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1、Mechanics of Materials,材 料 力 学,第一章 绪 论,Chapter 1.,Introduction,每时每刻人类都不得不同受力物体或结构打交道,材料力学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,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）,受力问题的安全？安全与经济？,人们生活工作中的一切，无不涉及受力的问题,从工程需要上看，材料力学是必然产物,材料力学,我们身边的科学,1.1 材料力学的主要内容,1.3 材料力学的主要研究对象,1.2 材料
2、力学的基本假定,1.4 材料力学的研究方法,第一章 绪 论,1.工程构件的力学分析,强度(strength),构件抵抗破坏的能力,材料力学的结论,1.1 材料力学的主要内容,材料力学是研究构件在外力作用下变形和破坏规律的学科,内容-目的-任务,安全性或承载能力,脆性材料断裂,塑性材料过大塑性变形,强度(strength),构件抵抗破坏的能力,刚度(stiffness),构件抵抗变形的能力,材料力学的结论,工程构件的力学分析,1.1 材料力学的主要内容,强度(strength),构件抵抗破坏的能力,刚度(stiffness),构件抵抗变形的能力,稳定性(stability),构件保持原有平衡形态
3、的能力,平衡不稳定,转入另一种平衡形式,1.工程构件的力学分析,1.1 材料力学的主要内容,强度,刚度,丧失平衡稳定性,失稳或屈曲（buckling）,1.工程构件的力学分析,1.1 材料力学的主要内容,保证承载能力并合理解决安全与经济的矛盾,内容-目的-任务,强度(strength),刚度(stiffness),稳定性(stability),强度,刚度,在保证构件满足强度、刚度和稳定性的要求下，为设计既安全又经济的构件提供必要的理论基础和计算方法。,材料力学是研究构件在外力作用下变形和破坏规律的学科,安全性或承载能力,2.固体力学的基础性概念,应力,应变,本构关系,变形体在承受外作用时内部力
4、集度的描述,变形体在承受外作用时内部变形的描述,变形体中应力和应变的关系,1.工程构件的力学分析,1.1 材料力学的主要内容,内力,外力作用引起构件内部的附加相互作用力的合力,“截面法”,构件 Component or Member,结构 Structure,载荷 Load,变形 Deformation,爱学会学的自觉性,(1)适当记笔记(2)先读书，后做作业，按时交作业 作业要求：步骤清晰，作图规范，书写工整，解答正确(3)课前要预习，上课要带书，课堂讲授、自学和提问讨论 及测验考试相结合(4)上课要集中精力，认真听，积极思考，重点记,平时成绩、作业、测验(期中)：30-40%。期末成绩：7
5、0-60%,3.材料力学的学习要求,2.固体力学的基础性概念,1.工程构件的力学分析,1.1 材料力学的主要内容,1.2 材料力学的基本假定,固体力学研究，其建立的力学模型常以“假设”的形式提出,一般在三个层次上建立模型（力学建模）,物质(材料)的构成模型,物质(材料)的本构模型,结构(构件)的计算模型,固体力学(包括材料力学)建模,基于“连续性，均质性”假设,基于“各向同性，线弹性”假设,基于“小变形及理想弹性”假设,材料性质的假定,构件变形的假定,基于“平截面”假设,1.2 材料力学的基本假定,1.关于材料性质的假定,连续性(continuity),均质性(uniformity),各向同性
6、(isotropy),1.关于材料性质的假定,1.2 材料力学的基本假定,连续性(continuity),均质性(uniformity),连续性(continuity),均质性(uniformity),各向同性(isotropy),1.关于材料性质的假定,1.2 材料力学的基本假定,纤维增强复合材料,各向异性(anisotropy),构件内部力及变形连续,是空间位置坐标的连续函数,微小部分材性整个构件大尺寸试件材性构件任何微小部分,2.关于构件变形的假定,二阶微量可以忽略，使问题线性化,wmax h,绝大多数的工程构件都工作在小变形状态下。,小变形假定带来的方便,叠加原理可应用,变形固体及两种
7、变形,弹性变形,塑性变形,残余变形 永久变形,载荷除去后能自行消失的变形,载荷除去后不能自行消失的变形,小变形假设,“理想弹性假设”,2.关于变形的假定,小变形假定带来的方便,变形固体及两种变形,弹性变形,塑性变形,残余变形 永久变形,线性弹性小变形,二阶微量可以忽略，使问题线性化，叠加原理可应用,可以在未变形的构形中进行力平衡分析与计算,wmax h,1.工程构件的基本类型,1.3 材料力学的主要研究对象,1.工程构件的基本类型,1.3 材料力学的主要研究对象,机器中的传动轴,直升机的旋转轴,1.工程构件的基本类型,1.3 材料力学的主要研究对象,1.工程构件的基本类型,建筑工程中的例子,1
8、.3 材料力学的主要研究对象,希腊雅典娜神庙,1.3 材料力学的主要研究对象,1.工程构件的基本类型,1.3 材料力学的主要研究对象,1.工程构件的基本类型,杆(bar),板(plate),壳(shell),体(body),1.工程构件的基本类型,1.3 材料力学的主要研究对象,等截面直杆,变截面直杆,等截面曲杆,1.3 材料力学的主要研究对象,分段等截面直杆,1.工程构件的基本类型,2.材料力学的主要研究对象：杆,不考虑形状大小，用与轴线一致的粗实线表示（简化）,阻止杆件任意方向的移动,不阻止杆件绕铰的转动,1.3 材料力学的主要研究对象,固定铰(fixed pin),阻止杆件竖直移动,不阻
9、止杆件水平移动和绕铰转动。,?,固定端(fixed end),阻止杆件任意方向的移动,阻止杆件绕铰的转动。,3.杆件的支承(support)形式,移动铰(movable pin),不能阻止杆件水平移动。,其它形式的支承,3.杆件的支承(support)形式,1.3 材料力学的主要研究对象,阻止杆件竖直移动和转动,不能阻止杆件竖直移动。,阻止杆件水平移动和转动,不能阻止杆件水平移动和竖向移动。,阻止杆件转动,其它形式的支承,3.杆件的支承(support)形式,1.3 材料力学的主要研究对象,阻止杆件转动的支反力偶矩与该处转角 A 成正比。,线弹簧 支承,角弹簧 支承,阻止杆件竖直移动的支反力与
10、该处竖向位移 wA 成正比。,按外力作用的方式,体积力:是连续分布于物体内部各点的力,如物体的自重和惯性力,面积力:,如油缸内壁的压力，水坝受到的水压力等均为分布力,若外力作用面积远小于物体表面的尺寸，可作为作用于一点的集中力。如火车轮对钢轨的压力等,按外力作用时间,分布力：,集中力：,静载：,动载：,缓慢加载（a0）,快速加载（a0），或冲击加载,4.杆件上作用外力,1.3 材料力学的主要研究对象,材料力学分析计算简图,1.3 材料力学的主要研究对象,F,F,5.杆件变形的基本形式,拉压(tension&compression),扭转(torsion),4.杆件变形的基本形式,弯曲(bend
11、ing),剪切(shearing),组合变形,工程构件往往会同时产生,拉或压、弯曲、扭转等,5.杆件的不同用途和形式,扭转,弯曲,6.杆件变形分析的平截面假设(plane assumption),拉压,杆件的横截面在拉压、扭转或弯曲变形过程中始终保持是平面，并始终保持与轴线垂直。,材料力学不仅要考虑构件整体的平衡，还要考虑局部的平衡。,1.4 材料力学解析(理论)研究方法,力系平衡,研究构件中的各个力学要素（包括外力和内力；包括力和力偶矩）之间的关系。,构件整体平衡时，它的任意局部也是平衡的。,1.力学分析,分析与讨论,力的平移定理,力学分析中与理论力学的联系与区别,1.4 材料力学解析(理论
12、)研究方法,力系的等效,将梁视为 刚体 时两者 等效。,将梁视为 变形体 时两者 不等效。,求铰对梁的 支反力 时两者 等效。,求梁的 内力与变形 时两者 不等效。,分析与讨论,力学分析中与理论力学的联系与区别,1.4 材料力学解析(理论)研究方法,2.物理分析,研究材料的力学性能，研究构件的力学要素（有时还包括热学要素）与几何要素之间的关系。,材料的力学性能影响构件的强度、刚度和稳定性。,荷载与变形量之间的关系,温度变化与应力、变形量之间的关系,构件内部应力与应变之间的关系,约束与应力、变形量之间的关系,材料或构件实验,1.4 材料力学解析(理论)研究方法,变形协调,3.几何分析,构件内部变
13、形应该是协调的,研究构件和结构中各几何要素之间的关系。,构件中应变和变形量之间的关系,结构中各构件变形量之间的关系,协调,不协调,不协调,1.4 材料力学解析(理论)研究方法,变形协调,3.几何分析,构件之间变形应该是协调的,研究构件和结构中各几何要素之间的关系。,构件中应变和变形量之间的关系,结构中各构件变形量之间的关系,协调,不协调,不协调,1.4 材料力学解析(理论)研究方法,材料力学乃至应用力学的解析(理论)研究方法,1.4 材料力学解析(理论)研究方法,研究对象,变形固体(杆件),连续性均匀性各向同性小变形,外界因素作用,弹性变形,塑性变形,基本变形,组合变形,轴向拉(压)、剪切、扭
14、转、平面弯曲,拉(压)弯、偏心压(拉)、斜弯曲、弯扭组合,任务内容,强度，刚度，稳定性,安全可靠,经济实用,总 结,在保证构件满足强度、刚度和稳定性的要求下，为设计既安全又经济的构件提供必要的理论基础和计算方法。,思 考 题,1.1 何谓构件？确定构件（材料力学）计算简图的原则有哪些？1.2 何谓构件的强度、刚度与稳定性？何谓构件的“强度”要求？1.3 材料力学中的基本假设是什么？为什么要作这些假设？1.4 杆件有几种基本变形形式？各种基本变形的特点是什么？,材料力学 独立出现可以指导工程设计，解决工程问题,1638年：关于两种新科学的叙述与证明,伽利略 Galilei 1564-1642,悬
15、臂梁应力分布,简支梁受集中载荷的最大弯矩,等强度梁截面形状,空、实心圆柱抗弯强度比较,力学家与材料力学史,第一部材料力学出现17世纪以后，技术革命,法国科学家 纳维 1826年著材料力学,法国科学家 库仑（17361806）,通过实验修正了伽利略的错误，提出了最大切应力强度理论,力学家与材料力学史,力学家与材料力学史,Timoshenko 是著名的俄裔美籍力学家、教育家。在梁、板、壳的强度理论和动力学理论方面有许多原创性的贡献。,他一生有二十余部著作。上世 纪 三十 年 代 他 撰 写 的 两 卷 本 Strength of Materials 是材料力学的经典著作，其所建立的体系被人们沿用至今。,Stephen Prokofievitch Timoshenko,（1878-1972）,本章内容结束,谢谢大家,
