1、华中科技大学 力学系,钱 勤,材 料 力 学,E-mail： Tel: 87543837(O),第一章 绪论,一、材料力学研究对象,二、材料力学的研究内容,三、材料力学的任务,五、材料力学的基本概念,四、材料力学的基本假设,六、受力与变形的基本形式,七、材料力学的一般方法,达芬奇说： “力学是数学的乐园，因为我们在这里获得了数学的果实。”,达芬奇,第一章 绪论,第一章 绪论,1638年：关于两种新科学的叙述与证明,伽利略 Galilei1564-1642,悬臂梁应力分布,等强度梁截面形状,第一章 绪论,第一章 绪论,一、材料力学的研究对象,杆、板和壳-工程结构的主要构件,材料力学主要研究杆类构
2、件。,轴、柱、梁等一类构件，其长度远大于横向尺寸，称为杆件(rod),构件的厚度远小于其他两个方向的尺寸，称为板件。 板件的中面（平分其厚度的面）是平面的叫板(Plate)， 中面是曲面的则叫壳(Shell)。,桁架构成的天线,工程实例,建筑结构中的连杆支架,工程实例,汽车的传动轴(Axial shaft of car),工程实例,大桥结构,工程实例,桥面结构,工程实例,拉索和立柱,工程实例,工程实例,澳 门 桥,二、材料力学的研究内容强度、刚度、稳定性,1强度(strength) 构件抵抗破坏的能力.,泰坦尼克豪华邮轮沉入大海,1988年失事的飞机,构件在正常工作时，发生意外断裂或显著塑性变
3、形是不容许的。 例如,发动机气缸破裂、起重机钢缆绳断裂都会导致事故。,构件在外力作用下引起的变形不能超过工程上许可的范围。 例如，机床的主轴和车身的刚度不够将影响其加工精度，产生过大的噪声；房屋构件刚度不够会使居民失去安全感。,高层建筑住户的安全感,2刚度(stiffness) 构件抵抗变形的能力。,长轴的变形控制,二、材料力学的研究内容,细长压杆承压时如失去原有的直线平衡状态而变弯和薄壁构件承载时发生折皱都叫做失稳，或称屈曲(buckling)。 例如，建筑物的立柱、桥梁结构内的受压杆如果失稳可能导致建筑物和桥梁的整体或局部塌毁。,失稳的大桥桥面,3稳定性(stability) 构件保持原有
4、平衡状态的能力,外压(a)和轴向压力(b)导致圆柱筒的失稳,二、材料力学的研究内容, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度不因发生断裂或塑性变形而失效；,刚度不因发生过大的弹性变形而失效；,稳定性不因发生因平衡形式的突然转变而失效。,强度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度问题,1998年9月10日，上海北京，2173号麦道11大型客机。,强度问题,前起落架锁 连杆安装螺 栓(销子)意 外断裂。, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,第1章 材料力学概述, “
5、材料力学”的研究内容,强度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,高层建筑与大型桥梁,楼 高420.5m共 88 层,金 茂 大 厦,强度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,垮塌后的彩虹桥,强度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题, 40人死亡； 14人受伤； 直接经济损失631万元。,1999年1月4日，我国重庆市綦江县 彩虹桥发生垮塌，造成：, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,简单力学问题大部队过桥时不能齐步走,高等力学问题冲击载荷的概念：人跑步时脚上的力量有多大？损伤累积与结构寿命与跑步的次数有关, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,人运动
6、时脚上的力量有多大？,高等力学问题损伤累积与结构寿命与跑步的次数有关,强度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,刚度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,刚度问题, 工程构件的 强度、刚度和 稳定问题,刚度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,高刚度的桥面结构,刚度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,刚度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,刚度问题,Space Shuttle Discovery, 工程构件的 强度、刚度和 稳定问题,刚度问题, 工程构件的 强度、刚度和 稳定问题,强度问题与刚度问题, 工程构件的
7、强度、刚度和稳定问题,强度问题 刚度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度问题 刚度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度问题 刚度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度问题 刚度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度问题 刚度问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题, 工程构件的强度、刚
8、度和稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题, 工程构件的强度、刚度和稳定问题,强度不因发生断裂或塑性变形而失效；,刚度不因发生过大的弹性变形而失效；,稳定性不因发生因平衡形式的突然转变而失效。, 工程设计程序,方案设计,静力设计,设计定型,材料力学与工程设计密切相关。,静力设计,受力分析,内力分析,应力分析,失效分析,强度设计,刚度设计,稳定设计, 工程设计程序,大型汽轮机 转子,结构的破坏实例：,轴 叶轮疲劳断裂破坏,转子轴 疲劳开裂 疲劳断裂破坏,叶片击穿厂房,台南高屏大桥断裂,2000年8月27日下午3时20分，台湾南部高屏大桥断裂，大桥中间下陷部分
9、长达100米。17辆车坠河，22人受伤。 采沙过度，河面沉降10余米，桥墩先断裂。,1940年11月，华盛顿州的Tacoma Narrows 桥，由于桥面刚度太差，在45 kmph风速的情形下，产生“Galloping Gertie”(驰振）。,Tacoma Narrows,材料力学的任务,工程设计的基本要求可归结为两条：安全性和经济性 首先要求构件满足强度、刚度和稳定性的要求，并具有足够的强度储备。另一方面要求构件具有最佳的几何形状，材料消耗少，使整个设计达到精巧、重量轻，取得最好的经济效益。但安全性与经济性这两方面的要求往往是互相矛盾的。,材料力学的任务，就是为科学地解决这一对矛盾，提供分
10、析的理论基础和具体的计算方法。,1.2 固体的变形性质及材料力学的基本假设,一类变形是撤除外力后可以完全自行消除的变形，称为弹性变形(elastic deformation),一类变形是撤除外力后不能消除，而被永久保留下来的变形，称为塑性变形或残余变形(plastic deformation or residual deformation),弹性变形,塑性变形或残余变形,综上所述，在材料力学中，一般将材料看作是均匀连续和各向同性的可变形固体，且将构件的变形限制在小变形范围内。,材料力学的基本假设,各向同性与各向异性, 微观各向异性，宏观各向同性； 微观各向异性，宏观各向异性。, 弹性体模型的理
11、想化, 微观不连续 ，宏观连续 。,均匀连续问题,各向同性与各向异性,灰口铸铁的显微组织, 弹性体模型的理想化,均匀连续问题,球墨铸铁的显微组织,各向同性与各向异性, 弹性体模型的理想化,均匀连续问题,普通钢材的显微组织,各向同性与各向异性, 弹性体模型的理想化,均匀连续问题,优质钢材的显微组织,各向同性与各向异性, 弹性体模型的理想化,均匀连续问题,高分子材料微观结构,各向同性与各向异性, 弹性体模型的理想化,均匀连续问题,1均匀连续性假设假设构件在整个几何空间内毫无空隙地充满了相同的物质，其组织结构处处相同，而且是密实、连续的。,材料力学的基本假设:均匀连续性假设,根据均匀连续性假设，就可
12、以从构件内任意截取一部分来研究，且构件中的一些力学量（如各点的受力、位移）均可用坐标的连续函数表示，并能运用微积分学的无穷小分析方法。,从统计平均的观点看，材料内部的空隙和非均匀性影响可以忽略。,合理,分析连续函数,材料力学的基本假设 各向同性假设,各向同性材料：金属、塑料、玻璃、混凝土等,各向异性材料：木材、复合材料等,微观上是各向异性的，但宏观上可以认为 是各向同性的。,材料力学的基本假设 小变形条件,在考虑受力构件的平衡时，以原始尺寸为依据，而不考虑变形的影响。,小变形条件:,外力及其分类,五、材料力学的基本概念,外界对构件的作用力称为外力。,载荷(loads),约束反力(constra
13、in reaction),按外力作用的来源分类：,体积力(body force),物体的自重、惯性力等是体积力,表面力(surface force) ,作用于容器壁上的液体压力、两物体间的接触压力,按外力作用的方式分类：,静载荷(static loads),动载荷(dynamic loads) ,如交变载荷 、冲击载荷,按外力随时间变化分类：, 杆件的受力与变形基本形式,拉伸或压缩（tension or compression）,当杆件两端承受沿轴线方向的拉力或压力载荷时，杆件将产生轴向伸长或压缩变形。,剪切(shearing),在平行于杆横截面的两个相距很近的平面内，方向相对地作用着两个横向
14、力，当这两个力相互错动并保持二者之间的距离不变时，杆件将产生剪切变形 。, 杆件变形的基本形式,扭转(torsion),当作用在杆件上的力组成作用在垂直于杆轴平面内的力偶Me时，杆件将产生扭转变形，即杆件的横截面绕其轴相互转动 。, 杆件变形的基本形式,弯曲(bend),当外加力偶M或外力作用于杆件的纵向平面内时，杆件将发生弯曲变形，其轴线将变成曲线。, 杆件变形的基本形式,弯曲(bend),当外加力偶M或外力作用于杆件的纵向平面内时，杆件将发生弯曲变形，其轴线将变成曲线。, 杆件变形的基本形式,组合受力和变形(complex loads and deformation),由基本受力形式中的两种或两种以上所共同形成的受力与变形形式即为组合受力与变形 。, 杆件变形的基本形式,求解材料力学问题的一般方法 与步骤,变形几何关系,力与变形间的物理关系,变形计算,应力计算,静定问题吗,内力计算,分析物体的平衡条件,yes,no,逐个求解,联立求解,参考书目,课本： 倪樵等编，材料力学(第二版)，华中科技大学出版社，2010.3参考书： 梁枢平等，材料力学题解，华中理工大学出版社，2000 孙训方等，材料力学(I，II)，高等教育出版社2002,
