內(nèi)力作用下的形變課件

內(nèi)力作用下的形變課件本課件將深入探討內(nèi)力作用下的形變，涵蓋形變的概念、種類、影響因素、測量方法以及在實際生活和工程設計中的應用。引言：形變無處不在從宏觀的橋梁建筑到微觀的原子結(jié)構(gòu)，形變無處不在。形變是物體在外力或內(nèi)力作用下發(fā)生的形狀和尺寸的改變。理解形變不僅是物理學的基本原理，也是工程設計和科學研究的重要基礎。什么是內(nèi)力？內(nèi)力是指物體內(nèi)部各部分之間相互作用的力。這些力是由物體內(nèi)部的分子間相互作用產(chǎn)生的，與外部施加的力不同。內(nèi)力通常是由物體受到外力的作用而產(chǎn)生的，它維持著物體的平衡或抵抗外力的作用。內(nèi)力與外力的區(qū)別1作用對象內(nèi)力作用于物體內(nèi)部，而外力作用于物體外部。2作用方式內(nèi)力是物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力，而外力是物體外部施加的力。3作用結(jié)果內(nèi)力可以導致物體形變，而外力可以導致物體運動或形變。形變的定義形變是指物體在外力或內(nèi)力作用下發(fā)生的形狀或尺寸的變化。它反映了物體抵抗外力或內(nèi)力作用的能力。形變的種類：彈性形變與塑性形變彈性形變當外力或內(nèi)力去除后，物體能夠恢復到原來形狀的形變。塑性形變當外力或內(nèi)力去除后，物體不能恢復到原來形狀的形變。彈性形變的特點1可逆性外力或內(nèi)力去除后，物體可以恢復到原來的形狀。2線性關系在一定范圍內(nèi)，應力與應變成正比，符合胡克定律。3能量存儲彈性形變過程中，物體儲存了彈性勢能。塑性形變的特點1不可逆性外力或內(nèi)力去除后，物體不能恢復到原來的形狀。2非線性關系應力與應變之間不再呈線性關系，且形變過程伴隨能量損耗。3永久變形塑性形變會導致物體產(chǎn)生永久的形狀變化。彈性形變實例：彈簧的拉伸當我們拉伸彈簧時，彈簧會伸長，但只要拉力不太大，彈簧就會在拉力消失后恢復到原來的長度。這種形變屬于彈性形變，因為彈簧能夠恢復到原來的形狀。塑性形變實例：金屬的彎曲當我們彎曲一根金屬條時，金屬條會發(fā)生永久的彎曲變形，即使我們松開彎曲的力，金屬條也不會恢復到原來的直線形狀。這種形變屬于塑性形變，因為金屬條產(chǎn)生了永久的形狀變化。應力的概念應力是指物體內(nèi)部單位面積上所承受的力。它是用來描述物體內(nèi)部抵抗形變的能力的物理量，通常用σ表示。正應力與切應力正應力作用在物體截面上垂直方向的力，稱為正應力。1切應力作用在物體截面上平行方向的力，稱為切應力。2應變的定義應變是指物體在受力變形后，其尺寸變化量與其原尺寸之比。它反映了物體形變的程度，通常用ε表示。線應變與剪應變1線應變物體在拉伸或壓縮方向上的尺寸變化量與原尺寸之比。2剪應變物體在切向力作用下，其形狀發(fā)生變化的程度。胡克定律：應力與應變的關系在彈性形變范圍內(nèi)，應力與應變成正比，即σ=Eε，其中E為材料的彈性模量，它是材料抵抗彈性形變的能力的指標。胡克定律的適用范圍彈性形變范圍胡克定律僅適用于彈性形變范圍內(nèi)，超出該范圍，應力與應變之間的關系不再呈線性。理想材料胡克定律是針對理想材料的理論模型，實際材料的應力-應變關系可能更復雜。彈性模量的意義材料性質(zhì)彈性模量是材料的固有性質(zhì)，不同的材料具有不同的彈性模量。形變抵抗彈性模量越大，材料抵抗彈性形變的能力越強，即材料越硬。應用在工程設計中，需要根據(jù)材料的彈性模量選擇合適的材料來滿足不同的強度和剛度要求。泊松比的定義泊松比是指材料在拉伸或壓縮方向上發(fā)生形變時，其垂直方向上的尺寸變化量與拉伸或壓縮方向上尺寸變化量之比，通常用ν表示。形變的影響因素：溫度溫度變化會導致材料的尺寸發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為熱脹冷縮。溫度升高，材料膨脹，尺寸變大；溫度降低，材料收縮，尺寸變小。形變的影響因素：材料性質(zhì)不同的材料具有不同的物理性質(zhì)，如彈性模量、屈服強度等。材料的性質(zhì)決定了其抵抗形變的能力，以及形變的類型。形變的影響因素：外力大小1彈性形變外力較小時，物體發(fā)生彈性形變。2塑性形變外力較大時，物體發(fā)生塑性形變。3破壞外力過大時，物體可能發(fā)生斷裂或破壞。材料的強度極限強度極限是指材料所能承受的最大應力，超過強度極限，材料就會斷裂。它是衡量材料強度的一個重要指標。材料的屈服強度屈服強度是指材料開始發(fā)生永久塑性形變時的應力。它是衡量材料抵抗塑性形變的能力的一個重要指標。安全系數(shù)的意義安全系數(shù)是指設計中所采用的材料強度極限或屈服強度與實際工作應力之比。它反映了設計方案的安全性，安全系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)越安全。如何防止工程結(jié)構(gòu)失效？1合理選擇材料根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求和工作環(huán)境，選擇合適的材料，滿足強度和剛度要求。2優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計通過合理的結(jié)構(gòu)設計，將應力集中在強度較高的部位，避免應力集中在薄弱環(huán)節(jié)。3控制載荷避免結(jié)構(gòu)承受過大的載荷，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的形變或破壞。形變在橋梁設計中的應用時間形變橋梁在承受車輛、風力等外力的作用下會發(fā)生形變。橋梁的設計必須考慮形變的影響，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠。形變在建筑設計中的應用高層建筑高層建筑在風力作用下會發(fā)生搖晃，設計時要考慮抗風性能，防止建筑物發(fā)生過大的形變。橋梁結(jié)構(gòu)橋梁在車輛通行和自然環(huán)境變化下會發(fā)生形變，設計時要考慮結(jié)構(gòu)的剛度和強度，確保橋梁安全可靠。形變在機械設計中的應用機械部件在工作時會發(fā)生形變，例如發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生振動和熱膨脹，齒輪在嚙合時會發(fā)生彈性變形，這些形變都必須在設計中考慮，確保機械部件安全可靠。形變測量方法：應變片應變片是一種用于測量物體表面應變的傳感器，它是形變測量最常用的方法之一。應變片利用電阻應變效應，將應變轉(zhuǎn)換為電阻變化，從而實現(xiàn)應變的測量。應變片的工作原理應變片由金屬薄膜或金屬絲構(gòu)成，當被測物體發(fā)生形變時，應變片也會隨之發(fā)生形變。由于金屬薄膜或金屬絲的電阻與長度有關，形變會導致應變片的電阻發(fā)生變化，通過測量電阻變化量就可以計算出應變的大小。應變片的使用注意事項1粘貼位置應變片應粘貼在被測物體的表面，且粘貼位置應保證應變片能夠準確地反映被測物體的應變。2溫度補償應變片會受到溫度變化的影響，因此在測量時需要進行溫度補償，以消除溫度變化帶來的誤差。3信號處理應變片的輸出信號是微弱的電信號，需要使用專門的儀器進行放大和處理，才能獲得準確的測量結(jié)果。光學測量法光學測量法是利用光的性質(zhì)來測量形變的一種方法，它具有非接觸、高精度等優(yōu)點，在形變測量中也得到廣泛應用。干涉法干涉法是利用光的干涉現(xiàn)象來測量形變的。它將兩束相干光照射到被測物體上，通過觀察干涉條紋的變化來測量形變。莫爾條紋法莫爾條紋法是利用莫爾條紋原理來測量形變的。它將兩張光柵疊加在一起，通過觀察莫爾條紋的變化來測量形變。數(shù)學建模：有限元分析有限元分析是一種基于數(shù)值方法的數(shù)學建模技術(shù)，它將復雜的結(jié)構(gòu)分解成許多小的單元，并對每個單元進行分析，最后將各單元的結(jié)果匯總起來，得到整個結(jié)構(gòu)的形變和應力分布。有限元分析的基本思想將復雜的結(jié)構(gòu)分解成許多小的單元，這些單元被稱為有限元。在每個有限元內(nèi)，假設應力或位移的變化是連續(xù)的，并用數(shù)學公式來描述。將所有單元的方程聯(lián)立起來，形成一個大型方程組，然后利用數(shù)值方法求解方程組，得到結(jié)構(gòu)的形變和應力分布。有限元分析的步驟1建立幾何模型根據(jù)實際結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，建立幾何模型。2劃分有限元網(wǎng)格將幾何模型劃分成許多小的單元，形成有限元網(wǎng)格。3定義材料屬性為每個有限元定義材料的力學性質(zhì)，例如彈性模量、泊松比等。4施加邊界條件根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況，施加邊界條件，例如固定約束、載荷等。5求解方程組利用數(shù)值方法求解有限元方程組，得到結(jié)構(gòu)的形變和應力分布。6結(jié)果分析對計算結(jié)果進行分析，判斷結(jié)構(gòu)的安全性，并根據(jù)分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。軟件模擬：ANSYSANSYS是世界上最流行的有限元分析軟件之一，它提供了強大的功能，可以模擬各種結(jié)構(gòu)的形變和應力分布，幫助工程師設計更安全、更可靠的結(jié)構(gòu)。模擬實例：梁的彎曲模型建立在ANSYS中建立梁的幾何模型，并劃分有限元網(wǎng)格。加載邊界條件對梁施加彎曲載荷和固定約束。求解分析利用ANSYS求解梁的形變和應力分布。結(jié)果展示ANSYS可以以圖形的形式展示梁的形變和應力分布，幫助工程師直觀地了解梁的受力情況。模擬實例：板的受力模型建立1加載邊界條件2求解分析3結(jié)果展示4ANSYS可以模擬各種板的受力情況，例如薄板的彎曲、厚板的壓縮等。實驗驗證：形變測量實驗通過實驗測量物體在受力時的形變，可以驗證理論計算結(jié)果，并進一步了解形變的影響因素和規(guī)律。實驗目的驗證胡克定律。測量不同材料的彈性模量。觀察形變的影響因素，例如溫度、載荷等。實驗器材拉伸機用于施加拉力。應變片用于測量應變。數(shù)據(jù)采集器用于采集應變片數(shù)據(jù)。計算機用于數(shù)據(jù)處理和分析。實驗步驟1準備試樣選擇不同材料的試樣，測量其尺寸。2粘貼應變片將應變片粘貼到試樣的表面。3施加拉力使用拉伸機對試樣施加拉力。4采集數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)采集器采集應變片的數(shù)據(jù)。5解除拉力解除拉力，觀察試樣的形變。實驗數(shù)據(jù)處理根據(jù)應變片采集的數(shù)據(jù)，計算出試樣的應變值。然后，利用胡克定律計算出試樣的彈性模量。實驗結(jié)果分析分析實驗結(jié)果，驗證胡克定律的適用性，并比較不同材料的彈性模量。形變在日常生活中的例子形變在日常生活中無處不在，例如汽車的減震系統(tǒng)利用彈簧的彈性形變來吸收震動，鞋子的舒適度也與鞋底的形變有關，運動器材的性能也依賴于其形變特性。汽車的減震系統(tǒng)4彈簧汽車減震系統(tǒng)中的彈簧，利用彈性形變來吸收路面顛簸帶來的沖擊力，提高行車舒適度。2減震器減震器則利用阻尼力來控制彈簧的振動，防止汽車過度搖晃。鞋子的舒適度鞋子的舒適度與鞋底的形變密切相關。鞋底的形變可以吸收地面沖擊力，減少對足部的壓力。運動器材的性能運動器材的性能也與形變有關，例如網(wǎng)球拍的形變可以提高擊球的效率，健身器材的形變可以增強鍛煉效果。不同運動器材的形變特性不同，需要根據(jù)運動項目和個人需求選擇合適的器材。討論：形變的正反兩面性形變在許多方面對我們有利，例如使生活更舒適，提高產(chǎn)品性能等。但另一方面，形變也可能導致結(jié)構(gòu)失效，造成安全隱患。如何控制形變？選擇合適的材料，例如選擇具有高強度和高剛度的材料來抵抗形變。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，例如采用合理的結(jié)構(gòu)形式，減少應力集中，提高結(jié)構(gòu)的抗形變能力?？刂戚d荷，避免結(jié)構(gòu)承受過大的載荷，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的形變或破壞。如何利用形變？我們可以利用形變來設計各種功能性的產(chǎn)品，例如減震器、彈簧、傳感器等，這些產(chǎn)品都利用形變來實現(xiàn)特定的功能。形變研究的意義形變研究不僅是物理學的一個重要分支，也是工程設計、材料科學、生物學等領域的重要基礎。形變的研究有助于我們更好地理解物質(zhì)的性質(zhì)，設計更安全、更可靠的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。形變研究的發(fā)展趨勢隨著科學技術(shù)的發(fā)展，形變研究也取得了長足的進步。未來的形變研究將更加關注材料的微觀結(jié)構(gòu)、形變的非線性特性以及形變在納米尺度上的應用。總結(jié)：內(nèi)力與形變的關系內(nèi)力是物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力，它是產(chǎn)生形變的根本原因。形變是物體在外力或內(nèi)力作用下發(fā)生的形狀或尺寸的變化，它反映了物體抵抗外力或內(nèi)力作用的能力。關鍵概念回顧1內(nèi)力物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力。2外力物體外部施加的力。3形變物體在外力或內(nèi)力作用下發(fā)生的形狀或尺寸的變化。4彈性形變外力或內(nèi)力去除后，物體能夠恢復到原來形狀的形變。5塑性形變外力或內(nèi)力去除后，物體不能恢復到原來形狀的形變。6應力物體內(nèi)部單位面積上所承受的力。7應變物體在受力變形后，其尺寸變化量與其原尺寸之比。8胡克定律在彈性形變范圍內(nèi)，應力與應變成正比。9彈性模量材料抵抗彈性形變的能力的指標。10泊松比材料在拉伸或壓縮方向上發(fā)生形變時，其垂直方向上的尺寸變化量與拉伸或壓縮方向上尺寸變化量之比。重點知識回顧形變的種類、特點和影響因素。胡克定律、彈性模量和泊松