材料力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用

1、材料力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用材料力學(xué)是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度、 穩(wěn)定和導(dǎo)致各種材料破壞的極限。而研究材料力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng) 用，將會(huì)直接給我們?cè)谶M(jìn)一步的學(xué)習(xí)中提供一個(gè)現(xiàn)實(shí)的模型。材料力學(xué)在生活中的應(yīng)用十分廣泛。大到機(jī)械中的各種機(jī)器建筑中 的各個(gè)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(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求才能夠安全、正常工作所以材料力 學(xué)就顯得尤為重要。生活中機(jī)械常用的連接件如釧釘、鍵、銷釘、螺 栓等的變形屬于剪切變形在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮其剪切應(yīng)力。汽車的傳 動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向軸、水輪機(jī)的主軸等發(fā)生的變形屬于扭轉(zhuǎn)變形?；疖囕S、 起重機(jī)大梁的變形均屬于彎曲變

2、形。有些桿件在設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮 幾個(gè)方面的變形如車床主軸工作時(shí)同時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，彎曲及壓縮三種基 本變形鉆穿立柱同時(shí)發(fā)生拉伸與彎曲兩張變形。說到材料力學(xué)，我們首先應(yīng)該了解它的屬性。材料力學(xué)在工程中常 用的屬性主要有：1 .密度p:密度與結(jié)構(gòu)自重和地震荷載有關(guān)。2 .彈性模量E:指的是材料在在單位長(zhǎng)度、單位截面面積下受到單 位軸向力時(shí)的軸向變形量。3 .強(qiáng)度f :材料的承受能力。4 .泊松比v:指的是材料在受軸向力時(shí)，材料的橫向變形或材料的 軸向變形。5,剪切模量 G:指的是材料在單位長(zhǎng)度、單位截面面積下受到單位 剪切力時(shí)的側(cè)向變形量。材料力學(xué)研究的主要問題是桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，因此,制

3、成桿件的物體就應(yīng)該是變性固體，而不能像理論力學(xué)中那樣認(rèn)為是 鋼體。變形固體中的變形就成為它的主要基本性質(zhì)之一，必須予以重 視。例如，在土建、水利工程中，組成水閘閘門或橋梁的個(gè)別桿件的變 形會(huì)影響到整個(gè)閘門或橋梁的穩(wěn)固，基礎(chǔ)的剛度會(huì)影響到大型壩體內(nèi) 的應(yīng)力分布；在機(jī)電設(shè)備中，機(jī)床主軸的變形過大就不能保證機(jī)床對(duì) 工作的加工精度，電機(jī)軸的變形過大就會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子相撞， 使電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至損壞等等。因此，在材料力學(xué)中我們必須 把組成桿件的各種固體看做是變性固體，固體之所以發(fā)生變形，是由 于在外力作用下，組成固體的各微粒的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生改變的緣故。 在材料力學(xué)中，我們要著重研究這種外力和變形

4、之間的關(guān)系。大多數(shù) 變形固體具有在外力作用下發(fā)生變形，但在外力除去后又能立刻恢復(fù) 其原有形狀和尺寸大小的特性，我們把變形固體的這種基本性質(zhì)成為 彈性，把具有這種彈性性質(zhì)的變形固體成為完全彈性體。若變性固體 的變形在外力除去后只能恢復(fù)其中一部分，這樣的固體成為部分彈性 體，部分彈性體的形變可分為兩部分；一部分是隨著外力除去而消失 的變形，成為彈性變形；而另一部分是在外力除去后仍不能消失的變 形成為塑性變形。嚴(yán)格的說，自然界中并沒有完全彈性體，一般的變性固體在外力作用下，總會(huì)是既有彈性變形也有塑性變形。不過，實(shí) 驗(yàn)指出，像金屬、木材等常用建筑材料，當(dāng)所受的外力不超過某一限 度時(shí)，可看成是完全彈性體

5、。為了能采用理論的方法對(duì)變形固體進(jìn)行 分析和研究，從而得到比較通用的結(jié)論?？偠灾?，桿件要能正常工作，必須同時(shí)滿足以下三方面的要求：(1)不會(huì)發(fā)生破壞，即桿件必須具有足夠的強(qiáng)度。(2)不產(chǎn)生過大變形，發(fā)生的變形能限制在正常工作許可的范圍以內(nèi)。即桿件必須具有足夠的強(qiáng)度(3)不失穩(wěn)，桿件在其原有形狀下的平衡應(yīng)保持為穩(wěn)定的平衡，即 桿件必須具有足夠的穩(wěn)定性。這三方面的要求統(tǒng)稱為構(gòu)件的承載能力。一般來說，在設(shè)計(jì)每一桿 件時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮到以上三方面的要求，但對(duì)某些具體的桿件來說， 有事往往只需考慮其中的某一主要方面的要求(例如穩(wěn)定性為主)，當(dāng)這些主要方面的要求滿足了，其它兩個(gè)次要方面的要求也就自動(dòng)地得

6、到滿足。當(dāng)設(shè)計(jì)的桿件能滿足上述三方面的要求時(shí)，就可認(rèn)為設(shè)計(jì)是 安全的，桿件能夠正常工作。其次，材料力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用時(shí)非常多的，例如在鐵路和橋 梁等等上。1976年7月28日發(fā)生在中國唐山，震級(jí)為 M7.8級(jí)的地震，造成了 大面積公路、鐵路、橋梁普遍倒塌或者嚴(yán)重?fù)p壞，據(jù)有關(guān)部門專家對(duì) 這次地震的分析，橋梁破壞主要集中在新進(jìn)建造的橋梁，主要原因有岸坡滑移、地基失效、橋墩斷裂橋墩損傷積累、支座破壞、梁體相撞、 相鄰墩發(fā)生過太相對(duì)位移或錯(cuò)位，與之相比較，位于震中的許多單孔 石拱橋、雙曲拱橋卻具有良好的抗震能力，大多基本完好或僅有輕微 的損失，從而暴露出了近代橋梁設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，上述事實(shí)及工程

7、實(shí)踐推動(dòng)了力學(xué)在材料工程中的應(yīng)用。中國數(shù)千年來一直有著木構(gòu)建筑的傳統(tǒng)，我國著名建筑學(xué)家梁思成、林徽因夫婦，在山西五臺(tái)山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了中國現(xiàn)存最早的木結(jié)構(gòu)大殿。 木結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用和推廣，對(duì)于我國低碳減排、城市環(huán)境可持續(xù)發(fā)展 有著重要的意義。目前，木結(jié)構(gòu)建筑在中國適用于各種建筑形式。不僅僅在房屋鐵路和橋梁上材料力學(xué)發(fā)揮了很大的作用，在我國火 箭上面也少不了它。由以上例子可以看出，在工程實(shí)際中材料力學(xué)起了很大的作用，萬 萬少不了它，因?yàn)樗芏嗍虑闁|西才可以如此完善甚至完美。選取合 適節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)方式完成工程很重要，尤其要考慮到安全因素，從 整體的靜力分析種種，從材料的性能可以分析出使用那種材料合適，

8、節(jié)約安全甚至完美，從受力方面可以讓工程更加完善和安全，一個(gè)都 不能少，例如火箭，火箭的材料是獨(dú)一無二的，不是什么都能代替， 它既要承受的了高壓還要能承受高溫，不能變形。發(fā)射火箭時(shí)，火箭 向下噴出氣體，因?yàn)榱Φ淖饔檬窍嗷サ?，氣體又給火箭施加向上的作 用力，使火箭升空，所以它運(yùn)用了力的作用是相互的。材料力學(xué)讓我們明白了很多以前生活不能明白的問題，我們受益匪淺，而它也是學(xué)習(xí)機(jī)械方面的基礎(chǔ)，是關(guān)鍵的一門學(xué)科，以后學(xué)習(xí)工 作的一種工具?，F(xiàn)實(shí)生活中結(jié)構(gòu)體的應(yīng)用無處不存在像建筑、橋梁、 汽車、日常的用具都是由不同的結(jié)構(gòu)組成讓他們的設(shè)計(jì)都離不開材料 力學(xué)理論，材料力學(xué)的應(yīng)用不管是在安全和保護(hù)環(huán)境上還是在經(jīng)濟(jì)效 益和穩(wěn)固上往往能給我們帶來意想不到的效果。材料力學(xué)在工程實(shí)