材料力學(xué)課件劉鴻文版

材料力學(xué)課件全套劉鴻文版材料力學(xué)是研究材料在各種外力作用下的力學(xué)性能和破壞規(guī)律的學(xué)科。它涉及彈性、塑性、強度、剛度、穩(wěn)定性等方面的理論和應(yīng)用。材料力學(xué)是機械、土木、航空航天等工程領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一。課程簡介1材料力學(xué)機械工程和土木工程的必修課程2劉鴻文版經(jīng)典教材，內(nèi)容全面，講解清晰3課程目標理解力學(xué)原理，分析結(jié)構(gòu)行為4課程內(nèi)容從基本概念到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析力的基本概念外力外力是由物體外部施加的力，例如推力、拉力、重力等。內(nèi)力內(nèi)力是指物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力，例如彈性力、摩擦力等。力的合成與分解多個力作用于同一個物體，可以將它們合成一個合力，也可以將合力分解成多個分力。力矩力矩是指力使物體繞軸旋轉(zhuǎn)的趨勢，大小等于力的大小乘以力臂的長度。應(yīng)力基本概念應(yīng)力定義應(yīng)力是物體內(nèi)部抵抗形變的內(nèi)力，是作用于截面上的內(nèi)力與截面面積之比。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)力類型應(yīng)力可分為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力垂直于截面作用，切應(yīng)力平行于截面作用。應(yīng)力分布應(yīng)力在物體內(nèi)部的分布并非均勻，而是受物體形狀、載荷類型和邊界條件的影響。應(yīng)力分析1應(yīng)力集中幾何形狀變化處2應(yīng)力分布應(yīng)力在截面上變化3應(yīng)力計算根據(jù)外力求解應(yīng)力4應(yīng)力類型正應(yīng)力、剪應(yīng)力應(yīng)力分析是材料力學(xué)的重要組成部分。它是對材料內(nèi)部由于外力作用而產(chǎn)生的內(nèi)力進行分析，以判斷材料是否能夠承受外力，并評估其可能發(fā)生的變形。在實際應(yīng)用中，應(yīng)力分析可以幫助工程師設(shè)計安全可靠的結(jié)構(gòu)，避免材料失效。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1彈性階段材料恢復(fù)原始形狀2屈服階段材料發(fā)生永久變形3強化階段應(yīng)力繼續(xù)增加，材料變硬4頸縮階段材料強度下降，最終斷裂材料力學(xué)中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述了材料在受力時的行為。不同材料有不同的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，影響因素包括材料類型、溫度、加載速度等。軸向載荷定義軸向載荷是指作用于桿件軸線方向上的力。它會導(dǎo)致桿件發(fā)生拉伸或壓縮變形。應(yīng)力分析軸向載荷引起的應(yīng)力稱為正應(yīng)力，可以根據(jù)桿件的截面積和外力計算。變形分析軸向載荷引起的變形稱為軸向變形，可以使用胡克定律計算。應(yīng)用場景軸向載荷廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)，例如橋梁、建筑物、機械等。扭轉(zhuǎn)載荷1扭矩和扭轉(zhuǎn)角扭矩是施加在物體上的旋轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致物體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角。2切應(yīng)力扭轉(zhuǎn)載荷在物體內(nèi)部產(chǎn)生切應(yīng)力，導(dǎo)致橫截面上的剪切變形。3扭轉(zhuǎn)強度材料在扭轉(zhuǎn)載荷下的抵抗能力，取決于材料的剪切強度和截面的幾何形狀。彎曲載荷1彎曲應(yīng)力彎曲載荷會引起橫截面的彎曲應(yīng)力。橫截面上的彎曲應(yīng)力分布不均勻，最大值出現(xiàn)在最外層纖維上。2彎曲變形彎曲載荷會導(dǎo)致橫截面發(fā)生彎曲變形。這種變形被稱為撓度，表示橫截面中心線在載荷作用下產(chǎn)生的位移。3彎曲強度彎曲強度指的是材料在彎曲載荷作用下所能承受的最大應(yīng)力，是衡量材料抵抗彎曲載荷能力的重要指標。復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)定義當(dāng)物體上存在兩種或兩種以上不同方向的應(yīng)力時，稱之為復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)是材料力學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，因為它可以幫助我們更準確地分析物體的強度和變形。類型常見的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)包括平面應(yīng)力狀態(tài)、平面應(yīng)變狀態(tài)、三向應(yīng)力狀態(tài)等。不同的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)不同的應(yīng)力分析方法和變形計算公式。應(yīng)用復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)分析在許多工程領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，例如橋梁、建筑、飛機、汽車等。通過分析復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，我們可以設(shè)計出更安全、更可靠的結(jié)構(gòu)。變形基本定理該定理表明結(jié)構(gòu)的變形與外力成正比，與結(jié)構(gòu)的剛度成反比。該定理是結(jié)構(gòu)分析中的基本原理之一，廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析中。應(yīng)用該定理可以計算出結(jié)構(gòu)在特定載荷下的變形量，從而判斷結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求。靜定結(jié)構(gòu)位移分析1位移法基于力的平衡方程和幾何關(guān)系，求解結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。2虛功原理將位移分析問題轉(zhuǎn)化為求解虛功的方程。3能量法利用結(jié)構(gòu)的能量原理，求解結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。靜定結(jié)構(gòu)位移分析是材料力學(xué)的重要內(nèi)容之一，通過分析結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力，可以評估結(jié)構(gòu)的安全性，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建造。力熱應(yīng)變分析溫度變化材料溫度變化會引起尺寸變化，產(chǎn)生熱應(yīng)變。熱應(yīng)變與溫度變化和材料熱膨脹系數(shù)有關(guān)。熱應(yīng)力當(dāng)材料受熱膨脹或收縮時，如果受到約束，就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的大小取決于約束條件和材料的彈性模量。熱應(yīng)力分析分析熱應(yīng)力問題，需要考慮材料的熱膨脹系數(shù)、約束條件、溫度變化以及材料的彈性模量等因素。應(yīng)力集中裂紋結(jié)構(gòu)中存在的裂紋會使應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致材料的強度降低?？锥唇Y(jié)構(gòu)中存在的孔洞或其他幾何形狀的突變也會導(dǎo)致應(yīng)力集中。角結(jié)構(gòu)中的尖角或銳角會使應(yīng)力集中，從而降低材料的強度。斷裂力學(xué)基礎(chǔ)11.裂紋擴展裂紋擴展是指材料中裂紋尺寸逐漸增大的過程，是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的重要原因。22.應(yīng)力強度因子應(yīng)力強度因子是表征材料斷裂韌性的重要參數(shù)，它反映了材料在裂紋尖端承受的應(yīng)力水平。33.斷裂韌性斷裂韌性是指材料抵抗裂紋擴展的能力，是評價材料抗斷裂性能的重要指標。44.斷裂力學(xué)應(yīng)用斷裂力學(xué)在工程實際中被廣泛應(yīng)用于材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全評估等方面。疲勞與斷裂疲勞材料在反復(fù)應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力水平低于材料的屈服強度，也會發(fā)生斷裂。疲勞破壞是結(jié)構(gòu)失效的重要原因，占結(jié)構(gòu)失效的90%以上。疲勞過程分為三個階段：裂紋萌生、裂紋擴展和斷裂。斷裂材料在應(yīng)力或應(yīng)變的作用下，發(fā)生分離或斷裂的過程稱為斷裂。斷裂可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種類型。脆性斷裂的特點是斷裂前無明顯塑性變形，斷裂面平整，斷裂速度快。韌性斷裂的特點是斷裂前有明顯塑性變形，斷裂面粗糙，斷裂速度慢。柱的穩(wěn)定問題穩(wěn)定性與失穩(wěn)當(dāng)柱子受到軸向壓縮載荷時，會發(fā)生彎曲變形，最終可能導(dǎo)致失穩(wěn)。臨界載荷柱子所能承受的最大軸向壓縮載荷稱為臨界載荷，超過臨界載荷，柱子將發(fā)生失穩(wěn)。細長比的影響柱子的細長比是指柱子長度與其橫截面慣性半徑的比值，細長比越大，臨界載荷越低。薄壁構(gòu)件應(yīng)力與變形薄壁構(gòu)件概念薄壁構(gòu)件是指截面尺寸遠小于長度的構(gòu)件，如薄板、薄殼等。應(yīng)力與變形特點薄壁構(gòu)件的應(yīng)力分布不均勻，存在彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，變形也較為復(fù)雜。分析方法薄壁構(gòu)件的應(yīng)力與變形分析常用薄壁理論、有限元方法等。應(yīng)用薄壁構(gòu)件廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域，具有重量輕、強度高的特點。結(jié)構(gòu)設(shè)計總論結(jié)構(gòu)類型介紹不同類型的結(jié)構(gòu)，例如梁、柱、拱、殼、桁架等，并分析它們的優(yōu)缺點和應(yīng)用場景。設(shè)計原則探討結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則，包括安全性、適用性、經(jīng)濟性、美觀性、可施工性等方面的考慮。設(shè)計方法介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計的常用方法，例如極限狀態(tài)設(shè)計法、工作狀態(tài)設(shè)計法、可靠度設(shè)計法等，并比較它們的適用范圍和優(yōu)缺點。強度理論強度理論概述強度理論研究結(jié)構(gòu)或材料在各種載荷作用下，發(fā)生失效或破壞時的極限狀態(tài)。強度理論用于確定材料或結(jié)構(gòu)的承載能力，評估其安全性。常見強度理論最大拉應(yīng)力理論最大剪應(yīng)力理論能量理論屈服準則理論塑性屈服準則屈服強度材料開始發(fā)生塑性變形時的應(yīng)力值。該值反映材料抵抗永久變形的強度。屈服準則用于預(yù)測材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服行為。常用的屈服準則包括最大剪應(yīng)力準則、最大應(yīng)變能準則和馮·米塞斯準則。應(yīng)用塑性屈服準則廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料分析和失效預(yù)測，確保材料在承受載荷時不會發(fā)生永久變形。限制設(shè)計1安全系數(shù)將材料強度除以實際工作應(yīng)力，以確保結(jié)構(gòu)安全。2工作應(yīng)力設(shè)計允許的應(yīng)力，不得超過材料的屈服強度。3疲勞強度考慮結(jié)構(gòu)在重復(fù)載荷下的耐久性，確保結(jié)構(gòu)不會因疲勞失效。4穩(wěn)定性考慮結(jié)構(gòu)在載荷作用下保持穩(wěn)定的能力，確保結(jié)構(gòu)不會發(fā)生失穩(wěn)。工程材料力學(xué)性能金屬材料金屬材料具有較高的強度、韌性、塑性和良好的導(dǎo)電性，適用于各種結(jié)構(gòu)件、零件和工具等。陶瓷材料陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、絕緣性能優(yōu)異的特點，廣泛應(yīng)用于建筑、電子、航空航天等領(lǐng)域。復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或多種材料組成，通過不同的組合方式，可以獲得優(yōu)異的綜合性能，例如高強度、高剛度、耐高溫等。聚合物材料聚合物材料具有輕質(zhì)、易加工、可塑性強、成本低廉等特點，廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、汽車等領(lǐng)域。材料失效模式脆性斷裂材料在沒有明顯塑性變形的情況下突然斷裂。這種失效模式通常發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域或存在裂紋的情況下。韌性斷裂材料在斷裂前出現(xiàn)明顯的塑性變形。這種失效模式通常發(fā)生在拉伸載荷下，材料會發(fā)生頸縮，然后斷裂。疲勞斷裂材料在反復(fù)載荷下，即使載荷低于材料的屈服強度，也會發(fā)生斷裂。疲勞斷裂通常發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域，并形成裂紋。蠕變斷裂材料在高溫和長期載荷下，會發(fā)生緩慢的變形，最終導(dǎo)致斷裂。蠕變斷裂通常發(fā)生在高溫部件，如渦輪葉片。材料選擇與設(shè)計性能需求根據(jù)工程應(yīng)用需求，確定材料的強度、剛度、韌性、疲勞強度等性能指標。成本考量選擇經(jīng)濟實惠的材料，并考慮材料的加工成本、運輸成本等。環(huán)境因素考慮材料的耐腐蝕性、耐高溫性、耐低溫性等，確保材料能夠在實際環(huán)境中正常工作?？沙掷m(xù)性優(yōu)先考慮可回收、可再生、環(huán)保的材料，減少對環(huán)境的影響。機構(gòu)與設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用11.結(jié)構(gòu)設(shè)計材料力學(xué)可以預(yù)測機構(gòu)和設(shè)備的承載能力和強度，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。22.優(yōu)化設(shè)計通過對機構(gòu)和設(shè)備進行應(yīng)力分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，進行優(yōu)化設(shè)計，提高安全性和可靠性。33.疲勞分析利用材料力學(xué)理論，評估機構(gòu)和設(shè)備的疲勞壽命，防止因疲勞失效造成的意外。44.故障診斷根據(jù)機構(gòu)和設(shè)備的變形情況，判斷故障類型，并進行維修或更換。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)分析鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮多種因素，例如材料強度、荷載類型以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。建造技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)的建造工藝，包括焊接、螺栓連接以及防腐處理等，對結(jié)構(gòu)的性能和壽命有重要影響?？拐鹪O(shè)計鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑和橋梁等工程中具有較高的抗震性能。應(yīng)用領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、工業(yè)廠房等領(lǐng)域。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計材料性能混凝土是一種復(fù)合材料，其強度和耐久性取決于原材料的質(zhì)量、配比和施工工藝。結(jié)構(gòu)類型混凝土結(jié)構(gòu)可用于各種建筑類型，包括橋梁、房屋、辦公樓和基礎(chǔ)設(shè)施。設(shè)計原則混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循強度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性等原則，以確保安全和可靠性。復(fù)合材料設(shè)計纖維增強復(fù)合材料例如碳纖維增強塑料、玻璃纖維增強塑料，具有高強度、輕量化的特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。顆粒增強復(fù)合材料例如金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料，具有良好的耐磨性、耐高溫性能，應(yīng)用于發(fā)動機、工具等領(lǐng)域。層狀復(fù)合材料例如夾層板、蜂窩板，具有高強度、高剛度、輕量化的特點，應(yīng)用于建筑、航空等