同济材料力学顾志荣绪论

1、 本材料力学多媒体课件在编辑过程中,参考并编 用了范钦珊、王元勋教授,上海交通大学材料力学教 研室、西南交通大学配套孙训方教材、南京航空航天 大学陶秋帆等老师的材料力学课件中的图片、例题, 在此首页致词表示由衷的谢意! 本课件的编辑由朱海阳同仁制作,在此一并致谢! 一、材料力学的任务 二、材料力学的研究内容 三、材料力学的基本假设 四、材料力学的研究对象及杆件变形的基本形式 五、材料力学的课程性质与特点 六、如何学好材料力学 研究构件的承载能力，研究材料的力学性质，在 既安全又经济的条件下，为构件选择合适的材料，确 定合理的截面形状和尺寸提供计算理论与方法。 一一 材料力学的任务材料力学的任务

2、 1993年8月13日上午10点左右， 泰国皇家大饭店倒塌，原房屋设计 为三层62套房间，后来又在上面加 盖了三层1套房间，为防断水，在 房顶又加了四个大水箱，下部三层 结构承受不了上部的加层及水箱重 量，梁柱断裂引起整幢大饭店倒塌。 桥梁断塌 1994年10月21日 早晨7时45分，韩国汉 城圣水大桥中段50米 的桥梁断塌，造成48 人死亡，20多人受伤 汉城市市长辞职，总 理辞职被挽留 当地时间2007年8月1日19时 5分左右,在美国中西部城市明尼 阿波利斯，一座40年历史的双向 8车道州际大桥突然断裂成几大段， 坠入18米之下的密西西比河。当 地政府已确认这次事故造成至少 4人死亡，数

3、十人受伤。初步调查 显示，这是一起桥梁结构性垮塌 事故，并非恐怖袭击。 1998年9月10日19时38分，东方航空公司从上 海飞往北京的MU586航班起飞，23时07分成功迫降 上海机场惊心动魄3小时，就是因为飞机前起落 架的销子断裂导致起落架收放失效 破坏断裂或过量的塑性变形 变形构件尺寸与形状的变化。 弹性变形外力解除以后可消失的变形。 塑性变形外力解除以后不能消失的变形。 、研究构件的承载能力 衡量构件承载能力的刚度要求： 刚度：构件抵抗弹性变形的能力。 不因发生过大的弹性变形而失效。 刚度问题刚度问题 强 度 刚 度 问 题 、研究构件的承载能力 衡量构件承载能力的稳定要求： 稳定性：

4、构件保持原有平衡状态的能力。 不因发生因平衡形式的突然转弯而失效。 细长压杆，当压力达到或超过一定限度时， 杆件可能突然变弯而失去承载能力，这种现象称 为失稳或屈曲。 杆件的失稳或屈曲往往产生很大的变形甚至 导致整个结构的破坏。 19世纪的最后25年,欧美发生过一系列铁路和 公路桥梁因压杆失稳而造成结构破坏的事件。其 中最有影响的两例失稳事故： 美国阿什特比拉河上同名桥失稳事故 瑞士明汉斯太因村铁路桥失稳事故 美国阿什特比拉河上同名桥失稳事故 1876年12月29日晚8时许，一列由两辆机车和11节 车厢组成的快车，在美国横跨阿什特比拉河的同名桥 上通过。在离对岸不到15米时，司机回头一看，后面

5、 的列车都坠入河中，158名乘客中有92人遇难。该桥结 构破坏的原因是因为这座金属桁架式铁路桥的受压斜 杆失稳引起的。 这座桥由法国著名设计师和建筑师埃菲尔 （A.-G.Eiffel)设计并建造。采用埃菲尔式桁架， 其结构的立面图和平面图如上图所示。 瑞士明汉斯太因村铁路桥失稳事故 1891年5月14日瑞士这座架设在莱茵河支流比尔斯 河上的单轨铁桥，因结构设计缺乏全面的稳定性分析 而造成铁桥坠毁，行驶其上的12节车厢中74人蒙难， 200多人受伤。 1925年2月13日，修复后的莫济里桥在试车时出现 了问题。幸好桁架落在为试车准备的临时支座上，人 们才可看到斜杆失稳后的情景。 左图桥下侧面观察

6、，右图桥上看：长15.372米的 斜杆一根鼓出1.46米，另一根鼓出0.905米。 1875年俄国开伏达河上同名桥，在安装完毕后， 仅当工作车通过时,受压上弦杆发生偏离桁架平面的屈 曲而毁坏。 2000年10月25日上午10时许南京电视台演播厅工 程封顶，由于脚手架失稳，模板倒塌，造成6人死亡， 35人受伤，其中一名死者是南京电视台的摄象记者。 2、研究材料力学的力学性能 不同材料制成的构件,其承载能力不一样。 构件的强度、刚度、稳定性与制作构件的材料有 关。 材料力学还要通过试验来研究材料的力学性能,并 在此基础上为构件选择合适的材料。 为构件选择合适的材料 根据结构的类型选材 超高层建筑

7、为构件选择合适的材料 根据结构的类型选材 高层 小高层建筑 为构件选择合适的材料 根据结构的类型选材 多层 小别墅建筑 为构件选择合适的材料 根据受力性质选材 为构件选择合适的材料 根据受力性质选材 为构件选择合适的材料 根据受力性质选材 南浦大桥杨浦大桥 3 合理解决安全与经济之间的矛盾 构件 设计 安全 经济 满足刚度 强度 稳定性 要求 材料好些 截面大些 降低成本、节约资金 材料差些 截面小些 安全 经济 矛盾力求合理解决 选择材料 设计截面 恰到好处 1、基本理论部分 研究物体在外力作用下的内部力学响应,即构 件的内力、应力和变形分析,这些都是强度、刚度 和稳定性分析的基础。 2、实

8、验部分 实验是材料力学的重要组成部分,通过实验研 究材料在外力作用下的力学性能和失效行为,确定 材料抵抗破坏和变形的能力。同时实验也是验证理 论和解决理论分析难于处理的问题的重要手段。 3、应用部分 上述两部分内容的结合,成为工程设计的重要组 成部分,即根据安全与经济的控制条件(以后各章要 介绍的强度条件、刚度条件和稳定性条件)为构件选 择 合适的材料,设计出合理的截面形状和尺寸。 1、两种简化的力学模型 刚体 变形固体 2、变形固体的三个物体假设(又称材料性质模型) 连续性假设 均匀性假设 各向同性假设 (1)、连续性假设(不同的地方) 含义:认为组成物体的物质毫无空隙地充满整 个物体的几何

9、容积。 作用:可用连续函数来表示此物体的各力学量, 如内力、应力、应变和位移等变化。 实际情况:宏观连续,微观不连续。 灰口铸铁显微组织 球墨铸铁显微组织 普通钢材显微组织优质钢材显微组织 还例如:砼石子/黄沙/水泥但仍有空隙存在。 (2)均匀性假设(不同的地方) 含义:认为物体内任何部分的力学性质相同、均 匀分布。 作用:可以从小到大(为研究一个整体，可取一小 部分研究）也可以从大到小（大尺寸试件测试的力学 性能可应用到任何微小部分） 实际情况：宏观均匀，微小不均匀。 砼振捣密实度会存在差异 低碳钢拉伸 局部颈缩现象 (3)、各向同性假设（同一点不同的方向） 含义：认为物体在一点处各个方向具

10、有相同 的力学性能。 作用：研究问题时不必考虑方向性，即材料 力学性能与坐标方向无关。 例如：从钢板中取试样。 实际情况：多数各向异性，少数各向同性。 例如：木材顺纹横纹、竹子顺纹横纹、复合 材料的经向纬向存在很大差异。 3、材料力学的研究范围及前提条件 在材料力学中，实际材料被看是连续、均匀、 各向同性的变形固体，但只限于研究弹性范围内 的小变形情况。 小变形：认为物件在外力作用下所产生的变形极 其微小，与物体原始尺寸比较要小得多（也称小 变形假设）。 1、按空间三个方向的几何特征，变形固体大致可分为 （1）块体：空间三个方向具有相同量级的尺度。 （2）壳体：空间一个方向尺度远小于其它两个方

11、向的 尺度，且至少有一个方向的曲率为零。 （3）板：空间一个方向的尺度远小于其它两个方向的 尺度，且各处曲率均为零。 （4）杆: 空间一个方向的尺度远大于其它两个方向的 尺度。 2 材料力学的研究对象：杆 （1）直杆轴线是直线 （2）曲杆轴线是曲线 （3）等截面杆截面相同 （4）变截面杆横截面沿轴线变化 3 、杆件变形的基本形式 拉拉 伸伸 压压 缩缩 剪剪 切切 扭扭 转转 弯弯 曲曲 弯弯 曲曲 1 、课程性质 材料力学是固体力学的一个分支，是一门技术 基础课。 无论是土建、机械、航空航天等专业，它的理 论、概念、方法对工程设计、科学研究和后续课程 的学习是必不可少的。 2 课程特点(三强

12、三多） （1）内容的系统性强 （2）方法的科学性强 （3）理论联系实际的密切性强 （4）概念多、公式多、数字计算多 （1）内容的系统性强（一分析三计算两先两后） 主线：杆件的应力分析（应力、变形及能量） 危险段、面、点处的强度计算 最大变形处的刚度计算 一定受力情况下杆的稳定计算 先讨论基本变形，后研究组合变形 先讨论静力问题，后研究动荷问题 （2）方法的科学性强 两个前提： 杆件在各种力作用下必须平衡 整体平衡、局部平衡、微元平衡 作用在弹性体上 的外力相互平衡 内力与外力平衡； 内力与内力平衡。 F1 F3 F2 Fn F1 F2 F3 Fn 分布内力分布内力 （2）方法的科学性强 两个前

13、提： 杆件各部分的变形必须协调 小到组成物体的各质点 大到变形协调条件 变形前变形不协调 变形不协调 变形协调一致 （2）方法的科学性强 静力学方面（平衡） 综合三方面 变形几何学方面（变形协调） 物理学方面（力与变形） 实验验证理论公式的正确性 （3）理论联系实际的密切性强 实际构件力学模型（即计算简图） 抓主舍次材料模型（即物性假设） 基本变形、组合变形看得见 （4）概念多 公式多 数学计算多 我希望我们的同学要 认真地做人，刻苦地做学 问，要长真本事，不图虚 名，不鹜虚声，来不得半 点的虚伪和骄傲，半点的 弄虚作假。 摘自温家宝总理对同济大学的祝愿 我的建议： 认真预习，认真听讲； 敢于提问，敢于回答； 及时复习，及时答疑； 独立思考问题； 独立完成作业。 1993年8月13日上午10点左右， 泰国皇家大饭店倒塌，原房屋设计 为三层62套房间，后来又在上面加 盖了三层1套房间，为防断水，在 房顶又加了四个大水箱，下部三层 结构承受不了上部的加层及水箱重 量，梁柱断裂引起整幢大饭店倒塌。 、研究构件的承载能力 衡量构件承载能力的稳定要求： 稳定性：构件保持原有平衡状态的能力。 不因发生因平衡形式的突然转弯而失效。 1、基本理论部分 研究物体在外力作用下的内部