1、材料力學(xué),1,PPT學(xué)習(xí)交流,1-1 材料力學(xué)的任務(wù),1-3 可變形固體的性質(zhì)及其基本假設(shè),幾個(gè)概念：內(nèi)力和應(yīng)力、應(yīng)變、圣維南原理,1-4 材料力學(xué)主要研究對(duì)象的幾何特征,1-5 桿件變形的基本形式,第一章 緒論及基本概念,2,PPT學(xué)習(xí)交流,課程性質(zhì),本課程是工科院校重要的承先啟后的技術(shù)基礎(chǔ)課?？芍苯討?yīng)用于道路、橋梁、建筑、航空航天以及工程機(jī)械設(shè)計(jì)。在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起橋梁作用，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程（如：結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、機(jī)械原理等）打下基礎(chǔ)。本課程的研究方法為今后的學(xué)習(xí)工作有幫助。,課程特點(diǎn),特點(diǎn)：“三多”概念多、公式多、計(jì)算多,應(yīng)注意在學(xué)習(xí)過(guò)程中及時(shí)歸納總結(jié),11 材料力學(xué)的任務(wù),3,PP

2、T學(xué)習(xí)交流,上課適當(dāng)作一些筆記，特別是一些補(bǔ)充例題及其解題思路及方法；平時(shí)注意觀察，對(duì)一般機(jī)械結(jié)構(gòu)有初步了解；學(xué)會(huì)處理力學(xué)問(wèn)題的一般方法 。,課程要求,由實(shí)際問(wèn)題抽象出力學(xué)模型 ，對(duì)力學(xué)模型進(jìn)行分析，運(yùn)用有關(guān)定理解決問(wèn)題。,4,PPT學(xué)習(xí)交流,一、研究?jī)?nèi)容與研究對(duì)象,工程實(shí)際中，結(jié)構(gòu)物或機(jī)械一般由各種零件（稱為工程構(gòu)件 member）組成。當(dāng)結(jié)構(gòu)物或機(jī)械工作時(shí)，這些構(gòu)件就會(huì)承受一定的載荷（load）即力的作用。,本課程具體的研究?jī)?nèi)容與任務(wù),力產(chǎn)生的效應(yīng),5,PPT學(xué)習(xí)交流,材料力學(xué)研究力產(chǎn)生的內(nèi)效應(yīng)，研究力與物體的變形及破壞規(guī)律 研究對(duì)象抽象為可變形固體,理論力學(xué)研究力產(chǎn)生的外效應(yīng)，研究力與機(jī)

3、械運(yùn)動(dòng)之間的普遍規(guī)律 研究對(duì)象抽象為剛體,二、課程任務(wù),結(jié)構(gòu)物或機(jī)械要正常工作，要求組成它們的構(gòu)件有 足夠的承擔(dān)載荷的能力承載能力,6,PPT學(xué)習(xí)交流,（1）構(gòu)件必須具有足夠的強(qiáng)度（strenth）：,衡量構(gòu)件承載能力的三個(gè)主指標(biāo)：,構(gòu)件在外力作用下具有足夠的抵抗破壞的能力。,構(gòu)件必須具有足夠的保持原有平衡狀態(tài)的能力,構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性與構(gòu)件的材料、截面形狀與尺 寸、成本有關(guān)。,（2）構(gòu)件必須具有足夠的剛度（rigidity）：,構(gòu)件在外力作用下具有足夠的抵抗變形的能力。,（3）構(gòu)件必須具有足夠穩(wěn)定性（stability）,7,PPT學(xué)習(xí)交流,房屋梁柱斷裂引起倒塌,1993年8月13日上

4、午10點(diǎn)左右，泰國(guó)皇家大飯店倒塌，原房屋設(shè)計(jì)為三層62套房間，后來(lái)又在上面加蓋了三層1套房間，為防斷水，在房頂又加了四個(gè)大水箱，下部三層結(jié)構(gòu)承受不了上部的加層及水箱重量，梁柱斷裂引起整幢大飯店倒塌。,強(qiáng) 度 問(wèn) 題,8,PPT學(xué)習(xí)交流,2005年11月2日下午3時(shí)，上海江揚(yáng)南路臨汾路一處工地， 正在吊運(yùn)貨運(yùn)電梯的塔吊從中間突然折斷，50米長(zhǎng)大臂折成幾 段砸向樓頂，駕駛室內(nèi)的操作工當(dāng)場(chǎng)死亡,9,PPT學(xué)習(xí)交流,2007年3月28日上午10時(shí)左右，上海江蘇路宣化路交叉口的企發(fā)大廈工地，塔吊在拆卸過(guò)程中，鋼絲繩突然斷裂，導(dǎo)致塔吊大臂傾覆，將工地上一臺(tái)升降機(jī)立柱砸彎，并懸掛在90米高空,10,PPT學(xué)

5、習(xí)交流,破壞斷裂或過(guò)量的塑性變形。,變形構(gòu)件尺寸與形狀的變化。,彈性變形外力解除以后可消失的變形。,塑性變形外力解除以后不能消失的變形。,11,PPT學(xué)習(xí)交流,美國(guó)塔科瑪大橋在風(fēng)荷載作用下發(fā)生過(guò)量的塑性變形引起大橋整體毀壞,12,PPT學(xué)習(xí)交流,剛 度 問(wèn) 題,13,PPT學(xué)習(xí)交流,高剛度的橋面結(jié)構(gòu),14,PPT學(xué)習(xí)交流,穩(wěn) 定 性 問(wèn) 題,細(xì)長(zhǎng)壓桿，當(dāng)壓力達(dá)到或超過(guò)一定限度時(shí)，桿件可能突然變彎而失去承載能力，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)或屈曲。 桿件的失穩(wěn)或屈曲往往產(chǎn)生很大的變形甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。,15,PPT學(xué)習(xí)交流,1925年2月13日，修復(fù)后的莫濟(jì)里橋在試車時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題。幸好桁架落在為試車準(zhǔn)

6、備的臨時(shí)支座上，人們才可看到斜桿失穩(wěn)后的情景。 左圖橋下側(cè)面觀察，右圖橋上看：長(zhǎng)15.372米的斜桿一根鼓出1.46米，另一根鼓出0.905米。,16,PPT學(xué)習(xí)交流,1875年俄國(guó)開(kāi)伏達(dá)河上同名橋，在安裝完畢后，僅當(dāng)工作車通過(guò)時(shí),受壓上弦桿發(fā)生偏離桁架平面的屈曲而毀壞。,17,PPT學(xué)習(xí)交流,2000年10月25日上午10時(shí)許南京電視臺(tái)演播廳工程封頂，由于腳手架失穩(wěn)，模板倒塌，造成6人死亡，35人受傷，其中一名死者是南京電視臺(tái)的攝象記者。,18,PPT學(xué)習(xí)交流,本課程的任務(wù),既安全又經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)構(gòu)件,材料力學(xué)就是通過(guò)對(duì)構(gòu)件承載能力的研究，找到構(gòu)件的截面尺寸、截面形狀及所用材料的力學(xué)性能與所受載

7、荷之間的內(nèi)在關(guān)系，從而在既安全可靠又經(jīng)濟(jì)節(jié)省的前提下，為構(gòu)件選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾秃侠淼慕孛娉叽?、截面形狀?課程的研究方法：,理論分析和實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合,材料的力學(xué)性能(材料在外力作用下的變形規(guī)律，以及抵抗變形與破壞的能力)需要通過(guò)試驗(yàn)獲得。,一些理論以實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的某些假設(shè)為前提,19,PPT學(xué)習(xí)交流,不同材料制成的構(gòu)件,其承載能力不一樣。 構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性與制作構(gòu)件的材料有關(guān)。 材料力學(xué)還要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究材料的力學(xué)性能,并在此基礎(chǔ)上為構(gòu)件選擇合適的材料。,材料的力學(xué)性能,20,PPT學(xué)習(xí)交流,為構(gòu)件選擇合適的材料 根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型選材,超高層建筑,21,PPT學(xué)習(xí)交流,為構(gòu)件選擇合適的材料

8、 根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型選材,高層 小高層建筑 多層、小別墅建筑,22,PPT學(xué)習(xí)交流,為構(gòu)件選擇合適的材料 根據(jù)受力性質(zhì)選材,南浦大橋,英國(guó)控威橋,趙州橋,23,PPT學(xué)習(xí)交流,合理解決安全與經(jīng)濟(jì)之間的矛盾,構(gòu)件 設(shè)計(jì),安全,經(jīng)濟(jì),滿足,剛度,強(qiáng)度,穩(wěn)定性,要求,材料好些,截面大些,降低成本、節(jié)約資金,材料差些,截面小些,24,PPT學(xué)習(xí)交流,安全,經(jīng)濟(jì),矛盾,力求合理解決,選擇材料,設(shè)計(jì)截面,恰到好處,25,PPT學(xué)習(xí)交流,一、變形固體：,二、變形固體的基本假設(shè)：,1、連續(xù)性假設(shè)：,2、均勻性假設(shè)：,3、各向同性假設(shè)：,在外力作用下可發(fā)生變形的固體。,認(rèn)為變形固體整個(gè)體積內(nèi)都被物質(zhì)連續(xù)地充滿，沒(méi)有

9、空隙和裂縫。,認(rèn)為變形固體整個(gè)體積內(nèi)各點(diǎn)處的力學(xué)性質(zhì)相同。,認(rèn)為變形固體沿各個(gè)方向的力學(xué)性質(zhì)相同（不適合所有的材料）。,假設(shè)2和3表示材料的力學(xué)性能與坐標(biāo)、方向無(wú)關(guān),12可變形固體的性質(zhì)及其基本假設(shè),26,PPT學(xué)習(xí)交流,連續(xù)性假設(shè),普通鋼材顯微組織,優(yōu)質(zhì)鋼材顯微組織,還例如:砼石子/黃沙/水泥但仍有空隙存在。,27,PPT學(xué)習(xí)交流,小變形：,三、研究材料力學(xué)的前提條件小變形假設(shè)。,指構(gòu)件在外力作用下發(fā)生的變形量遠(yuǎn)小于構(gòu)件的尺寸,材料力學(xué)研究的變形通常局限于小變形范圍小變形前提,小變形前提條件的作用,1、小變形前提保證構(gòu)件處于純彈性變形范圍,彈性變形卸載后能自動(dòng)恢復(fù)的變形,塑性變形卸載后不能恢

10、復(fù)的變形,絕大多數(shù)工程材料的彈性變形都是小變形。,28,PPT學(xué)習(xí)交流,求FN1、 FN1 時(shí)，仍可,按構(gòu)件原始尺寸計(jì)算。,2、小變形前提允許以變形前的受力分析代替變形后的受力分析,因構(gòu)件在外力作用下發(fā)生的變形與原尺寸相比非常小， 在計(jì)算構(gòu)件所受的力時(shí)，可按構(gòu)件原始尺寸計(jì)算。,l,29,PPT學(xué)習(xí)交流,3、小變形前提保證疊加法成立,疊加法指構(gòu)件在多個(gè)載荷作用下產(chǎn)生的變形 可以看作為各個(gè)載荷單獨(dú)作用產(chǎn)生的變形之代數(shù)和,疊加法是材料力學(xué)中常用的方法。,30,PPT學(xué)習(xí)交流,桿：空間一個(gè)方向的尺度遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向的尺度，這種彈性體稱為桿（bar),板：空間一個(gè)方向的尺度遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向的尺度，且

11、各處曲率均為零， 這種彈性體稱為板Plate,殼：空間一個(gè)方向的尺度遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向的尺度，且至少有一方向的 曲率不為零，這種彈性體稱為殼shell。,體：空間三個(gè)方向且有相同量級(jí)的尺度，這種彈性體稱為體 body。,1-4 材料力學(xué)主要研究對(duì)象的幾何特征,31,PPT學(xué)習(xí)交流,桿的兩個(gè)幾何要素,軸線：各橫截面中點(diǎn)的連線。,橫截面：垂直于桿長(zhǎng)度方向的截面。,材料力學(xué)最主要的研究對(duì)象是等直桿,32,PPT學(xué)習(xí)交流,1-5 桿件變形的基本形式,桿的四種基本變形,軸向拉壓,剪切,扭轉(zhuǎn),彎曲,33,PPT學(xué)習(xí)交流,一、內(nèi)力與截面法：,1 、內(nèi)力的定義：,在外力作用下，構(gòu)件內(nèi)部各部分之間因相,對(duì)位置改

12、變而引起的附加的相互作用力附加內(nèi)力。,2 、內(nèi)力的特點(diǎn)：,連續(xù)分布于截面上各處；,隨外力的變化而變化。,3 、截面法：,用以顯示和求解內(nèi)力的方法，其步驟為：,截開(kāi)：,代替：,平衡：,分為兩部分，,在待求內(nèi)力的截面處假想地將構(gòu)件截,用內(nèi)力代替棄去部分對(duì)脫離體的作用； 通常為分布內(nèi)力系,對(duì)脫離體列出平衡方程。,脫離體；,取其中一部分為研究對(duì)象,幾個(gè)概念：內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng) 變、圣維南原理,34,PPT學(xué)習(xí)交流,FN軸力,FSy, FSz剪力,Mx扭矩,My、Mz 彎矩,內(nèi)力分量,分布內(nèi)力可以簡(jiǎn)化為主矢和主矩,用FR 和 M表示。工程計(jì)算中 有意義的是內(nèi)力的主矢和主矩在確定坐標(biāo)系上的分量,35,PPT學(xué)

13、習(xí)交流,應(yīng)力的概念:,比較a、b圖桿兩桿, 應(yīng)力定義： 截面上一點(diǎn)處內(nèi)力的聚集程度,兩桿的材料、長(zhǎng)度均相同。,所受的內(nèi)力相同，為,FN,顯然粗桿更為安全。,構(gòu)桿的強(qiáng)度與內(nèi)力在截面上的分布和在某點(diǎn)處的聚集程度有關(guān)。,二、 應(yīng) 力,是反映一點(diǎn)處內(nèi)力的強(qiáng)弱程度的基本量,36,PPT學(xué)習(xí)交流,應(yīng)力：一點(diǎn)處內(nèi)力的聚集程度, 一點(diǎn)的全應(yīng)力：,截面；,截面。, 垂直于截面的應(yīng)力分量-正應(yīng)力, 切于截面的應(yīng)力分量-切應(yīng)力,三者之間的關(guān)系：,A面積上的內(nèi)力合力,37,PPT學(xué)習(xí)交流,應(yīng)力的單位：,，或帕( Pa ) 。,1 Mpa (兆帕）= 106 Pa , 1 GPa （吉帕） = 109 Pa。,38,P

14、PT學(xué)習(xí)交流,三、 應(yīng) 變（衡量變形程度的基本量）,棱邊 ka 的平均正應(yīng)變,k點(diǎn)沿棱邊 ka 方向的正應(yīng)變,（一）正應(yīng)變（線應(yīng)變）定義,正應(yīng)變特點(diǎn),1、 正應(yīng)變是無(wú)量綱量 2、 過(guò)同一點(diǎn)不同方位的正應(yīng)變一般不同,39,PPT學(xué)習(xí)交流,（二）切應(yīng)變定義,微體相鄰棱邊所夾直角的改變量，稱為切應(yīng)變,切應(yīng)變?yōu)闊o(wú)量綱量 角度單位為 弧度（rad）,切應(yīng)變量綱與單位,40,PPT學(xué)習(xí)交流,鋼的彈性模量：,銅的彈性模量：,（三）應(yīng)力應(yīng)變之間的相互關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在彈性范圍內(nèi)加載，正應(yīng)力與 正應(yīng)變存在線性關(guān)系 ： 胡克定律 E 稱為材料的彈性模量或楊氏模量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在彈性范圍內(nèi)加載，切應(yīng)力 與切應(yīng)變存在線性關(guān)系 ： 剪切胡克定律 G 稱為材料的切變模量,也稱剪切彈性模量,鋼的切變模量：,一點(diǎn)的應(yīng)力與一點(diǎn)的應(yīng)變之間存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系,單向正應(yīng)力作用下的變形,切應(yīng)力作用下的變形,41,PPT學(xué)習(xí)交流,四、圣維南原理：,作用于桿上的外力可以用其等效力系代替，但替換后外力作用點(diǎn)附近的應(yīng)力分布將產(chǎn)生顯著影響，且分布復(fù)雜，其影響范圍不超過(guò)桿件的橫向