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1、1,材料力学,第一章 绪论及基本概念,2018年9月28日,2,第一章 绪论及基本概念,3,构件：构成机器及结构物的单个部分，一般称其为构件或零件。,变形：构件尺寸与形状的变化。,弹性变形：外力解除后可消失的变形；,塑性变形：外力解除后可不能消失的变形。,一、几个概念,1-1 材料力学的任务,4,结构物和机械由构件组成。,第一章 绪论及基本概念,5,第一章 绪论及基本概念,弹性变形示例,6,塑性变形示例,第一章 绪论及基本概念,7,构件的失效：工程构件在外力作用下丧失正常功能的现象。,强度失效：构件在外力作用下发生不可恢复的塑性变形或发生断裂； 刚度失效：构件在外力作用下产生过量的弹性变形；
2、稳定性失效：构件在外力作用下，失去了保持原有平衡状态的能力。,8,重庆綦江彩虹桥,强度失效-强度问题,9,1940年完工的主跨853m的塔可马大桥(Tacoma Narrows),只使用了三个月,便在19m/s的风速下造成了塌桥事故 。,强度失效-强度问题,10,刚度失效-刚度问题,11,毁坏的高压电线塔,稳定性失效-稳定性问题,12,对构件在荷载作用下正常工作的要求,. 具有足够的强度荷载作用下不断裂，荷载去除后不产生过大的永久变形(塑性变形)。,第一章 绪论及基本概念,. 具有足够的刚度荷载作用下的弹性变形不超过工程允许范围。,13,. 满足稳定性要求对于理想中心压杆是指荷载作用下杆件能保
3、持原有形态的平衡。,偏心受压直杆,第一章 绪论及基本概念,14,理想中心压杆,第一章 绪论及基本概念,15,强度、刚度、稳定性统称为构件的承载力，它与构件的材料、尺寸、截面形状有关。,强度: 构件在外力作用下抵抗破坏的能力；,刚度: 构件在外力作用下抵抗变形的能力；,稳定性: 构件在外力作用下保持原有平衡形式的能力。,构件的承载力：,16,在满足上述强度、刚度和稳定性要求的同时，须尽可能合理选用材料和降低材料消耗量，以节约投资。,材料力学包含的两个方面,理论分析(64),实验研究(8),测定材料的力学性能；解决某些不能全靠理论分析的问题,材料力学的任务：研究构件在外力作用下的变形、受力与破坏的
4、规律，为合理设计构件提供强度、刚度和稳定性分析的基本理论与方法。,二、材料力学的任务,17,入门,18,（1）萌芽时期在古代建筑中，尽管还没有严格的科学理论，但人们从长期生产实践中，对构件的承力情况已有一些定性或较粗浅的定量认识。例如，从圆木中截取矩形截面的木粱，当高宽比为3：2时最为经济，这大体上符合现代材料力学的基本原理。,古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。,一、材料力学发展简史,1-2 材料力学与生产实践的关系,19,力学知识最早起源于对自然现象的观察和
5、在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。,20,世界上现存最早、跨度最大的空腹式单孔圆弧拱石桥。位于中国河北省赵县，跨洨水。原名安济桥，俗称大石桥。隋开皇十五年至大业元年(595605年)由匠人李春修建。净跨 37.02 m，矢高7.23 m，桥面宽9 m。拱由28券(窄拱)并列组成。由于桥位良好、基底应力适宜，千余年来虽经多次洪水和地震，桥身基本完好。该桥构思精巧，造型稳重，是世界桥梁史上的杰作
6、。1961年定为中国全国重点文物保护单位。,第一章 绪论及基本概念,赵州桥(石拱桥)595-605年建，充分利用石料的压缩强度,21,安澜索桥安澜索桥是国家重点文物保护单位，相传始建于李冰建都江堰的战国末期，宋代时重建。历史上这座桥曾毁坏过几次，当时的政府均马上加以重修。这座桥原为一座竹索桥，现已改建成钢索桥，只是表面进行了仿竹木处理。全桥有九墩八孔，长340 m,宽1.4 m ，高13 m。,第一章 绪论及基本概念,22,（2）发展时期随着工业的发展，在车辆、船舶、机械和大型建筑工程的建造中所碰到的问题日益复杂，单凭经验已无法解决，这样，在对构件强度和刚度长期定量研究的基础上逐渐形成了材料力
7、学。运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世，在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人。弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。,23,从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。在弹性和流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的方法解决。这使得19世纪后半叶，在材料力学、结构力学同弹性力学之间，水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。,伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。牛顿继承和发展前人的研
8、究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。,24,伽利略（Galileo Galilei,15641642年) 意大利物理学家、天文学家。生于意大利北部佛罗伦萨一个贵族的家庭。1581年入比萨大学学医。主张研究自然界必须进行系统的观察和实验，是近代实验科学与机械唯物主义的奠基者之一。通过实验，推翻了向来奉为权威的亚里士多德关于“物体下落的速度和重量成比例”的学说。还发现物体的惯性定律、摆振动的等时性、抛体运行定律，并确定了伽利略相对性原理，因而被认为是经典力学和实验物理的先驱。,第一章 绪论及基本概
9、念,25,此后，力学的研究对象由单个的自由质点，转向受约束的质点和受约束的质点系。这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力学。其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这看作是连续介质力学的开端。后来，英国科学家胡克在1678年发表了根据弹簧实验观察所得的，“力与变形成正比”这一重要物理定律(即胡克定律)。奠定了材料力学的基础。 从18世纪起，材料力学开始沿着科学理论的方向向前发展。 20世纪初，随着新的数学理论和方法的出现，力学研究又蓬勃发展起来，创立了许多新的理论，同时也解决了工程技术中大量的关键性问题，如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问
10、题等。,26,胡克（Hooke Robert,16351703年),胡克1635年出生于英格兰怀特岛清水村,1653年到牛津大学作工读生。 1655年成为玻意耳的助手，由于他的实验才能，1662年被任命为皇家学会的实验主持人，1663年获硕士学位，同年被选为皇家学会正式会员，又兼任了学会陈列室管理员和图书管理员。1665年任格雷姆学院几何学教授，16671683年任学会秘书并负责出版会刊。1703年在伦敦逝世。,17世纪英国优秀的物理学家和天文学家。他的成就是多方面的。在光学和引力研究方面仅次于牛顿，而作为科学仪器的发明者和设计者，在当时是无与伦比的。,第一章 绪论及基本概念,27,1665年
11、，胡克提出了光的波动学说，将光振动的传播同水波的传播相比较。1672年，他进一步指出，光振动可以垂直于光传播的方向，他还研究了云母片的颜色，确认光现象随着云母片厚度的变化而变化。,胡克根据弹簧实验的结果，于1678年得出了胡克定律，即在比例极限内，弹性物体的应力与应变成正比。,1674年，胡克根据修正的惯性原理，以及离开太阳的离心力同向着太阳的吸引力之间的平衡，提出了行星运动的理论。,胡克的主要著作有显微检测法、哲学实验与观察等。,第一章 绪论及基本概念,28,二、材料力学与生产实践的关系,赵州桥(石拱桥)595-605年建，充分利用石料的压缩强度,安澜竹索桥(宋代建)(1964年改为钢缆承托
12、的索桥)充分利用竹材的拉伸强度,第一章 绪论及基本概念,29,30,高层建筑,31,高层建筑,32,高层建筑,33,海洋石油钻井平台,34,车辆与机械,35,道路与造桥,36,大型桥梁的强度 刚度 稳定性问题,37,澳 门 桥,上海南浦大桥,我国著名桥梁,南京长江大桥,38,大型水利工程设施,39,北京奥运2008鸟巢,40,让人惊叹的是，整个建筑通过巨型网状结构联系，内部没有一根立柱，看台是一个完整的没有任何遮挡的碗状造型，如同一个巨大的容器，赋予体育场以不可思议的戏剧性和无与伦比的震撼力。,41,42,膜结构建筑是21世纪最具代表性的一种全新的建筑形式，至今已成为大跨度空间建筑的主要形式之
13、一。它集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学与计算机技术等为一体，建造出具有标志性的空间结构形式，它不仅体现出结构的力量美，还充分表现出建筑师的设想，享受大自然浪漫空间。“水立方”是世界上最大的膜结构工程，除了地面之外，外表都采用了膜结构ETFE材料，蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。国家体育馆工程承包总经理谭晓春透露，这种材料的寿命为20多年，但实际会比这个长，人可以踩在上面行走，感觉特别棒。目前世界上只有三家企业能够完成这个膜结构。,膜结构的完美体现水立方,43,水立方,44,45,材料在荷载作用下都会产生变形尺寸改变和形状改变可变形固体。,对可变形固体的基本假设：,1. 连续性假设无空
14、隙、密实连续。,(1) 从受力构件内任意取出的体积单元内均不含空隙；,(2) 变形必须满足几何相容条件，变形后的固体内既无“空隙”，亦不产生“挤入”现象。,据此：,1-3 可变形固体的性质及其基本假设,46,3、各向同性假设物体在任何一个方向受力所表现出的力学性质是完全相同的。,2. 均匀性假设各点处材料的力学性能相同。对常用工程材料，尚有各向同性假设。,4. 小变形假设构件在承受荷载作用时，其变形与构件的原始尺寸相比甚小，甚至可以略去不计。,构件进行受力分析时可忽略其变形。因此，在确定构件内力和计算应力及变形时，均按构件的原始尺寸进行分析计算。,47,一、外力,1、按作用方式分,体积力,表面
15、力,集中力,分布力,2、按随时间变化分,静载荷,动载荷,交变载荷,冲击载荷,1-4 内力、应力和应变的基本概念,48,1、定义： 指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间相互作用力（附加内力）。,二、内力,49,材料力学中所研究的内力物体内各质点间原来相互作用的力由于物体受外力作用而改变的量。,根据可变形固体的连续性假设，内力在物体内连续分布,通常把物体内任一截面两侧相邻部分之间分布内力的合力和合力偶简称为该截面上的内力(实为分布内力系的合成)。,50,固有内力：分子内力.它是由构成物体的材料的物理性质所决定的。(物体在受到外力之前，内部就存在着内力),附加内力：在原有内力的基础上，又添加了新
16、的内力,内力与变形有关,内力特点：,1、有限性,2、分布性,3、成对性,51,2、内力的求法 截面法,步骤, 截开 在所求内力的截面处， 假想地用截面将杆件 一分为二。,52,m,m,代替：任取一部分，其弃去部分对留下部分的作用，用作用在截面上相应的内力（力或力偶）代替。,平衡：对留下的部分建立平衡方程，根据其上的已知外力来计算杆在截开面上的未知内力（此时截开面上的内力对所留部分而言是外力）。,53,一点的总应力：,平均应力:,1、定义 ：构件截面上的内力分布集度，称为应力。,该截面上M点处分布内力的集度为:,三、应力,54,正应力：,切应力：,55,应力特点：,1. 应力是矢量； 2. 同一横截面上，不同点处的应力一般不同； 3. 过同一点，不同方位截面上的应力一般不同。,应力量纲：力长度-2,（帕）,（兆帕）,应力单位：国际单位：,工程制单位：Kgf/mm2，kgf/cm2。,（吉帕）,56,1、变形,当力作用在物体上时，将引起物体形状及体积的变化，这种变化被称之为变形。,
