建筑专业英语Unit.ppt

Unit4第四单元MechanicsofMaterials材料力学,教学目标,了解构件（主要为梁）的设计过程了解单轴应力与多轴应力对失效理论的影响熟悉材料力学中涉及的专业词汇熟悉科技类文献常用句型熟悉ingeneral、usually、frequently的不同含义与bereferredtoas、beknownas、thatis、bedefinedas、inotherwords等的用法,Introduction介绍,MechanicsofMaterialsdealswith（研究）theresponseofvariousbodies,usuallycalledmembers（构件）,toappliedforces（施加力）.InMechanicsofEngineeringMaterialsthemembershaveshapesthateitherexistinactualstructuresorarebeingconsideredfortheirsuitability（根据其需要）aspartsofproposed（拟建的）engineeringstructures.Thematerialsinthemembershavepropertiesthatarecharacteristicofcommonlyused（常用的）engineeringmaterialssuchassteel,aluminum,concrete,andwood.材料力学用以研究不同物体（通常称为构件）对施加力的响应。在工程材料力学中，构件的形状可以是实际结构中存在的，也可以根据其需要而进行考虑（设计），作为拟建工程结构的部件。构件中材料的性能即是常用的工程材料如钢材、铝材、混凝土和木材的特性。,Asyoucanseealreadyfromthevarietyofmaterials,forces,andshapesmentioned,MechanicsofEngineeringMaterialsisofinterestto（对.有价值）allfieldsofengineering.TheengineerusestheprinciplesofMechanicsofMaterialstodetermineifthematerialpropertiesandthedimensionsofamemberareadequateto（足以）ensurethatitcancarryitsloadssafelyandwithoutexcessivedistortion.Ingeneral（通常）,then,weareinterestedinboththesafeloadthatamembercancarryandtheassociated（相关的）deformation.Engineeringdesignwouldbeasimpleprocessifthedesignercouldtakeintoconsideration（考虑）theloadsandthemechanicalpropertiesofthematerials,manipulate（利用）anequation,andarriveat（得到）suitabledimensions.,Designisseldomthatsimple.Usually（通常）,onthebasisof（根据）experience,thedesignerselectsatrial（试算）memberandthendoesananalysistoseeifthatmembermeetsthespecifiedrequirements.Frequently（常常）,itdoesnotandthenanewtrialmemberisselectedandtheanalysisrepeated.Thisdesigncycle（设计周期）continuesuntilasatisfactorysolutionisobtained.Thenumberofcycles（循环次数）requiredtofindanacceptabledesigndiminishesasthedesignergainsexperience.,正如你已经从提到的各种各样的材料、力和形状所看到的，工程材料力学对所有的工程领域都有价值。工程师利用材料力学的原理来确定是否该材料的性能和构件尺寸足以保证它能安全地承受荷载且没有过多的变形。通常，我们关心的是构件能承受的安全荷载及其相应的变形。如果设计者能通过考虑荷载和材料的力学性能，并利用公式得到合适的构件尺寸，那么工程设计将是一个简单的过程。然而设计很少那么简单。通常，根据经验，设计者选择一个试算构件，然后进行分析，看它是否满足规定的要求。它常常不会满足要求，则再选择一个新的试算构件，再进行分析。这样的设计不断重复，直至得到一个满意的结果。当设计师拥有一定的经验后，为得到一个可接受的设计所需要的循环次数会减少。,DesignofAxiallyLoadedMembers轴向力构件的设计Togiveyousomeinsightinto（使.有一些了解）thedesigncycle,anextremelysimplememberwillbedealtwithfirst.Thatmemberisaprismaticbarwithaforce,P,actingalongitslongitudinalaxisinthedirection（纵轴向）suchthatittendstoelongatethebar.Suchaforceisreferredtoas（称为）anaxialtensileload（轴向拉力）,andwecanreadilyimagineittryingto（努力.）pullthefibersapartandtocausefailureonatransverseplane（横向平面）.Itissafetoassumethatallfibersofthebar,inregionsremotefrom（远离）thepointofapplicationoftheload,arebeingpulledapartwiththesameloadintensity（荷载强度）.Withthisassumption,theloadintensityorstressisuniformonatransverseplaneandisgivenby,(4-1),whenPisin（以.为单位）NewtonsandAisinsquaremetres,stress,isinNewtonspersquaremetre(N/m2),whichisbydefinition（根据定义）Pascals(Pa).,为了使你对设计周期有一些了解，首先研究一个非常简单的构件。构件是个棱形的杆件，其上沿着它的纵轴向作用一个力P，这样往往使杆件在该方向上伸长。这样的力称为轴向拉力，我们能容易地想象它在努力地将纤维拉开，导致横向平面的破坏。安全地假定杆件的所有纤维在远离荷载施加点的区域以相同的荷载强度被拉开。在此假定下，荷载强度或应力在横向平面上是均匀的，为,当P的单位为牛顿、A的单位为平方米时，应力的单位为牛顿每平方米（N/m2），根据定义为帕斯卡（Pa）。,(4-1),Foragivenaxialloadandgivendimensions,thestresscanbecalculatedfrom(4-1)andcomparedwith（与.相比）thestressthatcanbesafelycarriedbythematerial.Thesafestress,knownas（称为）thedesignstressorallowablestress（许用应力）,isdeterminedbytestsperformedonmaterialmadeto（按照）thesamespecificationsasthepartbeingconsidered.Asafetyfactor（安全系数）,frequentlyimposedbyalegallyestablishedcode（法规）,isappliedtothestrength,asdeterminedbytests,togivetheallowablestress.Theallowablestress,a,isgivenby,wherefisthestressatwhichthematerialfails(failuretobedefinedlater)andnisthesafetyfactor.,（4-2）,对已知的轴向力和（构件）尺寸，可根据公式（4-1）计算出应力，并与材料能安全承受的应力作比较。安全应力，称为设计应力或许用应力，它是通过对材料的试验来确定的，该（试验）材料按照与所考虑（验算）的杆件相同的规范制作。根据法规规定，通常对试验所确定的强度考虑安全系数后得到许用应力。许用应力a为,（4-2）,这里，f为材料失效（失效在下文有定义）时的应力，而n为安全系数。,Beforeapproving（核准）trialdimensions,thedesignermakescertain（确信）thatthedesignissafebydeterminingthattheinequality（不等式）,issatisfied.Theinequalityisusuallymoreconvenientintheform,（4-3）,不等式常常以更合适的形式出现，即,（4-4）,在核准试算的尺寸之前，设计者通过确定不等式成立而确信设计的安全，即,（4-3）,（4-4）,Itmightatfirst（起先）seemthatthedesignerwouldalwaysdimension（选定.的尺寸）thecrosssection（横截面）sothatthestresswouldexactlyequaltheallowablestress.However,itmaybeverycostlytoproducepartsthathavenonstandardsizes,soitisusuallymoreeconomicaltowastesomematerialbyselectingthenext（接近的）largerstandardsizeabovethatrequiredbytheallowablestress.Departurefrom（背离）standardsizesisjustified（合理的）incaseswherethepenalty（不利后果）forexcessweightisverysevere,asinaircraft（航天器）orspace-ship（宇宙飞船）design.起先似乎设计者总是在选定横截面的尺寸，以使应力恰好等于许用应力。但是，生产非标准尺寸部件的成本可能很高，因此，通常人们会选择比按许用应力要求的尺寸大一些的标准尺寸部件，这样尽管浪费了一些材料，但总体上更经济。但不选择标准尺寸的做法在诸如航天器和宇宙飞船的设计中证明是合理的，因为多余重量产生的不利后果是很严重的。,DesignofBeams梁的设计,Uptothispoint（至此）wehavelookedat（考虑）thebeamproblemasaprobleminanalysis;thatis（即）,foragivensetofloads,span,andcrosssectionwehavebeencalculatingthestress.Themorecommonlyencounteredproblemistoselectastandardsection,ordesignamember,foragivenspanandloadswithoutexceedingacertainallowablestress.Undersomeconditionstheallowablestressmaybedependentuponthedimensionsandshapeofthecrosssection,inwhichcasetheselectionofthememberbecomesmoredifficult.Forthepresent（暂时）wewilltaketheallowablestressasthough（似乎）itdependsonlyonthestrengthofthematerialandthesafetyfactor.,至此，我们已经考虑了梁的问题而进行了（问题）分析，即对给定的一组荷载、跨度和横截面，我们已经计算了应力。更常遇到的问题是在不超过某个许用应力下对一个给定的跨度和荷载选择一个（构件的）标准截面，或设计一个构件。在某些条件下，许用应力可能依赖于横截面的尺寸和形状，这种情况下的构件选择会变得比较困难。暂时我们将采用许用应力法，似乎它只取决于材料的强度和安全系数。,Atrialmemberwillbeacceptable（合格）whenthestressisequalto,orlessthan,theallowablestress,thatis,if,Fordesignpurposesthisinequalityismoreusefulintheform,（4-5）,（4-6）,Intheusualdesignprocessthemaximumbendingmomentistakenfrom（取自于）thebendingmomentdiagram（弯矩图）andtheallowablestressisdetermined(quitefrequentlyinaccordancewith（根据）therulesofsomelegallyconstitutedcode)fromstandardstrengthtestsincombinationwith（与.结合）asafetyfactor.Theright-handsideof(4-6)isthenknown,anditremains（仍然是）toselectordesignamemberthatwillsatisfytheinequality.Whenastandardsectionistobeused,thetables（表格）couldbesearcheduntilamemberisfoundsuchthatthecombinationofIandcsatisfies(4-6).Thistakesmoretimethanisreallynecessary,sincethetablesalsoprovidethevalueofI/cforeachmemberundertheheading（标题）S,thesectionmodulus（截面模量）.,当试算构件的应力等于或小于许用应力时，也就是说，如果,在通常的设计过程中，最大的弯距从弯距图上取得，而许用应力通过标准强度试验并考虑安全系数后确定（往往是根据一些法规的规则）。这样，已知式（4-6）右手边的值，则仍然是选择或设计构件以满足该不等式。当使用标准截面时可以查找表格，直至找到的构件其I和c值的组合能满足式（4-6）。这样花费的时间比实际需要的多，因为表格中在截面模量S的标题下也提供了每一个构件的I/c的值。,试算构件即为合格。根据设计的需要，（上述）不等式以下列形式出现更有用，即,（4-5）,（4-6）,Thatis,thesectionmodulusisdefinedas（定义为）,Toselectamember,theScolumn（列）isconsulted（查阅）andanymemberthatsatisfies(4-8)couldbeused.ThememberswithveryhighvaluesofSwillobviouslybeunderstressed（应力不足的）andwastefulofmaterial.Thebestdesign,iftherearenootherconstraints,willbethatwhichsatisfies(4-8)withtheminimumamountofmaterial.,（4-7）,WithtabulatedvaluesofSavailableitismuchmoreconvenienttouse(4-6)intheform,（4-8）,ThesmallestacceptableSdoesnotnecessarilycoincidewith（符合）themosteconomicalmember.Toselectthelightestandmosteconomicalstandardsection,thelistedvaluesofmassshouldbeexaminedtofindthelightestmemberwithanacceptableS.Theproblembecomesmuchmorecomplexifbuilt-up（组合）memberisbeingdesignedbecauseitscostwilldependuponthecombinedcostsofwebplate,anglesandcoverplatesaswellasfabrication（装配）costssothatthelightestmemberisnotnecessarilythemosteconomical.,截面模量定义为,为选择构件而查阅S这一列，则任何满足式（4-8）的构件都可采用。显而易见，对S值很高的构件，其应力是不足的，并浪费了材料。如果没有其他的限制，最好的设计将是以最少的材料满足式（4-8）。能接受的最小的S值不必是最经济的构件。为了选择最轻和最经济的标准截面，应检查列出的质量值，以找到能接受的S值下的最轻构件。如果在设计一个组合构件时，则问题变得复杂得多，因为它的费用将依赖于腹板、角钢和盖板的费用以及装配的费用，因此，最轻的构件未必是最经济的构件。,根据表格中得到的值S，将式（4-6）以下列形式使用要方便得多，即,（4-7）,（4-8）,DeflectionsDuetoBending弯曲挠度,Themainpurposeofthischapter（本节）wastodevelop（提出）theflexure（屈曲）formulas,andtoprovidesomeexperienceinapplyingthem.Staticallyindeterminate（超静定）caseswereencounteredandsomeinsight（认识）gainedasto（就.）thedifficultyandimportanceofthiscategoryofproblem.本节的主要目的是提出屈曲公式，并在运用公式时提供一些经验。当遇到超静定的情况时，就此类问题的难点和重点获得一些认识。,Superposition（叠加法）waspresented（提出）asthepreferred（优先的）methodforsolvingcertainproblems.However,becomingfamiliarwith（熟悉）superpositionwasmoreimportantthanfindingsolutionstotheproblems（问题的答案）becausesuperpositionhasapplicationinmanyareasofstressanalysisandwillbeusedfrequentlyinourfuturestudies.为解决某些问题，叠加法作为优先的方法被提出。但是，熟悉叠加法远比找到问题的答案重要，因为叠加法已经用于应力分析的很多领域，而且，在我们今后的研究中还会经常使用。,Moment-area（弯距图面积法）wasfoundtobeaconvenientmethodforsolvingvariousproblems.Itisamethodthatbecomesquitecomplicatedandrequiresfurtherdevelopment（展开）whenmoreadvancedstructuresareencountered.Atthepresentstageitissufficientforyoutobeacquaintedwith（了解）thefundamentals（基本原理）ofthemethod.Deflectionoflong-radius（长半径）curvedbeamswasintroduced（引入）toillustratethepoweroftheprinciplesunderlying（构成.的基础）themoment-areamethodandsothatyouwouldappreciate（知道）thedifferencesbetweenstraightandcurvedbeams.为解决不同的问题，发现弯距图面积法是一种很便利的方法。但当遇到更先进的结构时，此法会变得非常复杂，需要进一步地展开。对你来说在目前阶段了解此法的基本原理已经足够了。引入长半径曲梁的挠度来举例说明构成弯距图面积法基础的原理的功效，使你能知道直梁与曲梁之间的区别。,Thischapteraffordedanopportunitytobecomefamiliarwithsingularityfunctions（奇异函数）,andyouhaveseenthatcertainproblemscanbegreatlysimplifiedbytheiruse.Itmustbeappreciated（意识到）thatmerelyanintroductiontothetopichasbeengiven;thereismuchmoretolearnedbythosewhohaveaspecialinterest.Toillustrateaseriouslimitation（缺陷）atourpresentstage,wecanexpressdistributedloads（分布荷载）thatarevariableandareintermittent,butwecannotwritealoadfunctionforconcentratedloads.Ifwehadtakenthenextstepanddealtwiththeconcentratedload,wewouldhaveencounteredthesourceoftheexpression（表达式）“singularityfunction”,buthavingregardfor（考虑）thescopeofthisbookwehavestoppedshortof（达不到）thatstep.,本节使你熟悉了奇异函数，并发现通过利用它们能大大地简化某些问题。但必须意识到仅仅是介绍了题目，对那些有特殊兴趣的人还有很多要学。我们可以表示变化的、间断的分布荷载，但不能写出集中荷载的荷载函数，说明了在我们目前阶段（该函数）还存在着严重的缺陷。如果我们进入下一步去研究集中荷载，便会遇到奇异函数表达式的来源，但是考虑到本书的范围，我们不再进入那一步。,FailureTheories失效理论,Inthedesignofamembersubjectedtoauniaxial（单轴的）load,thestresswascomparedwiththestresstocausefailureintestspecimens（试件）thathadalsobeensubjectedtouniaxialload.Thisisthesimplestofalldesignproblems;themethodisquiteadequate（合适的）,sincethenature（性能）oftheloadsandthestressesinthetestandinthepartbeingdesignedareidentical.However,wesoonencountercaseswherethememberbeingdesignedisnotsosimpleandthestressesarenotuniaxial;consider,forexample,thestressesinthewebofabeamorinapressurevessel（压力容器）.Inthesecasesweknowthatthestressistwo-dimensional（两向的）orbiaxialanditmay,inothercases,bethree-dimensional,ortriaxial.,Forastructurehavingbiaxialortriaxialstresses,howshouldwecheckthesafetyofthedesign?Themostobviouswaywouldbetoconducttests（进行）inwhichspecimensarestressed（受力）tofailureinthesamemultiaxial（多轴的）mannerasinthestructure;theallowablemultiaxialstressthenbedeterminedbytheapplicationofanadequatesafetyfactor.However,thiswouldrequireagroupoftestsforeverynewsetofmultiaxialstressesthatoccurredindesign.Suchtestsaredifficulttoperform,andthecostofperformingthemintherequirednumberswouldbeprohibitive.Consequently,weneedatheorybywhichtheresultsofthestandarduniaxialtestcanbeusedtopredict（预测）thefailureofapartmadeofthesamematerialwhenthestressesaremultiaxial.Inotherwords（换句话说）,weneedafailuretheory.,在设计承受轴向力的构件时，将其应力与导致同样承受轴向力的试验样本（试件）失效的应力相比。这是所有设计问题中最简单的；该法是非常合适的，因为试验和设计中的荷载和应力性质是完全相同的。但是，不久我们便会遇到正在设计的构件不是那么简单，其应力也不是单轴向的；例如，考虑梁的腹板应力或压力容器中的应力。在这些情况下，我们知道其应力是两向的或两轴的，而在其他情况下可能是三向或三轴的。对一个有着两轴或三轴应力的结构，我们应该如何检查它的设计安全性？最显然的办法是进行试验，即试件以与结构相同的多轴受力方式失效；然后运用适当的安全系数确定许用的多轴应力。但是，对设计中出现的每组新的多轴应力都将需要一组试验。这样的试验很难进行，而且以需要的数量进行试验的费用也是禁止的。因此，我们需要一个理论，根据它可以通过利用标准单轴试验的结果来预测同样材料制作的构件在承受多轴应力时的失效。换句话说，我们需要一个失效理论。,Toillustratetheneedforafailuretheory,letusconsideracylindricalpressurevessel.Toavoidunnecessarycomplications,wewillconsiderthatallwelds（焊缝）are100%efficientandthatthewalls（容器壁）arethin.Underinternalpressurethemainstresses（主应力）arecircumferentialandlongitudinal,anditwasimplied（认为）inanearliercasethatonlythecircumferentialstress,becauseitislargerthanthelongitudinalstress,needstobeconsideredinjudgingtheadequacyofthedesign.Inthisapproachwetacitly（默认）assumedthatthemaximumstresscouldbetreatedas（看作为）auniaxialstressandthatitalonedeterminedthesafetyofthedesign.Thelongitudinalstresswasnotconsideredalthoughitmay,withoutourknowledge（在我们的知识之外）,havehadaninfluenceonstrength.Ithappensthatourapproachinthiscaseisacceptable,but,inabiaxialstateofstress,thesecondstressisnotalwaysinconsequential（不重要）andanunderstandingoffailuretheoryisnecessaryinordertoavoidmakingsomeseriouserrors.,为了举例说明需要一个失效理论，让我们考虑一个圆柱形的压力容器。为避免不必要的复杂，我们认为焊缝完全有效，容器壁是薄的。在内部压力下，主应力是环向和纵向的，由于环向应力比纵向应力大，因此，在一个较早的例子中认为只有环向应力需要在判断设计的适用性时加以考虑。在这个方法中，我们默认地假定最大的应力（即环向应力）可看作为单轴应力，并由它单独地确定设计的安全性。尽管在我们的知识以外，纵向应力可能会对强度有影响，但不被考虑。正巧，在这种情况下我们的方法能被接受，但是，在两轴应力状态下，第二种应力不总是不重要的，为了避免造成一些严重的错误，对失效理论的理解是必要的。,Unfortunately,aswewilldiscover,nosingletheory（单一理论）willbefoundtoapplyinallcases;forexample,theoriesthataresatisfactoryforductilematerialsarenotacceptableforbrittlematerials.Wewillalsofindthatoneofthebesttheoriesistoocomplexforeverydayuseandthatmostdesignersprefer（更喜欢）asimplertheorythatintroduces（产生）asmallbutsafeside（安全的）error.很不幸，正如我们将发现的，没有找到一个单一的理论能运用于所有的状况，例如，满足延性材料的理论，脆性材料不能接受。我们也将发现每天在使用一个最好的理论太复杂了，多数设计者更喜欢用一个会产生小而安全的错误但较简单的理论。,Indeveloping（提出）thevariousfailuretheories,wecannotavoidthree-dimensionaleffects,butwewilltreat（讨论）onlythosecasesinwhichoneofthestressesiszero,thusavoidingcomplicationsthatwouldtendtoobscure（使.模糊不清）theimportantpartofthetheories.Thisisnotaseriouslimitation,sinceinengineeringpractice（工程实践）mostproblemsarereducedto（简化为）thebiaxialstressstatefordesign.Whenshearstresses（剪应力）occuralongwith（与.一起）normalstresses（正应力）,theprincipalstresses（主应力）aredetermined.Thus,forpractical（实用的）purposes,weneedtoco