材料力学ppt第一章-绪论

1材 料 力 学Mechanics of Materials 赠同学们一句话：物格而后知至， 知至而后意诚，意诚而后心正，心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。 自天子以至于庶人， 壹是皆以修身为本。曾子 大学 格物 至知 诚意 正心 修身 齐家 治国 平天下2目的n 对学科有一个初步的 概念上 的了解n 懂得 重要性 ，引起学习它的 兴趣n 了解恰当的 学习方法内容材料力学的 任务 、 作用 和 地位基本 假设基本 概念变形 的基本形式第一章 绪 论31.1 材料力学的来龙去脉本节站在 力学史 和 力学方法论 的发展观、自然科学的 价值观 上，追根溯源 ，展望去向，力图使你对于材料力学 有如下的宏观感觉和总体把握会当凌绝顶，一览众山小 一 、材料力学的 由来 学科发展的必然性二、材料力学的 任务 工程需要的迫切性三、材料力学的 作用 承前启后的阶段性四、材料力学的 学习 爱学会学的自觉性4一 、材料力学的 由来 学科发展的必然性你将会确信： 从学科发展观的角度，材料力学的出现，是力学学科的必然结果物理和理论力学：运动的一般规律（质点、刚体）质 点 ：只有质量，没有大小刚 体 ：有质量，有大小，但没有变形 （相对位置不变）变形体 ：有质量，有大小，有变形 （相对位置变化）变形： 物体内部各质点之间的相对位置变化、尺寸和形状的改变质点 刚体 变形体，人类的认识深化5变形体力学 变形体受力后的运动或变形规律涉及到变形，理论力学 无能为力 ，材料力学 当仁不让材料力学是变形体力学最早的分支，有最简捷的结果（ 1）最简单的模型（ 2）最基本的概念（ 3）最根本的方法（ 4）最典型的结论特点：概念多， 变形多， 公式多， 实验多 研究对象 质点？刚体？变形体？根据 相对性6二、材料力学的 任务 工程需要的迫切性n 工程需要上看，材力是必然产物材力能成为一门自然科学技术的学科，是人类文明发展积累的成果n 每时每刻，人类都不得不同受力的物体或结构打交道：从土房、木屋 到 钢铁塔架、钢筋混凝土大厦（住）从人力车、牛马车 到 火车、汽车、轮船、飞机、火箭（行）从打猎用的木棍、竹棒 到 用蒸汽或用电动的机器（用）人们（包括你）生活中的一切，无不涉及受力的问题 受力问题的 安全 ？ 安全与经济 ？7n 长江、松花江的堤坝n 911的世贸大楼n 失事的飞机n 日常的衣食住行涉及的结构它们的第一功能 某方面的第一价值虽然安全保证不是追求的第一功能，但是是人类生存的基本功能n 材料力学 首先回答了 安全功能 如何保证的问题也是在解决安全问题中发展起来的n 材料力学形成以前，人们已经懂得一些相关知识，并积累了实践经验 隋代的赵州石桥，经计算，符合现代力学原理：8河北赵州桥 建于 1400年前（隋朝） 跨 37.02米 、 宽9米 、 拱高 7.23米 ，隋允康教授的老师 钱令希 院士用弹塑性理论计算，结果 压力线完全通过拱轴 。9隋允康 教授指导博士生用他提出的 结构拓扑优化 ICM （ Independent Continuous Mapping ）方法计算的结果， 完全类似赵州桥的构型 。10真正解决问题，还是 材料力学形成以后达 .芬奇 (Leonardo da Vinci, 1452-1519)伽利略 （ Galilei, 1564-1642)开始 着手解决构件的强度计算问题 从那时起，材料力学在奠基长期的积累、发展，逐渐完善形成 材料力学材料力学关心的安全体现在 强 度 (Strength) 刚 度 (Stiffness)稳定性 (Stability).11n 具有足够的刚度构件在外载作用下，抵抗可恢复变形的能力。例如机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。n 满足稳定性要求构件在某种外载作用下，保持其原有平衡状态的能力。 例如柱子不能弯等。对构件的三项基本要求n 具有足够的强度构件在外载作用下，抵抗破坏的能力。 例如储气罐不应爆破。（破坏 断裂或变形过量不能恢复）12上面提到了术语1、 构件 Component or Member ：组成机械的零件或构筑物的杆件统称为构件2、 结构 Structure：由构件组成的体系，工程结构是工程实际中采用的结构3、 载荷 Load：构件和结构承受的负载或荷重载荷有 内载荷外载荷4、 变形 Deformation：在载荷的作用下，构件的形状及尺寸发生的变化称为变形13n 材料力学的任务1）研究材料的力学性能2）研究构件的强度、刚度和稳定性等3）合理解决安全与经济之间的矛盾构件的 强度 、 刚度 和 稳定性 均与所用材料的力学性能有关，因此在 实验研究 基础上，进行和 理论分析是完成材料力学的任务所必需的途径和手段。14三、材料力学的 作用 承前启后的阶段性1。后续的力学（其它的变形体力学）学好材料力学对学习其他变形体力学的奠基作用n 结构力学，弹性力学，塑性力学，断裂力学 , 纳米力学n 流体力学n 理性力学2。 后续的专业课程n 建筑结构n 机械设计n 结构设计原理3。有助于学习其它工程： 土木、机械、航空、航天、交通、运输、材料、生物、工程、仪表等4。今后工程工作中直接受益15四、材料力学的 学习 爱学会学的自觉性学习要求1。记笔记2。先读书，后做作业，按时交作业步骤清晰，作图规范，书写工整，解答正确3。认真做实验，完成实验报告4。课前要预习，上课要带书，讲授、自学和讨论相结合5。上课要集中精力，认真听，重点记平时成绩、作业、测验、实验 30% 。期末成绩 70%16学习方法1。弄清 基本概念 思考再思考，观察生活实例适当读参考书认真做好实验2。注意 知识发生过程 公式推导：基本假设基本思路基本要点3。认真完成 作业 理解、体验，举一反三培养解决问题的能力4。养成写 总结和体会 的习惯5。写 小论文 171.2 变形固体的基本假设n 在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称为变形固体，而构件一般均由固体材料制成，故构件一般都是变形固体。n 变形固体的假设1连续性假设：认为整个物体体积内毫无空隙地充满物质 （数学）2均匀性假设：认为物体内的任何部分，其力学性能相同 （力学）3各向同性假设：认为在物体内各个不同方向的力学性能相同 （物理）4. 小变形假设：变形与本身的尺寸相比很小181.3 基本概念力，重之谓。 墨翟 墨经 力，刑之所以奋也。 墨翟 墨经 刑 物体奋 由静而动 或 由慢而快力 物体的 “奋 ”因墨子（前 490-405）的观点早于 亚里士多德 100年早于 伽利略 2000年力 原因，无形运动 结果，有形（包括 “静运动 ” ：变形）191。内力外力引起的物体内部的作用力（物体本来存在内部作用力，外力引起了内部作用力的改变）2。截面法 求内力用截面假想地 把构件分成两部分 ，以显示并确定内力的方法2021n 用 截面法 求内力可归纳为四个字：1） 截 ：欲求某一截面的内力，沿该截面将构件假想地截成两部分2） 取 ：取其中任意部分为研究对象，而弃去另一部分3） 代 ：用作用于截面上的内力，代替弃去部分对留下部分的作用力4） 平 ：建立留下部分的平衡条件，确定未知的内力223应力为了引入应力的概念，参照图 1-5，首先围绕 K点取微小面积 ，有 分布内力 的 合力 ，应力定义为23n 应力是一个 矢量n 平均应力 某个范围内，单位面积上的内力的平均集度n K点的应力 当面积趋于零时，平均应力的大小和方向都将趋于一定极限，得到n 应力即单位面积上的内力 某截面处内力的密集程度n 应力的国际单位为 N/m21N/m2 = 1Pa（帕斯卡）1MN/m2 = 1MPa = 106 N/m2 = 106Pa1GPa = 1GN/m2 = 109Pa24垂直于截面的应力称为 “ 正应力 ” (Normal Stress)位于截面内的应力称为 “ 切应力 ” (Shearing Stress) p M25对于构件任一点的变形，只有 线变形 和 角变形两种基本变形，分别由线应变和角应变来度量1线应变4。应变26线应变 即单位长度上的变形量，无量纲，其物理意义是构件上一点沿某一方向变形量的大小2角应变切应变 即一点单元体两棱角直角的改变量， 无量纲271.4 单向应力状态的本构关系 （ Constitutiverelations of uniaxial stress phase )在弹性范围内，有变形 x 与外力 F 成正比的弹性定律应力与应变成的类似关系也被叫着 Hookes law也应称为 郑玄 -胡克定律它是由英国力学家 胡克（ Robert Hooke, 1635-1703) 于 1678年发现的， 实际上早于他 1500年前，东汉的经学家和教育家郑玄（公元 127-200）就已经发现应当叫 郑玄 -胡克定律（ Zheng-Hookes law ）28上述是 本构关系 的一种某种材料本构关系是 ,外力响应下 应力与应变的关系它 是变形体力学 (包括材料力学 )必备的基础之一单向应力状态指单元体只在一个方向受正应力作用单向应力状态单向应力状态( One Dimensional State of Stresses )单元体 ( Cellular body ) 构件内部取出的边长为无限小的长方形或六面体29从胡克 1687年 得到的金属丝（类似弹簧）公式到应力 应变公式不是简单的类比，而是认识的深化引入比例常数 1/E， 得到它只揭示了变形同外力成正比，至于金属丝的粗细 和 长短 、何种材料 的影响，一概不知道其实，不难想象：变形同外力成正比时， 还应当同金属丝的 长短 l 成正比 、粗细 (面积 A） 成反比于是深化了 “ 弹簧公式 ”（ 力和变形正比） 认识30很幸运 ， 实