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1、材 料 力 学 哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院 第一章 绪论 1.1材料力学的任务 1.2构件强度、刚度、稳定性概念 1.3材料的基本假设 1.4小变形限制条件 1.5内力 1.6应力 1.7位移、变形和应变 1.8构件基本变形形式 力学与数学、物理、化学、天文、地理、生物并列为 七大基础学科。力学课程应该是工程类专业学生的必 修课。 力学的发展源远流长。20世纪前，机械工业、大水利 工程、大跨度桥梁、铁路与机车、船舶、兵器等近代 工业，无一不是在力学知识积累和完善的基础上产生 与发展起来的。例如，高新技术领域中的航空航天技 术(包括人类登月、建立空间站、航天飞机和卫星测 控)主要靠力学而
2、发展。一架载客400人的波音747飞 机，其质量超过100t，这样的庞然大物，竟然可以自 由翱翔于空中，是得益于近代空气动力学的成就；在 飞机遇到不稳定气流时，其机翼能够克服上下颤动， 确保航行安全，则是固体力学和结构力学的成就；客 机跨海越洋，遥遥数万里，无论昼夜，都能准确无误 地到达终点，既不会延误，也不会迷路，更不会失控 ，这是导航与自动控制技术的贡献，其最核心的技术 却是一般力学研究的成果。 1.1材料力学的任务 材料力学课程重在建立学生对工程设计中 强度、刚度、稳定性问题明确的基本概念 ，掌握必要的基础知识，培养比较熟练的 计算能力和初步的实验分析能力。 1.2构件强度、刚度、稳定性
3、概念 1.强度要求 要求构件受载时不发生断裂或产生永久变 形。 2.刚度要求 构件在外载的作用下，发生的弹性变形不 能超过允许值。 3.稳定性要求 要求构件在工作情况下，其平衡是稳定的 。 构件满足强度、刚度、稳定性要求的能力 ，称为构件的承载能力。 震惊世界的两次强度失效事故： 1“泰坦尼克号”沉没之谜 1912年4月14日，当时最大最豪华的4600t英制游轮 “泰坦尼克号”首次满载着2227名乘客离开英国的南 安普敦港驶向纽约。乘客们都以为自己乘坐的是最豪 华、最结实的轮船，做梦也不曾想到会有大祸临头。 因为该船的底部已被隔成各个独立的舱房，任一舱房 受损进水都不会影响别的舱房。即使在最坏
4、的情况下 ，如与别的船相撞导致一部分舱房进水，整个“泰坦 尼克号”沉没至少也需要3天时间，在那么长的时间 内无论如何也能得到救援。因此，这次处女航几乎可 以说是万无一失的，更何况造船用的是当时最优质的 钢材。 然而，令人遗憾的是，“泰坦尼克号”未能逃脱世界 航海史上最大海难事故的命运。被称为“不沉之船” 的“泰坦尼克号”连同它的1513位乘客，仅在3小时 内就被格陵兰海冰冷的海水吞没了。 这艘偌大的游轮究竟为什么会沉于海底呢?由于技术 上的原因，直至1991年，第一次科学考察队才开始到 水下对残骸进行考察，并收集了残骸的金属碎片供科 研用。这些碎片以及沉船在海底的状况使人们终于解 开了巨轮“泰
5、坦尼克号”罹难之谜。考察队员们发现 了导致“泰坦尼克号”沉没的两个重要细节。 一个细节说明，造船工程师们只考虑到船底、船尾 或船首有被撞坏的可能性。在深夜里行进的“泰坦尼 克号”遭遇冰山，当人们发现并想躲避却为时已晚。 如果值班人员没有发现冰山，轮船直接撞到冰山上去 的话，或许游轮受损伤进水的只是船首部分的舱房， 船一定不会整个沉没。但不幸的是，值班员偏偏发现 了冰山，并且怀着侥幸的心理想让船转过身来躲避冰 山，这样一来，冰山就像一把利刃似的从船的侧面切 入，把船拦腰斩断。这样，就不是一两个舱房进水， 而是所有的舱房都进了水。结果“泰坦尼克号”在几 个小时内就覆没于大海之中了。 第二个细节是造
6、船工程师只考虑到要增加钢 的强度，而没有想到要增加其韧性。把残骸的 金属碎片与如今的造船钢材作一对比试验，发 现在“泰坦尼克号”沉没地点的水温中，如今 的造船钢材在受到撞击时可弯成V形，而残骸 上的钢材则因韧性不够而很快断裂。由此发现 了钢材的冷脆性，即在-40O的温度下， 钢材的力学行为由韧性变成脆性，从而导致灾 难性的脆性断裂。而用现代技术炼的钢只有在 7060的温度下才会变脆。不过不 能责怪当时的工程师，因为当时谁也不知道， 为了增加钢的强度而往炼钢原料中增加大量硫 化物会大大增加钢的脆性，以致酿成了“泰坦 尼克号”沉没的悲剧。 另据美国纽约时报报导，一个海洋法医专 家小组对打捞起来的“
7、泰坦尼克号”船壳上的 铆钉进行了分析，发现固定船壳钢板的铆钉里 含有异常多的玻璃状渣粒，因而使铆钉变得非 常脆弱、容易断裂。 这一分析表明：在冰山的撞击下，可能是铆钉 断裂导致船壳解体，最终使“泰坦尼克号”葬 身于大西洋海底。 2切尔诺贝利核电站为什么发生大爆炸? 切尔诺贝利核电站是前苏联于1973年开始修建 、1977年启动的最大的核电站。1986年4月26日 凌晨，两声沉闷的爆炸声打破了核电站周围的 宁静。随着爆炸声，一条30多米高的火柱掀开 反应堆的外壳，冲向天空。反应堆的防护结构 和各种设备整个被掀起，温度高达2000的烈 焰吞噬着机房，熔化了粗大的钢架。携带着高 放射性物质的水蒸气和
8、尘埃随着浓烟升腾弥漫 ，这次爆炸造成了灾难性的后果。爆炸释放的 能量相当于500颗在广岛投放的原子弹。爆炸破 坏了核反应堆，使反应堆内180多吨浓缩铀燃料 的3被释放到大气中，放射性污染遍及前苏联 居住着694.5万人的15万平方公里的地区，核电 站周围30km范围被划为隔离区，庄稼被全部掩 埋。 那么，究竟是什么原因酿成了这场灾难?事后 的调查表明，这是由一系列的操作失误造成的 人为事故。刚完成检修的第四核反应堆重新启 动时，将产生的蒸汽输向已经关闭的涡轮机， 而能够关掉反应堆的自动保护装置却事先被切 断了。这样，反应堆不断工作产生蒸汽，却没 有宣泄的出口。反应堆外壳所承受的蒸汽压力 和温度
9、远远超出了它的设计要求，最终引发了 热能爆炸。 然而，对于人类来说，这次爆炸仍然是“幸运 ”的。因为它仅仅是一次过热的蒸汽爆炸，而 非核爆炸。否则这对于人类是绝对的灭顶之灾 。这次大爆炸也向人类敲响了警钟：如何杜绝 灾难性事故的发生，如何在恶劣的环境条件下 ，遏制更大灾难的发生，这也是对力学工作者 提出的新的挑战性课题。 19991999年年1 1月月4 4日，我国某市的一座大桥发日，我国某市的一座大桥发 生垮塌，造成：生垮塌，造成： 4040人死亡；人死亡； 1414人受伤；人受伤； 直接经济损失直接经济损失631631万元。万元。 法庭以外的问题法庭以外的问题力学素质的重要性力学素质的重要
10、性 从简单力学问题到高等力学问题。从简单力学问题到高等力学问题。 简单力学问题简单力学问题 队伍过桥时不能齐步走队伍过桥时不能齐步走 高等力学问题高等力学问题 冲击载荷的概念：冲击载荷的概念： 人跑步时脚上的力量有多大？人跑步时脚上的力量有多大？ 损伤累积与结构寿命损伤累积与结构寿命 与跑步的次数有关与跑步的次数有关 脚上的力量脚上的力量 假设人体重量为假设人体重量为750N750N 3000N 3500N 4500N 6000N 12500N 4 4.7 6 8 16.7 高等力学问题高等力学问题 损伤累积与结构寿命损伤累积与结构寿命 与跑步的次数有关与跑步的次数有关 构件的基本形式 1、杆
11、件 长度（纵向）比其他两个方向的尺寸 大很多的构件称为杆件。 2、块件 各方向尺寸相差不多的构件称为块件 。 杆(bar) 体(body) 构件的基本形式 板(plate) 壳(shell) 3 板件 厚度比其他两个方向尺寸小得多的构 件称为板件。 如果中面是平面的构件称为板。 而中面是曲面的话则称为壳。 1.3材料力学中的基本假设 1.关于材料性质得假定 连续性假设 均匀性假设 各向同性假设 1.4小变形限制条件 变形固体在载荷作用下可发生两种不同性质 的变形： 一. 弹性变形 二. 是塑性变形 材料力学是在弹性范围内研究构件的承载能 力。讨论由均匀、连续、各向同性材料制成 的杆件，受载后变
12、形为微小的弹性变形情况 ！ 材料力学和理论力学研究对象的区别 理论力学 研究对象 视为刚体 力学模型 理想化的力学模型 主要研究 力的运动效应 材料力学 研究对象 视为变形体 力学模型 更接近于实际 主要研究 力的变形效应 实际物体往往随所研究问题的不同，有时看 作 刚体，有时看作变形体。 理论力学中某些定理在材料力学中的应用 受到严格限制 加减平衡力系原理及其推理（力的可传性力 系简化的基础） 力的平移定理 力偶等效定理(力偶矩相等的两力偶等效)等 ,只适用于刚体，而不适用于变形体。 1.5 内力 内力 构件中一部分和其相邻部分的相互作 用力 内力是分布在截面上的 内力是成对出现的 截面法求
13、内力： 显示和确定内力的方法是截面法。 截面法的依据是“一个处于平衡状态的物体 其各部分也应保持平衡”。 例：有一直杆，一端固定，一端自由。在 自由端位于xOy平面内作用有集中力、和 力偶，现欲求截面上的内力 y m m p1 Me p2 x a 0 II I m m p1 Me p2 x 01 M N y Q I 将杆分成 、 两部分。先取 部分来研究 根据平面力系的平衡条件 若取 部分研究，应先由整体的平衡方 程求出固定端的支反力，然后可由 部分的 平衡条件求得截面上的内力 显然 分别为 作用力和反作用力 截面法求内力的过程可归纳如下： （1）切开 沿需求内力的截面，将构件假 想地截开为两
14、部分。 （2）代替 抛弃一部分，留下一部分，抛 弃部分对留下部分的作用以内力来代替。 （3）平衡 根据留下部分的平衡条件，由 已知外力求未知内力。 1.6 应力 概念 内力在一点处的集度称为该点的应力。 设作用在小面积 上的内力为 ，那么在 上的内力的平均集度为 （ 称为平均应力） C AD PD C t s P 当 C点 （无限变小） 某一极限值 我们称 为C点的全应力，其表达式为： 应力的量纲为 ,单位常用 是个矢量，为了研究的方便和需要，我 们总是将它分解为垂直于截面和平行于截 面的两个分量。前者称为正应力（或法向 应力），用 表示。后者称为剪应力（或 切向应力），用 表示 “应力”与“
15、压强”的区别 “应力”虽与“压强”量纲相同，但两 者的物理意义不同。 定义不同： 应力 内力 压强 外力 作用方式不同： 应力 可分解，存在于受力 物体内部任意一点 压强 作用于物体表面且垂 至于作用面，常呈均匀分布或线性分布 1.7 位移、变形和应变 线位移 角位移 P q A u v 二、变形与应变 线应变 单元体边长的改变 平均应变 单位长度内的平 均改变量，用来 表示 当 时，有 剪应变 单元体各边互成直角，变形 后直角的改变量 叫做剪应变。 uD sD ( )a 1.8构件基本变形形式 拉压拉压 ( ( tension & compression tension & compression ) ) 扭转扭转 ( torsion )( torsion ) 剪切剪切 ( ( shearing shearing ) ) 弯曲弯曲 ( ( bending bending ) )
