吉林大學(xué)材料力學(xué)課件

材料力學(xué)課件本課件旨在幫助學(xué)生理解材料力學(xué)的基本原理和應(yīng)用，內(nèi)容涵蓋應(yīng)力、應(yīng)變、材料特性、彎曲、扭轉(zhuǎn)等重要概念。課程簡(jiǎn)介材料力學(xué)概論介紹材料力學(xué)的概念、研究對(duì)象和應(yīng)用范圍。重點(diǎn)介紹材料力學(xué)的基本原理、分析方法和常用的實(shí)驗(yàn)手段。強(qiáng)調(diào)材料力學(xué)在工程設(shè)計(jì)、制造和安全評(píng)估中的重要作用。課程目標(biāo)掌握材料力學(xué)的基本理論理解材料在各種外力作用下的力學(xué)行為，并能運(yùn)用相關(guān)理論和方法解決實(shí)際問(wèn)題。培養(yǎng)工程應(yīng)用能力將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和案例分析提升工程實(shí)踐能力。提升工程設(shè)計(jì)水平掌握材料力學(xué)的基本原理，為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)與分析打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)的基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)和材料科學(xué)。經(jīng)典力學(xué)提供了分析物體受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論框架，而材料科學(xué)則為我們提供了材料性能和行為的知識(shí)。材料力學(xué)將這兩個(gè)領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，研究材料在力的作用下的變形和破壞規(guī)律。材料力學(xué)的基本概念應(yīng)力物體內(nèi)部各部分之間由于外力作用而產(chǎn)生的相互作用力，表示單位面積上的內(nèi)力。應(yīng)變物體在外力作用下發(fā)生的形變，表示物體形變程度的量，通常用長(zhǎng)度變化量與原長(zhǎng)度的比值表示。強(qiáng)度材料抵抗破壞的能力，通常用材料所能承受的最大應(yīng)力表示。剛度材料抵抗形變的能力，通常用材料的彈性模量表示。應(yīng)力與應(yīng)變1應(yīng)力材料內(nèi)部抵抗形變的內(nèi)力，通常用單位面積上的力來(lái)表示。2應(yīng)變材料在受力作用下發(fā)生的形變程度，通常用形變量與原尺寸之比來(lái)表示。3關(guān)系應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系反映了材料的力學(xué)特性，是材料力學(xué)研究的重要內(nèi)容。彈性中的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系1胡克定律描述了彈性材料中應(yīng)力和應(yīng)變之間的線性關(guān)系。2泊松比表示材料在單軸拉伸或壓縮時(shí)橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比。3彈性模量衡量材料抵抗形變的能力，也稱為楊氏模量。4剪切模量描述材料抵抗剪切形變的能力。5體積模量衡量材料抵抗體積變化的能力。應(yīng)力分析內(nèi)力分析首先，需要對(duì)物體進(jìn)行受力分析，確定其內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)力。應(yīng)力概念內(nèi)力在截面上的分布，可以用應(yīng)力來(lái)描述，它是單位面積上的內(nèi)力。應(yīng)力計(jì)算根據(jù)不同的受力情況，可以采用不同的公式來(lái)計(jì)算應(yīng)力。正應(yīng)力與剪應(yīng)力1正應(yīng)力垂直于作用面的力所產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為正應(yīng)力。2剪應(yīng)力平行于作用面的力所產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為剪應(yīng)力。聯(lián)合應(yīng)力狀態(tài)多種應(yīng)力物體受到多種應(yīng)力作用時(shí)，稱為聯(lián)合應(yīng)力狀態(tài)。復(fù)雜計(jì)算需要考慮多種應(yīng)力的相互影響，計(jì)算較為復(fù)雜。實(shí)際應(yīng)用在工程實(shí)際中，聯(lián)合應(yīng)力狀態(tài)十分常見。圓柱坐標(biāo)系下的應(yīng)力狀態(tài)1徑向應(yīng)力表示垂直于圓柱體表面作用的應(yīng)力2環(huán)向應(yīng)力表示平行于圓柱體表面作用的應(yīng)力3軸向應(yīng)力表示沿著圓柱體軸線方向作用的應(yīng)力主應(yīng)力與主應(yīng)變主應(yīng)力材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)中最極端的應(yīng)力值，它們?cè)趯?duì)應(yīng)的主平面上，即切應(yīng)力為零的平面上。主應(yīng)變材料內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)中最極端的應(yīng)變值，它們?cè)趯?duì)應(yīng)的主平面上，即切應(yīng)力為零的平面上。應(yīng)力與應(yīng)變的相互關(guān)系1胡克定律彈性材料應(yīng)力與應(yīng)變成正比2泊松比材料在單軸拉伸或壓縮時(shí)，其橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比例3剪切模量材料在剪切應(yīng)力作用下，其剪切應(yīng)變與剪切應(yīng)力的比例彈性在一維與三維問(wèn)題中的應(yīng)用一維問(wèn)題受拉、受壓桿件的應(yīng)力分析。三維問(wèn)題考慮復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的分析，例如扭轉(zhuǎn)和彎曲。實(shí)際應(yīng)用將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)題，例如橋梁設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)分析。受拉和受壓的應(yīng)力分析拉伸應(yīng)力外力試圖拉伸物體，導(dǎo)致物體內(nèi)部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。壓縮應(yīng)力外力試圖壓縮物體，導(dǎo)致物體內(nèi)部產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)中的應(yīng)力分析扭矩扭矩是作用于物體上的旋轉(zhuǎn)力，導(dǎo)致物體發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。剪應(yīng)力扭轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的剪應(yīng)力與扭矩和圓軸截面半徑相關(guān)。扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)角是圓軸扭轉(zhuǎn)后截面間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度。彎曲中的應(yīng)力分析彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力是指由于外力引起的梁截面上的應(yīng)力。它通常是正應(yīng)力，并且在梁的彎曲中心處最大。剪力彎曲梁中也存在剪力，它也是由外力引起的。剪力通常是最大，在梁的彎曲中心處最小。彎矩彎矩是作用在梁上的一對(duì)力矩，它導(dǎo)致梁彎曲變形。彎矩通常是最大，在梁的彎曲中心處最小。組合載荷作用下的應(yīng)力分析疊加原理組合載荷作用下的應(yīng)力可以由各個(gè)單一載荷作用下的應(yīng)力疊加得到。應(yīng)力集中由于幾何形狀或載荷條件的變化，應(yīng)力可能會(huì)在某些區(qū)域集中，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。有限元分析對(duì)于復(fù)雜形狀和載荷條件，可以使用有限元分析方法進(jìn)行應(yīng)力分析。公式推導(dǎo)與應(yīng)用公式推導(dǎo)利用材料力學(xué)的基本原理推導(dǎo)出各種材料力學(xué)問(wèn)題的公式，例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲和組合變形等。公式應(yīng)用將推導(dǎo)出的公式應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)題，例如計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變、變形、承載能力等。案例分析通過(guò)具體的案例分析，加深對(duì)公式推導(dǎo)和應(yīng)用的理解，提高實(shí)際問(wèn)題解決能力。材料屈服與斷裂1屈服材料在承受外力時(shí)發(fā)生永久變形，無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)的現(xiàn)象。2斷裂材料在承受外力時(shí)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的現(xiàn)象。3影響因素材料的屈服和斷裂受材料的種類、溫度、加載速度等因素影響。屈服準(zhǔn)則概念材料從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的臨界條件，對(duì)應(yīng)于材料開始發(fā)生永久變形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。類型最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則最大應(yīng)變能準(zhǔn)則最大應(yīng)力準(zhǔn)則應(yīng)用用于預(yù)測(cè)材料在不同加載條件下的屈服行為，確保結(jié)構(gòu)安全。破壞準(zhǔn)則材料在承受外力作用下發(fā)生斷裂、撕裂或其他形式的破壞時(shí)的條件。主要考慮材料的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)以及材料的強(qiáng)度和韌性等因素。根據(jù)不同的破壞形式，可以采用不同的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估，例如最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則等。斷裂力學(xué)概述裂紋擴(kuò)展斷裂力學(xué)關(guān)注裂紋在材料中擴(kuò)展的過(guò)程，并評(píng)估其對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響。應(yīng)力集中裂紋尖端附近的應(yīng)力集中是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的主要因素之一。疲勞與疲勞壽命1循環(huán)載荷疲勞是指材料在循環(huán)載荷作用下，即使應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度，也會(huì)隨著時(shí)間推移而發(fā)生的累積性損傷和最終斷裂現(xiàn)象。2疲勞壽命疲勞壽命是指材料在循環(huán)載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂之前所能承受的循環(huán)次數(shù)。3影響因素材料的疲勞壽命受多種因素影響，包括應(yīng)力幅值、應(yīng)力比、載荷頻率、環(huán)境溫度等。疲勞行為的影響因素載荷類型循環(huán)載荷、沖擊載荷、復(fù)雜載荷等都會(huì)影響材料的疲勞壽命。載荷幅值載荷幅值越大，材料的疲勞壽命越短。表面狀況表面缺陷、粗糙度、加工方式等都會(huì)影響材料的疲勞壽命。環(huán)境因素溫度、濕度、腐蝕性環(huán)境等都會(huì)影響材料的疲勞壽命。疲勞壽命預(yù)測(cè)方法1S-N曲線法通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到材料在不同載荷下的疲勞壽命數(shù)據(jù)，繪制S-N曲線，預(yù)測(cè)疲勞壽命。2線性累積損傷理論將疲勞損傷視為累積過(guò)程，根據(jù)不同載荷下的損傷累積率預(yù)測(cè)疲勞壽命。3有限元分析使用有限元軟件模擬結(jié)構(gòu)的疲勞行為，預(yù)測(cè)疲勞壽命。工程應(yīng)用實(shí)例討論本節(jié)將結(jié)合實(shí)際工程案例，深入探討材料力學(xué)在橋梁、建筑、機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用，分析不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇對(duì)工程性能的影響，并展現(xiàn)材料力學(xué)知識(shí)在實(shí)際工程中的重要性和應(yīng)用價(jià)值。課程總結(jié)材料力學(xué)概述本課程講解了材料力學(xué)的基本概念和方法，重點(diǎn)介紹了應(yīng)