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1、第1章 材料力学绪论,第1章 材料力学绪论,第1章 材料力学绪论,本章介绍材料力学的基础知识、研究方法以及材料力学对于工程设计的重要意义。,材料力学与理论力学在分析方法上，也不完全相同。材料力学的分析方法是在实验基础上，对于问题作一些科学的假定，将复杂的问题加以简化，从而得到便于工程应用的理论成果与数学公式。,材料力学主要研究变形体受力后发生的变形；研究由于变形而产生的附加内力；研究由此而产生的失效以及控制失效的准则。在此基础上导出工程构件静力学设计的基本方法。,第1章 材料力学绪论, 1.1 材料力学的任务及研究对象, 1.2 变形固体及其基本假设, 1.4 材料力学与工程实践, 1.3 杆
2、件变形的基本形式,第1章 材料力学绪论, 1.1 材料力学的任务及研究对象,第1章 材料力学绪论,材料力学的任务及研究对象,根据空间三个方向的几何特征，弹性体大致可分为：,杆,空间一个方向的尺度远大于其它两个方向的尺度。,第1章 材料力学绪论,材料力学的任务及研究对象,根据空间三个方向的几何特征，弹性体大致可分为：,板,空间一个方向的尺度远小于其它两个方向的尺度，且各处曲率均为零。,壳,空间一个方向的尺度远小于其它两个方向的尺度，且至少有一个方向的曲率不为零。,第1章 材料力学绪论,材料力学的任务及研究对象,根据空间三个方向的几何特征，弹性体大致可分为：,体,空间三个方向具有相同量级的尺度。,
3、第1章 材料力学绪论,材料力学的任务及研究对象,材料力学（strength of materials）的研究内容分属于两个学科。,第一个学科是固体力学(solid mechanics)，即研究物体在外力作用下的应力、变形和能量，统称为应力分析（stress analysis）。但是，材料力学所研究的仅限于杆、轴、梁等物体，其几何特征是纵向尺寸（长度）远大于横向（横截面）尺寸，这类物体统称为杆或杆件（bars或rods）。大多数工程结构的构件或机器的零部件都可以简化为杆件。,第1章 材料力学绪论,材料力学的任务及研究对象,以上两方面的结合使材料力学成为工程设计(engineering desig
4、n)的重要组成部分，即设计出杆状构件或零部件的合理形状和尺寸，以保证它们具有足够的强度(strength)、刚度(stiffness)和稳定性(stability)。,第二个学科是材料科学(materials science)中的材料的力学行为(behaviours of materials)，即研究材料在外力和温度作用下所表现出的力学性质(mechanical properties)和失效(failure)行为。但是，材料力学所研究的仅限于材料的宏观力学行为，不涉及材料的微观机理。,第1章 材料力学绪论,材料力学的任务及研究对象,强度是指构件受力后不能发生破坏或产生不可恢复的变形的能力,即构
5、件承受外荷载的能力或构件抵抗破坏的能力；,刚度是指构件受力后不能发生超过工程允许的弹性变形的能力或构件抵抗变形的能力；,稳定性是指构件在载荷的作用下，保持平衡形式不能发生突然转变的能力（例如细长直杆在轴向压力作用下，当压力超过一定数值时，在外界扰动下，杆会突然从直线平衡形式转变为弯曲的平衡形式）。,第1章 材料力学绪论, 1.2 变形固体及其基本假设,第1章 材料力学绪论, 变形固体及其基本假设,机械或结构中的各种构件，都是由各种材料制成的，由这些材料组成的固体，在外力作用下，都会发生形状及尺寸的改变，即变形，这些固体称为变形固体。,1、均匀连续性假设,组成变形固体的物质毫无空隙地、均匀地充满
6、了构件的整个几何体积。固体内处处有相同的力学性能。在构件内任意位置截取一体积单元研究，其力学性质都是相同的，其结论也适用于整个固体及固体的其它部分。, 变形固体的基本假设,第1章 材料力学绪论, 变形固体及其基本假设,1、均匀连续性假设,2、各向同性假设,材料在各个方向上具有相同的力学性质，即各向同性。反之，则称为各向异性。,3、小变形假设,构件在外力作用下所产生的变形与其整个构件的几何尺寸相比是很小的。因此在计算构件受力时可以用构件变形前的几何形状和尺寸。, 变形固体的基本假设,第1章 材料力学绪论, 变形固体及其基本假设, 弹性变形和塑性变形,下面以弹性杆为例说明。,弹性变形：卸除荷载后能
7、完全消失的那一部分变形。,塑性变形：卸载后不能完全消失而残留下来的那部分变形。,第1章 材料力学绪论, 杆件变形的基本形式,第1章 材料力学绪论,杆件变形的基本形式,轴向拉伸或轴向压缩,拉杆,压杆,由大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线重合的一对力所引起，表现为杆件长度的伸长或缩短。如托架的拉杆和压杆受力后的变形。,第1章 材料力学绪论,杆件变形的基本形式,剪 切,由大小相等、方向相反、相互平行且非常靠近的一对力所引起，表现为受剪杆件的两部分沿外力作用方向发生相对错动。如连接件中的螺栓和销钉受力后的变形。,第1章 材料力学绪论,杆件变形的基本形式,扭 转,由大小相等、转向相反、作用面都垂直于杆
8、轴的一对力偶所引起，表现为杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动。如机器中的传动轴受力后的变形。,第1章 材料力学绪论,杆件变形的基本形式,弯 曲,由垂直于杆件轴线的横向力，或由作用于包含杆轴的纵向平面内的一对大小相等、方向相反的力偶所引起的，表现为杆件轴线由直线变为受力平面内的曲线。如单梁吊车的横梁受力后的变形。,第1章 材料力学绪论,杆件变形的基本形式,组 合 变 形,构件在荷载作用下，同时发生两种或两种以上的基本变形，称为组合变形。,压弯组合,斜弯曲,第1章 材料力学绪论, 1.4 材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践,材料力学既是一门基础科学，又是一门应用科学
9、，无论是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等，还是后起的航空工程、航天工程、核技术工程、生物医学工程等，都存在材料力学的研究领域。,材料力学的主要研究方法是：理论分析、实验研究和数值计算。,与其它学科一样，材料力学是由生产实践的推动逐步发展和丰富起来的，是人们认识自然和改造自然的必然产物。, 1.4 材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践, 1.4 材料力学与工程实践,人类在生产劳动和对自然现象观测基础上积累了力学知识，逐渐形成一些概念，然后对一些现象的规律进行描述。这种描述，先是定性的，而后是定量的。,意大利科学家伽利略关于力学和局部运动的两门新
10、科学的对话和数学证明一书的发表（1638年）是材料力学开始形成一门独立学科的标志。,在该书中讨论的第一问题是直杆轴向拉伸问题，得到承载能力与横截面积成正比而与长度无关的正确结论。第二个问题是梁的弯曲强度问题。,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践, 1.4 材料力学与工程实践,梁在弯曲变形时，沿长度方向的纤维中有一层既不伸长也不缩短者，称为中性层。1620年荷兰人比克门和1678年英国科学家胡克阐述了中性层现象，但他们都没有述及中性层的位置问题。其后马略特莱布尼兹、雅科布伯努利、伐里农等人的研究工作尽管都涉及了这一问题，但都没有得出正确的结论。18世纪初，法国学者帕伦对这一问题的研究取得了
11、突破性的进展。直到1826年纳维才在他的材料力学讲义中给出正确的结论：中性层过横截面的形心。,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践, 1.4 材料力学与工程实践,平面假设是材料力学计算理论的重要基础之一。雅科布伯努利于1695年提出了梁弯曲的平截面假设，但由于没有采用曲率的简化式，且当时尚无弹性模量的定量结果，致使该理论并没有得到广泛的应用。,梁的变形计算问题，早在13世纪纳莫尔已经提出，此后雅科布伯努利、丹尼尔伯努利、欧拉等人都曾经研究过这一问题。1826年纳维在他材料力学讲义中得出了正确的挠曲线微分方程式及梁的弯曲强度的正确公式，为梁的变形与强度计算问题奠定了正确的理论基础。,第1章
12、材料力学绪论,材料力学与工程实践, 1.4 材料力学与工程实践,俄罗斯工程师儒拉夫斯基于1855年得到横力弯曲时的切应力公式。30年后，他的同胞别斯帕罗夫开始使用弯矩图，被认为是历史上第一个使用弯矩图的人。,对于圆轴扭转问题，法国科学家库仑做了开创意义的工作。1807年英国科学家杨得到了横截面上切应力与到轴心距离成正比的正确结论。法国力学家圣维南于19世纪中叶运用弹性力学方法奠定了柱体扭转理论研究的基础，称为圣维南问题。,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践, 1.4 材料力学与工程实践,闭口薄壁杆件的切应力公式是布莱特于1896年得到的；而铁摩辛柯、符拉索夫和乌曼斯基则对求解开口薄壁杆件
13、扭转问题做出了杰出的贡献。,压杆在工程实际中到处可见。文艺复兴时期，达芬奇对压杆做了一些开拓性的研究工作。1729年荷兰物理学教授穆申布罗克于得出“压曲载荷与杆长的平方成反比的重要结论”。,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践, 1.4 材料力学与工程实践,欧拉在1744年出版的变分法专著中，曾得到细长压杆失稳后弹性曲线的精确描述及压曲载荷的计算公式。1757年他又出版了关于柱的承载能力的论著。1770年拉格朗日得到两端铰支压杆压曲载荷公式。,1807年英国自然哲学教授杨（Young T）、1826年纳维先后指出欧拉公式只适用于细长压杆。1846年拉马尔（Lamarle E）具体讨论了欧拉
14、公式的适用范围，并提出超出此范围的压杆要依*实验研究方可解决问题的正确见解。,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践, 1.4 材料力学与工程实践,关于大家熟知的非细长杆压曲载荷经验公式的提出者，则众说纷云，难于考证。一种说法是瑞士的台特迈尔和俄罗斯的雅辛斯基都提出过有关压杆临界力与柔度关系的经验公式，雅辛斯基还用过许可应力折减系数计算稳定许可应力。,随时间作周期性变化的应力，称为交变应力。构件在交变应力作用下，经一定循环次数发生的破坏，称为疲劳破坏。1839年巴黎大学教授庞赛洛特（Pancelet J U）在讲课中首先使用了金属疲劳的概念。,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践, 1.
15、4 材料力学与工程实践,19世纪中期，随着铁路运输的发展，断轴的事故常有发生，引起人们对疲劳破坏现象的研究兴趣。当时沃勒（Wohler A）首先在旋转弯曲疲劳试验机上进行开创性的试验研究，提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。为纪念他对疲劳强度研究工作所做的杰出贡献，人们将应力与疲劳破坏循环次数的关系曲线（即s-N曲线）称为沃勒曲线，尽管在他当时的研究工作中并没有使用这种曲线。,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践, 1.4 材料力学与工程实践,其后，盖帕尔（Gerber）和古德曼（Goodman）分别研究了平均应力对寿命的影响，后者还提出了考虑平均应力影响的简单理论。此后，高夫（Cough
16、）对多轴应力状态疲劳现象进行研究，将静应力强度理论引入多轴应力疲劳问题，并和波拉德（Pollard）共同提出解决多轴应力疲劳设计的Gough-Pollard公式，出版了第一本关于金属材料疲劳的专著。,以上就是材料力学要研究的主要问题的发展概况，下面介绍一下生产和生活中与材料有关的一些实例。,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,长江三峡工程,材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,莱特兄弟的飞机模型,材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,飞鸟与机翼相撞,材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,美国发现者号航天飞机升空,我国的 长征火箭家族,材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,“神州七号”飞船,材料力学与工程实践,第1章 材料力学绪论,和平号空间站,材料力学与工程实践,
