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1、工程力学在材料中的应用摘要:工程力学一般包括理论力学的静力学和材料力学的有关内容，是研究物体机械运动的一般规律和有关构件的强度、刚度、稳定性理论的科学，是一门理论性和实际性都较强的专业基础课。材料力学主要研究构件在外力作用下的强度、刚度和稳定性问题，在保证既安全又经济的条件下，为构件设计和材料使用提供理论依据。工程力学在材料中的应用十分广泛。大到机械中的各种机器，建筑中的各个结构，小到生活中的塑料食品包装，很小的日用品。各种物件都要符合它的强度、刚度、稳定性要求才能够安全、正常工作，所以工程力学在材料中的应用就显得尤为重要。关键词工程力学 材料 应用引言工程力学在材料中的应用十分广泛，生活中机
2、械常用的连接件，如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形，在设计时应主要考虑其剪切应力。汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的变形属于扭转变形。火车轴、起重机大梁的变形均属于弯曲变形。有些杆件在设计时必须同时考虑几个方面的变形，如车床主轴工作时同时发生扭转、弯曲及压缩三种基本变形；钻床立柱同时发生拉伸与弯曲两种变形。利用材料力学中卸载与在加载规律得出冷作硬化现象，工程中常利用其原理以提高材料的承载能力，例如建筑用的钢筋与起重的链条，但冷作硬化使材料变硬、变脆，是加工发生困难，且易产生裂纹，这时应采用退火处理，部分或全部地材料的冷作硬化效应。在生活中我们用的很多包装袋上都会剪出一个小口，其
3、原理就用到了材料力学的应力集中，使里面的食品便于撕开。但是工程设计中要特别注意减少构件的应力集中。在工程中，静不定结构得到广泛应用，如桁架结构。静不定问题的另一重要特征是，温度的变化以及制造误差也会在静不定结构中产生应力，这些应力称为热应力与预应力。为了避免出现过高的热应力，蒸汽管道中有时设置伸缩节，钢轨在两段接头之间预留一定量的缝隙等等，以削弱热膨胀所受的限制，降低温度应力。在工程中实际中，常利用预应力进行某些构件的装配，例如将轮圈套装在轮毂上，或提高某些构件承载能力，例如预应力混凝土构件。螺旋弹簧是工程中常用的机械零件，多用于缓冲装置、控制机构及仪表中，如车辆上的缓冲弹簧，发动机进排气阀与
4、高压容器安全阀中的控制弹簧，弹簧称中的测力弹簧等。生活中很多结构或构件在工作时，对于弯曲变形都有一定的要求。一类是要求构件的位移不得超过一定的数值。例如行车大量在起吊重物时，若其弯曲变形过大，则小车行驶时就要发生振动；若传动轴的弯曲变形过大，不仅会使齿轮很好地啮合，还会使轴颈与轴承产生不均匀的磨损；输送管道的弯曲变形过大，会影响管道内物料的正常输送，还会出现积液、沉淀和法兰结合不密等现象；造纸机的轧辊，若弯曲变形过大，会生产出来的纸张薄厚不均匀，称为废品。另一类是要求构件能产生足够大的变形。例如车辆钢板弹簧，变形大可减缓车辆所受到的冲击；又如继电器中的簧片，为了有效地接通和断开电源，在电磁力作
5、用下必须保证触电处有足够大的位移。生活中处处都是工程力学在材料中的应用，它与我们的生活密切相关。而我们需要一双发现的眼睛，处处留心皆学问，我们需要熟练掌握材料力学的知识才能明白其中的奥秘。材料力学让我们明白了很多以前生活不能明白的问题。我们受益匪浅，而它也是学习材料方面的基础，是最关键的一门学科，以后学习工作的一种工具。实例1）当驱动工作台向右移动时，油缸活塞上的压力和工作台的阻力使活塞杆受到压缩。同样，内燃机(图三)、空气压缩机、蒸汽机的连杆也是受压杆件。还有,桁架结构中的抗压杆、建筑物中的柱也都是压杆。现以图四所示两端铰支的细长压杆来说明这类问题。设压力与杆件轴线重合，当压力逐渐增加，（图
6、二油缸活塞上的压力）但小于某一极限值时，杆件一直保持直线形状的平衡，即使用微小的侧向干扰力使其暂时发生轻微弯曲(图四a)，干扰力解除后，它仍将恢复直线形状(图四b)。这表明压杆直线形状的平衡是稳定的。当压力逐渐增加到一极限值时，压杆的直线平衡变。为不稳定，将转变为曲线形状的平衡。这时如再用微力，(图四c),不能恢复原有的直线形状。上述压力的极限值称为临界压力或临界力，记为Fcr。压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线平衡，称为丧失稳定，简称失稳，也称为屈曲。杆件失稳后，压力的微小增加将引起弯曲变形的显著增大，杆件已丧失了承载能力。这是因失稳造成的失效，可以导致整个机器或结构的损坏。但细长压杆失稳
7、时，应力并不一定很高，有时甚至低于比例极限。可见这种形式的失效，并非强度不足，而是稳定性不够。 （图三内燃机受压） (图四受压无变形)（图五板条侧向弯曲）2）拉伸、弯曲、扭转以及剪切是杆件的4 种基本变形,对于扭转、剪切以及横弯曲(大多数情况下的弯曲变形)这3 种变形,杆件的横截面存在剪应力1 ,2 ,可以注意到,对于同一种脆性材料,这3 种变形的许用剪应力是相等的;而对于同一种塑性材料,这3 种变形的许用剪应力并不相等,具体的情况是:扭转和横弯曲这两种变形的许用剪应力仍然相等,而剪切变形的许用剪应力则高于扭转、弯曲这2 种变形的许用剪应力. 对于这种现象,由于现有文献并没有将扭转、剪切以及横
8、弯曲这3 种基本变形的许用剪应力做出联系和比较,因此没有被注意到,相应没有做出合理解释. 研究认为应该注意到这种现象,并且做出合理解释,进而从中得出能够反映材料内部特性的信息.1 3 种基本变形许用剪应力比较在构件(试件) 发生如下3 种基本变形:剪切变形(图1) 、扭转变形(图2) 、弯曲变形( 图3) 的一种之后,构件(试件) 的横截面具有剪应力. （构件剪切变形）结束语工程力学在材料中的应用非常广泛，除了上面所说的外，还有很多；航天、航空、建筑、机械、交通、能源、材料、环境、生物医学等领域都需要用到工程力学。工程力学中的材料力学部分，是我们本科大学生必须要掌握的基础课程之一。通过学习本课
9、程，我们认识到了工程力学的实用性；在构件的设计、构件材料的选取上有了全新的认识，为以后我们的专业课的学习打下了良好的基础。工程力学学习感想这学期开了工程力学课，我们跟着田老师一起学习了这门课程。刚开始学习时，感觉工程力学还是有点难度的；首先是，有一大串的全新的概念需要我们了解、接受，比如，约束、荷载、二力构件、静定与超静定、许用应力等；接着就是受力分析了，初学时，不是多画了力就是丢了某一个力。后来，在田老师的指导下，慢慢的学会了受力分析。刚心里有一点满足感时，问题又来了，紧接着课程由静力学转入到了材料力学。在材料力学中，受力分析只是基础，除了受力分析外，还要考虑杆件的内力与应力；判断材料的强度
10、以及拉伸变形等等。当然，也有一些客观原因使我们在学习过程中不断遇到问题。第一，工程力学有一次课是安排在星期六的，我们对此都有一点不乐意，未免会给上课带来负面情绪，影响上课的效率。第二，课时较紧，我们工程力学只开了十周的课，由于课时较少，田老师不能不加快进度来给我们上课；再加上我们同学的自觉性不是很强，两方面原因，导致我们只是上课听懂了，课后没有及时的复习，使我们对知识点的掌握不牢固。学了工程力学后，我们对许多物体和结构的设计有了新的理解，能够解释构件设计成其固有形状的原因，可以说明清楚生活中的一些力学现象；也体会到了工程力学的实用性以及应用的广泛性。参考文献1 材料力学在生活中的应用 中华文本库2 对材料许用剪应力的研究 甘肃科学学报 Jo urnal of Gans u Sci ences 第20 卷第4 期 2008 年12 月 刘大为3 力学中的“自锁”现象探秘 蓝坤彦 选自物理教师2008年第12期4Mechanics(3rdEdition)AddisonWesley;3edition(January 1,1971) 5 蒋平编著工程力学基础M.北京高等教育出版社,2003:168-1836 材料力学王守新第三版大连理工大学出版社7 材料力学。（美）Higdon,Ohlsen,Stiles,Weese,Riley.高等教育出版社
