《材料力學(xué)基礎(chǔ)》課件

《材料力學(xué)基礎(chǔ)》課程導(dǎo)言本課程介紹材料力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括材料的力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變分析、強(qiáng)度理論和穩(wěn)定性分析。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握材料力學(xué)的基本概念和方法，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。力學(xué)基礎(chǔ)概述1靜力學(xué)研究物體在力的作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力學(xué)分支，是材料力學(xué)的理論基礎(chǔ)。2運(yùn)動(dòng)學(xué)研究物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不考慮物體運(yùn)動(dòng)的原因，即不考慮力的作用，是材料力學(xué)的基礎(chǔ)理論。3動(dòng)力學(xué)研究物體在力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是材料力學(xué)的理論基礎(chǔ)。4材料力學(xué)研究材料在各種外力作用下的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和變形等力學(xué)性能。重要物理量與單位材料力學(xué)是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的變形和破壞規(guī)律的學(xué)科。該課程涉及許多重要物理量，了解其定義和單位至關(guān)重要。1長(zhǎng)度米（m）2質(zhì)量千克（kg）3時(shí)間秒（s）4力牛頓（N）力的概念與分類(lèi)力的定義力是物體之間的相互作用，它可以使物體發(fā)生形變或改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。力的分類(lèi)根據(jù)力的性質(zhì)和作用方式可以分為：重力、彈力、摩擦力、壓力、浮力、電磁力等。力的合成與分解1力的合成多個(gè)力共同作用于同一物體上，將這些力合成為一個(gè)合力，合力產(chǎn)生的效果等效于多個(gè)力的共同效果。2平行四邊形法則將兩個(gè)力作為平行四邊形的兩條邊，合力為以這兩個(gè)力為鄰邊的平行四邊形的對(duì)角線。3力的分解將一個(gè)力分解為兩個(gè)或多個(gè)分力，分力共同作用于物體上，其效果等效于原力。力的平衡條件靜力平衡當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，它受到的合力為零。動(dòng)態(tài)平衡當(dāng)物體處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它受到的合力為零。平衡條件公式∑F=0，其中F表示作用于物體上的所有力。力的平衡應(yīng)用力的平衡應(yīng)用是材料力學(xué)中的重要組成部分，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，例如橋梁、建筑物等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要考慮所有外力作用下，結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)。力的平衡應(yīng)用可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)因外力作用而發(fā)生破壞或坍塌。應(yīng)力概念應(yīng)力定義應(yīng)力是指物體內(nèi)部各部分之間相互作用力的度量，反映了物體抵抗外力的能力。應(yīng)力單位應(yīng)力的單位通常為帕斯卡(Pa)或牛頓每平方米(N/m2)。應(yīng)力類(lèi)型常見(jiàn)的應(yīng)力類(lèi)型包括拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。拉壓應(yīng)力分析定義拉壓應(yīng)力是指作用于物體橫截面上的正應(yīng)力，其方向與橫截面垂直。計(jì)算拉壓應(yīng)力可以用公式σ=F/A計(jì)算，其中F是作用力，A是橫截面積。影響因素拉壓應(yīng)力的大小與作用力的大小和橫截面積的大小有關(guān)。它還受到材料的彈性模量的影響。應(yīng)用拉壓應(yīng)力分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中至關(guān)重要，它有助于預(yù)測(cè)材料在拉伸和壓縮載荷下的性能。剪應(yīng)力分析1定義物體發(fā)生剪切變形時(shí)，其內(nèi)部所產(chǎn)生的內(nèi)力。2公式剪應(yīng)力=剪切力/作用面積。3計(jì)算根據(jù)剪切力方向和作用面積計(jì)算。剪應(yīng)力是材料力學(xué)中的重要概念，在分析結(jié)構(gòu)的承載能力和強(qiáng)度方面具有重要意義。彎曲應(yīng)力分析彎曲應(yīng)力是指物體在彎曲載荷作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，導(dǎo)致橫截面上出現(xiàn)正應(yīng)力。正應(yīng)力是指垂直于橫截面的應(yīng)力，分為拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。1彎曲應(yīng)力計(jì)算公式：σ=My/I，其中M為彎矩，y為距離中性軸的距離，I為截面慣性矩2彎曲應(yīng)力分布彎曲應(yīng)力在橫截面上呈線性分布，最大值位于最外層，最小值位于中性軸3影響因素彎曲應(yīng)力的大小取決于彎矩、材料的彈性模量和截面形狀扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分析1扭矩概念扭轉(zhuǎn)應(yīng)力由扭矩產(chǎn)生2剪應(yīng)力計(jì)算扭矩與極慣性矩相關(guān)3最大應(yīng)力發(fā)生在圓軸表面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分析是材料力學(xué)的重要內(nèi)容，用于研究桿件在扭矩作用下的變形和失效。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分析需要計(jì)算桿件的扭矩、剪應(yīng)力和最大應(yīng)力，以確定桿件是否安全。組合應(yīng)力分析實(shí)際工程中，構(gòu)件往往同時(shí)承受多種應(yīng)力，例如拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)。這些應(yīng)力的疊加會(huì)形成更復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，需要進(jìn)行組合應(yīng)力分析。1組合應(yīng)力多種應(yīng)力共同作用2最大應(yīng)力確定結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)點(diǎn)3強(qiáng)度判別依據(jù)強(qiáng)度理論判斷安全4安全設(shè)計(jì)確保結(jié)構(gòu)安全可靠性組合應(yīng)力分析是材料力學(xué)中的重要內(nèi)容，它能有效地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力條件下的失效模式，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。應(yīng)變概念應(yīng)變是指物體在外力作用下，形狀或尺寸發(fā)生改變的程度。應(yīng)變的定義是材料在受力后產(chǎn)生的變形量與原尺寸的比值。應(yīng)變是材料力學(xué)中的重要概念，用于描述材料的變形特性。材料力學(xué)基本假設(shè)連續(xù)性假設(shè)材料內(nèi)部無(wú)空隙，連續(xù)分布。忽略微觀結(jié)構(gòu)，視為連續(xù)體。各向同性假設(shè)材料各方向力學(xué)性能一致。適用于大多數(shù)工程材料。小變形假設(shè)變形量遠(yuǎn)小于構(gòu)件尺寸。簡(jiǎn)化應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析。線性彈性假設(shè)應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系。適用于大多數(shù)工程材料在彈性范圍內(nèi)。拉壓應(yīng)變分析應(yīng)變定義應(yīng)變是指物體在受力后，尺寸發(fā)生變化的程度。它反映了物體形變的大小。拉伸應(yīng)變拉伸應(yīng)變是指物體在受拉力后，長(zhǎng)度增加的程度。壓縮應(yīng)變壓縮應(yīng)變是指物體在受壓力后，長(zhǎng)度縮短的程度。應(yīng)變計(jì)算拉壓應(yīng)變的計(jì)算公式為：應(yīng)變=(變形量)/(原尺寸)。彎曲應(yīng)變分析1橫向應(yīng)變橫截面尺寸變化，反映材料在外力作用下的變形程度。2縱向應(yīng)變桿件軸線方向的變形，體現(xiàn)了材料在彎曲時(shí)的拉伸或壓縮情況。3剪切應(yīng)變桿件橫截面上不同層的相對(duì)滑動(dòng)，反映了材料在彎曲時(shí)的剪切變形情況。扭轉(zhuǎn)應(yīng)變分析1切應(yīng)變材料截面上的切應(yīng)變2扭轉(zhuǎn)角桿件在扭轉(zhuǎn)作用下，橫截面之間發(fā)生的相對(duì)轉(zhuǎn)角3應(yīng)變計(jì)算根據(jù)切應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)角計(jì)算桿件的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變扭轉(zhuǎn)應(yīng)變分析是材料力學(xué)的重要內(nèi)容之一，用于研究桿件在扭轉(zhuǎn)力作用下的變形特性。組合應(yīng)變分析應(yīng)變疊加原理組合應(yīng)變由多種應(yīng)力產(chǎn)生的變形疊加而成，例如拉伸和彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切等。應(yīng)變分量計(jì)算根據(jù)應(yīng)變疊加原理，可分別計(jì)算每個(gè)應(yīng)力引起的應(yīng)變分量，再進(jìn)行疊加得到總應(yīng)變。應(yīng)變分量關(guān)系應(yīng)變分量之間存在一定的關(guān)系，例如剪切應(yīng)變與正應(yīng)變之間存在特定關(guān)系。應(yīng)變分析應(yīng)用組合應(yīng)變分析有助于理解結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷作用下的變形行為，為安全設(shè)計(jì)提供依據(jù)。應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系胡克定律應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例系數(shù)稱(chēng)為彈性模量。彈性階段材料在應(yīng)力去除后可以恢復(fù)原始形狀，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系。屈服階段材料發(fā)生塑性變形，應(yīng)力不再與應(yīng)變呈線性關(guān)系，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。強(qiáng)化階段材料繼續(xù)發(fā)生塑性變形，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大，直到達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度。材料性能分類(lèi)彈性材料承受外力后能恢復(fù)原狀塑性材料承受外力后發(fā)生永久變形脆性材料承受外力后易發(fā)生斷裂韌性材料承受外力后能吸收大量能量拉伸試驗(yàn)與力學(xué)性能指標(biāo)拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)中最基礎(chǔ)的試驗(yàn)之一，也是材料力學(xué)性能分析中必不可少的一部分。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以得到材料的許多重要性能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等。1試樣準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣2加載過(guò)程均勻拉伸加載3數(shù)據(jù)采集應(yīng)力應(yīng)變曲線4性能指標(biāo)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率拉伸試驗(yàn)的具體步驟包括試樣準(zhǔn)備、加載過(guò)程、數(shù)據(jù)采集和性能指標(biāo)分析。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以評(píng)估材料的強(qiáng)度、塑性和韌性等性能，為材料的合理選擇和應(yīng)用提供依據(jù)。壓縮試驗(yàn)與力學(xué)性能指標(biāo)1試驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)壓縮試驗(yàn)，測(cè)定材料在受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能，評(píng)估材料的抗壓強(qiáng)度和壓縮模量，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2試驗(yàn)步驟將試樣放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，施加垂直于試樣截面的壓力，記錄試樣在不同荷載下的變形情況，最終測(cè)定材料的抗壓強(qiáng)度和壓縮模量。3力學(xué)指標(biāo)抗壓強(qiáng)度是指材料在破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力；壓縮模量反映材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，表征材料的剛度。剪切試驗(yàn)與力學(xué)性能指標(biāo)1剪切試驗(yàn)剪切試驗(yàn)是材料力學(xué)中的一種重要試驗(yàn)方法。它主要用于測(cè)試材料在剪切載荷作用下的力學(xué)性能。2剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度是指材料在剪切破壞前所能承受的最大剪應(yīng)力。剪切強(qiáng)度是材料抵抗剪切破壞能力的重要指標(biāo)。3剪切模量剪切模量是衡量材料在剪切變形下抵抗形變的能力。它是材料的彈性常數(shù)之一。彎曲試驗(yàn)與力學(xué)性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)原理彎曲試驗(yàn)用于評(píng)估材料承受彎曲載荷的能力。通過(guò)測(cè)量材料在彎曲狀態(tài)下的變形和斷裂情況，可以確定材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量等力學(xué)性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將試樣固定在測(cè)試儀器上，并施加彎曲力，通過(guò)傳感器測(cè)量試樣的變形和斷裂情況。彎曲試驗(yàn)可以分為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇不同的實(shí)驗(yàn)方法。力學(xué)性能指標(biāo)彎曲試驗(yàn)可以得到材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、彎曲屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)，這些指標(biāo)反映了材料在彎曲載荷下的抵抗能力，是材料力學(xué)性能的重要參數(shù)。應(yīng)用領(lǐng)域彎曲試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于各種材料的性能測(cè)試，例如金屬材料、塑料材料、陶瓷材料等，用于評(píng)估材料在彎曲載荷下的性能，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行材料選擇和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)與力學(xué)性能指標(biāo)1扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)量材料在扭轉(zhuǎn)載荷下的力學(xué)性能2扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度材料在扭轉(zhuǎn)破壞時(shí)的最大應(yīng)力3扭轉(zhuǎn)剛度材料抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力4扭轉(zhuǎn)韌性材料在扭轉(zhuǎn)破壞前吸收的能量扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)通過(guò)施加扭矩來(lái)測(cè)試材料的力學(xué)性能，并計(jì)算出材料的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)韌性等指標(biāo)。材料強(qiáng)度理論11.屈服強(qiáng)度理論材料在達(dá)到屈服點(diǎn)之前，能夠承受的最大應(yīng)力。它反映了材料在塑性變形前抵抗破壞的能力。22.極限強(qiáng)度理論材料在斷裂前能夠承受的最大應(yīng)力。它反映了材料在斷裂前抵抗破壞的能力。33.疲勞強(qiáng)度理論材料在反復(fù)加載下，抵抗疲勞斷裂的能力。它反映了材料在循環(huán)載荷下抵抗破壞的能力。44.沖擊強(qiáng)度理論材料在沖擊載荷下抵抗破壞的能力。它反映了材料在突然載荷下抵抗破壞的能力。安全因子與設(shè)計(jì)原則安全因子安全因子是指材料的強(qiáng)度極限與實(shí)際工作應(yīng)力之比。選擇安全因子，需要綜合考慮材料的強(qiáng)度、工作環(huán)境、使用壽命等因素。設(shè)計(jì)原則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循一定的原則，以確保安全可靠。例如，應(yīng)力不超過(guò)材料的屈服極限，結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)范是國(guó)家或行業(yè)制定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)、材料選擇、施工工藝等進(jìn)行規(guī)范，以確保結(jié)構(gòu)的安全和質(zhì)量。應(yīng)力集中現(xiàn)象分析應(yīng)力集中定義應(yīng)力集中是指在結(jié)構(gòu)中由于形狀突變或存在缺陷，導(dǎo)致局部應(yīng)力顯著高于平均應(yīng)力。常見(jiàn)應(yīng)力集中區(qū)域包括孔洞邊緣、缺口、螺紋、焊接部位等。影響因素應(yīng)力集中程度受結(jié)構(gòu)形狀、材料性質(zhì)、載荷類(lèi)型等因素影響。形狀越尖銳、缺陷越大，應(yīng)力集中程度越高。危害應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致局部強(qiáng)度降低，加速疲勞破壞，甚至引發(fā)脆性斷裂。減輕措施通過(guò)改變結(jié)構(gòu)形狀、優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及使用高韌性材料可以減輕應(yīng)力集中。采用圓角設(shè)計(jì)、增加過(guò)渡圓角、使用應(yīng)力集中系數(shù)等方法可以有效降低局部應(yīng)力。疲勞失效分析1循環(huán)載荷在反復(fù)或交變載荷作用下，材料會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，最終導(dǎo)致斷裂。2應(yīng)力集中材料內(nèi)部存在的應(yīng)力集中區(qū)域更