哈工程力學(xué)基礎(chǔ)第1章

材料力學(xué)哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院第一章緒論1.1資料力學(xué)的義務(wù)1.2構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性概念1.3資料的根本假設(shè)1.4小變形限制條件1.5內(nèi)力1.6應(yīng)力1.7位移、變形和應(yīng)變1.8構(gòu)件根本變形方式力學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地理、生物并列為七大根底學(xué)科。力學(xué)課程應(yīng)該是工程類專業(yè)學(xué)生的必修課。力學(xué)的開展源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。20世紀(jì)前，機(jī)械工業(yè)、大水利工程、大跨度橋梁、鐵路與機(jī)車、船舶、兵器等近代工業(yè)，無(wú)一不是在力學(xué)知識(shí)積累和完善的根底上產(chǎn)生與開展起來(lái)的。例如，高新技術(shù)領(lǐng)域中的航空航天技術(shù)(包括人類登月、建立空間站、航天飛機(jī)和衛(wèi)星測(cè)控)主要靠力學(xué)而開展。一架載客400人的波音747飛機(jī)，其質(zhì)量超越100t，這樣的龐然大物，竟然可以自在翱翔于空中，是得益于近代空氣動(dòng)力學(xué)的成就；在飛機(jī)遇到不穩(wěn)定氣流時(shí)，其機(jī)翼可以抑制上下顫抖，確保航行平安，那么是固膂力學(xué)和構(gòu)造力學(xué)的成就；客機(jī)跨海越洋，遙遙數(shù)萬(wàn)里，無(wú)論晝夜，都能準(zhǔn)確無(wú)誤地到達(dá)終點(diǎn)，既不會(huì)延誤，也不會(huì)迷路，更不會(huì)失控，這是導(dǎo)航與自動(dòng)控制技術(shù)的奉獻(xiàn)，其最中心的技術(shù)卻是普通力學(xué)研討的成果。1.1資料力學(xué)的義務(wù)資料力學(xué)課程重在建立學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)中強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性問(wèn)題明確的根本概念，掌握必要的根底知識(shí)，培育比較熟練的計(jì)算才干和初步的實(shí)驗(yàn)分析才干。1.2構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性概念1.強(qiáng)度要求要求構(gòu)件受載時(shí)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越允許值。3.穩(wěn)定性要求要求構(gòu)件在任務(wù)情況下，其平衡是穩(wěn)定的。構(gòu)件滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求的才干，稱為構(gòu)件的承載才干。震驚世界的兩次強(qiáng)度失效事故：1．“泰坦尼克號(hào)〞沉沒(méi)之謎1912年4月14日，當(dāng)時(shí)最大最奢華的4600t英制游輪“泰坦尼克號(hào)〞初次滿載著2227名乘客分開英國(guó)的南安普敦港駛向紐約。乘客們都以為本人乘坐的是最奢華、最結(jié)實(shí)的輪船，做夢(mèng)也不曾想到會(huì)有大禍臨頭。由于該船的底部已被隔成各個(gè)獨(dú)立的艙房，任一艙房受損進(jìn)水都不會(huì)影響別的艙房。即使在最壞的情況下，如與別的船相撞導(dǎo)致一部分艙房進(jìn)水，整個(gè)“泰坦尼克號(hào)〞沉沒(méi)至少也需求3天時(shí)間，在那么長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)無(wú)論如何也能得到救援。因此，這次處女航幾乎可以說(shuō)是萬(wàn)無(wú)一失的，更何況造船用的是當(dāng)時(shí)最優(yōu)質(zhì)的鋼材。然而，令人遺憾的是，“泰坦尼克號(hào)〞未能逃脫世界航海史上最大海難事故的命運(yùn)。被稱為“不沉之船〞的“泰坦尼克號(hào)〞連同它的1513位乘客，僅在3小時(shí)內(nèi)就被格陵蘭海冰冷的海水淹沒(méi)了。這艘偌大的游輪終究為什么會(huì)沉于海底呢?由于技術(shù)上的緣由，直至1991年，第一次科學(xué)調(diào)查隊(duì)才開場(chǎng)到水下對(duì)殘骸進(jìn)展調(diào)查，并搜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情況使人們終于解開了巨輪“泰坦尼克號(hào)〞罹難之謎。調(diào)查隊(duì)員們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致“泰坦尼克號(hào)〞沉沒(méi)的兩個(gè)重要細(xì)節(jié)。一個(gè)細(xì)節(jié)闡明，造船工程師們只思索到船底、船尾或船首有被撞壞的能夠性。在深夜里行進(jìn)的“泰坦尼克號(hào)〞遭遇冰山，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)并想躲避卻為時(shí)已晚。假設(shè)值班人員沒(méi)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(jìn)水的只是船首部分的艙房，船一定不會(huì)整個(gè)沉沒(méi)。但不幸的是，值班員偏偏發(fā)現(xiàn)了冰山，并且懷著僥幸的心思想讓船轉(zhuǎn)過(guò)身來(lái)躲避冰山，這樣一來(lái)，冰山就像一把利刃似的從船的側(cè)面切入，把船攔腰斬?cái)?。這樣，就不是一兩個(gè)艙房進(jìn)水，而是一切的艙房都進(jìn)了水。結(jié)果“泰坦尼克號(hào)〞在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就覆沒(méi)于大海之中了。第二個(gè)細(xì)節(jié)是造船工程師只思索到要添加鋼的強(qiáng)度，而沒(méi)有想到要添加其韌性。把殘骸的金屬碎片與如今的造船鋼材作一對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)如今“泰坦尼克號(hào)〞沉沒(méi)地點(diǎn)的水溫中，如今的造船鋼材在遭到撞擊時(shí)可彎成V形，而殘骸上的鋼材那么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-40℃～O℃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。而用現(xiàn)代技術(shù)煉的鋼只需在－70℃～－60℃的溫度下才會(huì)變脆。不過(guò)不能責(zé)怪當(dāng)時(shí)的工程師，由于當(dāng)時(shí)誰(shuí)也不知道，為了添加鋼的強(qiáng)度而往煉鋼原料中添加大量硫化物會(huì)大大添加鋼的脆性，以致釀成了“泰坦尼克號(hào)〞沉沒(méi)的悲劇。

另?yè)?jù)美國(guó)<紐約時(shí)報(bào)>報(bào)導(dǎo)，一個(gè)海洋法醫(yī)專家小組對(duì)打撈起來(lái)的“泰坦尼克號(hào)〞船殼上的鉚釘進(jìn)展了分析，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，因此使鉚釘變得非常脆弱、容易斷裂。這一分析闡明：在冰山的撞擊下，能夠是鉚釘斷裂導(dǎo)致船殼解體，最終使“泰坦尼克號(hào)〞葬身于大西洋海底。2．切爾諾貝利核電站為什么發(fā)生大爆炸?切爾諾貝利核電站是前蘇聯(lián)于1973年開場(chǎng)建筑、1977年啟動(dòng)的最大的核電站。1986年4月26日凌晨，兩聲沉悶的爆炸聲突破了核電站周圍的安靜。隨著爆炸聲，一條30多米高的火柱掀開反響堆的外殼，沖向天空。反響堆的防護(hù)構(gòu)造和各種設(shè)備整個(gè)被掀起，溫度高達(dá)2000℃的烈焰吞噬著機(jī)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，這次爆炸呵斥了災(zāi)難性的后果。爆炸釋放的能量相當(dāng)于500顆在廣島投放的原子彈。爆炸破壞了核反響堆，使反響堆內(nèi)180多噸濃縮鈾燃料的3％被釋放到大氣中，放射性污染普及前蘇聯(lián)居住著694.5萬(wàn)人的15萬(wàn)平方公里的地域，核電站周圍30km范圍被劃為隔離區(qū)，莊稼被全部掩埋。那么，終究是什么緣由釀成了這場(chǎng)災(zāi)難?事后的調(diào)查闡明，這是由一系列的操作失誤呵斥的人為事故。剛完成檢修的第四核反響堆重新啟動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生的蒸汽輸向曾經(jīng)封鎖的渦輪機(jī)，而可以關(guān)掉反響堆的自動(dòng)維護(hù)安裝卻事先被切斷了。這樣，反響堆不斷任務(wù)產(chǎn)生蒸汽，卻沒(méi)有宣泄的出口。反響堆外殼所接受的蒸汽壓力和溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它的設(shè)計(jì)要求，最終引發(fā)了熱能爆炸。然而，對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，這次爆炸依然是“僥幸〞的。由于它僅僅是一次過(guò)熱的蒸汽爆炸，而非核爆炸。否那么這對(duì)于人類是絕對(duì)的滅頂之災(zāi)。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，遏制更大災(zāi)難的發(fā)生，這也是對(duì)力學(xué)任務(wù)者提出的新的挑戰(zhàn)性課題。1999年1月4日，我國(guó)某市的一座大橋發(fā)生垮塌，呵斥：40人死亡；14人受傷；直接經(jīng)濟(jì)損失631萬(wàn)元。法庭以外的問(wèn)題－力學(xué)素質(zhì)的重要性－從簡(jiǎn)單力學(xué)問(wèn)題到高等力學(xué)問(wèn)題。簡(jiǎn)單力學(xué)問(wèn)題－隊(duì)伍過(guò)橋時(shí)不能齊步走高等力學(xué)問(wèn)題－沖擊載荷的概念：人跑步時(shí)腳上的力量有多大？損傷累積與構(gòu)造壽命與跑步的次數(shù)有關(guān)腳上的力量假設(shè)人體分量為750N3000N3500N4500N6000N12500N44.76816.7高等力學(xué)問(wèn)題－損傷累積與構(gòu)造壽命與跑步的次數(shù)有關(guān)構(gòu)件的根本方式1、桿件長(zhǎng)度〔縱向〕比其他兩個(gè)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)件的根本方式板(plate)殼(shell)3板件厚度比其他兩個(gè)方向尺寸小得多的構(gòu)件稱為板件。假設(shè)中面是平面的構(gòu)件稱為板。而中面是曲面的話那么稱為殼。1.3資料力學(xué)中的根本假設(shè)1.關(guān)于資料性質(zhì)得假定延續(xù)性假設(shè)均勻性假設(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.是塑性變形資料力學(xué)是在彈性范圍內(nèi)研討構(gòu)件的承載才干。討論由均勻、延續(xù)、各向同性資料制成的桿件，受載后變形為微小的彈性變形情況！資料力學(xué)和實(shí)際力學(xué)研討對(duì)象的區(qū)別實(shí)際力學(xué)研討對(duì)象視為剛體力學(xué)模型理想化的力學(xué)模型主要研討力的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)資料力學(xué)研討對(duì)象視為變形體力學(xué)模型更接近于實(shí)踐主要研討力的變形效應(yīng)實(shí)踐物體往往隨所研討問(wèn)題的不同，有時(shí)看作剛體，有時(shí)看作變形體。

實(shí)際力學(xué)中某些定理在資料力學(xué)中的運(yùn)用遭到嚴(yán)厲限制

加減平衡力系原理及其推理〔力的可傳性力系簡(jiǎn)化的根底〕

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(duì)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。截面法的根據(jù)是“一個(gè)處于平衡形狀的物體其各部分也應(yīng)堅(jiān)持平衡〞。例：有不斷桿，一端固定，一端自在。在自在端位于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(lái)研討根據(jù)平面力系的平衡條件

假設(shè)取部分研討，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

截面法求內(nèi)力的過(guò)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〕替代丟棄一部分，留下一部分，丟棄部分對(duì)留下部分的作用以內(nèi)力來(lái)替代。〔3〕平衡根據(jù)留下部分的平衡條件，由知外力求未知內(nèi)力。1.6應(yīng)力概念內(nèi)力在一點(diǎn)處的集度稱為該點(diǎn)的應(yīng)力。設(shè)作用在小面積上的內(nèi)力為，那么在上的內(nèi)力的平均集度為〔稱為平均應(yīng)力〕CADPDCtsP當(dāng)C點(diǎn)〔無(wú)限變小〕某一極限值我們稱為C點(diǎn)的全應(yīng)力，其表達(dá)式為：應(yīng)力的量綱為,單位常用是個(gè)矢量，為了研討的方便和需求，我們總是將它分解為垂直于截面和平行于截面的兩個(gè)分量。前者稱為正應(yīng)力〔或法向應(yīng)力〕，用表示。后者稱為剪應(yīng)力〔或切向應(yīng)力〕，用表示“應(yīng)力〞與“壓強(qiáng)〞的區(qū)別“應(yīng)力〞雖與“壓強(qiáng)〞量綱一樣，但兩者的物理意義不同。定義不同：應(yīng)力——內(nèi)力壓強(qiáng)——外力作用方式不同：應(yīng)力——可分解，存在于受力物體內(nèi)部恣意一點(diǎn)壓強(qiáng)——作用于物體外表且垂至于作用面，常呈均勻分布或線性分布1.7位移、變形和應(yīng)變線位移角位移{PqAuv二、變形與應(yīng)變線應(yīng)變—