材料力学 第一章 绪论

1、.1面向面向21世纪课程教材世纪课程教材、九五国家级级重点教材九五国家级级重点教材.2教师简介教师简介姓名：蒋持平姓名：蒋持平 办公室：主南办公室：主南110电话：电话：82317508(O)北京航空航天大学教授、博导，国家级精品课材料力学北京航空航天大学教授、博导，国家级精品课材料力学课程负责人，核心刊物课程负责人，核心刊物力学与实践力学与实践主编，北京力学主编，北京力学会理事。获国家级会理事。获国家级教学成果奖教学成果奖二等奖两项，北京市教学二等奖两项，北京市教学名师奖，教育部科技进步二等奖，专著与教材四部，国名师奖，教育部科技进步二等奖，专著与教材四部，国内外杂志论文内外杂志论文100余

2、篇。现主持国家自然科学基金两项。余篇。现主持国家自然科学基金两项。助教：郭乾坤（研究生），主南助教：郭乾坤（研究生），主南102.3教学安排教学安排n总学时：总学时：808018 618 61717周（本学期）周（本学期）n先修课程：高等数学、理论力学先修课程：高等数学、理论力学n考试方式：平时成绩期末闭卷考试考试方式：平时成绩期末闭卷考试n课外要求：课外要求：2 2倍上课时间复习与作业倍上课时间复习与作业n答疑：统一安排答疑：统一安排n作业：每周三下课前之前交作业（请客代表提作业：每周三下课前之前交作业（请客代表提前收好），要求认真独立完成，工整，用工具前收好），要求认真独立完成，工整，用工

3、具作图。作图。.4参考资料参考资料材料力学材料力学教材：教材：国内国内:范钦珊，孙训方，刘鸿文等的范钦珊，孙训方，刘鸿文等的教材教材, 国外国外:铁摩辛柯著铁摩辛柯著,韩耀新译韩耀新译;Beer F.P.et al, Mechanics of Materials) 教辅书：教辅书：蒋持平等，材料力学常见题型解析及模拟题，蒋持平等，材料力学常见题型解析及模拟题，国防工业出版社，国防工业出版社，2009。武际可，力学史，重庆出版社，。武际可，力学史，重庆出版社，2000。高云峰。高云峰, 蒋持平蒋持平, 全国大学生竞赛赛题汇编及点评全国大学生竞赛赛题汇编及点评, 机械工业出版社，机械工业出版社，2

4、009。 力学与实践力学与实践杂志：力学纵杂志：力学纵横栏、教育研究栏横栏、教育研究栏 材料力学网站：材料力学网站：见北航国家级精品课程网站（见北航国家级精品课程网站（2005）.5材料力学教学网站材料力学教学网站.6第一章第一章 绪绪 论论.7“云中牧女云中牧女”巴巴黎埃菲尔铁塔黎埃菲尔铁塔中国新十大建筑之一东海大中国新十大建筑之一东海大桥在霞光中展现迷人风采桥在霞光中展现迷人风采 为什么要学习材料力学？为什么要学习材料力学？此情此景，你想到了什么？此情此景，你想到了什么？.8歼歼10我国第一架具有完全自我国第一架具有完全自主知识产权、世界先进水平的新主知识产权、世界先进水平的新一代歼击机一

5、代歼击机 2008年北京奥运会主体年北京奥运会主体育场育场“鸟巢鸟巢” 基本要求：安全性与经济性基本要求：安全性与经济性科学分析方法。科学分析方法。课后讨论：材料力学的意义、内容与方法。课后讨论：材料力学的意义、内容与方法。.9l 构件：组成机械与结构的零构件，统称为构件构件：组成机械与结构的零构件，统称为构件l 变形：构件尺寸与形状的变化变形：构件尺寸与形状的变化弹性变形：外力解除后可消失的变形弹性变形：外力解除后可消失的变形塑性变形：塑性变形：外力解除后不能消失的变形外力解除后不能消失的变形l 破坏破坏显著的塑性变形或断裂。显著的塑性变形或断裂。一、材料力学的任务一、材料力学的任务1. 构

6、件与构件的力学响应构件与构件的力学响应l 失稳失稳原有平衡形式的丧失。原有平衡形式的丧失。.102. 构件安全工作的基本要求构件安全工作的基本要求： 具有足够的强度、刚度与稳定性具有足够的强度、刚度与稳定性 破坏破坏强度问题强度问题重庆綦重庆綦(q)江彩虹桥坍塌江彩虹桥坍塌.11变形变形刚度问题刚度问题.12Tacoma Tacoma 海峡新桥海峡新桥Tacoma Tacoma 海峡大桥海峡大桥1940年破坏年破坏原有平衡形式的破坏原有平衡形式的破坏稳定性问题稳定性问题.13压杆稳定实验压杆稳定实验.14 构件的承载能力：构件的承载能力：构件在外力作用下抵抗破坏的能力；构件在外力作用下抵抗破坏

7、的能力；构件在外力作用下抵抗变形的能力；构件在外力作用下抵抗变形的能力；构件在外力作用下保持原有平衡形式的能力。构件在外力作用下保持原有平衡形式的能力。 构件安全工作的基本要求：构件安全工作的基本要求： 具有足够的强度、刚度与稳定性具有足够的强度、刚度与稳定性 构件安全工作的基本要求小结构件安全工作的基本要求小结 构件合理设计要求解决安全与经济、安全与重构件合理设计要求解决安全与经济、安全与重量等之间的矛盾量等之间的矛盾.153. 材料力学的任务：材料力学的任务： 研究构件在外力作用下变形、内部受力与破坏的研究构件在外力作用下变形、内部受力与破坏的规律，为合理设计构件提供强度、刚度与稳定性规律

8、，为合理设计构件提供强度、刚度与稳定性 分分析的基本理论与方法。析的基本理论与方法。截面合理设计示例截面合理设计示例.16 杆件，简单杆系，某些形状与受力都较简单的板壳杆件，简单杆系，某些形状与受力都较简单的板壳v 杆件：杆件：细而长的构件细而长的构件 lb，h二、材料力学的研究对象二、材料力学的研究对象轴线轴线横截面横截面hlb直杆直杆曲杆曲杆.17v 板壳：板壳：薄片状构件薄片状构件ta,babt.18FFFF拉压：称为杆拉压：称为杆v 杆件按受力分类杆件按受力分类:MM扭转：称为轴扭转：称为轴弯曲：称为梁。左：曲梁；右：直梁弯曲：称为梁。左：曲梁；右：直梁 组合变形组合变形分解为基本变形

9、分解为基本变形.19我们礼赞杆，它是栋梁，支撑了人类物质文我们礼赞杆，它是栋梁，支撑了人类物质文明的壮美大厦；我们礼赞杆，它是中流砥柱，明的壮美大厦；我们礼赞杆，它是中流砥柱，沧海横流时傲然屹立，挽狂澜于既倒；我们沧海横流时傲然屹立，挽狂澜于既倒；我们礼赞杆，礼赞杆，它简单的外表下却有如此丰富的科它简单的外表下却有如此丰富的科学内涵，杆内部丰富多彩的力学图景引领我学内涵，杆内部丰富多彩的力学图景引领我们认识广袤的物质世界的自然规律们认识广袤的物质世界的自然规律 ；我们更我们更礼赞杆，它居功至伟而不炫耀，默默地坚守礼赞杆，它居功至伟而不炫耀，默默地坚守在不显眼的关键部位。学习杆的精神，做一在不显

10、眼的关键部位。学习杆的精神，做一颗永不生锈的螺丝钉。颗永不生锈的螺丝钉。世界第一高楼世界第一高楼台北台北101大厦大厦研究简单的杆件，有何意义？研究简单的杆件，有何意义？栋梁栋梁 中流砥柱中流砥柱 骨架骨架 螺丝钉螺丝钉 科学宝库科学宝库.20 中国古代有关材料力学的应用中国古代有关材料力学的应用.2111031103年，李诫在年，李诫在营造法式营造法式 大木作制度大木作制度指出：指出： “凡梁之大小，各随其广分为三份，以二份为厚凡梁之大小，各随其广分为三份，以二份为厚”.22中国古代力学发展的启示中国古代力学发展的启示自豪：世界文明发源地之一自豪：世界文明发源地之一遗憾：少有完整科学理论遗憾

11、：少有完整科学理论JAS-39JAS-39XB-70AXB-70A历史重任：如何使中国科学再次腾飞历史重任：如何使中国科学再次腾飞.23从古代人类开始建筑房屋的时候起，从古代人类开始建筑房屋的时候起，人们就觉察到有必要获得有关建筑材人们就觉察到有必要获得有关建筑材料强度的知识，以便作出决定构件安料强度的知识，以便作出决定构件安全尺寸的法则。全尺寸的法则。 古代国外有关材料力学的应用古代国外有关材料力学的应用.24 现代意义的材料力学的发展现代意义的材料力学的发展伽利略像伽利略像16381638年：材料力学的开端年：材料力学的开端关于两种新科学的对话关于两种新科学的对话开创了用开创了用实验观察实

12、验观察假设假设形成科学理论形成科学理论的方法的方法.25关于两种新科学的对话关于两种新科学的对话16381638年伽利略出版年伽利略出版关于关于两种新科学的对话两种新科学的对话被认被认为是现代材料力学的开端为是现代材料力学的开端.26胡克的弹性实验装置胡克的弹性实验装置1678年：年：发现发现“胡克定律胡克定律”雅各布雅各布. .伯努利，马略特：伯努利，马略特： 得出了有关梁、柱性能的得出了有关梁、柱性能的基础知识，并研究了材料的基础知识，并研究了材料的强度性能与其它力学性能。强度性能与其它力学性能。库伦：库伦：得到了梁的弯曲正应力和圆得到了梁的弯曲正应力和圆杆扭转切应力的正确结果杆扭转切应力

13、的正确结果.27(瑞士瑞士)欧拉像欧拉像 主要研究梁的变形：主要研究梁的变形：曲线的变分法曲线的变分法，推导，推导出受横向力的悬臂杆的挠度出受横向力的悬臂杆的挠度表达式表达式关于柱的承载力关于柱的承载力，讨，讨论了压杆稳定问题，引入了论了压杆稳定问题，引入了临界载荷的概念。临界载荷的概念。 还研究了大变形问题、变还研究了大变形问题、变截面梁的问题、具有初始曲截面梁的问题、具有初始曲率杆的问题。率杆的问题。.28(瑞士瑞士)约翰约翰.伯努利像伯努利像(意大利意大利)拉格朗日像拉格朗日像提出提出“虚位移原理虚位移原理”阐述了阐述了“虚功原理虚功原理”.29(英国英国)托马斯托马斯.杨像杨像(法国法

14、国)纳维像纳维像定义定义“弹性模量弹性模量”研究了研究了扭转问题扭转问题、梁的弯曲问题梁的弯曲问题、提、提出了解超静定问题的出了解超静定问题的位移法位移法18261826年，第一本年，第一本材料力学材料力学.30(法国法国)泊松像泊松像定义定义“泊松比泊松比”( (法国法国) )圣维南像圣维南像研究了研究了扭转扭转和和弯曲问题，弯曲问题，提出了提出了“圣维南原理圣维南原理”.31(乌克兰乌克兰)铁摩辛柯像铁摩辛柯像建立建立“铁摩辛柯梁铁摩辛柯梁”模模型型研究了研究了圆孔附近的应力集圆孔附近的应力集中中问题，问题，梁板的弯曲振动梁板的弯曲振动问题，薄壁杆件扭转问题，问题，薄壁杆件扭转问题，弹性系

15、统稳定性问题弹性系统稳定性问题等等出版了大量力学教材：出版了大量力学教材：材料力学材料力学， 高等材料高等材料力学力学， 结构力学结构力学， 板壳理论板壳理论等等2020多部多部.32 材料力学在现代的发展材料力学在现代的发展1919世纪中叶，铁路桥梁工程的发展，大大推动了材世纪中叶，铁路桥梁工程的发展，大大推动了材料力学的发展；料力学的发展；当时，材料力学的主要研究对象为钢材；当时，材料力学的主要研究对象为钢材；2020世纪，在以航空航天为代表的现代工业需求的推世纪，在以航空航天为代表的现代工业需求的推动下，各种新型材料动下，各种新型材料( (复合材料、高分子材料等复合材料、高分子材料等)

16、)广广泛应用，实验水平、计算方法不断提高；泛应用，实验水平、计算方法不断提高；材料力学所涉及的领域更加广阔，它仍在发展。材料力学所涉及的领域更加广阔，它仍在发展。.33美国美国“西奥多西奥多罗斯福罗斯福”号航母号航母 波音波音737737飞机飞机 .34.35叉车叉车汽车汽车.36第四代战斗机第四代战斗机RLV天地往返天地往返深空探测器深空探测器先进客机先进客机长航时飞机长航时飞机旋翼机旋翼机无人战斗机无人战斗机动能武器动能武器地地导弹地地导弹地空导弹地空导弹MAV现代航空航天高科技现代航空航天高科技包含大量力学问题包含大量力学问题.37 北航人的成果与北航人的成果与材料力学的应用材料力学的应

17、用“北京一号北京一号” ，新中国第一架轻型旅客机，新中国第一架轻型旅客机，1958年首飞成功，是北航师生研制的第一项重大成果。年首飞成功，是北航师生研制的第一项重大成果。.38“北京二号北京二号”探空火箭，中国第探空火箭，中国第一枚高空探空火箭，被誉为一枚高空探空火箭，被誉为“亚亚洲第一箭洲第一箭” 58年由北航师生研年由北航师生研制成功。制成功。.39“无侦五无侦五”，1981年由北航交付部队使用，为填补年由北航交付部队使用，为填补我国航空工业空白的小推力涡轮喷气发动机及国内我国航空工业空白的小推力涡轮喷气发动机及国内第一套遥控遥测信标三合一地面控制站和机载设备第一套遥控遥测信标三合一地面控

18、制站和机载设备.40北航研制的共轴式单人单座北航研制的共轴式单人单座直升机，直升机，97年年8月试飞成功，月试飞成功，我国第一架自行研制的共轴我国第一架自行研制的共轴式有人直升机式有人直升机。.41 北航在全国大学生力北航在全国大学生力学竞赛连续获最高荣誉学竞赛连续获最高荣誉 同学们同学们20112011年又有年又有两名同学获特等奖两名同学获特等奖（全国共（全国共5 5名）名）.4220062006年年1111月月1 1日，北航日，北航1414位本位本科生花费一年时间独立研制完科生花费一年时间独立研制完成的成的“北航北航1 1号号”探空火箭成探空火箭成功升空。这是首枚由中国大学功升空。这是首枚

19、由中国大学生独立制作的探空火箭。生独立制作的探空火箭。飞设本科生毕业设计参飞设本科生毕业设计参加的科研项目加的科研项目M22M22小小型无人直升机研制型无人直升机研制.43本节结束语本节结束语认识知识继承与创新的辩证关系认识知识继承与创新的辩证关系If I have seen further it is by standing on the shoulders of Giants. Bernard（法（法) )牛顿的名言出自牛顿的名言出自12 12世纪法国哲学家世纪法国哲学家BernardBernard：如果我看得更远一些，那是因如果我看得更远一些，那是因为我站在前辈巨人的臂膀上。为我站在前辈

20、巨人的臂膀上。.44 认为材料无空隙地充满于整个构件。认为材料无空隙地充满于整个构件。 均匀性假设：均匀性假设：构件内每一处的力学性能相同。构件内每一处的力学性能相同。 各向同性假设各向同性假设：构件任一处材料沿各个方向的力构件任一处材料沿各个方向的力 学性能相同。学性能相同。力学量可以用坐标的连续函数表示力学量可以用坐标的连续函数表示通过试样得到的材料性能可用于构件的任何部位通过试样得到的材料性能可用于构件的任何部位为便于理论分析，根据工程实践，对工程材料性质作为便于理论分析，根据工程实践，对工程材料性质作如下三个假设：如下三个假设：一般金属材料的宏观性能研究适用一般金属材料的宏观性能研究适

21、用（细观晶粒具有方向性）（细观晶粒具有方向性）.45思考：金属材料在宏观、细观和微观是否连续、思考：金属材料在宏观、细观和微观是否连续、均匀与各向同性？均匀与各向同性？铁碳合金铁碳合金（0.2C%）宏观：连续，均匀，各向同性；宏观：连续，均匀，各向同性；细观：非连续（微缺陷、微孔洞等）；非均匀（微夹杂、细观：非连续（微缺陷、微孔洞等）；非均匀（微夹杂、晶界等）；各向异性（晶粒方位）；晶界等）；各向异性（晶粒方位）；微观：分子原子内部结构的非连续，非均匀，各向异性。微观：分子原子内部结构的非连续，非均匀，各向异性。.46铸铁模具材料随放大倍数增加的细观图像铸铁模具材料随放大倍数增加的细观图像.4

22、7思考：举例对比均匀与非均匀、各向同性与各向异性思考：举例对比均匀与非均匀、各向同性与各向异性的概念。的概念。AxyB均匀性：宏观均匀性：宏观A、B 两点性质材料相同；两点性质材料相同；各向异性：各向异性：x、y方向性质不同。方向性质不同。.48气液体压力、气液体压力、 接触压力等。接触压力等。重力，电磁力等。重力，电磁力等。F1F2.49：不随时间改变或变化很慢。不随时间改变或变化很慢。：随时间显著变化或使构件各质点产生随时间显著变化或使构件各质点产生 明显加速度。明显加速度。.50 内力的求法：内力的求法：截面法截面法：构件内部相连各部分之间的构件内部相连各部分之间的相互作用相互作用力力。

23、1111.51轴力轴力FN剪力剪力FSx, FSy扭矩扭矩Mx弯矩弯矩My， MzF2F1yxzC注：内力是分布力，但习惯上也将分布内力的合力注：内力是分布力，但习惯上也将分布内力的合力（偶）也称为内力。内力分量是指内力合力向（这里（偶）也称为内力。内力分量是指内力合力向（这里指）形心简化的主矢和主矩沿所选坐标的分量）指）形心简化的主矢和主矩沿所选坐标的分量）.52 截面法求内力的步骤截面法求内力的步骤（切、取、代、平）（切、取、代、平） 0 xF 0yF 0zF 0 xM 0yM 0zM1、用假想截面将构件切开、用假想截面将构件切开（切切） 2、抛去另一部分，取分离体、抛去另一部分，取分离体

24、（取取） 3、画分离体受力图，抛去部分代以内力、画分离体受力图，抛去部分代以内力（代代） 4、对分离体建立平衡方程，求得内力、对分离体建立平衡方程，求得内力（平平）。11.531 1、截面法求内力是根据平衡方程，与材料属性无关；、截面法求内力是根据平衡方程，与材料属性无关；2 2、内力与所处截面有关，不同的截面，内力不同；、内力与所处截面有关，不同的截面，内力不同； 例：求下面两种情况下，图示截面上的内力。例：求下面两种情况下，图示截面上的内力。1各向异性材料各向异性材料FFF2F12331NFF20NF3NFF.54 理论力学主要研究理论力学主要研究刚体刚体 材料力学研究材料力学研究变形体变

25、形体（弹性体）（弹性体） 材料力学与理论力学比较材料力学与理论力学比较哪个理论能解静不定问题？哪个理论能解静不定问题？ABCPDP11P22求内力时力的可传性原理是否适用？求内力时力的可传性原理是否适用？材料力学在取研究对象之前不能用材料力学在取研究对象之前不能用力系简化原理。力系简化原理。取研究对象之后能用力系简化原理取研究对象之后能用力系简化原理为什么？为什么？.55：AFpA 0lim22 p F2NF FF1FSAFA N0lim AFA S0lim AFpav 应力：内力分布集度应力：内力分布集度.56 应力单位应力单位2N/m 1Pa 1 26N/mm 1Pa 10MPa 1 （PaPascal 帕）帕）（MMega 兆）兆）问题：试比较应力与压强。问题：试比较应力与压强。.57单向受力单向受力 纯剪切纯剪切 应力微体与两种常见应力状态应力微体与两种常见应力状态 应力微体：构件内部一点处无穷小的六面体应力微体：构件内部一点处无穷小的六面体.58思考：竹竿扭转破坏沿纵向还是沿横向开裂？思考：竹竿扭转破坏沿纵向还是沿横向开裂？纵向截面上是否存在应力？纵向截面上是否存在应力？微体互垂面微体互垂面上切应力的上切应力的关系关系?BAMMxz 1 1，dxdydz 2 2，y.59yxz 1 1，dxdydz 2 2，1212xF0 0zM 110dxdz dydyd