材料力學(xué)部分

1、力學(xué)體系簡介力學(xué)體系簡介力學(xué)力學(xué)固體力學(xué)固體力學(xué)流體力學(xué)流體力學(xué)一般力學(xué)一般力學(xué)材料力學(xué)材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)彈性力學(xué)彈性力學(xué)塑性力學(xué)塑性力學(xué)斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)早期的：早期的：水力學(xué)水力學(xué)水動力學(xué)水動力學(xué)現(xiàn)代的：現(xiàn)代的： 空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)氣體動力學(xué)氣體動力學(xué)多相流體力學(xué)多相流體力學(xué)粘彈性力學(xué)粘彈性力學(xué)滲流滲流理論力學(xué)理論力學(xué)分析力學(xué)分析力學(xué)振動理論振動理論剛體動力學(xué)剛體動力學(xué)陀螺理論陀螺理論運(yùn)動穩(wěn)定性運(yùn)動穩(wěn)定性復(fù)合材料復(fù)合材料材料力學(xué)主要材料力學(xué)主要研究對象研究對象是彈性體。是彈性體。對于彈性體，除了平衡問題外，還將涉及到變形；對于彈性體，除了平衡問題外，還將涉及到變形； 力和變形之間的關(guān)

2、系。力和變形之間的關(guān)系。由于變形，在材料力學(xué)中還將涉及到彈性體的由于變形，在材料力學(xué)中還將涉及到彈性體的失效失效以及以及與失效有關(guān)的設(shè)計準(zhǔn)則。與失效有關(guān)的設(shè)計準(zhǔn)則。將材料力學(xué)理論和方法應(yīng)用于工程，即可對將材料力學(xué)理論和方法應(yīng)用于工程，即可對桿類構(gòu)件桿類構(gòu)件或零或零件進(jìn)行常規(guī)的靜力學(xué)設(shè)計；件進(jìn)行常規(guī)的靜力學(xué)設(shè)計；以上兩方面的結(jié)合使材料力學(xué)成為工程設(shè)計的重要組成部分，以上兩方面的結(jié)合使材料力學(xué)成為工程設(shè)計的重要組成部分，材料力學(xué)所涉及的內(nèi)容分屬于兩個學(xué)科材料力學(xué)所涉及的內(nèi)容分屬于兩個學(xué)科研究物體在外力作用下的應(yīng)力、變形和能量，研究物體在外力作用下的應(yīng)力、變形和能量，統(tǒng)稱為應(yīng)力分析。統(tǒng)稱為應(yīng)力分析。

3、又不同于固體力學(xué)，所研究的僅限于又不同于固體力學(xué)，所研究的僅限于桿類物體；桿類物體；材料的力學(xué)行為，即研究材料在外力和溫度作材料的力學(xué)行為，即研究材料在外力和溫度作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性能和失效行為。用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性能和失效行為。研究僅限于材料的研究僅限于材料的宏觀力學(xué)行為宏觀力學(xué)行為，不涉及材料的微觀機(jī)理。，不涉及材料的微觀機(jī)理。固體力學(xué)固體力學(xué)材料科學(xué)材料科學(xué)設(shè)計桿類構(gòu)件設(shè)計桿類構(gòu)件的合理形狀和尺寸，保證它們正常工作。的合理形狀和尺寸，保證它們正常工作。入門入門材料力學(xué)材料力學(xué)數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)物理學(xué)物理學(xué)理論力學(xué)理論力學(xué)其他其他建筑材料建筑材料建筑結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)彈性力學(xué)彈性力學(xué)機(jī)械

4、零件機(jī)械零件機(jī)械原理機(jī)械原理其他其他材料力學(xué)與各門課程材料力學(xué)與各門課程 材料力學(xué)是一門很重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，他與機(jī)材料力學(xué)是一門很重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，他與機(jī)械、土建、航空、交通水利等工程密切相關(guān)，他在械、土建、航空、交通水利等工程密切相關(guān)，他在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起著橋梁作用?；A(chǔ)課和專業(yè)課之間起著橋梁作用。v古人對材料力學(xué)知識和材料強(qiáng)度的認(rèn)識已積古人對材料力學(xué)知識和材料強(qiáng)度的認(rèn)識已積累豐富的經(jīng)驗，并推動了生產(chǎn)的發(fā)展；累豐富的經(jīng)驗，并推動了生產(chǎn)的發(fā)展；v作為一門系統(tǒng)的科學(xué)已有360多年的歷史當(dāng)歐洲的科學(xué)技術(shù)受到神學(xué)的束縛時，中國的科學(xué)技術(shù)總的當(dāng)歐洲的科學(xué)技術(shù)受到神學(xué)的束縛時，中國的科學(xué)技術(shù)總的說來

5、居于世界領(lǐng)先地位。說來居于世界領(lǐng)先地位。力學(xué)學(xué)科仍然以力學(xué)學(xué)科仍然以 和和工程技術(shù)工程技術(shù)、生產(chǎn)應(yīng)用生產(chǎn)應(yīng)用 相結(jié)合的形式出現(xiàn)相結(jié)合的形式出現(xiàn)未能作未能作邏輯分析推理邏輯分析推理、特別是未能作、特別是未能作數(shù)學(xué)分析數(shù)學(xué)分析但至今尚存的建筑物，從他們的結(jié)構(gòu)中反應(yīng)出當(dāng)?shù)两裆写娴慕ㄖ?，從他們的結(jié)構(gòu)中反應(yīng)出當(dāng)時所具備的力學(xué)知識時所具備的力學(xué)知識傳統(tǒng)具有傳統(tǒng)具有柱、梁、檁、椽柱、梁、檁、椽的木制房屋結(jié)構(gòu)的木制房屋結(jié)構(gòu)古代建筑結(jié)構(gòu)古代建筑結(jié)構(gòu)一一古代建筑結(jié)構(gòu)古代建筑結(jié)構(gòu)建于唐末（建于唐末（857857年）的山西五臺山佛光寺東大殿年）的山西五臺山佛光寺東大殿隋朝工匠李春建造的趙州橋（隋朝工匠李春建造的趙

6、州橋（605年）年） 應(yīng)用淺拱應(yīng)用淺拱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)長長50.82米米跨徑達(dá)跨徑達(dá)37.4米米寬寬10米米用石用石2800噸，至今完好。噸，至今完好。 蘊(yùn)含了近代桿、板、殼體設(shè)計的一些基蘊(yùn)含了近代桿、板、殼體設(shè)計的一些基本思想本思想山西應(yīng)縣木塔山西應(yīng)縣木塔現(xiàn)存的中國古代高層木結(jié)構(gòu)范例現(xiàn)存的中國古代高層木結(jié)構(gòu)范例之一之一建於建於1056年。年。塔高塔高9 9層共層共67.3167.31米，米，用木材用木材74007400噸噸900900多年來歷經(jīng)數(shù)次地多年來歷經(jīng)數(shù)次地震不倒，現(xiàn)存唯一木塔震不倒，現(xiàn)存唯一木塔古代建筑結(jié)構(gòu)古代建筑結(jié)構(gòu)22002200年以前建造的都江堰安瀾索橋年以前建造的都江堰安瀾索橋 對

7、對“材力材力”做出重大貢獻(xiàn)的科學(xué)做出重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家家1 1 伽利略伽利略 GalileiGalilei 1564-16421564-1642“科學(xué)的唯一目的是減輕人類生存的苦難科學(xué)的唯一目的是減輕人類生存的苦難”16381638年：年：關(guān)于兩種新科學(xué)的敘述與證明關(guān)于兩種新科學(xué)的敘述與證明懸臂梁應(yīng)力分布懸臂梁應(yīng)力分布簡支梁受集中載荷的最大彎矩簡支梁受集中載荷的最大彎矩等強(qiáng)度梁截面形狀等強(qiáng)度梁截面形狀空、實心圓柱抗彎強(qiáng)度比較空、實心圓柱抗彎強(qiáng)度比較v鋼鐵等塑性材料還未出現(xiàn)，采用剛鋼鐵等塑性材料還未出現(xiàn)，采用剛體力學(xué)的假設(shè)簡化模型，而未考慮體力學(xué)的假設(shè)簡化模型，而未考慮梁受力后變形這一重要因素，所

8、以梁受力后變形這一重要因素，所以伽利略關(guān)于梁的強(qiáng)度計算結(jié)論不正伽利略關(guān)于梁的強(qiáng)度計算結(jié)論不正確；確；v但他開辟了理論與實踐計算構(gòu)件但他開辟了理論與實踐計算構(gòu)件的新途徑。的新途徑。是是“實驗力學(xué)實驗力學(xué)”的奠基人的奠基人2 虎克虎克（英）（英）公元公元1678年年物體的變形與所受的外載成正比物體的變形與所受的外載成正比-虎克定律虎克定律3 庫侖庫侖（法）（法） 1773年梁的彎曲問題，提出了材料的強(qiáng)度理論；年梁的彎曲問題，提出了材料的強(qiáng)度理論； 1784年研究了扭轉(zhuǎn)問題并提出剪切的概念；年研究了扭轉(zhuǎn)問題并提出剪切的概念；v4 歐拉歐拉（瑞士）（瑞士）又于又于1757年建立了柱體受壓的微分方程；年

9、建立了柱體受壓的微分方程；從而成為第一個研究穩(wěn)定性問題的學(xué)者；從而成為第一個研究穩(wěn)定性問題的學(xué)者；1896年瑞士年瑞士孟汗太因孟汗太因鐵路橋因桁架壓桿失穩(wěn)鐵路橋因桁架壓桿失穩(wěn)而倒塌，穩(wěn)定理論才開始發(fā)展。而倒塌，穩(wěn)定理論才開始發(fā)展。公元公元1744年壓桿臨界載荷年壓桿臨界載荷, 建立了建立了受壓柱體失穩(wěn)臨界值的計算公式；受壓柱體失穩(wěn)臨界值的計算公式；美籍俄羅斯力學(xué)家（1878年-1972）5 鐵木辛柯鐵木辛柯 1904年他發(fā)表第一篇論文年他發(fā)表第一篇論文各種強(qiáng)度各種強(qiáng)度理論理論，次年發(fā)表，次年發(fā)表軸的共振現(xiàn)象軸的共振現(xiàn)象1906年年,他解決了用板的撓度微分方他解決了用板的撓度微分方程去求板受壓的

10、臨界值問題。以后又程去求板受壓的臨界值問題。以后又發(fā)表了關(guān)于彈性體穩(wěn)定性問題的論文發(fā)表了關(guān)于彈性體穩(wěn)定性問題的論文多篇，對船舶制造和飛機(jī)設(shè)計有指導(dǎo)多篇，對船舶制造和飛機(jī)設(shè)計有指導(dǎo)意義。意義。不僅用能量原理解決了穩(wěn)定性問題，不僅用能量原理解決了穩(wěn)定性問題，也把它用到梁和板的彎曲問題和梁也把它用到梁和板的彎曲問題和梁的受迫振動問題。的受迫振動問題。1911年以后，他主要研究彈性力學(xué)，第一次年以后，他主要研究彈性力學(xué)，第一次世界大戰(zhàn)期間，他在梁橫向振動微分方程中世界大戰(zhàn)期間，他在梁橫向振動微分方程中考慮了旋轉(zhuǎn)慣性和剪力考慮了旋轉(zhuǎn)慣性和剪力,這種模型后來被稱為這種模型后來被稱為“鐵木辛柯梁鐵木辛柯梁”

11、。1925年，他研究很有價值的圓孔周圍的應(yīng)力年，他研究很有價值的圓孔周圍的應(yīng)力集中問題；集中問題；1928年探討了有實用意義的吊索橋剛度和振動年探討了有實用意義的吊索橋剛度和振動問題。問題。編寫了編寫了材料力學(xué)材料力學(xué)、高等材料力學(xué)高等材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程力學(xué)工程力學(xué)、高等動力學(xué)高等動力學(xué)、彈性力學(xué)彈性力學(xué)、彈性穩(wěn)彈性穩(wěn)定性理論定性理論、工程中的振動問題工程中的振動問題、板殼理論板殼理論和和材材料力學(xué)史料力學(xué)史等二十種書。這些書大多已有中譯本。等二十種書。這些書大多已有中譯本。“力學(xué)是數(shù)學(xué)的樂園，因力學(xué)是數(shù)學(xué)的樂園，因為我們在這里獲得了數(shù)學(xué)為我們在這里獲得了數(shù)學(xué)的果實。的果實?！钡?/p>

12、一部第一部材料力學(xué)材料力學(xué)出現(xiàn)出現(xiàn)1717世紀(jì)以后世紀(jì)以后法國科學(xué)家法國科學(xué)家 納維納維 18261826年著年著材料力學(xué)材料力學(xué)法國科學(xué)家法國科學(xué)家 庫侖庫侖（1736173618061806）通過實驗修正了伽利略的錯誤，提出了通過實驗修正了伽利略的錯誤，提出了最大切應(yīng)力強(qiáng)度理論最大切應(yīng)力強(qiáng)度理論構(gòu)件構(gòu)件工程結(jié)構(gòu)的各組成部分東營黃河橋東營黃河橋橡皮筋在拉力的作用下尺寸的變化；橡皮筋在拉力的作用下尺寸的變化；變形變形在外力的作用下，構(gòu)件的尺寸和形狀尺寸和形狀發(fā)生變化。雙杠橫梁在運(yùn)動員重力作用下有形狀的變化。雙杠橫梁在運(yùn)動員重力作用下有形狀的變化。彈性變形彈性變形:塑性變形塑性變形:外力解除以后

13、可消失的變形外力解除以后可消失的變形外力解除以后不能消失的變形外力解除以后不能消失的變形TW勻速提升：勻速提升：柔索張力柔索張力 T=W （3）工程現(xiàn)場中，只有一根材料確定、）工程現(xiàn)場中，只有一根材料確定、橫截面直徑確定的柔索，那么此結(jié)構(gòu)的最橫截面直徑確定的柔索，那么此結(jié)構(gòu)的最大起重量大起重量 是多少？是多少？問題：問題：（1）物體重量）物體重量W一定時，柔索選用何種材料？一定時，柔索選用何種材料？（2）物體重量）物體重量W一定、材料確定時，柔索一定、材料確定時，柔索選用多大的截面面積？選用多大的截面面積？（材料好的，價格貴，材料差的不結(jié)實）（材料好的，價格貴，材料差的不結(jié)實）（粗的好、結(jié)實，

14、但價錢貴）（粗的好、結(jié)實，但價錢貴）（2）構(gòu)件在正常工作時變形不能過大，變形在允許范圍）構(gòu)件在正常工作時變形不能過大，變形在允許范圍內(nèi)，即構(gòu)件具有足夠的抵抗變形的能力內(nèi)，即構(gòu)件具有足夠的抵抗變形的能力設(shè)計的依據(jù)設(shè)計的依據(jù)（1）保證構(gòu)件在正常的工作時不能發(fā)生破壞，具有足）保證構(gòu)件在正常的工作時不能發(fā)生破壞，具有足夠的抵抗破壞的能力夠的抵抗破壞的能力如：雙杠的橫梁不應(yīng)折斷；橋梁不應(yīng)坍塌；如：雙杠的橫梁不應(yīng)折斷；橋梁不應(yīng)坍塌； 儲氣罐不應(yīng)爆炸；椅子沒有斷裂；儲氣罐不應(yīng)爆炸；椅子沒有斷裂；構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度（不發(fā)生破壞不發(fā)生破壞）如：在運(yùn)動員重量作用下雙杠橫梁的變形；如：在運(yùn)動員重量

15、作用下雙杠橫梁的變形；載重卡車作用下橋梁的變形；載重卡車作用下橋梁的變形；樓板的變形；床的變形等均在允許范圍內(nèi)。樓板的變形；床的變形等均在允許范圍內(nèi)。具有足夠的剛度具有足夠的剛度（變形在允許的范圍內(nèi)變形在允許的范圍內(nèi)）。）。破壞破壞顯著的塑性變形和斷裂。顯著的塑性變形和斷裂。3） 受壓力作用的細(xì)長桿，（千斤頂?shù)穆輻U、內(nèi)燃機(jī)的挺受壓力作用的細(xì)長桿，（千斤頂?shù)穆輻U、內(nèi)燃機(jī)的挺桿、液壓活塞桿、自行車打氣筒的活塞桿等）應(yīng)始終維持桿、液壓活塞桿、自行車打氣筒的活塞桿等）應(yīng)始終維持原有直線平衡形態(tài)；原有直線平衡形態(tài)；如：舉重運(yùn)動員在物體重量作用下身體必須保持挺直；如：舉重運(yùn)動員在物體重量作用下身體必須保持

16、挺直；公路鐵路的橋墩；自行車打氣筒的活塞桿、用針扎孔時的公路鐵路的橋墩；自行車打氣筒的活塞桿、用針扎孔時的針等在軸向壓力的作用下一直保持原有的直線形態(tài)平衡。針等在軸向壓力的作用下一直保持原有的直線形態(tài)平衡。即保證構(gòu)件在正常工作時不被壓彎，構(gòu)件應(yīng)具有足夠的即保證構(gòu)件在正常工作時不被壓彎，構(gòu)件應(yīng)具有足夠的保持原有直線形態(tài)平衡的能力。保持原有直線形態(tài)平衡的能力。足夠的穩(wěn)定性足夠的穩(wěn)定性（保持原有平衡狀態(tài)的能力保持原有平衡狀態(tài)的能力）。）。穩(wěn)定性穩(wěn)定性主要是針對主要是針對細(xì)長的受壓桿細(xì)長的受壓桿而言的而言的保證構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的前提下合理的保證構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的前提下合

17、理的選擇構(gòu)件的選擇構(gòu)件的材料、截面尺寸和形狀，確定系統(tǒng)許可載荷材料、截面尺寸和形狀，確定系統(tǒng)許可載荷。 材料力學(xué)的任務(wù)材料力學(xué)的任務(wù) 應(yīng)有足夠的穩(wěn)定性；應(yīng)有足夠的穩(wěn)定性；儲氣罐儲氣罐 主要是保證其強(qiáng)度，不應(yīng)發(fā)生破壞；主要是保證其強(qiáng)度，不應(yīng)發(fā)生破壞；車床軸車床軸 要有足夠的剛度，變形不應(yīng)過大，以滿足加工精度；要有足夠的剛度，變形不應(yīng)過大，以滿足加工精度；受壓的細(xì)長桿（如：液壓油缸的活塞桿等）受壓的細(xì)長桿（如：液壓油缸的活塞桿等）強(qiáng)強(qiáng)度度問問題題鉆床鉆床機(jī)械臂、機(jī)械臂、機(jī)械手機(jī)械手大型橋梁滿足的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求大型橋梁滿足的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求斜拉橋承受拉力的鋼纜、主橋梁、橋墩均有足夠的強(qiáng)

18、度、斜拉橋承受拉力的鋼纜、主橋梁、橋墩均有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。剛度、穩(wěn)定性。濟(jì)南黃河橋濟(jì)南黃河橋大橋全長大橋全長2033.44m ,其中主橋長其中主橋長488m，總，總寬寬19.5m；索面采用扇；索面采用扇形布置，索距形布置，索距8m，每，每塔共塔共11對索。每根拉對索。每根拉索由索由24束組成，每束組成，每束用束用67121根根5鍍鍍鋅鋼絲組成。鋼纜、鋅鋼絲組成。鋼纜、主橋梁、橋墩均有足主橋梁、橋墩均有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。定性。大型橋梁滿足的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求大型橋梁滿足的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求挖掘機(jī)的各構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性挖掘機(jī)的各構(gòu)件具有足夠

19、的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性各構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性各構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性H大型橋梁的強(qiáng)度大型橋梁的強(qiáng)度 剛度剛度 穩(wěn)定問題穩(wěn)定問題車輛的緩沖彈簧應(yīng)有較大的變形才能很好地減振車輛的緩沖彈簧應(yīng)有較大的變形才能很好地減振工程中的工程中的大變形大變形承載能力承載能力構(gòu)件承受載荷的能力。構(gòu)件承受載荷的能力。構(gòu)件的承載力不僅與構(gòu)件的形狀有關(guān)，而且與所用構(gòu)件的承載力不僅與構(gòu)件的形狀有關(guān)，而且與所用材料的力學(xué)性能有關(guān)，因此在進(jìn)行材料的力學(xué)性能有關(guān)，因此在進(jìn)行理論分析理論分析的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上，上，實驗研究實驗研究是完成材料力學(xué)的任務(wù)所必需的途徑是完成材料力學(xué)的任務(wù)所必需的途徑和手段。和手段。強(qiáng)強(qiáng) 度：度：即抵抗破壞的能力即抵抗破壞的能力剛剛 度：度：即抵抗變形的能力即抵抗變形的能力穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：即保持原有平衡狀態(tài)的能力即保持原有平衡狀態(tài)的能力人類的災(zāi)難對工程中不滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性而發(fā)生失效的對工程中不滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性而發(fā)生失效的構(gòu)件給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的損失，例子不勝枚舉。構(gòu)件給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的損失，例子不勝枚舉。1912年年4月月14日晚日晚12時時30分，由英國開往紐約的分，由英國開往紐約的泰坦