材料力學(xué) 課件 鄧宗白 第一章 緒論

第一章

緒論

材料力學(xué)1

第一章

緒論材料力學(xué)的定位、歷史觀與方法論

站在力學(xué)史和力學(xué)方法論的發(fā)展觀、自然科學(xué)的價值觀上，追根溯源，展望去向，力圖使我們對于材料力學(xué)有如下的宏觀感覺和總體把握：

材料力學(xué)的由來——學(xué)科發(fā)展的必然性材料力學(xué)的任務(wù)——工程需要的迫切性材料力學(xué)的作用——承前啟后的階段性材料力學(xué)的學(xué)習(xí)——愛學(xué)會學(xué)的自覺性2第一章

緒論材料力學(xué)的由來——學(xué)科發(fā)展的必然性質(zhì)點(diǎn)——剛體——變形體質(zhì)點(diǎn)：只有質(zhì)量，沒有大小變形體：有質(zhì)量，有大小，有變形（相對位置變化）剛體：有質(zhì)量，有大小，但沒有變形（相對位置不變）理論力學(xué)：約束體、剛體材料力學(xué)：約束體、變形體……結(jié)構(gòu)力學(xué)彈性力學(xué)塑性力學(xué)3

第一章

緒論為材料力學(xué)發(fā)展做出杰出貢獻(xiàn)的他們牛頓：《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》伽利略：《兩種科學(xué)的對話》歐拉、雅克布·伯努利、《關(guān)于柱的承載能力》和圣維南：《力學(xué)在結(jié)構(gòu)和機(jī)械方面的應(yīng)用》……

約瑟夫·拉格朗日伽利略牛頓達(dá)芬奇

納維埃歐拉4第一章

緒論李誡（1035年—1110年）中國古代土木建筑家、《營造法式》的編纂者，該書于宋徽宗崇寧二年（1103年），經(jīng)皇帝批準(zhǔn)刊刻頒行，是一部既有科學(xué)意義又有實(shí)用價值的建筑學(xué)專著。宋徽宗崇寧二年（1103年）經(jīng)皇帝批準(zhǔn)刊刻頒行

四段合三段合《營造法式》5鄭玄（127年~200年）字康成，山東高密人。東漢思想家、經(jīng)學(xué)大師、大司農(nóng)。遍注儒家經(jīng)典，整理古籍，博采眾家之長，創(chuàng)立鄭學(xué)?！犊脊び洝す恕分杏幸痪洹犊脊び洝烦蓵诖呵锬?zhàn)國初鄭玄作注解中寫到:“假設(shè)弓力勝三石,引之中三尺,馳其弦,以繩緩擐之,每加物一石,則張一尺。”正確地提示了力與形變成正比的關(guān)系,鄭玄的發(fā)現(xiàn)要比胡克要早一千五百年。

“量其力，有三均”6第一章

緒論第一章

緒論沈括（1031—1095）字存中，號夢溪丈人，杭州錢塘（今浙江杭州）人，北宋科學(xué)家、改革家。我國歷史上最卓越的科學(xué)家之一。他還是卓越的工程師、出色的外交家。

李春，隋代造橋匠師?，F(xiàn)今河北邢臺臨城人士。隋開皇十五年至大業(yè)初（595～605）建造趙州橋（安濟(jì)橋）。唐中書令著《安濟(jì)橋銘》中記有：“趙州蛟河石橋，隋匠李春之跡也，制造奇特，人不知其所以為?！壁w州橋存世1400多年，堪稱中國建筑史上的奇跡之一。7第一章

緒論上海環(huán)球金融中心（492米，101層）香港2IFC420m，88層廣州電視塔610米迪拜塔：2008年04月在建高度已達(dá)629米，世界最高建筑

香港九龍站塔樓102層,472米8第一章

緒論倫敦橋蘇通大橋湖南洞口.淘金橋趙州橋（安濟(jì)橋）9第一章

緒論高速列車海洋石油平臺航空母艦航天器10第一章

緒論埃菲爾鐵塔(法國)千年懸寺——懸空寺11第一章

緒論北京.國家體育場悉尼歌劇院12第一章

緒論材料力學(xué)的作用——承前啟后的階段性材料力學(xué)地位：是變形體力學(xué)最早分支，有最簡潔的結(jié)果。（1）最簡單的模型（2）最基本的概念（3）最根本的方法（4）最典型的結(jié)論材料力學(xué)研究方法：（1）理論分析方法（2）實(shí)驗(yàn)方法（3）計(jì)算方法13第一章

緒論材料力學(xué)的學(xué)習(xí)——愛學(xué)會學(xué)的自覺性

材料力學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)課，要學(xué)好材料力學(xué)必須要下一些功夫。1.正確理解和掌握基本概念；2.熟練掌握基本定理和公式；3.課后及時看書復(fù)習(xí)，注意歸納總結(jié)；4.

認(rèn)真、及時地完成課后作業(yè)；5.有問題及時答疑。14第一章

緒論本章內(nèi)容:1.1材料力學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)1.2材料力學(xué)的基本假設(shè)1.3材料力學(xué)的研究對象1.4桿件變形的形式1.5外力及其分類1.6內(nèi)力與應(yīng)力1.7變形、位移和應(yīng)變1.8材料力學(xué)的研究方法15第一章緒論1.1材料力學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)材料力學(xué)研究的構(gòu)件可看成是由一根桿件或由幾根桿件組成的結(jié)構(gòu)。

為了使制造的工程構(gòu)件能夠正常工作，構(gòu)件的設(shè)計(jì)必須滿足下面三個基本要求：1.強(qiáng)度

構(gòu)件不發(fā)生破壞（斷裂或失效），即具備足夠的抵抗破壞的能力。2.剛度

構(gòu)件不產(chǎn)生過大的變形（不超出工程上的許可范圍），即具備足夠的抵抗變形的能力。3.穩(wěn)定性

構(gòu)件在微小的干擾下，不會改變原有的平衡狀態(tài)，即具備足夠的保持原有平衡狀態(tài)的能力。16第一章緒論1.1材料力學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)強(qiáng)度問題17第一章緒論1.1材料力學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)強(qiáng)度問題18第一章緒論1.1材料力學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)剛度問題19第一章緒論1.1材料力學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)穩(wěn)定問題20第一章緒論1.1材料力學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)2008雪災(zāi)電網(wǎng)結(jié)冰21第一章緒論1.1材料力學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定問題22第一章緒論1.1材料力學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)

1.研究構(gòu)件的強(qiáng)度條件、剛度條件、穩(wěn)定性條件強(qiáng)度——材料抵抗破壞的能力；剛度——構(gòu)件抵抗變形的能力；穩(wěn)定性——構(gòu)件維持原有平衡形式的能力。2.解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的矛盾

23第一章緒論1.2材料力學(xué)的基本假定外效應(yīng)：

理論力學(xué)是討論物體在力作用下整體產(chǎn)生的運(yùn)動規(guī)律，稱為外效應(yīng)。因此將研究對象視為剛體。在剛體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間保持相對位置不變，所以物體受力過程中其形狀和尺寸都不改變（即不變形）。內(nèi)效應(yīng)：

材料力學(xué)研究的是變形固體。在力作用下，物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的位置發(fā)生改變，產(chǎn)生內(nèi)力，引起物體尺寸和形狀的改變，即變形，這稱為內(nèi)效應(yīng)。因此即使構(gòu)件由于約束不允許有總體的剛性移動，但未被約束的部分仍將有空間位置上的變化，這就是變形固體具有的特點(diǎn)。24第一章緒論1.2材料力學(xué)的基本假定一般金屬材料的顯微組織微觀上：材料是不連續(xù)、不均勻、各向異性。但單個晶粒聚集成金屬材料時呈隨機(jī)取向。球墨鑄鐵優(yōu)質(zhì)鋼材1.2.1變形固體的基本假設(shè)25建立理想模型的必要性宏觀上：可以認(rèn)為材料是連續(xù)、均勻的，表現(xiàn)為各向同性的。第一章緒論1.2材料力學(xué)的基本假定1.連續(xù)性假設(shè)

認(rèn)為整個物體所占空間內(nèi)毫無空隙地充滿物質(zhì)。灰口鑄鐵的顯微組織普通鋼材的顯微組織

實(shí)際上變形固體是由許多晶粒結(jié)構(gòu)組成的，且具有不同程度的空隙（包括缺陷、夾雜等），但它與構(gòu)件尺寸相比極為微小可忽略不計(jì)。故認(rèn)為材料在整個幾何空間里是密實(shí)的，其某些力學(xué)量可以用坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)來表示。26第一章緒論1.2材料力學(xué)的基本假定2.均勻性假設(shè)

認(rèn)為從變形固體內(nèi)取出的任意一小部分，不論其位置如何都具有完全相同的力學(xué)性能。

實(shí)際上各晶粒結(jié)構(gòu)的性質(zhì)不盡相同，晶粒交界處的晶界物質(zhì)和晶粒本身的性質(zhì)也不相同，晶粒排列也不規(guī)則。但由于晶粒尺寸遠(yuǎn)小于構(gòu)件材料的尺寸，材料的力學(xué)性能是無數(shù)晶粒力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)平均值，因此可以認(rèn)為變形固體各部分的力學(xué)性能是均勻的。單元體：

從構(gòu)件任意部位取出的一部分或微小單元體塊（稱為單元體）。其力學(xué)性能都和整體相同。顯然，通過材料試樣的實(shí)驗(yàn)獲得的力學(xué)性能可應(yīng)用于該材料制成的任何構(gòu)件的任一部分。27第一章緒論1.2材料力學(xué)的基本假定3.各向同性假設(shè)

認(rèn)為變形固體在各個方向的力學(xué)性能都是相同的，具備這種屬性的材料稱為各向同性材料。

金屬的單個晶粒是各向異性的，但由于材料是由無數(shù)多的晶粒所組成的，且晶粒的排列是雜亂無章的，這樣金屬材料在各個方向的性質(zhì)就接近相同了。除金屬外，玻璃、工程塑料等亦為典型的各向同性材料。

各向異性28第一章緒論1.2材料力學(xué)的基本假定

構(gòu)件受力將產(chǎn)生變形，其大小與所受的力有關(guān)。在材料力學(xué)中，所研究的問題一般僅限于構(gòu)件變形的大小遠(yuǎn)小于其原始尺寸的情況，這通常稱為小變形條件。在此基礎(chǔ)上，為了簡化分析計(jì)算，材料力學(xué)提出小變形假設(shè)。主要包含兩個內(nèi)容：1.2.2構(gòu)件變形的基本假設(shè)（1）原尺寸原理

（b）（a）29研究構(gòu)件的平衡和運(yùn)動時，忽略構(gòu)件的變形，按構(gòu)件變形前的原始尺寸和形狀分析計(jì)算。

第一章緒論1.2材料力學(xué)的基本假定（2）線性化原理

30研究構(gòu)件的位移和變形的幾何關(guān)系時，構(gòu)件的位移常常是一弧線。為簡化分析計(jì)算，以一直線（弦線或切線）代替，簡稱以直代曲。

第一章緒論1.2材料力學(xué)的基本假定小變形的要點(diǎn)：1.在列平衡方程求力時，可忽略變形，仍用變形前的形狀和尺寸。

原始尺寸原理2.在變形分析時，幾何分析以直線代曲線。

數(shù)值分析線性化31第一章緒論1.3材料力學(xué)的研究對象構(gòu)件(member)基本形式板殼塊材料力學(xué)的研究對象桿32第一章緒論1.3材料力學(xué)的研究對象等截面直桿變截面直桿曲桿33桿件的分類第一章緒論1.3材料力學(xué)的研究對象材料力學(xué)研究對象——等截面直桿

桿件的計(jì)算模型軸線橫截面34第一章緒論1.4桿件變形的形式

桿件是變形固體，在不同的受力情況下，將產(chǎn)生各種不同的變形。歸結(jié)起來可分為基本變形和組合變形兩大類:1.軸向拉伸（壓縮）35基本變形主要包括軸向拉伸或壓縮、扭轉(zhuǎn)、

彎曲和剪切四種。

組合變形是由兩種或兩種以上基本變形組合而成。

第一章緒論1.4桿件變形的形式2.扭轉(zhuǎn)3.彎曲4.剪切36第一章緒論1.4桿件變形的形式5.組合變形37第一章緒論1.5外力及其分類

結(jié)構(gòu)或機(jī)械是由多個構(gòu)件組裝而成的，它們相互制約或相互傳遞機(jī)械作用。當(dāng)取其某一部分作為研究對象時，可設(shè)想將它從周邊物體中分離取出，并用力代替周邊物體對它的作用。其中來自研究對象外部的作用力（矩）稱為荷載。限制研究對象自由運(yùn)動的反作用力（矩）稱為約束力。前者是主動力，后者是被動力。

荷載的分類有不同的形式。若以在構(gòu)件上的作用方式，可分為連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點(diǎn)的體積力（如物體的自重和慣性力）和作用于物體表面的表面力。表面力按其分布方式又可分為分布荷載和集中荷載。38第一章緒論1.5外力及其分類1.分布力：連續(xù)分布在桿件上的表面力。2.集中力：力作用的面積遠(yuǎn)小于桿件的表面尺寸，或力的作用范圍遠(yuǎn)小于桿件的軸線長度。39第一章緒論1.5外力及其分類按其隨時間的變化情況可分為靜荷載和動荷載兩大類。動荷載：

如交變荷載、沖擊荷載等。在動荷載作用下的破壞特征、力學(xué)表現(xiàn)和行為都與靜荷載作用時有所不同，分析方法也不完全一樣。靜荷載：

桿件受到的荷載由零逐漸增大到某一固定值而保持不變，或變動甚微，這稱為靜荷載。如起重機(jī)以極緩慢的速度吊裝重物時所受到的力、建筑物對基礎(chǔ)的壓力等。40第一章緒論1.6內(nèi)力與應(yīng)力1.內(nèi)力：是由于變形引起的物體內(nèi)部的附加力。

由于假設(shè)物體是均勻連續(xù)的可變形固體，因此在物體的任何一截面上，內(nèi)力是一個分布力系。向截面形心處簡化可得分布內(nèi)力系的主矢和主矩，稱為截面上的內(nèi)力，簡稱內(nèi)力。在直角坐標(biāo)系中，主矢和主矩可分解為三個力和三個力矩。41第一章緒論1.6內(nèi)力與應(yīng)力2.應(yīng)力：一般情況下，桿件受外力作用，各截面上的內(nèi)力是不相同的，即使內(nèi)力相同由于截面尺寸不同，在截面內(nèi)某一點(diǎn)處的強(qiáng)弱程度也不同。為此引入某一截面上分布內(nèi)力在某一點(diǎn)處的集度----應(yīng)力的概念。平均應(yīng)力點(diǎn)a處的總應(yīng)力42第一章緒論1.6內(nèi)力與應(yīng)力

應(yīng)力的單位：N/m2，Pa(帕斯卡)MPa，GPa43第一章緒論1.7變形、位移和應(yīng)變位移：桿件受力后，各質(zhì)點(diǎn)的位置會發(fā)生變化，稱為位移。變形：桿件受力后，引起桿件原始形狀的改變，稱為變形。位移是針對物體的位置而言，變形是針對物體的尺寸和形狀而言。單元體：變形固體