材料力学第5版孙训方编高等教育出版社第一章课件

1、材材 料料 力力 学学第1页 / 共79页材料力学材材 料料 力力 学学第2页 / 共79页主要参考教材主要参考教材1 1、孙训方主编孙训方主编. . 材料力学材料力学(I).(I).第第5 5版版. . 高等教育出版社高等教育出版社2 2、刘鸿文主编、刘鸿文主编. . 材料力学材料力学I. I.第第4 4版版. . 高等教育出版社高等教育出版社3 3、单辉祖主编、单辉祖主编. . 材料力学材料力学I. I.第第2 2版版. . 高等教育出版社高等教育出版社第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第3页 / 共79页材材 料料 力力 学学第4页 / 共79页理论力学理

2、论力学材料力学材料力学研究物体机械运动一般规律的科学研究物体机械运动一般规律的科学刚体刚体研究构件承载能力的科学研究构件承载能力的科学可变形固体可变形固体材材 料料 力力 学学第5页 / 共79页材材 料料 力力 学学第6页 / 共79页第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 1- -1 课程概述课程概述材料力学的任务材料力学的任务1- -2 材料力学发展概述材料力学发展概述1- -3 可变形固体可变形固体的性质及其基本假设的性质及其基本假设1- -4 主要研究对象（杆件）的几何特性主要研究对象（杆件）的几何特性1- -5 杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式材材 料料 力力 学学第7页

3、/ 共79页1- -1 课程概述课程概述材料力学的任材料力学的任务务一、材料力学的任务及研究对象 材料力学是研究 工程材料的力学行为 及构件安全工作设计理论 的学科。 工程材料的力学行为通常理解为材料在受载时所表现出来的有关破坏、变形的行为。 构件安全工作设计理论是在保证构件安全工作的前提下，为构件选用合理的材料。设计科学、合理的形状和截面尺寸，使设计达到既安全又经济的要求。第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第8页 / 共79页荷载：结构物和机械受到的各种外力构件：组成结构物和机械的单个组成部分第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 每一个构件均应正常工作，

4、才能保证结构物和机械的正常工作。材材 料料 力力 学学第9页 / 共79页二、对构件在荷载作用下正常工作的要求二、对构件在荷载作用下正常工作的要求 、具有足够的强度具有足够的强度荷载作用下，构件不至于破坏（断裂、或失效即产生过大的塑性变形） 、具有足够的刚度具有足够的刚度荷载作用下，弹性变形不超过工程允许范围 、满足稳定性的要求满足稳定性的要求构件在其原有形态下的平衡应保持为稳定的平衡第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第10页 / 共79页 . 具有足够的强度荷载作用下不断裂，荷载去除后不产生过大的永久变形(塑性变形)第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念

5、FFaFF钢 筋b桥梁简图钢筋用于承载拉应力材材 料料 力力 学学第11页 / 共79页 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第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第12页 / 共79页 1999 1999年年1 1月月4 4日，我日，我国重庆市綦江县彩虹桥国重庆市綦江县彩虹桥发生垮塌，造成：发生垮塌，造成： 材材 料料 力力 学学第13页 / 共79页垮塌前的彩虹桥材材 料料 力力 学学第14页 / 共79页荷载未作用时塑形变形示例第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 荷载作用下F荷载去除后材材 料料 力力 学学第15页 /

6、 共79页塑形变形示例第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念材材 料料 力力 学学第16页 / 共79页 . 具有足够的刚度荷载作用下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第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 荷载作用下F材材 料料 力力 学学第17页 / 共79页刚度问题：机械加工用的钻床的立柱，如果强度不够，就会折断(断裂)或折弯(塑性变形)；如果刚度不够，钻床立柱即使不发生断裂或者折弯，也会产生过大弹性变形（图中红线所示为夸大的弹性变形），从而影响钻孔的精度，甚至产生振动，影响钻床的在役寿命。材材 料料 力力 学学第18页 / 共79页材材 料料 力力 学学第19

7、页 / 共79页 . 满足稳定性要求荷载作用下杆件能保持原有形态的平衡。第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 理想中心压杆材材 料料 力力 学学第20页 / 共79页材材 料料 力力 学学第21页 / 共79页稳定失效的例子多见稳定失效的例子多见于承受轴向压力的工于承受轴向压力的工程构件。程构件。 翻斗货车的液压机翻斗货车的液压机构中的顶杆，如果承构中的顶杆，如果承受的压力过大，或者受的压力过大，或者过于细长，就有可能过于细长，就有可能突然由直变弯，发生突然由直变弯，发生稳定失效。稳定失效。 压杆压杆材材 料料 力力 学学第22页 / 共79页 为了完成常规的工程设计任务，需要进行以下为

8、了完成常规的工程设计任务，需要进行以下几方面的工作：几方面的工作： 分析并确定构件所受各种外力的大小和方向。分析并确定构件所受各种外力的大小和方向。 研究在外力作用下构件的内部受力、变形和研究在外力作用下构件的内部受力、变形和失效的规律。失效的规律。 提出保证构件具有足够强度、刚度和稳定性提出保证构件具有足够强度、刚度和稳定性的设计准则与设计方法。的设计准则与设计方法。 材料力学课程就是讲授完成这些工作所必需的材料力学课程就是讲授完成这些工作所必需的基础知识。基础知识。 同时同时须尽可能合理选用材料和降低材料消耗须尽可能合理选用材料和降低材料消耗量，以节约投资。量，以节约投资。材材 料料 力力

9、 学学第23页 / 共79页材料力学包含的两个方面理论分析实验研究第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 研究构件在载荷作用下变形及破坏的规律测定材料的力学性能；解决某些不能全靠理论分析的问题材材 料料 力力 学学第24页 / 共79页三、材料力学课程内容及基本要求三、材料力学课程内容及基本要求总共总共9 9章：章：1 1、绪论及基本概念（、绪论及基本概念（2 2课时）课时） 材料力学的任务，可变形固体的基本假设，杆件变形的基本形式。2 2、轴向拉伸和压缩（、轴向拉伸和压缩（8+28+2课时）课时） 截面法，轴力和轴力图，横截面上的应力，纵向变形，线应变，拉压胡克定律，变形和位移的计算，材

10、料拉伸和压缩时的力学性质，强度条件，应力集中的概念。 实验一：拉伸、压缩实验 第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第25页 / 共79页3 3、扭转、扭转(6+2(6+2课时）课时） 切应变，切应变互等定律，剪切胡克定律，扭矩与扭矩图，圆杆扭转时横截面上的应力及强度条件，扭转角和单位长度扭转角，刚度条件，矩形截面杆的扭转。 实验二：扭转实验 4 4、弯曲应力（、弯曲应力（10+210+2课时）课时） 对称弯曲的概念，剪力和弯矩的概念，剪力方程和弯矩方程，剪力图和弯矩图，平面刚架和曲杆的内力图，梁横截面上的正应力、切应力以及对应的强度条件。 实验三：弯曲实验 上半学

11、期第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第26页 / 共79页5 5、梁弯曲时的位移（、梁弯曲时的位移（4 4课时）课时） 梁的变形和位移，挠度和转角，梁的挠曲线近似微分方程，用积分法求梁的挠度和转角，用叠加法求梁的挠度和转角，梁的刚度校核。6 6、简单的超静定问题（、简单的超静定问题（3 3课时）课时） 拉压超静定问题，装配应力，温度应力，简单的扭转超静定问题，简单超静定梁。7 7、应力状态和强度理论（、应力状态和强度理论（7 7课时）课时） 应力状态的概念，平面应力状态的分析，主应力，三相应力圆，广义胡克定律，强度理论及其相当应力，莫尔强度理论及其相当应力。第一

12、章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第27页 / 共79页8 8、组合变形及连接部分的计算（、组合变形及连接部分的计算（6 6课时）课时） 两个互相垂直平面内弯曲时的正应力强度计算和位移计算，平面弯曲的条件，拉伸（压缩）与弯曲组合时正应力强度计算和位移计算（含偏心拉伸与压缩），扭转与弯曲的组合，连接件的实用计算（普通螺栓连接） 实验四：弯扭组合实验 9 9、压杆稳定（、压杆稳定（4 4课时）课时） 压杆稳定的概念，欧拉公式及其适用范围，杆端约束的影响，强度系数、相当长度、柔度，实际压杆的稳定因数，压杆的稳定计算和合理截面设计。附录附录I I（4 4课时）课时） 截面几

13、何性质：惯性矩、惯性积，移轴公式。第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第28页 / 共79页四、对学生的能力的培养要求四、对学生的能力的培养要求 通过材料力学课程的学习，学生应掌握杆件杆件的强度、刚度以及稳定性问题的基本概念、基础知识和一定的分析能力，具有比较熟练的计算能力和一定的实验能力。第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第29页 / 共79页1- -2 材料力学发展概述材料力学发展概述河北赵州桥赵州桥(石拱桥)隋朝595-605年建，充分利用石料的压缩强度四川安澜竹索桥安澜竹索桥(宋代）建充分利用竹材的拉伸强度， 1964年改为

14、钢缆承托的索桥第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材料力学的发展与人类的生产实践密切相关材材 料料 力力 学学第30页 / 共79页 上海虹桥国际机场上海虹桥国际机场 电影电影紧急迫降紧急迫降材材 料料 力力 学学第31页 / 共79页 材材 料料 力力 学学第32页 / 共79页飞机起落架材材 料料 力力 学学第33页 / 共79页飞机起落架简图材材 料料 力力 学学第34页 / 共79页 材材 料料 力力 学学第35页 / 共79页 材材 料料 力力 学学第36页 / 共79页和平号空间站和平号空间站 材材 料料 力力 学学第37页 / 共79页国际空间站国际空间站 材材 料料 力

15、力 学学第38页 / 共79页蛟龙号蛟龙号 材材 料料 力力 学学第39页 / 共79页奔驰加长版S600 材材 料料 力力 学学第40页 / 共79页 撑撑高高跳跳女女皇皇 伊伊辛辛巴巴耶耶娃娃竹竹 竿竿金属杆金属杆碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃纤维玻璃纤维材材 料料 力力 学学第41页 / 共79页材材 料料 力力 学学第42页 / 共79页 材材 料料 力力 学学第43页 / 共79页通过科学实验建立理论通过科学实验建立理论伽利略(G.Galileo)1638年提出计算梁强度的公式胡克(R.Hooke)1678年提出胡克定律（物体弹性变形与所受力成正比）第一章第一章 绪论及基本概念绪论

16、及基本概念 材材 料料 力力 学学第44页 / 共79页达芬奇：最早用实验方法测定材料强度圣维南：圣维南原理欧 拉：压杆稳定理论（欧拉公式） 材材 料料 力力 学学第45页 / 共79页 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。 从生产实践和科学实验中来，并对生产实践和科学实验进行指导。生产实践科学实验材料力学第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第46页 / 共79页1- -3 可变形固体的性质及其基本假设可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可变形固体可变形固体。对可变形固体的基本假设： 、连续性假设

17、 、均匀性假设 、各向同性假设 、小变形假设第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第47页 / 共79页. 连续性假设无空隙、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。 可用微积分数学工具进行研究据此：材材 料料 力力 学学第48页 / 共79页 . 均匀性假设各点处材料的力学性能相同。物体内任意一点出取出的体积单元，其力学性能都能代表整个物体。第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第49页 / 共79页 微观不连续微观不连续 ，宏观

18、连续，宏观连续 。材材 料料 力力 学学第50页 / 共79页 微观不连续微观不连续 ，宏观连续，宏观连续 。材材 料料 力力 学学第51页 / 共79页材材 料料 力力 学学第52页 / 共79页第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 .各向同性假设材料沿各个方向的力学性能相同（这样的材料称为各向同性材料；沿各方向的力学性质不同的材料称为各向异性材料。）材材 料料 力力 学学第53页 / 共79页 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（分析压杆稳定时除外）。在研究构件的平衡、受力和变形时，可按构件原始尺寸进行计算。材材 料料 力力 学学第54页

19、 / 共79页构件的分类：构件的分类：杆件、板壳杆件、板壳*、块体、块体*1- -4 杆件的几何特性杆件的几何特性杆件杆件：构件一个方向的尺寸（长度）远大于其它构件一个方向的尺寸（长度）远大于其它两个方向的尺寸。两个方向的尺寸。 板和壳板和壳：构件一个方向的尺寸（厚度）远小于其构件一个方向的尺寸（厚度）远小于其它两个方向的尺寸。它两个方向的尺寸。块件块件：三个方向（长、宽、高）的尺寸相差不多三个方向（长、宽、高）的尺寸相差不多的构件的构件 材材 料料 力力 学学第55页 / 共79页材材 料料 力力 学学第56页 / 共79页按轴线分：直杆、曲杆主要几何因素：横截面、轴线按横截面分：等截面杆和

20、变截面杆第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 杆 件材料力学主要研究等截面直杆材材 料料 力力 学学第57页 / 共79页1- -5 杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式1、轴向拉伸或轴向压缩2、剪切3、扭转4、弯曲第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第58页 / 共79页1、拉伸或压缩实例拉伸或压缩实例材材 料料 力力 学学第59页 / 共79页轴向拉伸或压缩轴向拉伸或压缩 受力特征受力特征 变形特征变形特征轴向拉伸b 轴向压缩材材 料料 力力 学学第60页 / 共79页2、剪切实例剪切实例材材 料料 力力 学学第61页 / 共79页材材 料料 力力 学学

21、第62页 / 共79页剪切剪切 受力特征受力特征 变形特征变形特征材材 料料 力力 学学第63页 / 共79页3、扭转实例扭转实例材材 料料 力力 学学第64页 / 共79页扭转扭转 受力特征受力特征 变形特征变形特征材材 料料 力力 学学第65页 / 共79页4、弯曲实例弯曲实例材材 料料 力力 学学第66页 / 共79页弯曲弯曲 受力特征受力特征 变形特征变形特征材材 料料 力力 学学第67页 / 共79页 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)第一章第一章

22、完完第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第68页 / 共79页主要内容：主要内容： 一、对构件在荷载作用下正常工作的要求：刚度、强度、稳定性。 弹性变形与塑性变形的定义与区别。 二、可变形固体的基本假设：连续性、均匀性、各向同性，以及小变形假设。 三、杆件变形的基本形式：轴向拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲。基本要求：基本要求： 明确刚度、强度、稳定性要求的概念；理解可变形固体基本假设的意义及其合理性；初步了解杆件变形的基本形式。本章小结：本章小结：材材 料料 力力 学学第69页 / 共79页赵州桥 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，

23、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。第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第70页 / 共79页安澜索桥 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。第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念 材材 料料 力力 学学第71页 / 共79页胡克（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