《材料力学概论》PPT课件.ppt

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1、1,材 料 力 学Mechanics of Materials,赠同学们一句话：物格而后知至，知至而后意诚，意诚而后心正，心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。自天子以至于庶人，壹是皆以修身为本。曾子大学 格物至知 诚意 正心 修身 齐家 治国 平天下,2,目的对学科有一个初步的概念上的了解懂得重要性，引起学习它的兴趣了解恰当的学习方法,内容材料力学的任务、作用和地位基本假设基本概念变形的基本形式,第一章 绪 论,3,1.1 材料力学的来龙去脉,本节站在力学史和力学方法论的发展观、自然科学的价值观上，追根溯源，展望去向，力图使你对于材料力学 有如下的宏观感觉和总体把握 会当

2、凌绝顶，一览众山小 一、材料力学的由来 学科发展的必然性 二、材料力学的任务 工程需要的迫切性 三、材料力学的作用 承前启后的阶段性 四、材料力学的学习 爱学会学的自觉性,4,一、材料力学的由来 学科发展的必然性 你将会确信：从学科发展观的角度，材料力学的 出现，是力学学科的必然结果 物理和理论力学：运动的一般规律（质点、刚体）质 点：只有质量，没有大小 刚 体：有质量，有大小，但没有变形（相对位置不变）变形体：有质量，有大小，有变形（相对位置变化）变形：物体内部各质点之间的相对位置变化、尺寸和 形状的改变 质点 刚体 变形体，人类的认识深化,5,变形体力学 变形体受力后的运动或变形规律涉及到

3、变形，理论力学无能为力，材料力学当仁不让材料力学是变形体力学最早的分支，有最简捷的结果（1）最简单的模型（2）最基本的概念（3）最根本的方法（4）最典型的结论 特点：概念多，变形多，公式多，实验多 研究对象 质点？刚体？变形体？根据 相对性,6,二、材料力学的任务 工程需要的迫切性,工程需要上看，材力是必然产物 材力能成为一门自然科学技术的学科，是人类文明发展积累的成果,每时每刻，人类都不得不同受力的物体或结构打交道：从土房、木屋 到钢铁塔架、钢筋混凝土大厦（住）从人力车、牛马车 到 火车、汽车、轮船、飞机、火箭（行）从打猎用的木棍、竹棒 到 用蒸汽或用电动的机器（用）人们（包括你）生活中的一

4、切，无不涉及受力的问题 受力问题的安全？安全与经济？,7,长江、松花江的堤坝911的世贸大楼失事的飞机日常的衣食住行涉及的结构 它们的第一功能 某方面的第一价值 虽然安全保证不是追求的第一功能，但是 是人类生存的基本功能,材料力学首先回答了安全功能如何保证的问题 也是在解决安全问题中发展起来的材料力学形成以前，人们已经懂得一些相关知识，并积 累了实践经验 隋代的赵州石桥，经计算，符合现代力学原理：,8,河北赵州桥建于1400年前（隋朝）跨37.02米、宽9米、拱高7.23米，隋允康教授的老师 钱令希 院士用弹塑性理论计算，结果 压力线完全通过拱轴。,9,隋允康 教授指导博士生用他提出的结构拓扑

5、优化 ICM（Independent Continuous Mapping）方法计算的结果，完全类似赵州桥的构型。,10,真正解决问题，还是材料力学形成以后,达.芬奇(Leonardo da Vinci,1452-1519)伽利略（Galilei,1564-1642)开始着手解决构件的强度计算问题,从那时起，材料力学在奠基长期的积累、发展，逐渐完善形成 材料力学 材料力学关心的安全体现在 强 度(Strength)刚 度(Stiffness)稳定性(Stability).,11,具有足够的刚度 构件在外载作用下，抵抗可恢复变形的能力。例如机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。满足稳定性要求

6、构件在某种外载作用下，保持其原有平衡状态的 能力。例如柱子不能弯等。,对构件的三项基本要求具有足够的强度 构件在外载作用下，抵抗破坏的能力。例如储 气罐不应爆破。（破坏 断裂或变形过量不能恢复）,12,上面提到了术语1、构件 Component or Member：组成机械的零件或构 筑物的杆件统称为构件 2、结构 Structure：由构件组成的体系，工程结构是工 程实际中采用的结构3、载荷 Load：构件和结构承受的负载或荷重 载荷有 内载荷 外载荷4、变形 Deformation：在载荷的作用下，构件的形状及 尺寸发生的变化称为变形,13,材料力学的任务1）研究材料的力学性能 2）研究构

7、件的强度、刚度和稳定性等3）合理解决安全与经济之间的矛盾 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，进行和理论分析是完成材料力学的任务所必需的途径和手段。,14,三、材料力学的作用 承前启后的阶段性 1。后续的力学（其它的变形体力学）学好材料力学对学习其他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。后续的专业课程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、仪表等4。今后工程工作中直接受益,15,四、材料力学的学习 爱学会学的自觉性,学习要求1。记笔记2。

8、先读书，后做作业，按时交作业 步骤清晰，作图规范，书写工整，解答正确3。认真做实验，完成实验报告4。课前要预习，上课要带书，讲授、自学和讨论相结合5。上课要集中精力，认真听，重点记,平时成绩、作业、测验、实验 30%。期末成绩 70%,16,学习方法1。弄清基本概念思考再思考，观察生活实例 适当读参考书 认真做好实验2。注意知识发生过程公式推导：基本假设 基本思路 基本要点3。认真完成作业理解、体验，举一反三 培养解决问题的能力4。养成写总结和体会的习惯5。写小论文,17,1.2 变形固体的基本假设,在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称为变 形固体，而构件一般均由固体材料制成，故构件一 般

9、都是变形固体。变形固体的假设 1连续性假设：认为整个物体体积内毫无空隙地充 满物质（数学）2均匀性假设：认为物体内的任何部分，其力学性 能相同（力学）3各向同性假设：认为在物体内各个不同方向的力 学性能相同（物理）4.小变形假设：变形与本身的尺寸相比很小,18,1.3 基本概念,力，重之谓。墨翟墨经 力，刑之所以奋也。墨翟墨经刑 物体奋 由静而动 或 由慢而快力 物体的“奋”因墨子（前490-405）的观点早于亚里士多德100年 早于伽利略2000年 力 原因，无形 运动 结果，有形（包括“静运动”：变形）,19,1。内力 外力引起的物体内部的作用力（物体本来存在内部作用力，外力引起了内部 作

10、用力的改变）,2。截面法求内力用截面假想地把构件分成两部分，以显示并确定内 力的方法,20,21,用 截面法 求内力可归纳为四个字：1）截：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）取：取其中任意部分为研究对象，而弃去另一部分3）代：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4）平：建立留下部分的平衡条件，确定未知的内力,22,3应力为了引入应力的概念，参照图1-5，首先围绕K点取微小面积，有分布内力的合力，应力定义为,23,应力是一个矢量平均应力某个范围内，单位面积上的内力的平 均集度K点的应力当面积趋于零时，平均应力的大小 和方向都将趋于一定极限，得到,应力即单位

11、面积上的内力某截面处内力的密集程 度应力的国际单位为N/m2 1N/m2=1Pa（帕斯卡）1MN/m2=1MPa=106 N/m2=106Pa 1GPa=1GN/m2=109Pa,24,25,对于构件任一点的变形，只有线变形和角变形 两种基本变形，分别由线应变和角应变来度量1线应变,4。应变,26,线应变 即单位长度上的变形量，无量纲，其物 理意义是构件上一点沿某一方向变形量 的大小2角应变 切应变 即一点单元体两棱角直角的改变量，无量纲,27,1.4 单向应力状态的本构关系（Constitutive relations of uniaxial stress phase),在弹性范围内，有变形

12、 x 与外力 F 成正比的弹性定律,应力与应变成的类似关系也被叫着 Hookes law也应称为郑玄-胡克定律,它是由英国力学家胡克（Robert Hooke,1635-1703)于1678年发现的，实际上早于他1500年前，东汉的经学家和教育家郑玄（公元127-200）就已经发现 应当叫 郑玄-胡克定律（Zheng-Hookes law）,28,上述是本构关系的一种 某种材料本构关系是,外力响应下应力与应变的关系 它是变形体力学(包括材料力学)必备的基础之一 单向应力状态指单元体只在一个方向受正应力作用,单向应力状态(One Dimensional State of Stresses),单元

13、体(Cellular body)构件内部取出的边长为无限小的长方形或六面体,29,从胡克 1687年 得到的金属丝（类似弹簧）公式到应力 应变公式不是简单的类比，而是认识的深化,引入比例常数1/E，得到,它只揭示了变形同外力成正比，至于金属丝的粗细 和 长短、何种材料 的影响，一概不知道 其实，不难想象：变形同外力成正比时，还应当同金属丝的 长短 l 成正比、粗细(面积 A）成反比,于是深化了“弹簧公式”（力和变形正比）认识,30,很幸运，实验表明：E 只同材料有关，称为杨氏模量，因为英国物理学家 Thomas Young（1773-1829）于1807年提出“弹性模量”的概念，其实瑞士科学家

14、欧拉（Leohard Euler，1707-1783）1727年早于他80年提出 把上式整理一下，得到,实际是一个非常漂亮的结论,从胡克1687年到欧拉1727年是40年，到杨1807年是120年，可见几分钟弄懂的，前人却化了几代人时间,31,我们要珍惜啊，这就要再深化认识1、从杆件外力-变形关系 材料应力-应变关系,2、弹簧系数的本质,于是得到,思考一下，有无道理？,32,下面是胡克与郑玄的假想对话,郑：这是讲测量弓力时，先将弓 的弦松开，另外用绳子松松 地穿过弓的两端，然后加重 物，测量。,胡：我明白了。这样弓体就没有初始应力，处于自然状态。,东汉经学家郑玄(127200)对考工记弓人中“

15、量其力，有三均”作了这样的注释：“假令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦，以绳缓擐（huan、）之，每加物一石，则张一尺。”(见右图),胡：请问，“弛其弦，以绳缓擐 之”是什么意思？,33,郑：后来，到了唐代初期，贾公彦对我的注释又作了注 疏，他说：郑又云假令弓力胜三石，引之中三尺者，此即三石力弓也。必知弓力三石者，当弛其弦以 绳缓擐之者，谓不张之，别以一条绳系两箭，乃加 物一石张一尺、二石张二尺、三石张三尺。其中就 是指弓的两端。胡：郑老先生讲“每加物一石，则张一尺”。和我讲的 完全是同一个意思。您比我早1500中就记录下这种 正比关系，的确了不起，真是令人佩服之至。我在 1686年关于中国文字和语言的研究和推测一文 中早就推崇过贵国的古代文化：“目前我们还只是 刚刚走到这个知识领域的边缘，然而一旦对它有了 充分的认识，就将会在我们面前展现出一个迄今为 止只被人们神话般地加以描述的知识王国”。（引自老亮材料力学史漫话高等教育出版社1993）,34,1.6 构件件变形的基本形式,35,36,组合变形,