材料力学第一章绪论和基本概念.ppt

工程力学 Engineering Mechanics 1 第一章 绪论和基本概念 2 为什么要学习材料力学？ 3 4 自然要提出如下问题： 1） 每人所承受的压力？ 2） 若扁担的材料、截面尺寸已定，扁担能承载此重物吗？ 3） 扁担的材料已定，若扁担能承载此重物，截面形状、尺寸 ？ 4） 扁担截面形状、尺寸已定，若扁担能承载此重物，材料？ 5） 扁担弯曲成什么形状？ 6） 材料弯曲程度如何？ 5 1-1 材料力学的任务 1-4 杆件的几何特性与变形形式 1-3 变形固体的性质与基本假设 1-2 材料力学与生产实践的关系 6 1-1 材料力学的任务 结构物和机械由构件组成,组成结构物和机械的单个部分 ,统称为构件。 7 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。 F F a F F 钢 筋 b 8 H 大型桥梁 9 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 10 荷载未作用时 塑形变形示例 荷载作用下 F 荷载去除后 11 . 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（弹性）变形不超过工程允许范围。 荷载未作用时 荷载去除后荷载作用下 F 12 . 具有足够的稳定性要求对于理想中心受压杆件，指构件 在荷载作用下保持原有的直线平衡形式的能力，不丧失稳定。 13 强度 刚度 稳定性 构件丧失承载能力的形式： 1） 构件损坏 2） 构件变形过大 3） 构件不能保持原来的平衡形态 保证构件工作时不丧失承载能力： 强度（Strength） 构件抵抗破坏的能力 刚度（Stiffness） 构件抵抗变形的能力 稳定性（Stability）构件保持原有平衡形态的能力 14 在满足上述强度、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，即解 决安全与经济的矛盾。 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；解决某些 不能全靠理论分 析的问题 _ 提供合理的理 论计算方法 15 材料力学的基本任务： 在保证构件满足安全性要求的前提下 ,以最经济的代价为合理设计构件尺寸、 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，从而合理地 解决构件设计中的安全性与经济性这对基 本矛盾。 16 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 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 17 通过实验建立理论的初期 伽利略(G.Galileo)1638年 提出计算梁强度的公式( 但结论不正确) 胡克(R.Hooke)1678年发 表根据实验得出的物理定 律胡克定律 18 材料力学是随生产的发展而建立的关于强度、刚度 和稳定性计算的理论。 生产实践 科学实验 材料力学 19 刚体 变形固体（deformable body） 1) 块体（ body） 2) 平板（plate） 3) 壳体（ shell） 4) 杆件（ bar）直杆、曲杆 1-3 变形固体的性质及其基本假设 材料在荷载作用下都会产生变形尺寸改变和形状 改变变形固体。 20 对可变形固体的基本假设： . 连续性假设变形后无空隙、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容条件，变形后的固体内既无“ 空隙”，亦不产生“挤入”现象。 据此： 21 . 均匀性假设物体内各点处沿各个方向材料的 力学性能均相同。对常用工程材料，尚有各向同性假设。 . 小变形假设构件在承受荷载作用时，其变形与 构件的原始尺寸相比甚小，甚至可以略去不计。 .材料的变形在线弹性范围内材料服从Hookle定 律。 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。 22 1-4 杆件的几何特性与变形形式 直杆 曲杆 主要几何因素：横截 面、轴线 等截面杆和变截面杆 23 . 轴向拉伸或轴向压缩 24 . 剪切 第一章 绪论及基本概念 25 . 扭转 26 . 弯曲 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 27 工程中常用构件在荷载作用下，大多为几种基本变形 形式的组合组合变形。 烟囱 (压缩+横力弯曲) 齿轮传动轴 (扭转+水平面内横 力弯曲+竖直面内 横力弯曲) 厂房吊车立柱 (压缩+纯弯曲) 28 杆件变形的基本形式 组合受力（Combined Loading）与变形 剪切 扭转 Torsion 内容 种类 外力特点变形特点 轴向拉伸 及压缩 Axial Tension Shear 平面弯曲 Bending 29 变形（ deformation ）与位移（displacement） 30 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 。位于中国河北省赵县，跨洨水。原名安济桥，俗称大石 桥。隋开皇十五年至大业元年(595605年)由匠人李春修 建。净跨 37.02 m，矢高7.23 m，桥面宽9 m。拱由28券(窄 拱)并列组成。大拱券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。 第一章 绪论及基本概念 31 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。 第一章 绪论及基本概念 32 胡克（Hooke Robert,16351703年) 胡克1635年出生于英格兰怀特岛清水村,1653年到牛津大 学作工读生。 1655年成为玻意耳的助手，由于他的实验才能， 1662年被任命为皇家学会的实验主持人，1663年获硕士学位， 同年被选为皇家学会正式会员，又兼任了学会陈列室管理员和 图书管理员。1665年任格雷姆学院几何学教授，16671683年 任学会秘书并负责出版会刊。1703年在伦敦逝世。 17世纪英国优秀的物理学家和天文学家。他的成就是多方 面的。在光学和引力研究方面仅次于牛顿，而作为科学仪器的 发明者和设计者，在当时是无与伦比的。 第一章 绪论及基本概念 33 1665年，胡克提出了光的波动学说，将光振动的传播同 水波的传播相比较。1672年，他进一步指出，光振动可以垂 直于光传播的方向，他还研究了云母片的颜色，确认光现象 随着云母片厚度的变化而变化。 胡克根据弹簧实验的结果，于1678年得出了胡克定律， 即在比例极限内，弹性物体的应力与应变成正比。 1674年，胡克根据修正的惯性原理，以及离开太阳的离 心力同向着太阳的吸引力之间的平衡，提出了行星运动的理 论。 胡克的主要著作有显微检测法、哲学实验与观察 等。 第一章 绪论及基本概念 34 伽利略（Galileo Galilei,15641642年) 意大利物理学家、天文学家。生于意大利北部佛罗伦 萨一个贵族的家庭。1581年入比萨大学学医。主张研究自 然界必须进行系统的观察和实验，是近代实验科学与机械 唯物主义的奠基者之一。通过实验，推翻了向来奉为权威 的亚里士多德关于“物体下落的速度和重量成比例”的学 说。还发现物体的惯