返回主目錄課程總論材料力學(xué)清華大學(xué)航天航空學(xué)院謝惠民

2023年4月9日通知:請各班課代表請課間做一下登記,留下聯(lián)系電話、EMAIL地址。謝惠民清華大學(xué)航天航空學(xué)院固體力學(xué)研究所辦公地點:逸夫科技樓1506電話:62792286,電子郵件:xiehm@課程總論基本概念應(yīng)用實例本節(jié)課的主要內(nèi)容:材料力學(xué)的第一課材料力學(xué)課程總論力學(xué)的研究方法力學(xué)在工程中的應(yīng)用材料力學(xué)研究對象材料力學(xué)課程總論力學(xué)分類材料力學(xué)任務(wù)幾個基本概念力學(xué)分類固體力學(xué)流體力學(xué)理論力學(xué)變形固體力學(xué)行為。液體和氣體,研究流體現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。質(zhì)點、質(zhì)點系、剛體、剛體系等機械運動一般規(guī)律的科學(xué)。力學(xué)按所研究對象可分為三個分支：-----力學(xué)的分類材料力學(xué)是固體力學(xué)的一個分支，它是研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件和機械零件承載能力的基礎(chǔ)學(xué)科。材料力學(xué)與固體力學(xué)的關(guān)系:機械或工程結(jié)構(gòu)中構(gòu)件要在外力作用下正常工作，必須滿足以下要求：足夠的強度足夠的剛度足夠的穩(wěn)定性足夠的耐久性幾個基本概念強度：是指構(gòu)件抵抗載荷破壞的能力。剛度：是指構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。穩(wěn)定性：細長桿件在受壓的情況下保持原有平衡形式的能力。耐久性：構(gòu)件在周期性外載或內(nèi)力周期性變化時，其工作壽命必須滿足使用期限。幾個基本概念材料力學(xué)的任務(wù)（1）分析構(gòu)件所受外力的大小和方向（2）研究在外力下構(gòu)件的內(nèi)力和變形及破壞規(guī)律（3）提出保證構(gòu)件具有足夠強度、剛度和穩(wěn)定性的設(shè)計準則及方法。材料力學(xué)研究對象固體力學(xué)研究對象材料力學(xué)研究對象固體力學(xué)研究對象桿，板，殼，塊體桿：當(dāng)構(gòu)件在某一方向上的尺寸比其余兩方向大得多時，稱為桿。例子：房梁，立柱,車軸.板或殼：當(dāng)構(gòu)件一個方向尺寸比其他兩方向尺寸小得多時，如為平面結(jié)構(gòu)時，稱為板；若為曲面結(jié)構(gòu)時，稱為殼。例子：屋頂，壓力容器(鍋爐容器,管道),飛機的外殼塊：若在構(gòu)件三方向上具有同一量級的尺寸，稱為塊。例子：水壩、機器的底座材料力學(xué)研究的對象:桿縱向(長度方向)比橫向(垂直于長度方向)尺寸大得多的構(gòu)件.討論桿的種類：按軸線劃分:直桿：軸線為直線。曲桿：軸線為曲線。按截面劃分:變截面桿：沿軸線方向橫截面是變化的。等截面桿：沿軸線方向橫截面是不變化的。我們材料力學(xué)研究的主要是:等截面的直桿(等直桿).材料力學(xué)與后續(xù)力學(xué)課程的關(guān)系是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，對于過渡到專業(yè)課、設(shè)計課的學(xué)習(xí)十分重要，起橋梁作用。固體力學(xué)：結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、板殼理論、有限元理論和方法機械設(shè)計材料力學(xué)性能復(fù)合材料力學(xué)彈性動力學(xué)沖擊力學(xué)疲勞理論相關(guān)課程

力學(xué)在工程中的應(yīng)用

課程總論舉例說明工程與力學(xué)的關(guān)系

20世紀以前,在力學(xué)知識的積累、應(yīng)用和完善的基礎(chǔ)上，逐漸形成和發(fā)展起來的蒸汽機、內(nèi)燃機、鐵路、橋梁、艦船、兵器等大型工業(yè),推動了近代科學(xué)技術(shù)和社會的進步。

工程與力學(xué)人們很早就會造房子,積累了許多豐富的力學(xué)經(jīng)驗，有了一些決定構(gòu)件安全尺寸的經(jīng)驗法則。人類文明象征：萬里長城（公元前3世紀）、埃及的大金字塔（公元前2500年）。早期的經(jīng)驗認識:材料力學(xué)的形成與發(fā)展:伽利略GalileoGalilei(1564-1642)1638年所著《論兩種新科學(xué)》一書第一本材料力學(xué)著作,標志材料力學(xué)學(xué)科的開始.對材料力學(xué)發(fā)展突出貢獻科學(xué)家:----胡克、伯努利、庫侖、歐拉、泊松等16世紀17世紀-19世紀20世紀起步發(fā)展完善塑性力學(xué)斷裂力學(xué)復(fù)合材料力學(xué)材料力學(xué)發(fā)展歷程：拓展新學(xué)科最早的蒸氣機車（1825，英國）蒸汽機車的發(fā)明：使長距離快速交通成為可能。中國人第一條自己設(shè)計制造的鐵路（1905.9-1909.9)修建鐵路的情景鐵道工程的材料力學(xué)問題軌道：構(gòu)件的強度、剛度地基:強度工作受載狀態(tài)：循環(huán)交變載荷,需分析軌道疲勞問題，耐久性問題

20世紀中，一些高科技及其在各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與力學(xué)的指導(dǎo)密不可分。

工程與力學(xué)高層建筑與大型橋梁樓高

420.5m

共88層

金茂大廈世界第三高強度高聳建筑由于相對細長而顯得更加具有柔性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)對于地震和風(fēng)的激勵有更大的響應(yīng)。振動穩(wěn)定性高聳建筑中的力學(xué)問題4.75m什么原因造成比薩斜塔的傾斜？橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計:強度合理高層建筑與大型橋梁力學(xué)與橋梁工程立柱與纜索高層建筑與大型橋梁橋墩高層建筑與大型橋梁橋墩是比較矮的，若是高了又會產(chǎn)生什么問題？

美國塔科馬懸索橋（1940年，跨度為853米）建成4個月后,遇8級大風(fēng)橋面劇烈的震動，振幅加大橋面傾斜到45°時，吊桿逐根拉斷橋面折斷、解體塔科馬懸索橋教訓(xùn)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理:剛度差沒有進行動載荷下的強度和剛度設(shè)計1950年10月14日建成塔科馬新橋(美國華盛頓州)新橋經(jīng)受了風(fēng)雨的考驗.

40人死亡(其中武警22人)；

14人受傷；

直接經(jīng)濟損失631萬元。1999年1月4日(96年建成)，我國重慶市綦江縣彩虹橋發(fā)生垮塌，當(dāng)時,一對武警戰(zhàn)士(24人)正在橋上跑步過橋,結(jié)果造成：

工程與力學(xué)-橋梁事故垮塌前的彩虹橋垮塌后的彩虹橋簡單力學(xué)概念－大部隊過橋時不能齊步走高等力學(xué)概念和方法－

沖擊載荷的概念：

人跑步時腳上的力量有多大？

損傷累積與結(jié)構(gòu)壽命

與跑步的次數(shù)有關(guān)如何用力學(xué)概念分析彩虹橋的垮塌？人跑步時腳上的力量有多大？腳上的力量假設(shè)人體重量為750N3000N3500N4500N6000N12500N24人跑步作用在腳上的作用力為:24x3000N=72000N武警戰(zhàn)士跑步時--按中長跑情況計算：3000N高等力學(xué)另外角度分析－

損傷累積與結(jié)構(gòu)壽命

與跑步的次數(shù)有關(guān)

工程與力學(xué)缺陷在周期性循環(huán)載荷作用下不斷發(fā)展、變大，最終破壞.由于橋質(zhì)量不好，在可能的載荷作用下，它的壽命僅僅三年。

工程構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定問題重慶綦江彩虹橋、三峽工程中焦家灣大橋、云南省昆祿高速公路、錢塘江防洪堤，是1996全國聞名的“四大豆腐渣工程”。

高速公路工程與力學(xué)-公路建設(shè)在公路建設(shè)中,要考慮路面強度護欄材料的選擇

工程與力學(xué)-公路建設(shè)

民用航空飛機結(jié)構(gòu)的強度問題和疲勞問題航空工程與力學(xué)強度問題飛機蒙皮由于材料強度不足發(fā)生失效東方航空公司MD-11客機成功迫降（1998年9月10日）航空工程與力學(xué)-飛行事故飛機起落架無法打開中國民航40多年飛行史上從未出現(xiàn)過的故障

國際民航史上罕見的成功迫降橡膠氣囊迫降成功機長精湛的飛行技術(shù)；良好的心理素質(zhì)；出色的團隊精神。機長倪介詳

前起落架鎖連桿安裝螺栓(銷子)意外斷裂

工程與力學(xué)起落架：無法正常放開海洋石油鉆井平臺

工程與力學(xué)支承平臺導(dǎo)管架樁腿海洋石油鉆井平臺鋼結(jié)構(gòu)組成:樁腿、導(dǎo)管架、支承平臺。受力復(fù)雜：在海水環(huán)境風(fēng)、浪、潮和地震載荷；冬季還受到冰載。海洋平臺事故1969和1977年,我國的渤海2號海洋鉆井平臺兩次發(fā)生冰毀事故西伯利亞排冰，九級臺風(fēng)連接部位焊點開裂，樁腿擠壓破碎，平臺倒塌(強度)力學(xué)設(shè)計缺點：強度和剛度不足。合理設(shè)計是海洋平臺建設(shè)中非常重要的環(huán)節(jié)火力發(fā)電系統(tǒng)

工程與力學(xué)-動力工程高速旋轉(zhuǎn)葉片：高溫、高壓下強度、剛度渦輪發(fā)動機長江三峽工程大型水利工程設(shè)施

工程與力學(xué)-水利工程壩頂總長3035米，壩高185米，水電站機組26臺世界第一大電廠水工結(jié)構(gòu)與力學(xué)：強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性水壩設(shè)計與力學(xué)任務(wù)：水壩在外來因素下引起的力學(xué)響應(yīng)。外來因素：水壓、結(jié)構(gòu)自重、泥沙壓力、滲透壓力、溫度變化、地震載荷。力學(xué)響應(yīng)：變形、應(yīng)力.

工程與力學(xué)-宇航工程2004年美國“勇氣”號成功登陸火星

“勇氣號”展開

展開機構(gòu)的設(shè)計,包括強度和剛度問題

神舟6號載人飛船發(fā)射和回收成功航天技術(shù)：高精尖科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平總體實力的考驗(2005-10.12--10.17)（費俊龍、聶海勝）神州六號順利發(fā)射的意義：帶動高技術(shù)的發(fā)展，軍事實力增加：衛(wèi)星偵察遠距離通訊軌道測量戰(zhàn)爭預(yù)警反衛(wèi)星反制導(dǎo)新火箭技術(shù)：小動量火箭技術(shù)，可用于對付美國戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)（TMD）。中國載人航天工程總設(shè)計師、我校航天航空學(xué)院院長王永志院士日前在接受電視媒體采訪時透露，“神舟”七號、“神舟”八號將進行太空出艙活動，即航天員實施太空行走，還將進行交會對接試驗。2003年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲者力學(xué)在航天工程應(yīng)用:材料的設(shè)計和性能結(jié)構(gòu)的強度和剛度及優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析結(jié)構(gòu)的耐久性分析為什么在大樓上部分撞擊，卻整個樓倒塌？

應(yīng)用:力學(xué)分析實際問題例子（2001年9月11日）爆破時煙囪怎樣倒塌定向爆破作業(yè)定向爆破折斷部位？折斷方向？

力學(xué)研究方法材料力學(xué)課程總論

理論分析方法－成熟于19世紀-20世紀初，-目前主要任務(wù)：探索新設(shè)計、新結(jié)構(gòu)。工程力學(xué)研究方法

實驗方法-------非常重要具體設(shè)計-工程重要結(jié)構(gòu)一般需要實驗檢測；從理論的發(fā)展過程看：理論（是否正確）需要試驗檢驗—發(fā)現(xiàn)問題--修正模型，使理論完善并得到發(fā)展.工程力學(xué)研究方法早期的實驗（17世紀）意大利科學(xué)家伽利略為解決建造船舶和水閘所需的梁的尺寸問題，進行了一系列實驗，并于1638年首次提出梁的強度計算公式。

17世紀的實驗飛機靜載試驗電阻應(yīng)變計法激光干涉法研究帶孔拉伸試件的表面變形干涉條紋（軸向位移場）－現(xiàn)代計算力學(xué)技術(shù)與計算機結(jié)合應(yīng)用（有限元分析）。計算機方法工程力學(xué)研究方法開辟了一個很寬的應(yīng)用領(lǐng)域能解決的問題:更廣泛。汽車碰撞碰撞時氣囊與人的相互作用戰(zhàn)斗機的振動模態(tài)分析飛鳥與空中客車機翼相撞變形分析凹槽處應(yīng)力很大。

“

工程力學(xué)走過了從工程設(shè)計的輔助手段到中心主要手段，不是唱配角而是唱主角了”錢學(xué)森

清華大學(xué)國家基礎(chǔ)課程(力學(xué))建設(shè)基地網(wǎng)址：

IP:12作業(yè):請各班課代表每周三收齊作業(yè)(上一周作業(yè)),將作業(yè)放到航天航空學(xué)院的材力作業(yè)箱。材力作業(yè)箱(有對應(yīng)班號):逸夫科技樓二樓大廳(大廳內(nèi)電梯附近).考試成績:最終成績由以下幾部分組成:期中考試:20分作業(yè)成績:15分小論文成績:15分期末成績:50分關(guān)注材料力學(xué)學(xué)習(xí)方法：與理論力學(xué)區(qū)別：特點：假設(shè)多、邏輯性弱,但使數(shù)學(xué)上簡化。工程設(shè)計思想：通過簡化提煉---模型--—簡單數(shù)學(xué)分析---解決問題。哲學(xué)思想的靈活應(yīng)用：去粗取精、去偽存真。學(xué)習(xí)材料力學(xué)基本思想；明確分析解決問題前提、假設(shè)、公式含義及應(yīng)用條件。學(xué)習(xí)中要抓重點：希望關(guān)注的幾個環(huán)節(jié)：預(yù)習(xí)：教科書聽課：注意老師強調(diào)的重點作業(yè)、參考書閱讀和練習(xí)-注意復(fù)習(xí)歸納、總結(jié)提高.參考書