材料力学基础与计算(教材)

1,材料力学基础与计算,制作:李嘉宁CA-ATM2006/08/13,2,一:相关的概念,力学力学按其研究对象划分材料力学的研究内容材料力学研究的主要对象杆件受力与变形的几种形式,3,1、力学,力学物理学的一个分支学科。它是研究物体的机械运动和平衡规律及其应用的。,4,2、力学按其研究对象划分,5,3、材料力学的研究内容,材料力学:主要研究变形体以及变形体受力后发生的“宏观”变形。材料力学可分为两个学科:固体力学：研究物体在外力作用下的应力、变形和能量。材料的力学行为：研究材料在外力和温度作用下所表现出的变形性能和失效行为。,6,如何有效地设计出构件零部件的合理形状和尺寸呢？使得它们能保证足够的强度（strength）、刚度（stiffness）、稳定性（stability）。,材料力学是工程设计（engineeringdesign）的重要组成部分。,7,强度：构件或零部件在确定的外力作用下，不发生破裂或过量的塑性变形；刚度：构件或零部件在确定的外力作用下其弹性变形或位移不超过工程允许范围之内；稳定性：构件或零部件在某种受力形式下，其平衡形式不会发生突然改变。,8,将外加载荷加载在零部件上，当载荷取消后物体在载荷之下的变形随之消失了，即是弹性变形。如果没有消失，并具有一定的变形，但没有破坏，即是塑性变形。,9,4.材料力学研究的主要对象,杆：一个方向的尺度远大于其他两个方面的尺度的弹性体；板：一个方向的尺度远小于其他两个方面的尺度，且各处曲率为零的弹性体；壳：与板大致一样，但至少一处曲率不为零的弹性体；体：三个方向具有相同量级的尺度的弹性体。,10,5.杆件受力与变形的几种形式,轴向拉伸（或压缩）剪切扭转弯曲,11,5.1轴向拉伸（或压缩）,当杆件两端承受沿轴线方向的拉力或压力载荷时，杆件将产生轴向伸长或压缩变形。,12,5.2剪切,在平行于杆横截面的两个相距很近的平面内，方向相对地作用着两个横向力，当这两个力相互错动并保持它们之间的距离不变时，杆件将产生剪切变形。,13,5.3扭转,当作用在杆件上的力组成作用在垂直于杆轴平面内的力偶Mx时，将产生扭转变形，即杆件的横截面绕其轴相互转动。,14,5.4弯曲,当外加力偶M或外力作用于杆件的纵向平面内时，杆件将发生弯曲变形，其轴线将变成曲线。,15,5.5组合受力与变形,由两种或两种基本受力形式组成的组合受力产生的变形。如拉伸和弯曲变形等。,16,二:材料力学常用的几种分析方法,内力分析正、切应力分析位移分析强度失效分析与设计准则,17,1.内力分析,内力有以下几种：轴力（产生轴向拉伸与压缩）剪力（使杆件产生剪切变形）扭矩（使杆件产生扭转变形）弯矩（使杆件产生弯曲变形）,18,1.1内力分析实例,根据弹性体平衡原理,运用截面法来分析弹性体的内力状况。,19,1.1内力分析实例,根据弹性体平衡原理,运用截面法来分析弹性体的内力状况。平衡微分方程：,即:,也即:,对其进行求导得平衡微分方程:,20,2.应力分析,应力有以下几种：正应变或线应变（正应力）切应变（切应力）,正应力:切应力:,正应变:切应变:,21,正应变或线应变（正应力）,切应变（切应力）,22,3.位移分析,位移:弹性体受力变形后位置的微观改变。位移有以下几种：挠度（）：横截面形心处的铅垂位移；转角（）：横截面相对于变形前的位置绕中性轴转过的角度；水平位移（u）：横截面形心沿水平方向的位移。,23,3.位移分析,挠度方程：,在小变形条件下，由于很小，,挠度方程：,24,4.1.1失效的基本概念,失效：当材料发生屈服或断裂时都会丧失正常功能，这种现象称为失效。对于脆性材料，在单向应力状态下，其失效形式为断裂，故失效判据为：对于韧性材料，在单向应力状态下，其失效形式为断裂，与脆性材料判断依据一致；如果将屈服作为失效，则有：,25,4.1.2失效形式：,失效形式有以下几种：强度失效：材料屈服或断裂引起的失效；刚度失效：构件过量的弹性变形引起的失效；屈曲失效：构件平衡构形的突然转变而引起的失效；疲劳失效：交变应力作用发生断裂而引起的失效；蠕变失效：在一定的温度和应力作用下，应变随时间的增加而增加，最终导致构件的失效；应力松弛失效：在一定的温度作用下，应变保持不变，应力随时间而降低，从而导致失效。,26,4.1.3主要的强度失效形式：,大量实验结果表明，材料在常温、静载作用下主要发生两种形式的强度失效：一种是屈服；另一种是断裂。,27,4.2.1设计准则：,设计准则有以下几种：屈服准则（最大切应力准则和畸变密度准则）断裂准则（最大拉应力准则）莫尔准则,28,4.2.2最大切应力准则：,最大切应力准则认为：无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服（或剪断），其共同原因都是由于微元内的最大切应力达到了某个共同的极限值。,相应的设计准则：,其中，为许用应力；为安全系数。此准则适用于低强化韧性材料。,29,4.2.3最大拉应力准则：,最大拉应力准则认为：无论材料处于什么应力状态，只要发生脆性断裂，其共同原因都是由于微元内的最大拉应力达到了某个共同的极限值。,相应的设计准则：,其中，为材料的强度极限；为安全系数。此准则适用于脆性材料。,30,4.2.4莫尔准则：,莫尔准则认为：任何应力状态所对应的应力圆如果与极限曲线相接触，材料便产生屈服和断裂。,31,三:关于材料力学的其他若干问题,疲劳问题超静定问题,32,1.疲劳失效问题：,疲劳失效：结构的构件或机械、仪表的零部件在交变应力作用下发生的失效，成为疲劳失效，简称疲劳。,33,2.1超静定问题：,静定问题：在静定学问题中，若未知力（外力或内力）的个数等于独立的平衡方程数目，则仅由平衡方程即可解出全部未知力，这类问题即静定问题。超静定问题：若未知力的个数超过独立的平衡方程的数目，仅由平衡方程是无法确定所有力的，此类问题即为超静定问题或静不定问题。,34,2.2超静定结构：,超静定结构：超静定结构是在静定结构上继续增加一个或多个约束，这些约束对于特定的工程是必要的，但对于保证结构平衡和几何不变性