材料力學(xué)在生活中的應(yīng)用

1、工程力學(xué)系別 ： 專業(yè) ： 姓名 ： 學(xué)號 ： 班級 ： 工程力學(xué)在材料中的應(yīng)用 在我們所學(xué)習(xí)的孟凡深版工程力學(xué)中的緒論談到工程力學(xué)包括理論力學(xué)的靜力學(xué)和材料力學(xué)的有關(guān)內(nèi)容，是研究物體機械運動的一般規(guī)律和有關(guān)構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性理論的科學(xué)，是一門理論性和實踐性都較強的專業(yè)基礎(chǔ)課。 工程力學(xué)是研究有關(guān)物質(zhì)宏觀運動規(guī)律，及其應(yīng)用的科學(xué)。工程力學(xué)提出問題，力學(xué)的研究成果改進工程設(shè)計思想。從工程上的應(yīng)用來說，工程力學(xué)包括：質(zhì)點及 剛體力學(xué)，固體力學(xué)，流體力學(xué)，流變學(xué)，土力學(xué)，巖體力學(xué)等。 人類對力學(xué)的一些基本原理的認識，一直可以追溯到史前時代。在中國古代及古希臘的著作中，已有關(guān)于力學(xué)的敘述。但在中

2、世紀(jì)以前的建筑物是靠經(jīng)驗建造的。1638年3月伽利略出版的著作關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明被認為是世界上第一本材料力學(xué)著作，但他對于梁內(nèi)應(yīng)力分布的研究還是很不成熟的。納維于1819年提出了關(guān)于梁的強度及撓度的完整解法。1821年5月14日，納維在巴黎科學(xué)院宣讀的論文在一物體的表面及其內(nèi)部各點均應(yīng)成立的平衡及運動的一般方程式 ，這被認為是彈性理論的創(chuàng)始。其后，1870年圣維南又發(fā)表了關(guān)于塑性理論的論文水力學(xué)也是一門古老的學(xué)科。早在中國春秋戰(zhàn)國時期(公元前5前4世紀(jì)），墨翟就在墨經(jīng)中敘述過物體所受浮力與其排開的液體體積之間的關(guān)系。歐拉提出了理想流體的運動方程式。物體流變學(xué)是研究較廣義的力學(xué)運動的

3、一個新學(xué)科。1929年，美國的賓厄姆倡議設(shè)立流變學(xué)學(xué)會，這門學(xué)科才受到了普遍的重視。它分實驗研究和理論分析與計算兩個方面。但兩者往往是綜合運用，互相促進。工程力學(xué)： 包括實驗力學(xué)，結(jié)構(gòu)檢驗，結(jié)構(gòu)試驗分析。模型試驗分部分模型和整體模型試驗。結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測試包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗及整體結(jié)構(gòu)的試驗。實驗研究是驗證和發(fā)展理論分析和計算方法的主要手段。結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測試還有其他的目的：1.驗證結(jié)構(gòu)的機能與安全性是否符合結(jié)構(gòu)的計劃、設(shè)計與施工的要求；2.對結(jié)構(gòu)在使用階段中的健全性的鑒定，并得到維修及加固的資料。結(jié)構(gòu)理論分析的步驟是首先確定計算模型，然后選擇計算方法。固體力學(xué)包括材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)

4、、復(fù)合材料力學(xué)以及斷裂力學(xué)等。尤其是前三門力學(xué)在土木建筑工程上的應(yīng)用廣泛，習(xí)慣上把這三門學(xué)科統(tǒng)稱為建筑力學(xué)，以表示這是一門用力學(xué)的一般原理研究各種作用對各種形式的土木建筑物的影響的學(xué)科。土力學(xué)在二十世紀(jì)初期即逐淅形成，并在40年代以后獲得了迅速發(fā)展。在其形成以及發(fā)展的初期，泰爾扎吉起了重要作用。巖體力學(xué)是一門年輕的學(xué)科， 二十世紀(jì)50年代開始組織專題學(xué)術(shù)討論，其后并已由對具有不連續(xù)面的硬巖性質(zhì)的研究擴展到對軟巖性質(zhì)的研究。巖體力學(xué)是以工程力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)兩門學(xué)科的融合而發(fā)展的。從十九世紀(jì)到二十世紀(jì)前半期，連續(xù)體力學(xué)的特點是研究各個物體的性質(zhì)，如梁的剛度與強度，柱的穩(wěn)定性，變形與力的關(guān)系，彈性模

5、量，粘性模量等。這一時期的連續(xù)體力學(xué)是從宏觀的角度，通過實驗分析與理論分析，研究物體的各種性質(zhì)。它是由質(zhì)點力學(xué)的定律推廣到連續(xù)體力學(xué)的定律，因而自然也出現(xiàn)一些矛盾。于是基于二十世紀(jì)前半期物理學(xué)的進展 ，并以現(xiàn)代數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了一門新的學(xué)科理性力學(xué)。1945年，賴納提出了關(guān)于粘性流體分析的論文，1948年，里夫林提出了關(guān)于彈性固體分析的論文，逐步奠定了所謂理性連續(xù)體力學(xué)的新體系。隨著結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的進步，工程學(xué)家也同力學(xué)家和數(shù)學(xué)家一樣對工程力學(xué)的進步做出了貢獻。如在桁架發(fā)展的初期并沒有分析方法，到1847年，美國的橋梁工程師惠普爾才發(fā)表了正確的桁架分析方法。電子計算機的應(yīng)用，現(xiàn)代化實驗設(shè)備的使用

6、，新型材料的研究，新的施工技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)的應(yīng)用等，促使工程力學(xué)日新月異地發(fā)展。質(zhì)點、質(zhì)點系及剛體力學(xué)是理論力學(xué)的研究對象。所謂剛體是指一種理想化的固體，其大小及形狀是固定的，不因外來作用而改變，即質(zhì)點系各點之間的距離是絕對不變的。理論力學(xué)的理論基礎(chǔ)是牛頓定律，它是研究工程技術(shù)科學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)。 在二十世紀(jì)50年代后期，隨著電子計算機和有限元法的出現(xiàn)，逐漸形成了一門交叉學(xué)科即計算力學(xué)。計算力學(xué)又分為基礎(chǔ)計算力學(xué)及工程計算力學(xué)兩個分支 ，后者應(yīng)用于建筑力學(xué)時，它的四大支柱是建筑力學(xué)、離散化技術(shù)、數(shù)值分析和計算機軟件。其任務(wù)是利用離散化技術(shù)和 數(shù)值分析方法，研究結(jié)構(gòu)分析的計算機程序化方法，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

7、和結(jié)構(gòu)分析圖像顯示等。 如按使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反應(yīng)的作用性質(zhì)分類，工程力學(xué)的許多分支都可以 再分為靜力學(xué)與動力學(xué)。例如結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與結(jié)構(gòu)動力學(xué)，后者主要包括：結(jié)構(gòu)振動理論、波動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性理論。由于施加在結(jié)構(gòu)上的外力幾乎都是隨機的，而材料強度在本質(zhì)上也具有非確定性。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，20世紀(jì)50年代以來，概率統(tǒng)計理論在工程力學(xué)上的應(yīng)用愈益廣泛和深入，并且逐漸形成了新的分支和方法，如可靠性力學(xué)、概率有限元法等。在人們運用材料進行建筑、工業(yè)生產(chǎn)的過程中，需要對材料的實際承受能力和內(nèi)部變化進行研究，這就催生了材料力學(xué)。運用材料力學(xué)知識可以分析材料的強度、剛度和穩(wěn)定性。材料力學(xué)還用于機械設(shè)計使材料在相

8、同的強度下可以減少材料用量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以達到降低成本、減輕重量等目的。 在材料力學(xué)中，將研究對象被看作均勻、連續(xù)且具有各向同性的線性彈性物體。但在實際研究中不可能會有符合這些條件的材料，所以須要各種理論與實際方法對材料進行實驗比較。包括兩大部分：其中一部分是材料的力學(xué)性能（或稱機械性能）的研究，而且也是固體力學(xué)其他分支的計算中必不可缺少的依據(jù)；另一部分是對桿件進行力學(xué)分析。桿件按受力和變形可分為拉桿、壓桿(見柱和拱)、受彎曲（有時還應(yīng)考慮剪切）的梁和受扭轉(zhuǎn)的軸等幾大類。桿中的內(nèi)力有軸力、剪力、彎矩和扭矩。桿的變形可分為伸長、縮短、撓曲和扭轉(zhuǎn)。在處理具體的桿件問題時，根據(jù)材料性質(zhì)和變形情況的

9、不同，可將問題分為三類： 1.線彈性問題。在桿變形很小，而且材料服從胡克定律的前提下,對桿列出的所有方程都是線性方程,相應(yīng)的問題就稱為線性問題。對這類問題可使用疊加原理，即為求桿件在多種外力共同作用下的變形(或內(nèi)力)，可先分別求出各外力單獨作用下桿件的變形(或內(nèi)力)，然后將這些變形（或內(nèi)力）疊加，從而得到最終結(jié)果。 2幾何非線性問題。若桿件變形較大，就不能在原有幾何形狀的基礎(chǔ)上分析力的平衡，而應(yīng)在變形后的幾何形狀的基礎(chǔ)上進行分析。這樣，力和變形之間就會出現(xiàn)非線性關(guān)系，這類問題稱為幾何非線性問題。 3.物理非線性問題。在這類問題中，材料內(nèi)的變形和內(nèi)力之間（如應(yīng)變和應(yīng)力之間）不滿足線性關(guān)系，即材料

10、不服從胡克定律。在幾何非線性問題和物理非線性問題中，疊加原理失效。解決這類問題可利用卡氏第一定理、克羅蒂恩蓋塞定理或采用單位載荷法等。在許多工程結(jié)構(gòu)中，桿件往往在復(fù)雜載荷的作用或復(fù)雜環(huán)境的影響下發(fā)生破壞。例如，桿件在交變載荷作用下發(fā)生疲勞破壞,在高溫恒載條件下因蠕變而破壞,或受高速動載荷的沖擊而破壞等。這些破壞是使機械和工程結(jié)構(gòu)喪失工作能力的主要原因。所以，材料力學(xué)還研究材料的疲勞性能、蠕變性能和沖擊性能。 工程力學(xué)在材料等中的應(yīng)用十分廣泛。大到機械中的各種機器，建筑中的各個結(jié)構(gòu)，小到生活中的塑料食品包裝，很小的日用品。各種物件都要符合它的強度、剛度、穩(wěn)定性要求才能夠安全、正常工作，所以材料力

11、學(xué)就顯得尤為重要。生活中機械常用的連接件，如鉚釘、鍵、銷釘、螺栓等的變形屬于剪切變形，在設(shè)計時應(yīng)主要考慮其剪切應(yīng)力。汽車的傳動軸、轉(zhuǎn)向軸、水輪機的主軸等發(fā)生的變形屬于扭轉(zhuǎn)變形?；疖囕S、起重機大梁的變形均屬于彎曲變形。有些桿件在設(shè)計時必須同時考慮幾個方面的變形，如車床主軸工作時同時發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲及壓縮三種基本變形；鉆床立柱同時發(fā)生拉伸與彎曲兩種變形。 利用工程力學(xué)中卸載與在加載規(guī)律得出冷作硬化現(xiàn)象，工程中常利用其原理以提高材料的承載能力，例如建筑用的鋼筋與起重的鏈條，但冷作硬化使材料變硬、變脆，是加工發(fā)生困難，且易產(chǎn)生裂紋，這時應(yīng)采用退火處理，部分或全部地材料的冷作硬化效應(yīng)。 在生活中我們用的很

12、多包裝袋上都會剪出一個小口，其原理就用到了材料力學(xué)的應(yīng)力集中，使里面的食品便于撕開。但是工程設(shè)計中要特別注意減少構(gòu)件的應(yīng)力集中。 在工程中，靜不定結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，如桁架結(jié)構(gòu)。靜不定問題的另一重要特征是，溫度的變化以及制造誤差也會在靜不定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力，這些應(yīng)力稱為熱應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力。為了避免出現(xiàn)過高的熱應(yīng)力，蒸汽管道中有時設(shè)置伸縮節(jié)，鋼軌在兩段接頭之間預(yù)留一定量的縫隙等等，以削弱熱膨脹所受的限制，降低溫度應(yīng)力。在工程中實際中，常利用預(yù)應(yīng)力進行某些構(gòu)件的裝配，例如將輪圈套裝在輪轂上，或提高某些構(gòu)件承載能力，例如預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。 螺旋彈簧是工程中常用的機械零件，多用于緩沖裝置、控制機構(gòu)及儀表中，如

13、車輛上的緩沖彈簧，發(fā)動機進排氣閥與高壓容器安全閥中的控制彈簧，彈簧稱中的測力彈簧等。 生活中很多結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在工作時，對于彎曲變形都有一定的要求。一類是要求構(gòu)件的位移不得超過一定的數(shù)值。例如行車大量在起吊重物時，若其彎曲變形過大，則小車行駛時就要發(fā)生振動；若傳動軸的彎曲變形過大，不僅會使齒輪很好地嚙合，還會使軸頸與軸承產(chǎn)生不均勻的磨損；輸送管道的彎曲變形過大，會影響管道內(nèi)物料的正常輸送，還會出現(xiàn)積液、沉淀和法蘭結(jié)合不密等現(xiàn)象；造紙機的軋輥，若彎曲變形過大，會生產(chǎn)出來的紙張薄厚不均勻，稱為廢品。另一類是要求構(gòu)件能產(chǎn)生足夠大的變形。例如車輛鋼板彈簧，變形大可減緩車輛所受到的沖擊；又如繼電器中的簧片，

14、為了有效地接通和斷開電源，在電磁力作用下必須保證觸電處有足夠大的位移。現(xiàn)在我們具體看看幾個有關(guān)的生動事例：第一個例子發(fā)生于1912年4月14日晚，從英國的南安普敦首航美國紐約的“泰坦尼克”號撞上了一座巨大的冰山而沉入海底。多年來，科學(xué)家們一直在尋找這次著名海難的原因最近，美國的一個海洋法醫(yī)專家小組在獲得初步的證據(jù)后認為，除了船速太快以外，這艘船的鉚釘質(zhì)量太差可能是導(dǎo)致這場海難的主要原因。當(dāng)時冰山不是直接撞在“泰坦尼克”號上的，而是與船體相擦，冰山的尖刀與船殼鋼板相擦，鋼板受到強大的剪切與擠壓應(yīng)力在船殼受到冰山擠壓時，殼體鋼板間的鉚釘承受了極大的剪切應(yīng)力。這樣，即使船體鋼板質(zhì)量再好，但鉚釘材料不

15、能抗高剪切應(yīng)力也會造成同樣的斷裂結(jié)果調(diào)查發(fā)現(xiàn)，船上鉚釘?shù)牟牧狭W(xué)性能試驗數(shù)據(jù)是在室溫下做的，而這些鉚釘由于內(nèi)在質(zhì)量的原因，它在零度以下的破壞應(yīng)力要遠低于室溫下的破壞應(yīng)力。因此，鉚釘承受的高剪切應(yīng)力造成船體裂縫，且長達6個船艙。而按設(shè)計，如果海水僅進入4個船艙，船是不會沉沒的，但在6個船艙都進滿水后，船體的頭尾失去了平衡，頭重尾輕，船體尾部翹起引起船從當(dāng)中彎曲斷裂，最后沉入大西洋底。另外，一個例子發(fā)生于1984年的中國一大型鋼廠從西歐某國引進價值2千多萬元人民幣的精密鍛壓機發(fā)生曲軸斷裂經(jīng)過鋼廠的工程技術(shù)人員和高校的力學(xué)工作者通力合作，找到了事故原因：曲軸的彎曲處過渡圓角尺寸過小，造成局部應(yīng)力集中

16、；加上該處材料微觀組織上的加工缺陷(表面上的細小刀痕)，在交變載荷作用下。最終導(dǎo)致曲軸斷裂。由于我方提供了無可辯駁的試驗和數(shù)值計算結(jié)果，最終獲得了外商全額賠償。還有就是于1954年，英國海外航空公司的兩架“彗星”號大型噴氣式客機接連失事，通過對飛機殘骸的打撈分析發(fā)現(xiàn)，失事的原因是由于氣密艙窗口處鉚釘孔邊緣的微小裂紋發(fā)展所致，而這個鉚釘孔的直徑僅為3175 mml J。 1984年，中國一大型鋼廠從西歐某國引進價值2千多萬元人民幣的精密鍛壓機發(fā)生曲軸斷裂經(jīng)過鋼廠的工程技術(shù)人員和高校的力學(xué)工作者通力合作，找到了事故原因：曲軸的彎曲處過渡圓角尺寸過小，造成局部應(yīng)力集中；加上該處材料微觀組織上的加工缺

17、陷(表面上的細小刀痕)，在交變載荷作用下。最終導(dǎo)致曲軸斷裂由于我方提供了無可辯駁的試驗和數(shù)值計算結(jié)果，最終獲得了外商全額賠償。材料力學(xué)在生活中同樣有很重要的作用。尼龍繩是使用合成纖維尼龍制成的繩子，是在使用的所有繩索里應(yīng)用最廣泛的。它是最好的吸收沖擊負荷的繩索，尼龍繩具有良好的耐磨性，而且擁有良好的抗紫外線陽光惡化的能力，被稱為“紫外線穩(wěn)定”繩。玻璃鋼安全帽以不飽和特種聚脂樹脂和無堿高強度玻璃纖維布為原料,采用現(xiàn)代化的工藝方法和嚴(yán)格的檢測手段研制而成,該產(chǎn)品具有強度高,絕緣性能好,耐高溫,耐水、酸、堿、油及化學(xué)腐蝕等特點。適用于礦山、石油化工、冶煉、高溫等多種行業(yè)。玻璃鋼安全帽有許多優(yōu)點，輕質(zhì)高強，耐腐蝕性能好，電性能好，熱性能良好，工藝性優(yōu)良。當(dāng)作業(yè)人員頭部受到墜落物的沖擊時，利用安全帽帽殼、帽襯在瞬間先將沖擊力分解到頭蓋骨的整個面積上，然后利用安全帽各部位緩沖結(jié)構(gòu)的彈性變形、塑性變形和允許的結(jié)構(gòu)破壞將大部分沖擊力吸收，使最后作用到人員頭部的沖擊力降低到4900N以下，從而起到保護作業(yè)人員的頭部的作用。安全帽的帽殼材料對安全帽整體抗擊性能起重要的作用。生活中隨處可見工程力學(xué)在材料