工程力學(xué)第1章課件

1、材材 料料 力力 學(xué)學(xué)哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院航天與建筑工程學(xué)院第一章第一章 緒論緒論1.1材料力學(xué)的任務(wù)材料力學(xué)的任務(wù)1.2構(gòu)件強度、剛度、穩(wěn)定性概念構(gòu)件強度、剛度、穩(wěn)定性概念1.3材料的基本假設(shè)材料的基本假設(shè)1.4小變形限制條件小變形限制條件1.5內(nèi)力內(nèi)力1.6應(yīng)力應(yīng)力1.7位移、變形和應(yīng)變位移、變形和應(yīng)變1.8構(gòu)件基本變形形式構(gòu)件基本變形形式力學(xué)力學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地理、生物并列為與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地理、生物并列為七大基礎(chǔ)學(xué)科。七大基礎(chǔ)學(xué)科。力學(xué)課程力學(xué)課程應(yīng)該是工程類專業(yè)學(xué)生的應(yīng)該是工程類專業(yè)學(xué)生的必修課必修課。力學(xué)的發(fā)展源遠流長。力學(xué)的發(fā)展源遠

2、流長。2020世紀前，機械工業(yè)、大水利世紀前，機械工業(yè)、大水利工程、大跨度橋梁、鐵路與機車、船舶、兵器等近代工業(yè)，工程、大跨度橋梁、鐵路與機車、船舶、兵器等近代工業(yè)，無一不是在力學(xué)知識積累和完善的基礎(chǔ)上產(chǎn)生與發(fā)展起來無一不是在力學(xué)知識積累和完善的基礎(chǔ)上產(chǎn)生與發(fā)展起來的。例如，高新技術(shù)領(lǐng)域中的航空航天技術(shù)的。例如，高新技術(shù)領(lǐng)域中的航空航天技術(shù)( (包括人類登包括人類登月、建立空間站、航天飛機和衛(wèi)星測控月、建立空間站、航天飛機和衛(wèi)星測控) )主要靠主要靠力學(xué)力學(xué)而發(fā)而發(fā)展。一架載客展。一架載客400400人的波音人的波音747747飛機，其質(zhì)量超過飛機，其質(zhì)量超過100t100t，這，這樣的龐然大

3、物，竟然可以自由翱翔于空中，是得益于樣的龐然大物，竟然可以自由翱翔于空中，是得益于近代近代空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)的成就；在飛機遇到不穩(wěn)定氣流時，其機翼能的成就；在飛機遇到不穩(wěn)定氣流時，其機翼能夠克服上下顫動，確保航行安全，則是夠克服上下顫動，確保航行安全，則是固體力學(xué)固體力學(xué)和和結(jié)構(gòu)力結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)的成就；客機跨海越洋，遙遙數(shù)萬里，無論晝夜，都能的成就；客機跨海越洋，遙遙數(shù)萬里，無論晝夜，都能準確無誤地到達終點，既不會延誤，也不會迷路，更不會準確無誤地到達終點，既不會延誤，也不會迷路，更不會失控，這是導(dǎo)航與自動控制技術(shù)的貢獻，其最核心的技術(shù)失控，這是導(dǎo)航與自動控制技術(shù)的貢獻，其最核心的技術(shù)卻是卻是一

4、般力學(xué)一般力學(xué)研究的成果。研究的成果。1.1材料力學(xué)的任務(wù)材料力學(xué)的任務(wù)材料力學(xué)課程重在建立學(xué)生對工程設(shè)計中強度、剛度、穩(wěn)定性問題明確的基本概念，掌握必要的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)比較熟練的計算能力和初步的實驗分析能力。 1.2構(gòu)件強度、剛度、穩(wěn)定性概念構(gòu)件強度、剛度、穩(wěn)定性概念1.強度要求 要求構(gòu)件受載時不發(fā)生斷裂或產(chǎn)生永久變形。2.剛度要求 構(gòu)件在外載的作用下，發(fā)生的彈性變形不能超過允許值。3.穩(wěn)定性要求要求構(gòu)件在工作情況下，其平衡是穩(wěn)定的。構(gòu)件滿足強度、剛度、穩(wěn)定性要求的能力，稱為構(gòu)件的承載能力。震驚世界的兩次強度失效事故震驚世界的兩次強度失效事故： 1 1“泰坦尼克號泰坦尼克號”沉沒之謎沉沒之謎

5、 19121912年年4 4月月1414日，當時最大最豪華的日，當時最大最豪華的4600t4600t英制游輪英制游輪“泰坦尼克號泰坦尼克號”首次滿載著首次滿載著22272227名乘客離開英國的南安普名乘客離開英國的南安普敦港駛向紐約。乘客們都以為自己乘坐的是最豪華、最結(jié)敦港駛向紐約。乘客們都以為自己乘坐的是最豪華、最結(jié)實的輪船，做夢也不曾想到會有大禍臨頭。因為該船的底實的輪船，做夢也不曾想到會有大禍臨頭。因為該船的底部已被隔成各個獨立的艙房，任一艙房受損進水都不會影部已被隔成各個獨立的艙房，任一艙房受損進水都不會影響別的艙房。即使在最壞的情況下，如與別的船相撞導(dǎo)致響別的艙房。即使在最壞的情況下

6、，如與別的船相撞導(dǎo)致一部分艙房進水，整個一部分艙房進水，整個“泰坦尼克號泰坦尼克號”沉沒至少也需要沉沒至少也需要3 3天時間，在那么長的時間內(nèi)無論如何也能得到救援。因此，天時間，在那么長的時間內(nèi)無論如何也能得到救援。因此，這次處女航幾乎可以說是萬無一失的，更何況造船用的是這次處女航幾乎可以說是萬無一失的，更何況造船用的是當時最優(yōu)質(zhì)的鋼材。當時最優(yōu)質(zhì)的鋼材。然而，令人遺憾的是，然而，令人遺憾的是，“泰坦尼克號泰坦尼克號”未能逃脫世界未能逃脫世界航海史上最大海難事故的命運。被稱為航海史上最大海難事故的命運。被稱為“不沉之船不沉之船”的的“泰坦尼克號泰坦尼克號”連同它的連同它的15131513位乘客

7、，僅在位乘客，僅在3 3小時內(nèi)就被小時內(nèi)就被格陵蘭海冰冷的海水吞沒了。格陵蘭海冰冷的海水吞沒了。 這艘偌大的游輪究竟為什么會沉于海底呢這艘偌大的游輪究竟為什么會沉于海底呢? ?由于技術(shù)由于技術(shù)上的原因，直至上的原因，直至19911991年，第一次科學(xué)考察隊才開始到水下年，第一次科學(xué)考察隊才開始到水下對殘骸進行考察，并收集了殘骸的金屬碎片供科研用。這對殘骸進行考察，并收集了殘骸的金屬碎片供科研用。這些碎片以及沉船在海底的狀況使人們終于解開了巨輪些碎片以及沉船在海底的狀況使人們終于解開了巨輪“泰泰坦尼克號坦尼克號”罹難之謎。考察隊員們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致罹難之謎。考察隊員們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致“泰坦尼克泰坦尼克號號”

8、沉沒的兩個重要細節(jié)。沉沒的兩個重要細節(jié)。 一個細節(jié)說明一個細節(jié)說明，造船工程師們只考慮到船底、船尾，造船工程師們只考慮到船底、船尾或船首有被撞壞的可能性。在深夜里行進的或船首有被撞壞的可能性。在深夜里行進的“泰坦尼克號泰坦尼克號”遭遇冰山，當人們發(fā)現(xiàn)并想躲避卻為時已晚。如果值班人遭遇冰山，當人們發(fā)現(xiàn)并想躲避卻為時已晚。如果值班人員沒有發(fā)現(xiàn)冰山，輪船直接撞到冰山上去的話，或許游輪員沒有發(fā)現(xiàn)冰山，輪船直接撞到冰山上去的話，或許游輪受損傷進水的只是船首部分的艙房，船一定不會整個沉沒。受損傷進水的只是船首部分的艙房，船一定不會整個沉沒。但不幸的是，值班員偏偏發(fā)現(xiàn)了冰山，并且懷著僥幸的心但不幸的是，值班

9、員偏偏發(fā)現(xiàn)了冰山，并且懷著僥幸的心理想讓船轉(zhuǎn)過身來躲避冰山，這樣一來，冰山就像一把利理想讓船轉(zhuǎn)過身來躲避冰山，這樣一來，冰山就像一把利刃似的從船的側(cè)面切入，把船攔腰斬斷。這樣，就不是一刃似的從船的側(cè)面切入，把船攔腰斬斷。這樣，就不是一兩個艙房進水，而是所有的艙房都進了水。結(jié)果兩個艙房進水，而是所有的艙房都進了水。結(jié)果“泰坦尼泰坦尼克號克號”在幾個小時內(nèi)就覆沒于大海之中了。在幾個小時內(nèi)就覆沒于大海之中了。 第二個細節(jié)第二個細節(jié)是造船工程師只考慮到要增加鋼是造船工程師只考慮到要增加鋼的強度，而沒有想到要增加其韌性。把殘骸的金的強度，而沒有想到要增加其韌性。把殘骸的金屬碎片與如今的造船鋼材作一對比試

10、驗，發(fā)現(xiàn)在屬碎片與如今的造船鋼材作一對比試驗，發(fā)現(xiàn)在“泰坦尼克號泰坦尼克號”沉沒地點的水溫中，如今的造船沉沒地點的水溫中，如今的造船鋼材在受到撞擊時可彎成鋼材在受到撞擊時可彎成V V形，而殘骸上的鋼材則形，而殘骸上的鋼材則因韌性不夠而很快斷裂。由此發(fā)現(xiàn)了鋼材的冷脆因韌性不夠而很快斷裂。由此發(fā)現(xiàn)了鋼材的冷脆性，即在性，即在-40-40OO的溫度下，鋼材的力學(xué)行為的溫度下，鋼材的力學(xué)行為由韌性變成脆性，從而導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂。由韌性變成脆性，從而導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂。而用現(xiàn)代技術(shù)煉的鋼只有在而用現(xiàn)代技術(shù)煉的鋼只有在70706060的溫度下才會變脆。不過的溫度下才會變脆。不過不能責怪當時的工程師，

11、因為當時誰也不知道，不能責怪當時的工程師，因為當時誰也不知道，為了增加鋼的強度而往煉鋼原料中增加大量硫化為了增加鋼的強度而往煉鋼原料中增加大量硫化物會大大增加鋼的脆性，以致釀成了物會大大增加鋼的脆性，以致釀成了“泰坦尼克泰坦尼克號號”沉沒的悲劇。沉沒的悲劇。 另據(jù)美國另據(jù)美國紐約時報紐約時報報導(dǎo)，一個海洋法醫(yī)報導(dǎo)，一個海洋法醫(yī)專家小組對打撈起來的專家小組對打撈起來的“泰坦尼克號泰坦尼克號”船殼上的船殼上的鉚釘進行了分析，發(fā)現(xiàn)固定船殼鋼板的鉚釘里含鉚釘進行了分析，發(fā)現(xiàn)固定船殼鋼板的鉚釘里含有異常多的玻璃狀渣粒，因而使鉚釘變得非常脆有異常多的玻璃狀渣粒，因而使鉚釘變得非常脆弱、容易斷裂。弱、容易斷

12、裂。 這一分析表明：在冰山的撞擊下，可能是鉚這一分析表明：在冰山的撞擊下，可能是鉚釘斷裂導(dǎo)致船殼解體，最終使釘斷裂導(dǎo)致船殼解體，最終使“泰坦尼克號泰坦尼克號”葬葬身于大西洋海底。身于大西洋海底。2 2切爾諾貝利核電站為什么發(fā)生大爆炸切爾諾貝利核電站為什么發(fā)生大爆炸? ? 切爾諾貝利核電站是前蘇聯(lián)于切爾諾貝利核電站是前蘇聯(lián)于19731973年開始修年開始修建、建、19771977年啟動的最大的核電站。年啟動的最大的核電站。19861986年年4 4月月2626日日凌晨，兩聲沉悶的爆炸聲打破了核電站周圍的寧凌晨，兩聲沉悶的爆炸聲打破了核電站周圍的寧靜。隨著爆炸聲，一條靜。隨著爆炸聲，一條3030多

13、米高的火柱掀開反應(yīng)多米高的火柱掀開反應(yīng)堆的外殼，沖向天空。反應(yīng)堆的防護結(jié)構(gòu)和各種堆的外殼，沖向天空。反應(yīng)堆的防護結(jié)構(gòu)和各種設(shè)備整個被掀起，溫度高達設(shè)備整個被掀起，溫度高達20002000的烈焰吞噬著的烈焰吞噬著機房，熔化了粗大的鋼架。攜帶著高放射性物質(zhì)機房，熔化了粗大的鋼架。攜帶著高放射性物質(zhì)的水蒸氣和塵埃隨著濃煙升騰彌漫，這次爆炸造的水蒸氣和塵埃隨著濃煙升騰彌漫，這次爆炸造成了災(zāi)難性的后果。爆炸釋放的能量相當于成了災(zāi)難性的后果。爆炸釋放的能量相當于500500顆顆在廣島投放的原子彈。爆炸破壞了核反應(yīng)堆，使在廣島投放的原子彈。爆炸破壞了核反應(yīng)堆，使反應(yīng)堆內(nèi)反應(yīng)堆內(nèi)180180多噸濃縮鈾燃料的多

14、噸濃縮鈾燃料的3 3被釋放到大氣被釋放到大氣中，放射性污染遍及前蘇聯(lián)居住著中，放射性污染遍及前蘇聯(lián)居住著694.5694.5萬人的萬人的1515萬平方公里的地區(qū)，核電站周圍萬平方公里的地區(qū)，核電站周圍3030kmkm范圍被劃為范圍被劃為隔離區(qū)，莊稼被全部掩埋。隔離區(qū)，莊稼被全部掩埋。 那么，究竟是什么原因釀成了這場災(zāi)難那么，究竟是什么原因釀成了這場災(zāi)難? ?事后事后的調(diào)查表明，這是由一系列的操作失誤造成的人的調(diào)查表明，這是由一系列的操作失誤造成的人為事故。剛完成檢修的第四核反應(yīng)堆重新啟動時，為事故。剛完成檢修的第四核反應(yīng)堆重新啟動時，將產(chǎn)生的蒸汽輸向已經(jīng)關(guān)閉的渦輪機，而能夠關(guān)將產(chǎn)生的蒸汽輸向已

15、經(jīng)關(guān)閉的渦輪機，而能夠關(guān)掉反應(yīng)堆的自動保護裝置卻事先被切斷了。這樣，掉反應(yīng)堆的自動保護裝置卻事先被切斷了。這樣，反應(yīng)堆不斷工作產(chǎn)生蒸汽，卻沒有宣泄的出口。反應(yīng)堆不斷工作產(chǎn)生蒸汽，卻沒有宣泄的出口。反應(yīng)堆外殼所承受的蒸汽壓力和溫度遠遠超出了反應(yīng)堆外殼所承受的蒸汽壓力和溫度遠遠超出了它的設(shè)計要求，最終引發(fā)了熱能爆炸。它的設(shè)計要求，最終引發(fā)了熱能爆炸。 然而，對于人類來說，這次爆炸仍然是然而，對于人類來說，這次爆炸仍然是“幸幸運運”的。因為它僅僅是一次過熱的蒸汽爆炸，而的。因為它僅僅是一次過熱的蒸汽爆炸，而非核爆炸。否則這對于人類是絕對的滅頂之災(zāi)。非核爆炸。否則這對于人類是絕對的滅頂之災(zāi)。這次大爆炸

16、也向人類敲響了警鐘：如何杜絕災(zāi)難這次大爆炸也向人類敲響了警鐘：如何杜絕災(zāi)難性事故的發(fā)生，如何在惡劣的環(huán)境條件下，遏制性事故的發(fā)生，如何在惡劣的環(huán)境條件下，遏制更大災(zāi)難的發(fā)生，更大災(zāi)難的發(fā)生，這也是對力學(xué)工作者提出的新這也是對力學(xué)工作者提出的新的挑戰(zhàn)性課題。的挑戰(zhàn)性課題。 3000N3500N4500N6000N12500N4 44.74.76 68 816.716.7構(gòu)件的基本形式構(gòu)件的基本形式1、桿件 長度（縱向）比其他兩個方向的尺寸大很多的構(gòu)件稱為桿件。2、塊件 各方向尺寸相差不多的構(gòu)件稱為塊件。桿(bar)體(body)構(gòu)件的基本形式構(gòu)件的基本形式板(plate)殼殼( (shell)

17、)3 3 板件板件 厚度比其他兩個方向尺寸小得多的構(gòu)件稱為板件。如果中面是平面的構(gòu)件稱為板。而中面是曲面的話則稱為殼。 1.3 1.3材料力學(xué)中的基本假設(shè)材料力學(xué)中的基本假設(shè)1.1.關(guān)于材料性質(zhì)得假定關(guān)于材料性質(zhì)得假定 連續(xù)性假設(shè)連續(xù)性假設(shè) 均勻性假設(shè)均勻性假設(shè) 各向同性假設(shè)各向同性假設(shè)1.4小變形限制條件變形固體在載荷作用下可發(fā)生兩種不同性質(zhì)的變形： 一. 彈性變形 二. 是塑性變形 材料力學(xué)是在彈性范圍內(nèi)研究構(gòu)件的承載能力。討論由均勻、連續(xù)、各向同性材料制成的桿件，受載后變形為微小的彈性變形情況！材料力學(xué)和理論力學(xué)研究對象的區(qū)別 理論力學(xué) 研究對象 視為剛體 力學(xué)模型 理想化的力學(xué)模型 主

18、要研究 力的運動效應(yīng)材料力學(xué) 研究對象 視為變形體 力學(xué)模型 更接近于實際 主要研究 力的變形效應(yīng) 實際物體往往隨所研究問題的不同，有時看作 剛體，有時看作變形體。 理論力學(xué)中某些定理在材料力學(xué)中的應(yīng)用受到嚴格限制 加減平衡力系原理及其推理（力的可傳性力系簡化的基礎(chǔ)） 力的平移定理 力偶等效定理(力偶矩相等的兩力偶等效)等,只適用于剛體，而不適用于變形體。 1.5 內(nèi)力 內(nèi)力 構(gòu)件中一部分和其相鄰部分的相互作用力 內(nèi)力是分布在截面上的 內(nèi)力是成對出現(xiàn)的截面法求內(nèi)力： 顯示和確定內(nèi)力的方法是截面法。 截面法的依據(jù)是“一個處于平衡狀態(tài)的物體其各部分也應(yīng)保持平衡”。 例：有一直桿，一端固定，一端自由

19、。在自由端位于xOy平面內(nèi)作用有集中力、和力偶，現(xiàn)欲求截面上的內(nèi)力ymmp1Mep2xa0IIImmp1Mep2x01MNyQI將桿分成、兩部分。先取 部分來研究 根據(jù)平面力系的平衡條件0X ， 0Y ，010M， 得220eeMPMMPM 。， 若取 部分研究，應(yīng)先由整體的平衡方程求出固定端的支反力，然后可由 部分的平衡條件求得截面上的內(nèi)力 顯然 分別為 作用力和反作用力 NQM、NQM、 、NQM、220.QPP得，Q110.PNNP得， 截面法求內(nèi)力的過程可歸納如下：（1）切開 沿需求內(nèi)力的截面，將構(gòu)件假想地截開為兩部分。（2）代替 拋棄一部分，留下一部分，拋棄部分對留下部分的作用以內(nèi)力來代替。（3）平衡 根據(jù)留下部分的平衡條件，由已知外力求未知內(nèi)力。 1.6 應(yīng)力概念 內(nèi)力在一點處的集度稱為該點的應(yīng)力。設(shè)作用在小面積 上