內(nèi)力作用下的形變課件本課件將深入探討內(nèi)力作用下的形變，涵蓋形變的概念、種類、影響因素、測(cè)量方法以及在實(shí)際生活和工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。引言：形變無(wú)處不在從宏觀的橋梁建筑到微觀的原子結(jié)構(gòu)，形變無(wú)處不在。形變是物體在外力或內(nèi)力作用下發(fā)生的形狀和尺寸的改變。理解形變不僅是物理學(xué)的基本原理，也是工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。什么是內(nèi)力？?jī)?nèi)力是指物體內(nèi)部各部分之間相互作用的力。這些力是由物體內(nèi)部的分子間相互作用產(chǎn)生的，與外部施加的力不同。內(nèi)力通常是由物體受到外力的作用而產(chǎn)生的，它維持著物體的平衡或抵抗外力的作用。內(nèi)力與外力的區(qū)別1作用對(duì)象內(nèi)力作用于物體內(nèi)部，而外力作用于物體外部。2作用方式內(nèi)力是物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力，而外力是物體外部施加的力。3作用結(jié)果內(nèi)力可以導(dǎo)致物體形變，而外力可以導(dǎo)致物體運(yùn)動(dòng)或形變。形變的定義形變是指物體在外力或內(nèi)力作用下發(fā)生的形狀或尺寸的變化。它反映了物體抵抗外力或內(nèi)力作用的能力。形變的種類：彈性形變與塑性形變彈性形變當(dāng)外力或內(nèi)力去除后，物體能夠恢復(fù)到原來(lái)形狀的形變。塑性形變當(dāng)外力或內(nèi)力去除后，物體不能恢復(fù)到原來(lái)形狀的形變。彈性形變的特點(diǎn)1可逆性外力或內(nèi)力去除后，物體可以恢復(fù)到原來(lái)的形狀。2線性關(guān)系在一定范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，符合胡克定律。3能量存儲(chǔ)彈性形變過(guò)程中，物體儲(chǔ)存了彈性勢(shì)能。塑性形變的特點(diǎn)1不可逆性外力或內(nèi)力去除后，物體不能恢復(fù)到原來(lái)的形狀。2非線性關(guān)系應(yīng)力與應(yīng)變之間不再呈線性關(guān)系，且形變過(guò)程伴隨能量損耗。3永久變形塑性形變會(huì)導(dǎo)致物體產(chǎn)生永久的形狀變化。彈性形變實(shí)例：彈簧的拉伸當(dāng)我們拉伸彈簧時(shí)，彈簧會(huì)伸長(zhǎng)，但只要拉力不太大，彈簧就會(huì)在拉力消失后恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。這種形變屬于彈性形變，因?yàn)閺椈赡軌蚧謴?fù)到原來(lái)的形狀。塑性形變實(shí)例：金屬的彎曲當(dāng)我們彎曲一根金屬條時(shí)，金屬條會(huì)發(fā)生永久的彎曲變形，即使我們松開彎曲的力，金屬條也不會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的直線形狀。這種形變屬于塑性形變，因?yàn)榻饘贄l產(chǎn)生了永久的形狀變化。應(yīng)力的概念應(yīng)力是指物體內(nèi)部單位面積上所承受的力。它是用來(lái)描述物體內(nèi)部抵抗形變的能力的物理量，通常用σ表示。正應(yīng)力與切應(yīng)力正應(yīng)力作用在物體截面上垂直方向的力，稱為正應(yīng)力。1切應(yīng)力作用在物體截面上平行方向的力，稱為切應(yīng)力。2應(yīng)變的定義應(yīng)變是指物體在受力變形后，其尺寸變化量與其原尺寸之比。它反映了物體形變的程度，通常用ε表示。線應(yīng)變與剪應(yīng)變1線應(yīng)變物體在拉伸或壓縮方向上的尺寸變化量與原尺寸之比。2剪應(yīng)變物體在切向力作用下，其形狀發(fā)生變化的程度。胡克定律：應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系在彈性形變范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即σ=Eε，其中E為材料的彈性模量，它是材料抵抗彈性形變的能力的指標(biāo)。胡克定律的適用范圍彈性形變范圍胡克定律僅適用于彈性形變范圍內(nèi)，超出該范圍，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系不再呈線性。理想材料胡克定律是針對(duì)理想材料的理論模型，實(shí)際材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可能更復(fù)雜。彈性模量的意義材料性質(zhì)彈性模量是材料的固有性質(zhì)，不同的材料具有不同的彈性模量。形變抵抗彈性模量越大，材料抵抗彈性形變的能力越強(qiáng)，即材料越硬。應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)材料的彈性模量選擇合適的材料來(lái)滿足不同的強(qiáng)度和剛度要求。泊松比的定義泊松比是指材料在拉伸或壓縮方向上發(fā)生形變時(shí)，其垂直方向上的尺寸變化量與拉伸或壓縮方向上尺寸變化量之比，通常用ν表示。形變的影響因素：溫度溫度變化會(huì)導(dǎo)致材料的尺寸發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為熱脹冷縮。溫度升高，材料膨脹，尺寸變大；溫度降低，材料收縮，尺寸變小。形變的影響因素：材料性質(zhì)不同的材料具有不同的物理性質(zhì)，如彈性模量、屈服強(qiáng)度等。材料的性質(zhì)決定了其抵抗形變的能力，以及形變的類型。形變的影響因素：外力大小1彈性形變外力較小時(shí)，物體發(fā)生彈性形變。2塑性形變外力較大時(shí)，物體發(fā)生塑性形變。3破壞外力過(guò)大時(shí)，物體可能發(fā)生斷裂或破壞。材料的強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限是指材料所能承受的最大應(yīng)力，超過(guò)強(qiáng)度極限，材料就會(huì)斷裂。它是衡量材料強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。材料的屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度是指材料開始發(fā)生永久塑性形變時(shí)的應(yīng)力。它是衡量材料抵抗塑性形變的能力的一個(gè)重要指標(biāo)。安全系數(shù)的意義安全系數(shù)是指設(shè)計(jì)中所采用的材料強(qiáng)度極限或屈服強(qiáng)度與實(shí)際工作應(yīng)力之比。它反映了設(shè)計(jì)方案的安全性，安全系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)越安全。如何防止工程結(jié)構(gòu)失效？1合理選擇材料根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求和工作環(huán)境，選擇合適的材料，滿足強(qiáng)度和剛度要求。2優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將應(yīng)力集中在強(qiáng)度較高的部位，避免應(yīng)力集中在薄弱環(huán)節(jié)。3控制載荷避免結(jié)構(gòu)承受過(guò)大的載荷，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)大的形變或破壞。形變?cè)跇蛄涸O(shè)計(jì)中的應(yīng)用時(shí)間形變橋梁在承受車輛、風(fēng)力等外力的作用下會(huì)發(fā)生形變。橋梁的設(shè)計(jì)必須考慮形變的影響，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠。形變?cè)诮ㄖO(shè)計(jì)中的應(yīng)用高層建筑高層建筑在風(fēng)力作用下會(huì)發(fā)生搖晃，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮抗風(fēng)性能，防止建筑物發(fā)生過(guò)大的形變。橋梁結(jié)構(gòu)橋梁在車輛通行和自然環(huán)境變化下會(huì)發(fā)生形變，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，確保橋梁安全可靠。形變?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用機(jī)械部件在工作時(shí)會(huì)發(fā)生形變，例如發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和熱膨脹，齒輪在嚙合時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形，這些形變都必須在設(shè)計(jì)中考慮，確保機(jī)械部件安全可靠。形變測(cè)量方法：應(yīng)變片應(yīng)變片是一種用于測(cè)量物體表面應(yīng)變的傳感器，它是形變測(cè)量最常用的方法之一。應(yīng)變片利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測(cè)量。應(yīng)變片的工作原理應(yīng)變片由金屬薄膜或金屬絲構(gòu)成，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)變片也會(huì)隨之發(fā)生形變。由于金屬薄膜或金屬絲的電阻與長(zhǎng)度有關(guān)，形變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻變化量就可以計(jì)算出應(yīng)變的大小。應(yīng)變片的使用注意事項(xiàng)1粘貼位置應(yīng)變片應(yīng)粘貼在被測(cè)物體的表面，且粘貼位置應(yīng)保證應(yīng)變片能夠準(zhǔn)確地反映被測(cè)物體的應(yīng)變。2溫度補(bǔ)償應(yīng)變片會(huì)受到溫度變化的影響，因此在測(cè)量時(shí)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以消除溫度變化帶來(lái)的誤差。3信號(hào)處理應(yīng)變片的輸出信號(hào)是微弱的電信號(hào)，需要使用專門的儀器進(jìn)行放大和處理，才能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。光學(xué)測(cè)量法光學(xué)測(cè)量法是利用光的性質(zhì)來(lái)測(cè)量形變的一種方法，它具有非接觸、高精度等優(yōu)點(diǎn)，在形變測(cè)量中也得到廣泛應(yīng)用。干涉法干涉法是利用光的干涉現(xiàn)象來(lái)測(cè)量形變的。它將兩束相干光照射到被測(cè)物體上，通過(guò)觀察干涉條紋的變化來(lái)測(cè)量形變。莫爾條紋法莫爾條紋法是利用莫爾條紋原理來(lái)測(cè)量形變的。它將兩張光柵疊加在一起，通過(guò)觀察莫爾條紋的變化來(lái)測(cè)量形變。數(shù)學(xué)建模：有限元分析有限元分析是一種基于數(shù)值方法的數(shù)學(xué)建模技術(shù)，它將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解成許多小的單元，并對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行分析，最后將各單元的結(jié)果匯總起來(lái)，得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的形變和應(yīng)力分布。有限元分析的基本思想將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解成許多小的單元，這些單元被稱為有限元。在每個(gè)有限元內(nèi)，假設(shè)應(yīng)力或位移的變化是連續(xù)的，并用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述。將所有單元的方程聯(lián)立起來(lái)，形成一個(gè)大型方程組，然后利用數(shù)值方法求解方程組，得到結(jié)構(gòu)的形變和應(yīng)力分布。有限元分析的步驟1建立幾何模型根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，建立幾何模型。2劃分有限元網(wǎng)格將幾何模型劃分成許多小的單元，形成有限元網(wǎng)格。3定義材料屬性為每個(gè)有限元定義材料的力學(xué)性質(zhì)，例如彈性模量、泊松比等。4施加邊界條件根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，施加邊界條件，例如固定約束、載荷等。5求解方程組利用數(shù)值方法求解有限元方程組，得到結(jié)構(gòu)的形變和應(yīng)力分布。6結(jié)果分析對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，判斷結(jié)構(gòu)的安全性，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。軟件模擬：ANSYSANSYS是世界上最流行的有限元分析軟件之一，它提供了強(qiáng)大的功能，可以模擬各種結(jié)構(gòu)的形變和應(yīng)力分布，幫助工程師設(shè)計(jì)更安全、更可靠的結(jié)構(gòu)。模擬實(shí)例：梁的彎曲模型建立在ANSYS中建立梁的幾何模型，并劃分有限元網(wǎng)格。加載邊界條件對(duì)梁施加彎曲載荷和固定約束。求解分析利用ANSYS求解梁的形變和應(yīng)力分布。結(jié)果展示ANSYS可以以圖形的形式展示梁的形變和應(yīng)力分布，幫助工程師直觀地了解梁的受力情況。模擬實(shí)例：板的受力模型建立1加載邊界條件2求解分析3結(jié)果展示4ANSYS可以模擬各種板的受力情況，例如薄板的彎曲、厚板的壓縮等。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：形變測(cè)量實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量物體在受力時(shí)的形變，可以驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)一步了解形變的影響因素和規(guī)律。實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證胡克定律。測(cè)量不同材料的彈性模量。觀察形變的影響因素，例如溫度、載荷等。實(shí)驗(yàn)器材拉伸機(jī)用于施加拉力。應(yīng)變片用于測(cè)量應(yīng)變。數(shù)據(jù)采集器用于采集應(yīng)變片數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)處理和分析。實(shí)驗(yàn)步驟1準(zhǔn)備試樣選擇不同材料的試樣，測(cè)量其尺寸。2粘貼應(yīng)變片將應(yīng)變片粘貼到試樣的表面。3施加拉力使用拉伸機(jī)對(duì)試樣施加拉力。4采集數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)采集器采集應(yīng)變片的數(shù)據(jù)。5解除拉力解除拉力，觀察試樣的形變。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理根據(jù)應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算出試樣的應(yīng)變值。然后，利用胡克定律計(jì)算出試樣的彈性模量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證胡克定律的適用性，并比較不同材料的彈性模量。形變?cè)谌粘Ｉ钪械睦有巫冊(cè)谌粘Ｉ钪袩o(wú)處不在，例如汽車的減震系統(tǒng)利用彈簧的彈性形變來(lái)吸收震動(dòng)，鞋子的舒適度也與鞋底的形變有關(guān)，運(yùn)動(dòng)器材的性能也依賴于其形變特性。汽車的減震系統(tǒng)4彈簧汽車減震系統(tǒng)中的彈簧，利用彈性形變來(lái)吸收路面顛簸帶來(lái)的沖擊力，提高行車舒適度。2減震器減震器則利用阻尼力來(lái)控制彈簧的振動(dòng)，防止汽車過(guò)度搖晃。鞋子的舒適度鞋子的舒適度與鞋底的形變密切相關(guān)。鞋底的形變可以吸收地面沖擊力，減少對(duì)足部的壓力。運(yùn)動(dòng)器材的性能運(yùn)動(dòng)器材的性能也與形變有關(guān)，例如網(wǎng)球拍的形變可以提高擊球的效率，健身器材的形變可以增強(qiáng)鍛煉效果。不同運(yùn)動(dòng)器材的形變特性不同，需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目和個(gè)人需求選擇合適的器材。討論：形變的正反兩面性形變?cè)谠S多方面對(duì)我們有利，例如使生活更舒適，提高產(chǎn)品性能等。但另一方面，形變也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，造成安全隱患。如何控制形變？選擇合適的材料，例如選擇具有高強(qiáng)度和高剛度的材料來(lái)抵抗形變。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如采用合理的結(jié)構(gòu)形式，減少應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的抗形變能力?？刂戚d荷，避免結(jié)構(gòu)承受過(guò)大的載荷，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)大的形變或破壞。如何利用形變？我們可以利用形變來(lái)設(shè)計(jì)各種功能性的產(chǎn)品，例如減震器、彈簧、傳感器等，這些產(chǎn)品都利用形變來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。形變研究的意義形變研究不僅是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，也是工程設(shè)計(jì)、材料科學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。形變的研究有助于我們更好地理解物質(zhì)的性質(zhì)，設(shè)計(jì)更安全、更可靠的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。形變研究的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，形變研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。未來(lái)的形變研究將更加關(guān)注材料的微觀結(jié)構(gòu)、形變的非線性特性以及形變?cè)诩{米尺度上的應(yīng)用?？偨Y(jié)：內(nèi)力與形變的關(guān)系內(nèi)力是物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力，它是產(chǎn)生形變的根本原因。形變是物體在外力或內(nèi)力作用下發(fā)生的形狀或尺寸的變化，它反映了物體抵抗外力或內(nèi)力作用的能力。關(guān)鍵概念回顧1內(nèi)力物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力。2外力物體外部施加的力。3形變物體在外力或內(nèi)力作用下發(fā)生的形狀或尺寸的變化。4彈性形變外力或內(nèi)力去除后，物體能夠恢復(fù)到原來(lái)形狀的形變。5塑性形變外力或內(nèi)力去除后，物體不能恢復(fù)到原來(lái)形狀的形變。6應(yīng)力物體內(nèi)部單位面積上所承受的力。7應(yīng)變物體在受力變形后，其尺寸變化量與其原尺寸之比。8胡克定律在彈性形變范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。9彈性模量材料抵抗彈性形變的能力的指標(biāo)。10泊松比材料在拉伸或壓縮方向上發(fā)生形變時(shí)，其垂直方向上的尺寸變化量與拉伸或壓縮方向上尺寸變化量之比。重點(diǎn)知識(shí)回顧形變的種類、特點(diǎn)和影響因素。胡克定律、彈性模量和泊松