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1、1,材料力学,本科生选修课,2,材料力学,学时：32+2+2=36 讲课&自习：32学时 考前复习：2学时 考试：2学时,3,参考书,孙训方等编著材料力学（1） 第四版 教授内容：1-4章 王从曾主编材料性能学 教授内容：1-7章,4,第一章 绪论及基本概念,5,1-1 材料力学的任务,结构物和机械通常都受到各种外力的作用,例如： 三峡大坝要受到水压力 厂房外墙要受到风压力 吊车梁要承受吊车和起重物的重力等等 这些力统称为荷载(loading),6,1-1 材料力学的任务,研究对象 构件。 组成结构物和机械的单个组成部分,统称为构件,结构物和机械由构件组成,7,波音-747构件超过10万个！,
2、复合桥梁结构复杂，载荷复杂,8,力学中构件对结构或机械功能的决定作用,当结构或机械承受荷载或传递运动时，各构件都必须能够正常地工作，才能保证整个结构或机械的正常工作 首先要求构件在受荷载作用时不发生破坏。如机床主轴因荷载过大而断裂时，整个机床就无法使用 但只是不发生破坏，并不一定就能保证构件或整个结构的正常工作，要避免严重的变形。如机床主轴若发生过大的变形，将影响机床的加工精度 此外，有一些构件在荷载作用下，其原有的平衡形状可能丧失稳定性。如房屋的梁，则在压力超过一定限度后，就可能显著变弯，可能使房屋例塌. 设计构件时必须同时考虑上述三个方面的因素,密不可分,9,构件安全性指标,强度：,构件抵
3、抗破坏的能力；,刚度：,构件抵抗变形的能力；,稳定性：,构件维持其原有平衡状态的能力。,影响构件安全性的核心要素,构件的强度、刚度和稳定性均与所用材料的力学性能有关，主要指的是在外力作用下材科变形与所受外力之间的关系。 材料结构千差万别，力学性能常常需通过材料试验来测定。,10,“材料力学”与“材料性能学”相辅相成 材料力学性能学 离开材料性能学单纯研究材料力学没有实际意义！,11,例如：高分子结构多样性,结晶态,无定形,12,纳米材料带来技术革命,材料颗粒小到几到几十纳米时，比表面大大增加，材料力学性质发生意想不到的变化 纳米陶瓷能弯曲180度；用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象一幅画一
4、样卷起来 碳纳米管强度比钢高100倍，重量只有钢的1/6。构件轻质化成为可能，今后的汽车将跑的更快，飞机将飞的更高,纳米材料力学及纳米材料性能学？,13,对构件在荷载作用下正常工作的要求:,. 具有足够的强度强度指构件在荷载作用下抵抗破坏(断裂)的能力，不发生意外断裂或显著的塑性变形。,破坏1.断裂 2.塑性变形 （永久变形）,14,美国的Tacoma老桥于1940年11月7日因风力引起的振动而产生断裂,15,四川彩虹桥坍塌,16,. 具有足够的刚度指构件在荷载作用下抵抗变形的能力，保证构件的变形不超过工程允许范围。,变形在弹性范围内，荷载去除即回复,17,. 具有足够的稳定性要求指构件承受荷
5、载时，保持原有的平衡状态的能力，即不丧失稳定。,偏心受压直杆,18,在满足强度、刚度和稳定性要求的同时，还须尽可能合理选用材料和降低材料消耗量，以节约投资。从安全性出发，要求多用材料；而从经济性出发，需要少用材料。,材料力学包含的两个方面,理论分析,实验研究,测定材料的力学性能；解决一些不能单靠理论解决的问题,_,提供合理的理论计算方法,解决安全性与经济性的矛盾，是材料力学发展的基础。,两方面同等重要,为何德系车既优于美国车，又优于日本车？,19,材料力学的任务,材料力学研究的最重要任务，就是研究材料在受 载过程中变形和断裂的规律。 目的：在保证构件满足安全性要求的前提下,以最 经济的代价合理
6、设计构件尺寸、形状，选择适 宜的材料，提供必要的理论基础、计算方法与实 验技术,主要任务：,建立试验分析及数值分析的方法。,其它任务：,20,赵州桥 世界上现存最早、跨度最大的空腹式单孔圆弧拱石桥。净跨 37.02 m，矢高7.23 m，桥面宽9 m。大拱上两端各建有两个小拱(净跨分别为2.85 m和3.81 m)，以减轻桥身自重和增大泄洪面积。由于桥位良好、基底应力适宜，千余年来虽经多次洪水和地震，桥身基本完好。 该桥构思精巧，造型稳重，是世界桥梁史上的杰作。1961年定为中国全国重点文物保护单位。,1-2 材料力学与生产实践的关系,赵州桥(石拱桥)595-605年建，充分利用石料的压缩强度
7、,21,安澜索桥 安澜索桥是国家重点文物保护单位，相传始建于李冰建都江堰的战国末期，宋代时重建。历史上这座桥曾毁坏过几次，当时的政府均马上加以重修。这座桥原为一座竹索桥，现已改建成钢索桥，只是表面进行了仿竹木处理。全桥有九墩八孔，长340 m,宽1.4 m ，高13 m。,安澜竹索桥(宋代建)(1964年改为钢缆承托的索桥)充分利用竹材的拉伸强度,22,通过实验建立理论的先驱,伽利略(G.Galileo) 意大利,为了解决建造船只和水闸所需梁的尺寸问题进行了一些实验，并基于其实验结果于1638年首先提出了计算梁强度的公式 由于他使用了刚体力学的方法而未考虑到梁受力后的变形这一重要因素，以致其结
8、论并不正确 但他开辟了用实验和按理论方法计算构件的新途径,1638年：关于两种新科学的叙述与证明,23,通过实验建立理论的先驱,胡克(R.Hooke) 英国,于1678年发表根据实验观察所得出的物理定律“力与变形成正比”，即著名的“胡克定律” 基于“胡克定律”，材料料力学在过去生产实践中所积累的丰富经验的基础上，开始有了新的发展,24,材料力学是随生产的发展而建立的关于强度、刚度和稳定性计算的经验及理论,生产实践,科学实验,材料力学,25,1-3 可变形固体的性质及其基本假设,制造构件的材料，其理化结构及性质多种多样，共同特点是都是固体，在荷载作用下都会变形包括尺寸改变和形状改变。这些材料统称
9、为可变形固体，基本特性： 材料的物质结构具多样性（金属-原子晶体结构；塑料长链分子结构；玻璃、陶瓷的硅氧化物分子晶体结构等）；各种物质结构都具有不同程度的空隙，并可能存在气孔、杂质等缺陷，但大小与构件的尺寸相比极其微小 材料（尤其是复合材料）的基本组分之间及基本组分与构件之间力学性能存在差异，材料力学性能反映的是基本组成部分力学性能的统计平均值,26,对可变形固体的基本假设-连续性假设,认为：（1）物体在整个体积内充满了物资而毫无空隙，结构是密实的；（2）变形后固体仍保持其连续性，在弹性变形范围内无空隙、密实连续,(1) 从受力构件内任意取出的体积单元内均不含空隙；,(2) 变形必须满足几何相
10、容条件，即：变形后的固体内既无“空隙”，亦不产生“挤入”现象。,据此：,27,. 均匀性假设认为物体的力学性能是均匀的，即内部各体积单元的力学性能均相同，均能代表整个物体的力学性能。材料力学中所选取的代表材料力学性能的最小体积单元处决于材料的组成和结构，原则是保证该体积单元包含足够量的基本组分，使力学性能统计平均值基本保持恒定，减少材料力学计算误差（例：金属的微结构规整，取0.1mm0.1mm 0.1mm，复合物混凝土微结构复杂，取10mm 10mm 10mm）,. 各向同性假设是对常用工程材料的假设。认为材料沿各个方向的力学性能是相同的（实际情况有时非如此，例如拉伸取向材料，应按各向异性进行
11、计算）。,28,两个限制条件（大多数情况下在该条件下进行研究）:,. 小变形,远小于构件的最小尺寸，所以通过节点平衡求各杆内力时，仍按原始几何尺寸计算，支架的变形略去不计,. 线弹性范围内卸除荷载后完全恢复原状，材料服从Hookle定律,弹性变形：卸除荷载后能完全消失的变形 塑性变形：卸除荷载后残留的变形，即不可恢复变形,后续课程,29,总之：材料力学中把实际材料均视为均匀连续、各向同性材料且在线弹性范围内和小变形条件下进行研究。 意义：以均匀、连续、各向同性的可变形固体作为构件材料的力学模型，是理想化的力学模型，误差是绝对的，但使理论研究成为可能，而且基于该模型进行计算所得结果的精度，在多数
12、情况下属工程计算的允许范围 局限：近年来材料科学的发展，新型材料不断涌现（例碳纳米管），均匀、连续、各向同性假设完全不适合，故传统理论模型已经越来越越不能满足材料力学的研究需要（非本课程学习范围）,30,杆件两个主要几何因素：,1)按轴线形式杆件分为：,2)按横截面形式杆件分为：,材料力学所研究的主要构件：从几何上多抽象为可变形固体制成的等直杆。直杆是纵向（长度）尺寸远大于横向尺寸的构件（例：梁、柱、轴等）,1-4 材料力学的主要研究对象杆件的几何特性,31,1-5 杆件变形的基本形式,. 轴向拉伸或轴向压缩：施加外力的作用线与轴线重合,作用于杆上外力多样化导致杆的变形也多样化，但变形形式主要
13、有四种,32,(a) 轴向拉伸,二，杆件变形的基本形式,轴向拉伸或压缩变形,主要变形为长度的改变,拉压变形,33,. 剪切,施力特点：一对相距很近、大小相同、指向相反的横向外力（F）,34,剪切变形,形变特征：横截面沿外力F作用方向，发生相对错动 一般情况下，杆件在发生剪切变形的同时，还发生其他形式的变形,35,. 扭转,施力特点：一对转向相反、作用面垂直于直杆轴线的外力偶（力矩Me）,36,扭转变形,变形特征：直杆的相邻横截面绕轴线相对转动，杆件表面纵向线成螺旋线，这种变形形式统称扭转 例如：机械中传动轴主要变形形式为扭转,37,. 弯曲,施力特点：一对转向相反、作用面在杆件的纵向平面（包含
14、杆轴线在内的平面）内的外力偶（ Me ）。 变形形式：（1）纯弯曲（少）；（2）横力弯曲（通常情况）,38,纯弯曲变形特征：直杆的相邻横截面绕垂直于杆轴线的轴发生相对转动，使杆轴线弯成曲线 横力弯曲变形特征：变形结合纯弯曲及剪切两种形式,F1=F2时(从而亦有FA=FB)车轴的AB部分不受剪切纯弯曲 而车轴的外伸部分既受弯又受剪横力弯曲,39,工程中常用构件在荷载作用下，大多为更加复杂的更多种基本变形形式的组合组合变形。,40,组合受力（Combined Loading）与变形,杆件变形的基本形式列表,41,外力：指由其他物体施加的力或由物体本身的质量引起的力,1-6 外力、内力与应力,后续课
15、程,42,内力：指在外力作用下物体内各个部分之间的作用力-可理解为材料颗粒之间因相对位置改变而产生的相互作用力,求内力的方法截面法,43,外力的正负号取决于所建立的坐标系，与坐标轴同向为正、反向为负,内力的正负号根据规定，不同变形的内力有不同的规定,44,应力：指内力分布的集度，可以理解为是单位面积的内力,45,应力总量P 可以分解成:,46,s0,s0,t0,t0,正负号规定：,正应力 拉为正，压为负。,剪应力 顺时针为正，逆时针为负,47,正应力,剪应力,由应力总量求正应力及剪应力,t,48,应力集中,在局部区域应力突然增大的现象，称为应力集中,横截面上的最大应力max与平均应力m 的比值称为应力集中系数，以表示。,应力集中常常是造成材料及机械破坏的重要因素，由构件材料自身的性能决定（例：均匀性、局部缺陷等）,应力集中时，该应力集中点应力很大,后续课程,49,课堂作业题,构件的主要安全性指标有哪些？ 简述对可变形固体的基本假设 杆件变形的基本形式有哪些？,