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1、材材 料料 力力 学学Strength of Materials20232023年年年年1 1月月月月6 6日日日日机械工程学院机械工程学院第一章第一章 绪论及基本概念绪论及基本概念第一章第一章 绪论绪论目录目录1-1 1-1、材料力学简史、材料力学简史1-2 1-2、材料力学的任务、材料力学的任务1-3 1-3、变形固体的基本假设、变形固体的基本假设1-4 1-4、外力、内力及应力的概念、外力、内力及应力的概念1-5 1-5、位移、变形及应变的概念、位移、变形及应变的概念1-6 1-6、杆件变形的基本形式、杆件变形的基本形式1-1 1-1、材料力学简史材料力学简史 传统具有柱、梁、檩、椽的木
2、制房屋结构传统具有柱、梁、檩、椽的木制房屋结构古代建筑结构古代建筑结构一一古代建筑结构古代建筑结构建于辽代（建于辽代（10561056年）的山西应县佛宫寺释迦塔年）的山西应县佛宫寺释迦塔塔高塔高9 9层共层共67.3167.31米，用木材米，用木材74007400吨吨900900多年来历经数次地震不倒，现存唯一木塔多年来历经数次地震不倒，现存唯一木塔古代建筑结构古代建筑结构建于隋代（建于隋代（605605年）的河北赵州桥年）的河北赵州桥桥长桥长64.464.4米，跨径米，跨径37.0237.02米，用石米，用石28002800吨吨1638年年 伽利略伽利略 关于力学和局部运动的两门新科学关于力
3、学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明的对话和数学证明的发表的发表 标志着材料力学开始标志着材料力学开始形成一门独立学科形成一门独立学科等强度梁截面形状等强度梁截面形状空、实心圆柱抗弯强度比较空、实心圆柱抗弯强度比较（1）讨论直杆轴向拉伸问题，得到承载能力与横截面积成正比而与长度无关的正确结论；（2）讨论梁的弯曲强度问题，他认为“空心梁能大大提高强度而无需增加重量”；桥梁结构桥梁结构二二航空航天航空航天建筑建筑大型水利工程设施大型水利工程设施车辆与机械车辆与机械四川彩虹桥坍塌四川彩虹桥坍塌1940年11月，华盛顿州的Tacoma Narrows 桥（主跨度为853米，悬索桥），由于桥面刚度太
4、差，在45 mph风速的情形下，产生“Galloping Gertie”(驰振）。一、任务一、任务1-2 1-2、材料力学的任务材料力学的任务材料力学是研究构件承载能力的一门学科。材料力学是研究构件承载能力的一门学科。材料力学是研究构件承载能力的一门学科。材料力学是研究构件承载能力的一门学科。承载能力承载能力承载能力承载能力强度强度强度强度（strength)strength)刚度刚度刚度刚度（stiffness)stiffness)稳定性稳定性稳定性稳定性（stability)stability)1 1、强度、强度（strength)strength)：构件抵抗破坏的能力。构件抵抗破坏的能力
5、。构件抵抗破坏的能力。构件抵抗破坏的能力。2 2、刚度、刚度 构件抵抗变形的能力。构件抵抗变形的能力。构件抵抗变形的能力。构件抵抗变形的能力。(stiffness):(stiffness):3 3、稳定性稳定性（stability)stability)构构构构件件件件保保保保持持持持原原原原有有有有平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态的的的的能能能能力力力力一对矛盾一对矛盾安全安全用材越少越好用材越少越好经济经济设计出的结构要有承载能力设计出的结构要有承载能力 材料力学的任务材料力学的任务在满足强度、刚度和稳定在满足强度、刚度和稳定性的要求下，为设计既经济又安全的构件，提供必性的要求下，为设计既经
6、济又安全的构件，提供必要的理论基础和计算方法。要的理论基础和计算方法。1)1)荷载、材料一定，计算截面积；荷载、材料一定，计算截面积；2)2)荷载、截面一定，校核是否安全；荷载、截面一定，校核是否安全；3)3)材料、截面一定，求许可荷载。材料、截面一定，求许可荷载。三种强度计算：三种强度计算：1 1 1 1、构件：、构件：、构件：、构件：组成工程结构或组成工程结构或 机械的最小单元。机械的最小单元。2 2 2 2、构件的分类：、构件的分类：、构件的分类：、构件的分类：板板板板(plate)(plate)壳壳壳壳(shell)(shell)块体块体块体块体(body)(body)(bar)二、研
7、究对象二、研究对象 材料力学以材料力学以材料力学以材料力学以“梁、杆梁、杆梁、杆梁、杆”为主要研究对象为主要研究对象为主要研究对象为主要研究对象工程中多为梁、杆结构工程中多为梁、杆结构工程中多为梁、杆结构工程中多为梁、杆结构1-3 1-3、变形固体的基本假设变形固体的基本假设三三 在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称为为变形固体变形固体。而构件一般均由固体材料制成，故构。而构件一般均由固体材料制成，故构件一般都是件一般都是变形固体变形固体。一、变形固体二、变形固体基本假设的提出 在研究构件的强度、刚度和稳定性时，为抽象在研究构件的强度、刚度和稳定性时
8、，为抽象出力学模型，掌握与问题有关的主要属性，常略去出力学模型，掌握与问题有关的主要属性，常略去一些次要属性，对变形固体做出假设。一些次要属性，对变形固体做出假设。（1 1）连续性假设：）连续性假设：认为组成固体的物质不留空隙地充满了固体认为组成固体的物质不留空隙地充满了固体的体积。的体积。（2 2）均匀性假设：）均匀性假设：认为在固体内的任何部位，其力学性能都相认为在固体内的任何部位，其力学性能都相同。同。（3 3）各向同性假设：）各向同性假设：认为无论沿任何方向，固体的力学性能都相认为无论沿任何方向，固体的力学性能都相同。同。（4 4）小变形假设）小变形假设A AB BC CF F12 远
9、小于构件的最小远小于构件的最小尺寸，所以通过节点平衡尺寸，所以通过节点平衡求各杆内力时，把支架的求各杆内力时，把支架的变形略去不计。计算得到变形略去不计。计算得到很大的简化。很大的简化。1-4 1-4、外力、内力及应力的概念外力、内力及应力的概念一、外力：一、外力：按作用方式体积力体积力:是连续分布于物体内部各点的力。是连续分布于物体内部各点的力。表面力表面力分布力分布力 连续作用于物体表面的力。连续作用于物体表面的力。集中力集中力 若外力作用面积远小于物体表面的尺寸，可若外力作用面积远小于物体表面的尺寸，可 作为作用于一点的集中力。作为作用于一点的集中力。1、概念：指来自构件外部的力。、概念
10、：指来自构件外部的力。按时间静载荷静载荷：载荷缓慢地由零增加到某一定值，以后保持不变，载荷缓慢地由零增加到某一定值，以后保持不变，或变化很不显著。或变化很不显著。动载荷动载荷：交变载荷：随时间作周期性变化的载荷。交变载荷：随时间作周期性变化的载荷。冲击载荷：物体的运动在瞬时内突然变化引起的载荷。冲击载荷：物体的运动在瞬时内突然变化引起的载荷。2、分类：、分类：1 1、概念：、概念：指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间 相互作用力（附加内力）。相互作用力（附加内力）。相互作
11、用力（附加内力）。相互作用力（附加内力）。2 2、求内力的方法截面法、求内力的方法截面法（1 1）切）切（2 2）去）去（3 3）代）代（4 4）平）平二、内力二、内力1-4 1-4、外力、内力及应力的概念外力、内力及应力的概念F FS SM MF F F FF F F Faa1-4 1-4、外力、内力及应力的概念外力、内力及应力的概念例：求如下图所示杆件截面的内力。应力总量应力总量P 可以分解成可以分解成:垂直于截面的分量垂直于截面的分量正应力正应力 平行于截面的分量平行于截面的分量切应力切应力三、应力：三、应力：由外力引起的内力的集度。由外力引起的内力的集度。由外力引起的内力的集度。由外力
12、引起的内力的集度。（2 2）一点的应力一点的应力：当面积趋于零时，平均应力的大小和：当面积趋于零时，平均应力的大小和方向都将趋于一定极限，得到：方向都将趋于一定极限，得到：（1 1）平均应力平均应力:单位面积上内力的平均集度。单位面积上内力的平均集度。1-4 1-4、外力、内力及应力的概念外力、内力及应力的概念1-51-5、位移、位移、变形及应变的概念变形及应变的概念2 2 2 2、变形、变形、变形、变形（deformationdeformation）在外力作用下物体形状和尺寸发生改变。在外力作用下物体形状和尺寸发生改变。在外力作用下物体形状和尺寸发生改变。在外力作用下物体形状和尺寸发生改变。
13、1 1 1 1、位移、位移、位移、位移（displacementdisplacement）变形前后物体内一点位置的变化。变形前后物体内一点位置的变化。变形前后物体内一点位置的变化。变形前后物体内一点位置的变化。F F F FC C C CD D D DE E E EA A A AA A A AC C C CD D D DE E E E位移位移线位移线位移角位移角位移变形变形线变形线变形角变形角变形1-51-5、位移、位移、变形及应变的概念变形及应变的概念F F F FC C C CD D D DE E E EA A A AA A A AC C C CD D D DE E E E应变应变线应变（
14、应变）：线应变（应变）：切（角）应变：切（角）应变：平均应变：平均应变：每单位线段长度的平均伸长或缩短。即：每单位线段长度的平均伸长或缩短。即：称称C点沿点沿CD方向的线应变。方向的线应变。称称C点在平面内的切应变。点在平面内的切应变。3 3 3 3、应变、应变、应变、应变（strain)strain)度量构件一点处的变形程度。度量构件一点处的变形程度。度量构件一点处的变形程度。度量构件一点处的变形程度。1-61-6、杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式六六一、杆件及其分类：一、杆件及其分类：1、概念：概念：长度远大于横截面尺寸的构件，称为杆件，简称长度远大于横截面尺寸的构件，称为杆件，简称
15、为杆。它是工程中最基本的构件。为杆。它是工程中最基本的构件。杆件杆件直杆：直杆：曲杆：曲杆：轴线为直线的杆。轴线为直线的杆。轴线为曲线的杆。轴线为曲线的杆。横截面大小和形状不变的直横截面大小和形状不变的直杆。杆。等直杆：等直杆：2、分类：、分类：拉压变形拉压变形（1 1）拉伸或压缩）拉伸或压缩二、杆件的基本变形：二、杆件的基本变形：实例：实例：起吊重物的钢索、起吊重物的钢索、活塞杆等。活塞杆等。特点：特点：由大小相等、方向由大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线相反、作用线与杆件轴线重合的一对力引起的；重合的一对力引起的；表现：表现：杆件的长度发生伸杆件的长度发生伸 长或缩短。长或缩短。剪切变形
16、剪切变形（2 2）剪切）剪切实例：实例：常用的联接件，如键、常用的联接件，如键、销钉、螺栓等。销钉、螺栓等。特点：特点：由大小相等、方向相由大小相等、方向相反、相互平行的力引起的；反、相互平行的力引起的；表现：表现：受剪杆件的两部分沿受剪杆件的两部分沿外力作用方向发生相对错动。外力作用方向发生相对错动。扭转变形扭转变形（3 3）扭转）扭转实例：实例：汽车的传动轴、电机汽车的传动轴、电机和水轮机的主轴等。和水轮机的主轴等。特点：特点：由大小相等、方向相由大小相等、方向相反、作用面都垂直于杆轴的反、作用面都垂直于杆轴的两个力偶引起的；两个力偶引起的；表现：表现：杆件的任意两个横截杆件的任意两个横截
17、面发生绕轴线的相对转动。面发生绕轴线的相对转动。弯曲变形弯曲变形（4 4）弯曲）弯曲特点：特点：由垂直于杆件由垂直于杆件轴线的横向力，或由轴线的横向力，或由作用于包含杆轴的纵作用于包含杆轴的纵向平面内的一对大小向平面内的一对大小相等、方向相反的力相等、方向相反的力偶引起的；偶引起的；实例：实例：桥式起重机的大梁、各种心轴以及刀架等。桥式起重机的大梁、各种心轴以及刀架等。表现：表现：杆件轴线由直线变为曲线。杆件轴线由直线变为曲线。实际构件受力情况是多种多样的：实际构件受力情况是多种多样的：组合变形组合变形：构件同时发生两种或两种以上的基本：构件同时发生两种或两种以上的基本 变形。变形。考虑主要外力作用，归到考虑主要外力作用，归到基本变形基本变形 几种力都不能忽略，归到几种力都不能忽略，归到组合变形组合变形小 结（1 1）概念：）概念：构件、强度、刚度、稳定性、外力、内构件、强度、刚度、稳定性、外力、内 力、应力、应变等力、应力、应变等（2 2）材料力学的任务：）材料力学的任务：（3 3）变形固体的四个基本假设：）变形固体的四个基本假设：连续性；均匀性；各向同性假设和小变形假设连续性；均匀性；各向同性假设和小变形假设（4 4）杆件的基本变形：）杆件的基本变形：拉压、剪切、扭转、弯曲拉压、剪切、扭转、弯曲