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1、1 材料力学阶段总结 一. 材料力学的一些基本概念一. 材料力学的一些基本概念 1.材料力学的任务1.材料力学的任务： 解决安全可靠与经济适用的矛盾。 研究对象研究对象：杆件 强度强度：抵抗破坏的能力 刚度刚度：抵抗变形的能力 稳定性稳定性：细长压杆不失稳。 2. 材料力学中的物性假设2. 材料力学中的物性假设 连续性连续性：物体内部的各物理量可用连续函数表示。 均匀性均匀性：构件内各处的力学性能相同。 各向同性各向同性：物体内各方向力学性能相同。 3. 材力与理力的关系,3. 材力与理力的关系, 内力、应力、位移、变形、应变的概念内力、应力、位移、变形、应变的概念 材力与理力：材力与理力：平
2、衡问题，两者相同； 理力：刚体，材力：变形体。 内力内力：附加内力。应指明作用位置、作用截面、作用方向、和符号规定。 应力应力：正应力、剪应力、一点处的应力。应了解作用截面、作用位置（点） 、作用 方向、和符号规定。 正应力正应力 拉应力 压应力 应变应变：反映杆件的变形程度 角应变 线应变 变形基本形式：拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲。 4. 物理关系、本构关系4. 物理关系、本构关系 虎克定律；剪切虎克定律：虎克定律；剪切虎克定律： Gr EA Pl lE 夹角的变化。剪切虎克定律：两线段 拉伸或压缩。拉压虎克定律：线段的 适用条件：应力应变是线性关系：材料比例极限以内。 5. 材料的力学性
3、能（拉压）5. 材料的力学性能（拉压）： 一张一张-图，两个塑性指标、图，两个塑性指标、，三个应力特征点 ：，四个变化阶段 ：三个应力特征点 ：，四个变化阶段 ： bsp 、 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。 拉压弹性模量E E，剪切弹性模量G G，泊松比v，v， ）（V E G 12 塑性材料与脆性材料的比较：塑性材料与脆性材料的比较： 2 变形 强度抗冲击应力集中 塑性材料流动、断裂变形明显 拉压的基本相同 s 较好地承受冲击、振动不敏感 脆性无流动、脆断仅适用承压非常敏感 6. 安全系数、 许用应力、工作应力、应力集中系数6. 安全系数、
4、许用应力、工作应力、应力集中系数 安全系数安全系数：大于1的系数，使用材料时确定安全性与经济性矛盾的关键。过小，使构 件安全性下降；过大，浪费材料。 许用应力许用应力：极限应力除以安全系数。 塑性材料 s s n s 0 脆性材料 b b n b 0 7. 材料力学的研究方法7. 材料力学的研究方法 1) 所用材料的力学性能：通过实验获得。 2) 对构件的力学要求：以实验为基础，运用力学及数学分析方法建立理论，预测理 论应用的未来状态。 3) 截面法：将内力转化成“外力” 。运用力学原理分析计算。 8.材料力学中的平面假设8.材料力学中的平面假设 寻找应力的分布规律，通过对变形实验的观察、分析
5、、推论确定理论根据。 1) 拉（压）杆的平面假设1) 拉（压）杆的平面假设 实验：横截面各点变形相同，则内力均匀分布，即应力处处相等。 2) 圆轴扭转的平面假设2) 圆轴扭转的平面假设 实验：圆轴横截面始终保持平面，但刚性地绕轴线转过一个角度。横截面上正应力 为零。 3) 纯弯曲梁的平面假设3) 纯弯曲梁的平面假设 实验：梁横截面在变形后仍然保持为平面且垂直于梁的纵向纤维；正应力成线性分 布规律。 9 小变形和叠加原理9 小变形和叠加原理 小变形： 梁绕曲线的近似微分方程梁绕曲线的近似微分方程 杆件变形前的平衡杆件变形前的平衡 切线位移近似表示曲线切线位移近似表示曲线 力的独立作用原理 力的独
6、立作用原理 叠加原理： 叠加法求内力 叠加法求内力 叠加法求变形。 叠加法求变形。 10 材料力学中引入和使用的的工程名称及其意义（概念）10 材料力学中引入和使用的的工程名称及其意义（概念） 1) 荷载：恒载、活载、分布荷载、体积力，面布力，线布力，集中力，集中力偶， 极限荷载。 3 2) 单元体，应力单元体，主应力单元体。 3) 名义剪应力，名义挤压力，单剪切，双剪切。 4) 自由扭转，约束扭转，抗扭截面模量，剪力流。 5) 纯弯曲，平面弯曲，中性层，剪切中心（弯曲中心） ，主应力迹线,刚架，跨度, 斜弯曲，截面核心，折算弯矩，抗弯截面模量。 6) 相当应力，广义虎克定律，应力圆，极限应力
7、圆。 7) 欧拉临界力，稳定性，压杆稳定性。 8)动荷载，交变应力，疲劳破坏。 二. 杆件四种基本变形的公式及应用二. 杆件四种基本变形的公式及应用 1. 四种基本变形1. 四种基本变形： 基本变形基本变形截面几何截面几何 性质性质 刚度刚度应力公式应力公式变形公式变形公式备注备注 拉伸与压缩面积：A A抗拉(压) 刚度 EA EA A N EA Nl l 注意变截面及 变轴力的情况 剪切面积：A A A Q 实用计算法 圆轴扭转极惯性矩 dAI p 2 抗扭刚度 P GI p T W M max max P T GI lM 纯弯曲惯性矩 dAyIz 2 抗弯刚度 Z EI Z W M max
8、 max Z Z EI xM EI xM dx yd ）（ （ ）（ 1 2 2挠度y y 转角 dx dy 2. 四种基本变形的刚度，都可以写成2. 四种基本变形的刚度，都可以写成： 刚度 = 材料的物理常数截面的几何性质刚度 = 材料的物理常数截面的几何性质 1)物理常数：1)物理常数： 某种变形引起的正应力：抗拉（压）弹性模量E E； 某种变形引起的剪应力：抗剪（扭）弹性模量G G。 2)截面几何性质：2)截面几何性质： 拉压和剪切：变形是截面的平移： 取截面面积 A A； 扭转：各圆截面相对转动一角度或截面绕其形心转动： 取极惯性矩； I 梁弯曲：各截面绕轴转动一角度：取对轴的惯性矩。
9、 Z I 3. 四种基本变形应力公式都可写成：3. 四种基本变形应力公式都可写成： 应力=应力= 截面几何性质 内力 4 对扭转的最大应力扭转的最大应力：截面几何性质取抗扭截面模量抗扭截面模量 max I Wp 对弯曲的最大应力：弯曲的最大应力：截面几何性质取抗弯截面模量抗弯截面模量 max y I W Z Z 4. 四种基本变形的变形公式，都可写成：4. 四种基本变形的变形公式，都可写成： 变形变形= 刚度 长度内力 因剪切变形为实用计算方法，不考虑计算变形。 弯曲变形的曲率 ，一段长为 l 的纯弯曲梁有： 2 2 1 dx yd x ）（ z x EI lM x l ）（ 补充与说明：补充
10、与说明： 1、关于“拉伸与压缩”1、关于“拉伸与压缩” 指简单拉伸与简单压缩，即拉力或压力与杆的轴线重合拉力或压力与杆的轴线重合；若外荷载作用线不与轴线重 合，就成为拉（压）与弯曲的组合变形问题 ； 杆的压缩问题，要注意它的长细比（柔度） 。 这里的简单压缩是指“小柔度压缩问题” 。 2、关于“剪切”2、关于“剪切” 实用性的强度计算法，作了剪应力在受剪截面上均匀分布的假设。要注意有不同的受 剪截面： a.单面受剪：a.单面受剪： 受剪面积是铆钉杆的横截面积； b.双面受剪：b.双面受剪： 受剪面积有两个：考虑整体结构，受剪面积为2倍销钉截面积；运用截面法，外力一分 为二，受剪面积为销钉截面积
11、。 c.圆柱面受剪：c.圆柱面受剪： 受剪面积以冲头直径d为直径，冲板厚度 t t 为高的圆柱面面积。 3.关于扭转3.关于扭转 表中公式只实用于圆形截面的直杆和空心圆轴圆形截面的直杆和空心圆轴。等直圆杆扭转的应力和变形计算公式 可近似分析螺旋弹簧的应力和变形问题是应用杆件基本变形理论解决实际问题的很好例 子。 4.关于纯弯曲4.关于纯弯曲 纯弯曲，在梁某段剪力 Q=0Q=0 时才发生，平面假设成立。 横力弯曲（剪切弯曲）可以视作剪切与纯弯曲的组合，因剪应力平行于截面，弯曲正应力 垂直于截面，两者正交无直接联系，所以由纯弯曲推导出的正应力公式可以在剪切弯曲中 使用。 5.关于横力弯曲时梁截面上
12、剪应力的计算问题5.关于横力弯曲时梁截面上剪应力的计算问题 5 为计算剪应力，作为初等理论的材料力学方法作了一些巧妙的假设和处理，在理解矩 形截面梁剪应力公式时，要注意以下几点： 1) 无论作用于梁上的是集中力还是分布力，在梁的宽度上都是均匀分布的。故剪应力在宽 度上不变，方向与荷载（剪力）平行。 2) 分析剪应力沿梁截面高度分布变化规律时，若仅在截面内，有， Qbdhh n )( 因 的函数形式未知，无法积分。但由剪应力互等定理，考虑微梁段左、右内 )(h 力的平衡，可以得出： bI QS z Z * 剪应力在横截面上沿高度的变化规律就体现在静矩上， 总是正的。 * z S * z S 剪应
13、力公式及其假设：剪应力公式及其假设： a.矩形截面a.矩形截面 假设1假设1：横截面上剪应力与矩形截面边界平行，与剪应力Q的方向一致； 假设2：假设2：横截面上同一层高上的剪应力相等。 剪应力公式： bI yQS y z z )( )( * ， 22* 22 y yb ySZ）（）（ 平均 2 3 2 3 max bh Q b. 非矩形截面积b. 非矩形截面积 假设1：假设1： 同一层上的剪应力作用线通过这层两端边界的切线交点， 剪应力的方向与剪力 的方向。 假设2：假设2：同一层上的剪应力在剪力Q方向上的分量相等。y 剪应力公式： z z y Iyb yQS y )( )( )( * 6 2
14、 3 22* )( 3 2 )(yRySz 2 2 2 1 3 4 )( R yQ y y 平均 3 4 max c.薄壁截面c.薄壁截面 假设1：假设1：剪应力与边界平行，与剪应力谐调。 假设2：假设2：沿薄壁t，均匀分布。 剪应力公式： z z tI QS * 学会运用“剪应力流”概念确定截面上剪应力的方向。学会运用“剪应力流”概念确定截面上剪应力的方向。 三.梁的内力方程，内力图，挠度，转角三.梁的内力方程，内力图，挠度，转角 遵守材料力学中对剪力 Q Q 和弯矩 M M 的符号规定。 在梁的横截面上，总是假定内力方向与规定方向一致，从统一的坐标原点出发 划分梁的区间，且把梁的坐标原点放
15、在梁的左端（或右端） ，使后一段的弯矩方 程中总包括前面各段。 均布荷载 q、q、剪力Q Q、弯矩M M、转角、挠度 y y 间的关系： 由： ， ，M dx yd EI 2 2 Q dx dM q dx dQ 有 ）（）（xq dx yd EIxQ dx dM dx yd EI 4 4 3 3 设坐标原点在左端，则有： ： ， q q 为常值 q q dx yd EI 4 4 ： Q Aqx dx yd EI 3 3 ：M BAxx q dx yd EI 2 2 2 2 7 ：CBxx A x q dx dy EI 23 26 ：yDCxx B x A x q yEI 234 2624 其中
16、A、B、C、D四个积分常数由边界条件确定。 例如，如图示悬臂梁： 则边界条件为： 4 3 0 0 8 0 6 0 00 00 l q Dy l q C BM AQ lx lx x x | | | | 8624 43 4 ql x ql x q yEI EI ql y x 8 4 0 截面法求内力方程：截面法求内力方程： 内力是梁截面位置的函数，内力方程是分段函数，它们以集中力偶的作用点，分布的 起始、终止点为分段点； 1)在集中力作用处，剪力发生突变，变化值即集中力值，而弯矩不变；1)在集中力作用处，剪力发生突变，变化值即集中力值，而弯矩不变； 2)在集中力偶作用处，剪力不变，弯矩发生突变，变
