西建大材料力学课件01绪论

材料力学学时：78+10=88

学时（土木工程）授课：88

学时实验：10学时 教材及参考书：1.《材料力学》，孙训方，方孝淑，关来泰编，高等教育出版社2.《材料力学》，刘鸿文编，高等教育出版社1绪论

1.1材料力学的研究对象和任务1.2材料力学与生产实践的关系1.3材料力学基本假设1.4外力、内力、应力1.5杆件变形、应变1.1.1研究对象

构件：组成结构或机械的单个部分杆板体壳1.1材料力学的研究对象和任务

结构

——建筑物承受荷载而起骨架作用的部分。荷载（分静荷载、动荷载）——

各构件在正常工作情况下一般承受的力。杆件

——纵向尺寸（长度）远比横向尺寸大得多的构件。材料力学:

主要是研究杆形构件。杆有两个主要的几何特征：（2）轴线

_____所有横截面形心的连线（1）横截面

_____杆沿垂直于长度方向的截面横截面轴线形心材料力学:

是固体力学的一个分支，主要研究杆形构件在荷载作用下的变形规律和破坏的规律，为合理设计构件提供有关强度、刚度与稳定性分析的基本理论与方法。1.1.2研究任务

直杆：轴线为直线的杆。曲杆：轴线为曲线的杆。等截面直杆：横截面的形状和大小不变的直杆。变截面杆：横截面沿轴线变化的杆。

在荷载作用下构件不发生破坏（断裂）。即构件应具有足够的强度。

材料力学需要解决如下三个问题。

在荷载作用下构件所产生的变形应不超过工程上允许的范围，即要求构件应具有足够的刚度。

承受荷载作用时，构件在其原有形状下的平衡应保持为稳定的平衡，即要满足稳定性的要求。刚度

—

构件抵抗变形的能力。

强度

—

构件抵抗破坏的能力。

设计构件时，在保证满足强度、刚度、稳定性的要求的前提下，还必须尽可能合理选用材料和降低材料的消耗量，以节约资金或减轻构件的自重。理论分析与实验研究相结合，两者同等重要。1.1.3研究方法

又有计算机分析方法。

构件的强度、刚度和稳定性均与所用材料的力学性能有关，因此在实验研究基础上，进行理论分析是完成材料力学的任务所必需的途径和手段。1.学好材料力学对后续变形体力学的奠基作用

结构力学，弹性力学，塑性力学，断裂力学,纳米力学、流体力学、理性力学2.有助于后续专业课程学习

建筑结构、机械设计、结构设计原理3.有助于学习其它工程：

土木、机械、航空、航天、交通、运输、材料、生物工程、仪器仪表等4.今后工程工作中直接受益1.1.4学习材料力学的目的、意义

1.2材料力学与生产实践的关系20世纪以前，推动近代科学技术与社会进步的蒸汽机、内燃机、铁路、桥梁、船舶、兵器等，无一不是力学知识的累积、应用和完善的基础上逐渐形成和发展起来的。20世纪产生的诸多高新技术，如高层建筑、大跨度桥梁、海洋平台、精密仪器、航空航天器、机器人、高速列车以及大型水利工程等许多重要工程更是在力学指导下得以实现，并不断发展完善的。航空航天器

大跨度桥梁

高层建筑

除上述工业部门的工程外，还有一些非工业工程也都与力学密切相关，如体育运动工程等。

另有一些高新技术，如核反应堆工程、电子工程、计算机工程等，虽然是在其他基础学科指导下产生和发展起来的，但都对力学提出了各式各样的、大大小小的问题。21世纪，力学加上不断进步的电子计算机必将成为工程新设计的主要手段。

分析一些重大灾难事件，也不难发现力学在工程设计中的重要地位。泰坦尼克号沉船事件美国纽约马尔克大桥坍塌事件1.3可变形固体的性质及其基本假设1.3.1可变形固体

在荷载作用下发生变形（尺寸的改变和形状的改变）的固体，称为可变形固体，简称变形体。

若去掉外力后，物体完全恢复原有的形状和尺寸称为完全弹性体（或弹性体）；完全不能恢复原状的称为塑性体。材料力学所研究的构件均视作弹性体，其变形仅限于小变形。弹性变形和塑性变形弹性变形：卸除荷载后能完全消失的那一部分变形。塑性变形：卸除荷载后不能完全消失而残留下来的那部分变形。L+a+b:加载后的杆长L+a:卸载后的杆长a:卸载后没有消失而保留的那部分变形，即塑性变形b:卸载后消失的那部分变形，即弹性变形下面以弹性杆为例说明弹性和塑性变形LPa+bba1.3.2基本假设

可在构件内任一点处截取一体积单元研究（1）连续性假设

物体在其整个体积内充满了物质而毫无空隙，其结构是密实的。

变形必须满足几何相容条件，即变形后的固体既不引起“空隙”，也不产生“挤入”现象。

把某些力学量看作固体点的位置函数时，可进行极限分析。

（2）均匀性假设

从物体内任意一点处取出的体积单元，其力学性能都能代表整个物体的力学性能。（3）各向同性假设

材料沿各个方向的力学性质均相同。沿各个方向的力学性质不相同的材料称为各向异性材料，材料力学所研究的构件均视作各向同性材料。

（4）小变形假设

变形与构件的原始尺寸相比很小。在研究构件的平衡和运动以及内部受力和变形等问题时，均可按构件的原始尺寸和形状计算。

构件材料的力学模型均匀、连续、各向同性

的可变形固体，且在大多数场合下局限在弹性变形范围内和小变形

条件下进行研究。1.4.1外力

1.4外力、内力、应力外部物体对构件的作用力，包括外加荷载（主动力）和约束反力。

1.按作用方式分为：体积力和表面力

表面力：作用于物体表面上的力，又可分为分布力和集中力。分布力是连续作用于物体表面的力，如作用于船体上的水压力等；集中力是作用于一点的力，如火车轮对钢轨的压力等。

体积力：连续分布于物体内部各点上的力，如物体的自重和惯性力。

2.按性质分为：静荷载和动荷载

动荷载：荷载随时间而变化。动荷载可分为构件具有较大加速度、受交变荷载和冲击荷载三种情况。

静荷载：荷载缓慢地由零增加到某一定值后，不再随时间变化，保持不变或变动很不显著，称为静荷载。交变荷载是随时间作周期性变化的载荷；冲击荷载是物体的运动在瞬时内发生急剧变化所引起的载荷。1.4.2内力

外力引起的物体内部的作用力。

截面法——求内力

步骤：

1）截开：欲求某一截面的内力，沿该截面将构件假想地截成两部分

2）代替：取其中任意部分为研究对象，用作用于截面上的内力，代替弃去部分对留下部分的作用力

3）平衡：建立留下部分的平衡条件，确定未知的内力mmmm1.4.3应力求：m-m截面上C

点的应力在m-m截面上，围绕C

点取微小面积

A应力

——分布内力集度。mmC

A

P

P——

A上分布内力的合力，pm——

A范围内，单位面积上内力的平均集度，平均应力。

p称为C点的应力，它是分布内力系在C点的集度，反映内力系在C点的强弱程度。P是矢量，与点和面的方位有关，分解为：

垂直于截面的分量s——称为正应力切于截面的分量t——称为切应力

pCt

s

1.5杆件变形、应变1.5.1杆件变形的基本形式(a)轴向拉伸(b)轴向压缩受力特征：受一对作用线与杆轴线重合的外力的作用1、轴向拉伸和压缩变形特征：沿杆的长度伸长或缩短FFFF

2、剪切

受力特征：受一对大小相等，指向相反，作用线相距佷近的横向外力的作用。FF剪切面变形特征：横截面沿外力作用方向发生错动。

3、扭转MeMe受力特征：一对大小相等转向相反，作用面垂直于杆轴线的外力偶（其矩为Me）的作用。变形特征：相邻横截面将绕轴线发生相对转动，而轴线仍维持直线。

4、弯曲这种弯曲为纯弯曲横力弯曲：梁在横向力作用下的变形将是纯弯曲与剪切的组合。MM

受力特征：受一对转向相反，作用在杆件的纵向平面内的外力偶（其矩为M）作用。变形特征：相邻横截面将绕垂直于杆轴线的轴发生相对转动，变形后的轴线变成曲线。zyxO组合变形杆件在外力作用下，同时发生两种或两种以上的基本变形，称之为组合变形。MxMzFF—轴向拉伸变形Mx—扭转变形Mz—弯曲变形（xoy

平面）1.5.2应变

固体的M点因变形移到M

，MM

为M点的位移。

.

设想在M点附近取边长为

x，

y，z的微小六面体，变形后六面体的边长和棱边的夹角都将发生变化。将六面体投影到xy

平面x____变形前MN的原长。x

+

S

____M

N

的长度，即变形后MN的长度。

xyzMM´xyMNLxM'L'N'

x+Sem

称为平均线应变。

m的极限为

称为M点沿x方向的线