚至产生振动，影响钻床的寿命。,1.4 材料力学的研究对象和任务,刚度 Stiffness：构件抵抗变形的能力。,38,稳定性 Stability 构件受载后保持原有平衡状态的能力。,稳定失效的例子多见于承受轴向压力
13、的工程构件。,翻斗货车的液压机构中的顶杆，如果承受的压力过大，或者过于细长，就有可能突然由直变弯，发生稳定失效。,1.4 材料力学的研究对象和任务,39,1.4 材料力学的研究对象和任务,河北一座在建报告厅由于支撑系统失稳造成整体坍塌。,容器在受压以后发生的失稳形态,40,实验观察,假设,理论分析,实验验证,对复杂的结构，载荷难以估计的以及检验设计要求，需要借助于实验来完成。,研究材料力学的方法,41,本次课的复习与巩固,P6： 1，2，3，4，5，6,课后作业,42,案例1 美国Tacoma大桥风毁,材料力学与工程设计（案例）,1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁。这一严重的
14、桥梁事故，开始促使人们对悬索桥结构的空气动力稳定问题进行研究。该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。通过两年时间的施工，于1940年7月1日建成通车。但由于当时人们对柔性结构在风作用下的动力响应的认识还不深入，该桥的加劲梁型式极不合理（板式钢梁），导致在中等风速(19m/s)下结构就发生破坏。幸好在桥梁破坏之前封闭了交通。据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把一条狗留在车内。桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处。当地的报纸以简洁的标题对这场事故作了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、一条狗”。10年以后，才开始重新修建塔科马桥。仍采用悬索桥型式，但加劲梁
15、改为桁架式。新桥总长较旧桥长12m，于1950年10月14日建成通车。 该桥破坏时，当地Tacoma报社的编辑Leonard Costsworth恰好路过，并用摄影机记录下一段珍贵的胶片。这才使得后人有机会一睹当年桥毁场面。,43,案例2 德国高速列车事故,材料力学与工程设计（案例）,1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。,事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。,44,案例3 韩国三丰百货大楼坍塌,材料力学与工程设计（案例）,盛怒的国人追问：是什么造成
16、韩国史上和平时期最惨重的灾难？,1995年夏天，韩国汉城欣欣向荣，堪称亚洲经济奇迹的代表。时髦的三丰百货公司(The Sampoong)是地标，也是汉城在全球快速成功崛起的象征。6月29日下午，这里却成为一场恐怖浩劫的中心。在30秒内，五层百货大楼层层塌陷，导致501人被压死。,45,三丰集团于1987年开始在这片位于瑞草区，原本用作垃圾填埋场的开阔地上建设三丰百货大楼。按照最初的设计，大楼将被建设成一栋四层的办公楼，但是三丰集团会长李鐏却在建设工程中，将其重新设计成一栋百货大楼。这一改动，导致了很多承重柱被取消以腾出空间，安装自动扶梯。原先的建筑承包商，拒绝按照新的设计继续施工。李鐏因此解雇
17、了他们，并让自己的建筑公司进行施工。,材料力学与工程设计（案例）,外界最初认为事故的原因是由于大楼松软的地基。但是随着调查的深入，很快人们便发现事故发生是由于李鐏和其建筑公司对设计的随意改动。后来对废墟的调查显示，大楼的混凝土是由劣质水泥和海水混合而成的。,46,材料力学与工程设计（案例）,三丰百货属于所谓“平板”结构，是当时广泛采用的设计，成本低而且工期短。楼面由厚厚的混凝土板构成，支撑的混凝土墙柱将建筑物的重量下传到地基。平板结构施工优点多，却很敏感，它的规划必须更精确，完全不能出错。 具讽刺意味的是，最后毁了大楼的，竟然是新添的安全设施。汉城的法规，要求百货公司在电扶梯旁加装防火墙。防火墙遇到火警会自动关闭，以免火势浓烟蔓延到其它楼层。而为腾出空间加装防火墙，工人必须切开电扶梯旁的混凝土柱。这样的行为使大楼减少了25%以上的重要支撑。这一系列致命的组合就像颗定时炸弹。,