第一章-绪论（0.5周）.ppt

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1、 材材 料料 力力 学学Mechanics of Materials Mechanics of Materials 汤汤 怒怒 江江 物物 理理 系系 E-mail:E-mail:11.1 材料力学的任务材料力学的任务第一章第一章 绪绪 论论相关术语相关术语1、构件构件：组成构筑物的杆件或机械的零件统称为构件；2、结构结构：建筑物承受载荷而起骨架作用起骨架作用的部分,即由构件组 成的体系；3、载荷载荷：构件和结构承受的负载负载或荷重荷重；包括内载荷内载荷、外外 载荷载荷；4、变形变形：在载荷作用下，构件的形状形状及尺寸尺寸发生变化,称为 变形。2材料力学的主要研究对象材料力学的主要研究对象:杆

2、件杆件：主要承受：主要承受拉压力拉压力，而发生，而发生伸缩伸缩变形变形的构件的构件(长度长度远大于远大于截面尺寸截面尺寸)；轴轴：主要承受：主要承受扭矩扭矩而发生而发生扭转变形扭转变形的构件；的构件；梁梁：承受：承受弯矩弯矩而产生而产生弯曲变形弯曲变形的构件。的构件。条件：条件：在在弹性范围弹性范围内的内的微小微小变形（你很可能变形（你很可能根本发现不了）！根本发现不了）！注意：注意：3一、材料力学的由来一、材料力学的由来 学科发展的必然性学科发展的必然性材力的出现，是力学学科的必然结果；材力的出现，是力学学科的必然结果；普通物理和理论力学普通物理和理论力学：运动的一般规律（质点质点、刚体刚体

3、）；质点质点：只有质量，没有大小没有大小；刚体刚体：有质量，有大小，但没有变形没有变形（相对位置不变）；材料力学材料力学：变形体变形体：有质量，有大小，有变形有变形（相对位置变化）；质点质点(普通力学)刚体刚体(理论力学)微小微小变形体变形体(材料力学，否则就是塑性或断裂力学)，人类认识深化的必然产物人类认识深化的必然产物！4 变形体力学变形体力学 变形体受力后的运动或变形规律变形体受力后的运动或变形规律涉及到涉及到变形变形，理论力学（刚体）无能为力，材料力学当仁不让！，理论力学（刚体）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，特点：材料力学是变形体力学最早的分支，特点：（1

4、 1）作用力）作用力施加缓慢施加缓慢；（；（2 2）作用力）作用力时间长时间长-与建筑的寿命相与建筑的寿命相等；（等；（3 3）与）与受力截面（形状、大小）受力截面（形状、大小）密切相关；（密切相关；（4 4）采用）采用假假设、近似设、近似的研究方法。的研究方法。概念多，概念多，变形多，变形多，公式多，公式多，实验多实验多 研究对象研究对象 质点？刚体？弹性范围内的质点？刚体？弹性范围内的微小微小变形体变形体！-平衡状态下（静态），弹性体在弹性范围内时，平衡状态下（静态），弹性体在弹性范围内时，即为材料力即为材料力学的研究对象！学的研究对象！材料力学是研究外力施加完后材料力学是研究外力施加完后

5、但没有撤去，达到平衡状态后但没有撤去，达到平衡状态后的的情况，所以是情况，所以是静力学静力学，不再出现与时间相关的，不再出现与时间相关的速度速度和和加速度加速度！5西安的仿唐式建筑西安的仿唐式建筑 杭州湾大桥杭州湾大桥 二、材料力学的任务二、材料力学的任务 工程需要的迫切性工程需要的迫切性 工程需要上看工程需要上看，材力是必然产物，能成为学科是人类文明，材力是必然产物，能成为学科是人类文明成果发展的积累；成果发展的积累；建筑和桥梁为什么设计成这种形状，建筑和桥梁为什么设计成这种形状，构件为什么是这个大小和形状？构件为什么是这个大小和形状？6长江、松花江的堤坝；长江、松花江的堤坝；911911的

6、世贸大楼；的世贸大楼；失事的飞机；失事的飞机；日常的衣食住行涉及的结构；日常的衣食住行涉及的结构；安全是人类生存的基本功能！安全是人类生存的基本功能！生活中的一切，无不涉及受力问题的安全？安全与经济？生活中的一切，无不涉及受力问题的安全？安全与经济？7南京长江大桥南京长江大桥材料力学的实际应用材料力学的实际应用:宜昌长江大桥宜昌长江大桥PSPS：仅仅考虑安全是不够的，：仅仅考虑安全是不够的，不完美不完美！经济，美观及人性化设计也是重要的设计因素！经济，美观及人性化设计也是重要的设计因素！8建建于于14001400年年前前（隋隋朝朝）的的河河北北赵赵州州桥桥跨跨37.0237.02米米、宽宽9

7、9米米、拱高拱高7.237.23米，米，计算计算结果表明结果表明 ：压力线完全通过拱轴压力线完全通过拱轴。用结构拓扑优化方法计算的结果，完全类似赵州桥的构型。用结构拓扑优化方法计算的结果，完全类似赵州桥的构型。我们的我们的先辈先辈做出了很好的表率！做出了很好的表率！9材料力学关心的核心问题：对构件的三项基本要求材料力学关心的核心问题：对构件的三项基本要求具有足够的强度具有足够的强度（Strength）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)-没有被破坏，否则导致失效！具有足够的刚度（具有足够的刚度（StiffnessStiffness）构件在外载作

8、用下，）构件在外载作用下，抵抗可恢复抵抗可恢复变形的能力变形的能力。机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。-虽然没有被破坏，但虽然没有被破坏，但变形变形必须足够小！必须足够小！足够的稳定性足够的稳定性（Stability）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，否则影响安全。10难度大，课时少！难度大，课时少！PSPS：每人必备一把尺子，养成认真画图的习惯！：每人必备一把尺子，养成认真画图的习惯！材料力学的任务材料力学的任务1 1）研究构件的）研究构件的强度强度、刚度刚度和和稳定性稳定性等；等；2 2）协调）协调安全安全与与经

9、济经济之间的矛盾。之间的矛盾。学习要点学习要点-关键在于自己：关键在于自己：公式多，基本公式公式多，基本公式能推导并熟记能推导并熟记（考试不会给出公式！）；（考试不会给出公式！）；多做课本习题，及时交作业（不适合考前突击！）；多做课本习题，及时交作业（不适合考前突击！）；熟悉课本熟悉课本，课前预习，课后复习。，课前预习，课后复习。注意对比学习！（拉压、扭转和弯曲之间的异同、公式和物理注意对比学习！（拉压、扭转和弯曲之间的异同、公式和物理 图象的对比！）图象的对比！）11三、材料力学的作用材料力学的作用 承前启后的阶段性 1。后续的力学（其它的变形体力学）结构力学,弹性、塑性、断裂力学,纳米、流

10、体力学等；2。后续的专业课程 建筑结构，结构设计原理，机械设计等；3。相关专业：土木、机械、航空航天、交通运输、材料、工程、仪表，安检等；4。今后工程工作中直接受益。12PSPS：材料力学是近似力学，假设力学！：材料力学是近似力学，假设力学！在在任何大小任何大小的外力作用下，的外力作用下，一切固体一切固体都将发生变形，故称为变形都将发生变形，故称为变形固体；构件均由固体材料制成，故构件一般都是固体；构件均由固体材料制成，故构件一般都是变形固体变形固体。变形固体的假设变形固体的假设 1 1连续性假设连续性假设：认为整个物体体积内毫无空隙地充满物质;2 2均匀性假设均匀性假设：认为物体内的任何部分

11、，其力学性能相同;3 3各向同性假设各向同性假设：在物体内各个不同方向的力学性能相同;4.4.小变形假设小变形假设：变形与本身的尺寸相比很小，可以忽略。1.2 1.2 变形固体的基本假设变形固体的基本假设131.3 1.3 外力及其分类外力及其分类概念：来自构件外部的力。a)表面力表面力：作用于构件表面的力，包括分布力分布力和集中力集中力；b)体积力体积力：连续分布于构件内部各点的力，如自重和惯性力。a)静载荷静载荷：与时间无关，是本课程重点研究的载荷是本课程重点研究的载荷；b)动载荷动载荷：与时间有关，例如：交变载荷，和冲击载荷。PSPS：本课程与中学学习的力学，即：力和运动（力与运动的加速

12、：本课程与中学学习的力学，即：力和运动（力与运动的加速度的关系）有极大差异！（本课程将不再出现度的关系）有极大差异！（本课程将不再出现速度速度和和加速度加速度，力力与做与做功功的关系式也不同！）的关系式也不同！）外力的作用只是为了求出内力！外力的作用只是为了求出内力！141 1。内力。内力 外力引起的物体内部之间物体内部之间的相互作用力，（物体本来存在内部作用力，本课程研究的是由于外力引起了内部作用力的改变）。PSPS：高中物理不同：内力不一定就是单位为牛顿的传统的力，：高中物理不同：内力不一定就是单位为牛顿的传统的力，还包括力矩，如还包括力矩，如弯矩、扭矩弯矩、扭矩！2 2。截面法。截面法求

13、内力求内力 用截面假想地把构件分成两部分，以求解内力的方法。1.4 1.4 内力、截面法和应力的概念内力、截面法和应力的概念153 3）代代：用作用于截面上的内力内力，代替弃去另一半对留下 另一半的整体作用力；整体作用力；1 1）截截：欲求某一截面的内力，沿该截面将构件假想地截成两半；4 4）平平：建立留下一半的平衡条件，确定未知的内力内力。2 2）取取：取其中任意一半为研究 对象，而弃去另一半。截面法求内力四步曲：截面法求内力四步曲：图图1.116概念：单位面积概念：单位面积所受到的内力，是一个所受到的内力，是一个压强压强的概念，的概念，单位为压单位为压强的单位强的单位。图图1.3 3 3应

14、力应力n应力是一个矢量（应力是一个矢量（有别于压强有别于压强）；）；n平均应力：单位面积上的内力的平均集度；平均应力：单位面积上的内力的平均集度；nC C点的应力：点的应力：当面积趋于零时，平均应力的大小和方向都将当面积趋于零时，平均应力的大小和方向都将 趋于一定极限，得到：趋于一定极限，得到：17应力的单位为：应力的单位为：N/mN/m2 2（正应力正应力和和切应力切应力都是如此！）都是如此！）1 N/m 1 N/m2 2 =1 Pa=1 Pa（帕斯卡）（帕斯卡）1 MN/m 1 MN/m2 2=1 MPa=10=1 MPa=106 6 N/m N/m2 2=10=106 6 PaPa 1

15、GPa=1 GN/m 1 GPa=1 GN/m2 2 =10=109 9 PaPa18位于截面内位于截面内的应力称为的应力称为“切应力切应力”(Shearing StressShearing Stress)垂直于截面的应力称为垂直于截面的应力称为“正应力正应力”(Normal StressNormal Stress)p M 正应力应该称为正应力应该称为法向应法向应力力更好理解！更好理解！切应力应该称为切应力应该称为剪断剪断应力应力更好理解！更好理解！包括拉、压两种。包括拉、压两种。191.5 1.5 变形与应变变形与应变应变应变应力作用下的形变应力作用下的形变构件任一点的变形，只有线变形线变形

16、和角变形角变形两种，由线应变线应变和角应角应变变来度量。单位长度上的变形量，是一个比值，无量纲；（L/LL/L）物理意义：构件上一点沿某一方向变形量的大小。2 2角应变角应变（切应变）切应变）某一点单元体角度的改变量角度的改变量。PSPS：应变：应变无量纲无量纲(无单位无单位),),仅是一个仅是一个反映形变反映形变程度的比值！程度的比值！1 1线应变线应变20CABCL1L2PC构件的位移位移和变形变形都是在弹性范围内的微小变形微小变形，远小于原始尺寸远小于原始尺寸。因此因此：在计算构件内力内力和平衡方程平衡方程时，变形变形和和位移忽略不计位移忽略不计（但仍然是存在（但仍然是存在的）的）：一律

17、采用原始尺寸一律采用原始尺寸（看作是刚（看作是刚体）！体）！原始尺寸原理：原始尺寸原理：211.6 1.6 构件件变形的基本形式构件件变形的基本形式1.1.拉压拉压(图图1.7)1.7)2.2.剪切剪切(图图1.8)1.8)223.扭转扭转5.组合变形组合变形4.弯曲弯曲PR23材料力学的研究方法（材料力学的研究方法（本课程学习内容本课程学习内容）：）：1 1。分析。分析外力外力；2 2。由外力决定。由外力决定内力内力；3 3。由内力决定。由内力决定应力应力；4 4。由应力。由应力决定决定应变应变；5 5。强度或刚度校核，判断安全性、刚度、稳定性等。强度或刚度校核，判断安全性、刚度、稳定性等。24课外作业：认真完做课本后每一道习题；课外作业：认真完做课本后每一道习题；课本最后有答案。课本最后有答案。25坚定信心，预祝大家学好这门课！坚定信心，预祝大家学好这门课！26