材料力學(xué)課件全套

1、材料力學(xué)課件全套1材料力學(xué)劉鴻文主編(第4版) 高等教育出版社目錄第一章 緒 論目錄第一章 緒論11.1 材料力學(xué)的任務(wù)1.2 變形固體的基本假設(shè)1.3 外力及其分類1.4 內(nèi)力、截面法及應(yīng)力的概念1.5 變形與應(yīng)變1.6 桿件變形的基本形式目錄1.1 材料力學(xué)的任務(wù) 傳統(tǒng)具有柱、梁、檁、椽的木制房屋結(jié)構(gòu)古代建筑結(jié)構(gòu)目錄建于隋代（605年）的河北趙州橋橋長(zhǎng)64.4米，跨徑37.02米，用石2800噸一、材料力學(xué)與工程應(yīng)用古代建筑結(jié)構(gòu)建于遼代（1056年）的山西應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔塔高9層共67.31米，用木材7400噸900多年來歷經(jīng)數(shù)次地震不倒，現(xiàn)存唯一木塔目錄1.1 材料力學(xué)的任務(wù)四川彩虹橋坍

2、塌目錄1.1 材料力學(xué)的任務(wù)美國(guó)紐約馬爾克大橋坍塌比薩斜塔1.1 材料力學(xué)的任務(wù)目錄1.1 材料力學(xué)的任務(wù)1、構(gòu)件：工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的每一組成部分。 （例如：行車結(jié)構(gòu)中的橫梁、吊索等） 理論力學(xué)研究剛體，研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。 材料力學(xué)研究變形體，研究力與變形的關(guān)系。二、基本概念2、變形：在外力作用下，固體內(nèi)各點(diǎn)相對(duì)位置的改變。(宏觀上看就是物體尺寸和形狀的改變）3、內(nèi)力：構(gòu)件內(nèi)由于發(fā)生變形而產(chǎn)生的相互作用力。（內(nèi)力隨外力的增大而增大）強(qiáng)度：在載荷作用下，構(gòu)件抵抗破壞的能力。剛度：在載荷作用下，構(gòu)件抵抗變形的能力。塑性變形(殘余變形) 外力解除后不能消失 彈性變形 隨外力解除而消失1.1 材料力學(xué)

3、的任務(wù)目錄1.1 材料力學(xué)的任務(wù)4、穩(wěn)定性： 在載荷作用下，構(gòu)件保持原有平衡狀態(tài)的能力。 強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性是衡量構(gòu)件承載能力的三個(gè)方面，材料力學(xué)就是研究構(gòu)件承載能力的一門科學(xué)。 目錄 研究構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,還需要了解材料的力學(xué)性能。因此在進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究是完成材料力學(xué)的任務(wù)所必需的途徑和手段。目錄1.1 材料力學(xué)的任務(wù) 材料力學(xué)的任務(wù)就是在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又安全的構(gòu)件，提供必要的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。三、材料力學(xué)的任務(wù)若：構(gòu)件橫截面尺寸不足或形狀不合理,或材料選用不當(dāng) _ 不滿足上述要求, 不能保證安全工作.若：不恰當(dāng)?shù)丶哟髾M截面尺寸或選用優(yōu)質(zhì)

4、材料 _ 增加成本,造成浪費(fèi)構(gòu)件的分類：桿件、板殼*、塊體*1.1 材料力學(xué)的任務(wù)材料力學(xué)主要研究桿件等截面直桿等直桿四、材料力學(xué)的研究對(duì)象直桿 軸線為直線的桿曲桿 軸線為曲線的桿目錄1.2 變形固體的基本假設(shè)1、連續(xù)性假設(shè)：認(rèn)為整個(gè)物體體積內(nèi)毫無空隙地充滿物質(zhì) 在外力作用下，一切固體都將發(fā)生變形，故稱為變形固體。在材料力學(xué)中，對(duì)變形固體作如下假設(shè)：目錄灰口鑄鐵的顯微組織球墨鑄鐵的顯微組織2、均勻性假設(shè)：認(rèn)為物體內(nèi)的任何部分，其力學(xué)性能相同1.2 變形固體的基本假設(shè)普通鋼材的顯微組織優(yōu)質(zhì)鋼材的顯微組織目錄1.2 變形固體的基本假設(shè) 如右圖，遠(yuǎn)小于構(gòu)件的最小尺寸，所以通過節(jié)點(diǎn)平衡求各桿內(nèi)力時(shí)，把

5、支架的變形略去不計(jì)。計(jì)算得到很大的簡(jiǎn)化。4、小變形與線彈性范圍3、各向同性假設(shè)：認(rèn)為在物體內(nèi)各個(gè)不同方向的力學(xué)性能相同（沿不同方向力學(xué)性能不同的材料稱為各向異性材料。如木材、膠合板、纖維增強(qiáng)材料等）認(rèn)為構(gòu)件的變形極其微小，比構(gòu)件本身尺寸要小得多。目錄1.3 外力及其分類外力：來自構(gòu)件外部的力（載荷、約束反力）按外力作用的方式分類體積力：連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點(diǎn) 的力。如重力和慣性力表面力：連續(xù)分布于物體表面上的力。如油缸內(nèi)壁的壓力，水壩受到的水壓力等均為分布力若外力作用面積遠(yuǎn)小于物體表面的尺寸，可作為作用于一點(diǎn)的集中力。如火車輪對(duì)鋼軌的壓力等分布力：集中力：目錄按外力與時(shí)間的關(guān)系分類載荷緩慢地由

6、零增加到某一定值后，就保持不變或變動(dòng)很不顯著，稱為靜載。靜載：動(dòng)載：載荷隨時(shí)間而變化。如交變載荷和沖擊載荷1.3 外力及其分類交變載荷沖擊載荷目錄內(nèi)力：外力作用引起構(gòu)件內(nèi)部的附加相互作用力。求內(nèi)力的方法 截面法目錄1.4 內(nèi)力、截面法和應(yīng)力的概念(1)假想沿m-m橫截面將 桿切開(2)留下左半段或右半段(3)將棄去部分對(duì)留下部 分的作用用內(nèi)力代替(4)對(duì)留下部分寫平衡方 程，求出內(nèi)力的值。fsm目錄1.4 內(nèi)力、截面法和應(yīng)力的概念例如例 1.1 鉆床求：截面m-m上的內(nèi)力。用截面m-m將鉆床截為兩部分，取上半部分為研究對(duì)象，解：受力如圖：1.4 內(nèi)力、截面法和應(yīng)力的概念列平衡方程:目錄fnm目

7、錄1.4 內(nèi)力、截面法和應(yīng)力的概念為了表示內(nèi)力在一點(diǎn)處的強(qiáng)度，引入內(nèi)力集度,即應(yīng)力的概念。 平均應(yīng)力 c點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)力是矢量，通常分解為 正應(yīng)力 切應(yīng)力應(yīng)力的國(guó)際單位為 pa（帕斯卡）1pa= 1n/m21kpa=103n/m21mpa=106n/m21gpa=109n/m21.5 變形與應(yīng)變1.位移剛性位移；變形位移。2.變形物體內(nèi)任意兩點(diǎn)的相對(duì)位置發(fā)生變化。取一微正六面體兩種基本變形：線變形 線段長(zhǎng)度的變化角變形 線段間夾角的變化目錄3.應(yīng)變x方向的平均應(yīng)變： 正應(yīng)變（線應(yīng)變）1.5 變形與應(yīng)變m點(diǎn)處沿x方向的應(yīng)變：切應(yīng)變（角應(yīng)變）m點(diǎn)在xy平面內(nèi)的切應(yīng)變?yōu)椋耗夸?.5 變形與應(yīng)變例 1.2

8、已知：薄板的兩條邊固定，變形后ab, ad仍為直線。解：目錄求：ab 邊的?m 和 ab、ad 兩邊夾角的變化。拉壓變形拉伸（壓縮）、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲剪切變形桿件的基本變形：目錄1.6 桿件變形的基本形式扭轉(zhuǎn)變形彎曲變形目錄1.6 桿件變形的基本形式第二章 拉伸、壓縮與剪切(1)目 錄第二章 拉伸、壓縮與剪切目 錄2.1 軸向拉伸與壓縮的概念和實(shí)例目 錄2.1 軸向拉伸與壓縮的概念和實(shí)例目 錄 作用在桿件上的外力合力的作用線與桿件軸線重合，桿件變形是沿軸線方向的伸長(zhǎng)或縮短。拉（壓）桿的受力簡(jiǎn)圖2.1 軸向拉伸與壓縮的概念和實(shí)例目 錄受力特點(diǎn)與變形特點(diǎn)：2.1 軸向拉伸與壓縮的概念和實(shí)例目 錄2

9、.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力 1、截面法求內(nèi)力目 錄(1)假想沿m-m橫截面將 桿切開(2)留下左半段或右半段(3)將棄去部分對(duì)留下部分 的作用用內(nèi)力代替(4)對(duì)留下部分寫平衡方程 求出內(nèi)力即軸力的值2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力2、軸力：截面上的內(nèi)力目 錄 由于外力的作用線與桿件的軸線重合，內(nèi)力的作用線也與桿件的軸線重合。所以稱為軸力。3、軸力正負(fù)號(hào)： 拉為正、壓為負(fù)4、軸力圖：軸力沿桿 件軸線的變化2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力已知f1=10kn；f2=20kn； f3=35kn；f4=25kn;試畫出圖示桿件的軸力圖。例題2.1解：1、計(jì)算各段的

10、軸力。ab段bc段cd段2、繪制軸力圖。目 錄2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力目 錄2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力 桿件的強(qiáng)度不僅與軸力有關(guān)，還與橫截面面積有關(guān)。必須用應(yīng)力來比較和判斷桿件的強(qiáng)度。目 錄2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力目 錄 平面假設(shè)變形前原為平面的橫截面，變形后仍保持為平面且仍垂直于軸線。橫向線ab、cd仍為直線，且仍垂直于桿軸線，只是分別平行移至ab、cd。 觀察變形：2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力目 錄從平面假設(shè)可以判斷：（1）所有縱向纖維伸長(zhǎng)相等（2）因材料均勻，故各纖維受力相等（3）內(nèi)力均勻分布，各點(diǎn)正應(yīng)力相等，為常

11、量2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力 該式為橫截面上的正應(yīng)力計(jì)算公式。正應(yīng)力和軸力fn同號(hào)。即拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。圣維南原理目 錄2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力目 錄2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力例題2.2 圖示結(jié)構(gòu)，試求桿件ab、cb的應(yīng)力。已知 f=20kn；斜桿ab為直徑20mm的圓截面桿，水平桿cb為1515的方截面桿。解：1、計(jì)算各桿件的軸力。（設(shè)斜桿為1桿，水平桿為2桿）用截面法取節(jié)點(diǎn)b為研究對(duì)象45目 錄2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力2、計(jì)算各桿件的應(yīng)力。目 錄2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力例題2.2 懸臂吊車

12、的斜桿ab為直徑d=20mm的鋼桿，載荷w=15kn。當(dāng)w移到a點(diǎn)時(shí)，求斜桿ab橫截面上的應(yīng)力。解：當(dāng)載荷w移到a點(diǎn)時(shí)，斜桿ab受到拉力最大，設(shè)其值為fmax。討論橫梁平衡目 錄2.2 軸向拉伸或壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力和應(yīng)力由三角形abc求出斜桿ab的軸力為斜桿ab橫截面上的應(yīng)力為目 錄2.3 直桿軸向拉伸或壓縮時(shí)斜截面上的應(yīng)力 實(shí)驗(yàn)表明：拉（壓）桿的破壞并不總是沿橫截面發(fā)生，有時(shí)卻是沿斜截面發(fā)生的。目 錄2.4 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能 力學(xué)性能：在外力作用下材料在變形和破壞方面所表現(xiàn)出的力學(xué)特性。一 試件和實(shí)驗(yàn)條件常溫、靜載目 錄2.4 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能目 錄2.4 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能二

13、低碳鋼的拉伸目 錄2.4 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能明顯的四個(gè)階段1、彈性階段ob2、屈服階段bc（失去抵抗變形的能力）3、強(qiáng)化階段ce（恢復(fù)抵抗變形的能力）4、局部徑縮階段ef目 錄胡克定律e彈性模量（gn/m2）2.4 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能兩個(gè)塑性指標(biāo):斷后伸長(zhǎng)率斷面收縮率低碳鋼的為塑性材料目 錄2.4 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能三 卸載定律及冷作硬化1、彈性范圍內(nèi)卸載、再加載2、過彈性范圍卸載、再加載 材料在卸載過程中應(yīng)力和應(yīng)變是線性關(guān)系，這就是卸載定律。 材料的比例極限增高，延伸率降低，稱之為冷作硬化或加工硬化。目 錄2.4 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能四 其它材料拉伸時(shí)的力學(xué)性質(zhì) 對(duì)于沒有明顯屈服階段的

14、塑性材料，用名義屈服極限p0.2來表示。目 錄2.4 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能 對(duì)于脆性材料（鑄鐵），拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線為微彎的曲線，沒有屈服和徑縮現(xiàn)象，試件突然拉斷。斷后伸長(zhǎng)率約為0.5%。為典型的脆性材料。 bt拉伸強(qiáng)度極限（約為140mpa）。它是衡量脆性材料（鑄鐵）拉伸的唯一強(qiáng)度指標(biāo)。目 錄第二章 拉伸、壓縮與剪切(2)目 錄2.5 材料壓縮時(shí)的力學(xué)性能一 試件和實(shí)驗(yàn)條件常溫、靜載目 錄2.5 材料壓縮時(shí)的力學(xué)性能二 塑性材料（低碳鋼）的壓縮 拉伸與壓縮在屈服階段以前完全相同。e - 彈性摸量目 錄2.5 材料壓縮時(shí)的力學(xué)性能三 脆性材料（鑄鐵）的壓縮 脆性材料的抗拉與抗壓性質(zhì)不完全相同

15、 壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限遠(yuǎn)大于拉伸時(shí)的強(qiáng)度極限目 錄目 錄2.5 材料壓縮時(shí)的力學(xué)性能2.7 失效、安全因數(shù)和強(qiáng)度計(jì)算一 、安全因數(shù)和許用應(yīng)力目 錄2.7 失效、安全因數(shù)和強(qiáng)度計(jì)算二 、強(qiáng)度條件根據(jù)強(qiáng)度條件，可以解決三類強(qiáng)度計(jì)算問題1、強(qiáng)度校核：2、設(shè)計(jì)截面：3、確定許可載荷：目 錄2.7 失效、安全因數(shù)和強(qiáng)度計(jì)算例題2.4油缸蓋與缸體采用6個(gè)螺栓連接。已知油缸內(nèi)徑d=350mm，油壓p=1mpa。螺栓許用應(yīng)力=40mpa， 求螺栓的內(nèi)徑。每個(gè)螺栓承受軸力為總壓力的1/6解： 油缸蓋受到的力即螺栓的軸力為螺栓的直徑為目 錄2.7 失效、安全因數(shù)和強(qiáng)度計(jì)算例題2.5 ac為50505的等邊角鋼，ab為

16、10號(hào)槽鋼，=120mpa。確定許可載荷f。解：1、計(jì)算軸力（設(shè)斜桿為1桿，水平桿為2桿）用截面法取節(jié)點(diǎn)a為研究對(duì)象2、根據(jù)斜桿的強(qiáng)度，求許可載荷查表得斜桿ac的面積為a1=24.8cm2目 錄2.7 失效、安全因數(shù)和強(qiáng)度計(jì)算3、根據(jù)水平桿的強(qiáng)度，求許可載荷查表得水平桿ab的面積為a2=212.74cm24、許可載荷目 錄2.8 軸向拉伸或壓縮時(shí)的變形一 縱向變形二 橫向變形鋼材的e約為200gpa，約為0.250.33ea為抗拉剛度泊松比橫向應(yīng)變目 錄2.8 軸向拉伸或壓縮時(shí)的變形目 錄2.8 軸向拉伸或壓縮時(shí)的變形目 錄 對(duì)于變截面桿件（如階梯桿），或軸力變化。則例題2.6 ab長(zhǎng)2m,

17、面積為200mm2。ac面積為250mm2。e=200gpa。f=10kn。試求節(jié)點(diǎn)a的位移。解：1、計(jì)算軸力。（設(shè)斜桿為1桿，水平桿為2桿）取節(jié)點(diǎn)a為研究對(duì)象2、根據(jù)胡克定律計(jì)算桿的變形。2.8 軸向拉伸或壓縮時(shí)的變形斜桿伸長(zhǎng)水平桿縮短目 錄3、節(jié)點(diǎn)a的位移（以切代?。?.8 軸向拉伸或壓縮時(shí)的變形目 錄2.9 軸向拉伸或壓縮的應(yīng)變能目 錄2.10 拉伸、壓縮超靜定問題 約束反力（軸力）可由靜力平衡方程求得靜定結(jié)構(gòu)：目 錄2.10 拉伸、壓縮超靜定問題 約束反力不能由平衡方程求得超靜定結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均得到提高超靜定度（次）數(shù)： 約束反力多于獨(dú)立平衡方程的數(shù)獨(dú)立平衡方程數(shù)：平面任意力系

18、： 3個(gè)平衡方程平面共點(diǎn)力系： 2個(gè)平衡方程目 錄2.10 拉伸、壓縮超靜定問題1、列出獨(dú)立的平衡方程超靜定結(jié)構(gòu)的求解方法：2、變形幾何關(guān)系3、物理關(guān)系4、補(bǔ)充方程5、求解方程組，得例題2.7目 錄2.10 拉伸、壓縮超靜定問題例題2.8目 錄 在圖示結(jié)構(gòu)中，設(shè)橫梁ab的變形可以省略，1，2兩桿的橫截面面積相等，材料相同。試求1，2兩桿的內(nèi)力。2、變形幾何關(guān)系3、物理關(guān)系4、補(bǔ)充方程5、求解方程組得2.11 溫度應(yīng)力和裝配應(yīng)力一、溫度應(yīng)力1、桿件的溫度變形（伸長(zhǎng)）2、桿端作用產(chǎn)生的縮短3、變形條件4、求解未知力溫度應(yīng)力為目 錄2.11 溫度應(yīng)力和裝配應(yīng)力二、裝配應(yīng)力已知：求：各桿內(nèi)力。1、列平

19、衡方程2、變形協(xié)調(diào)條件3、將物理關(guān)系代入目 錄2.12 應(yīng)力集中的概念 常見的油孔、溝槽等均有構(gòu)件尺寸突變，突變處將產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。即理論應(yīng)力集中因數(shù)1、形狀尺寸的影響： 2、材料的影響： 應(yīng)力集中對(duì)塑性材料的影響不大；應(yīng)力集中對(duì)脆性材料的影響嚴(yán)重，應(yīng)特別注意。目 錄 尺寸變化越急劇、角越尖、孔越小，應(yīng)力集中的程度越嚴(yán)重。一.剪切的實(shí)用計(jì)算2-13 剪切和擠壓的實(shí)用計(jì)算鉚釘連接剪床剪鋼板目 錄銷軸連接2-13 剪切和擠壓的實(shí)用計(jì)算剪切受力特點(diǎn)：作用在構(gòu)件兩側(cè)面上的外力合力大小相等、方向相反且作用線很近。變形特點(diǎn)：位于兩力之間的截面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。目 錄2-13 剪切和擠壓的實(shí)用計(jì)算目 錄2-1

20、3 剪切和擠壓的實(shí)用計(jì)算 假設(shè)切應(yīng)力在剪切面（m-m 截面）上是均勻分布的, 得實(shí)用切應(yīng)力計(jì)算公式：切應(yīng)力強(qiáng)度條件：目 錄二.擠壓的實(shí)用計(jì)算 假設(shè)應(yīng)力在擠壓面上是均勻分布的得實(shí)用擠壓應(yīng)力公式*注意擠壓面面積的計(jì)算2-13 剪切和擠壓的實(shí)用計(jì)算擠壓力 fbs= f（1）接觸面為平面abs實(shí)際接觸面面積（2）接觸面為圓柱面abs直徑投影面面積目 錄2-13 剪切和擠壓的實(shí)用計(jì)算擠壓強(qiáng)度條件：目 錄2-13 剪切和擠壓的實(shí)用計(jì)算目 錄 為充分利用材料，切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力應(yīng)滿足2-13 剪切和擠壓的實(shí)用計(jì)算得：目 錄 圖示接頭，受軸向力f 作用。已知f=50kn，b=150mm，=10mm，d=17mm，a=80mm，=160mpa，=120mpa，bs=320mpa，鉚釘和板的材料相同，試校核其強(qiáng)度。 2.