材料力学课程描述
学时：88
学分：5.5
课程性质：
材料力学是变形固体力学入门的学科基础课，用以培养学生在工程设计中有关力学方面的设计计算能力，本课程主要研究工程结构中构件的承载能力问题，通过揭示构件的强度、刚度和稳定性问题的基本概念及必要的基础知识，培养学生解决问题的能力；以理论分析为基础，培养学生的实验动手能力；发挥其它课程不可替代的综合素质教育作用。
课程任务：其主要任务是培养学生：
1.树立正确的设计思想，理论联系实际，解决好经济与安全的矛盾，具备创新精；
2.全面系统地了解构件的受力变形、破坏的规律；
3.掌握有关构件设计计算的基本概念、基本理论、基本方法及其在工程的应用；
4.能将一般构件抽象出力学简图，进行外力分析、内力分析、应力分析、应变分析
、应力和应变分析；
5.掌握材料的力学性能的原理和方法，具有进行实验研究的初步能力；
6.在满足强度、刚度、稳定性的前提下，以最经济的代价，为构件选择合适的形状
设计合理的界面形状和尺寸，为设计提供计算依据；
7.了解材料力学的新理论，新方法及发展趋向；
课程目的：
材料力学课程是高等工科院校中机械类专业一门主干课程，是机械类硕士研究生入学考试的一门专业基础课。在教学过程中要综合运用先修课程中所学到的有关知识与技能，结合各种实践教学环节，进行机械工程技术人员所需的基本训练，为学生进一步学习有关专业课程和有目的从事机械设计工作打下基础，因此材料力学课程机械类专业的教学计划中占有重要的地位和作用。
二、教学基本要求：
( 一 ) 课程的基本要求及提高要求：
基本要求：
1.对材料力学的基本概念和基本分析方法有明确的认识。
2.能熟练地做出杆件在基本变形下的内力图，进行应力和位移、强度和刚度计算。
3.掌握应力状态理论，掌握组合变形下杆件的强度计算。
4.掌握简单静不定问题的求解方法。
5.了解能量法的基本原理，掌握一种计算位移的能量方法。
6.了解压杆的稳定性概念，会计算轴向受压杆的临界力与临界应力。
7.了解低碳钢和灰口铁的基本力学性能及其测试方法。
8.掌握电测实验应力分析的基本原理和方法。
提高要求：
1.薄壁杆件扭转，弯曲中心，莫尔强度理论；
2.功互等定理、位移互等定理和虚功原理；
3.拉压杆的弹塑性分析；
4. 综合性、设计性实验。
( 二 ) 实验要求：
材料力学课程是一门实践性，设计性很强的技术基础课，实验教学是培养学生创新精神和实践能力的重要教学环节。共安排 6 次实验。
1. 低碳钢和铸铁的拉伸实验（ 2 学时）；
2. 低碳钢和铸铁的压缩实验，测 E 实验（ 2 学时）；
3. 低碳钢和铸铁的扭转实验，测 G 实验（ 2 学时）；
4. 电测实验 I （ 2 学时）；
5. 电测实验 II （ 2 学时）；
6. 光测实验，冲击，疲劳，动荷实验（ 2 学时）。
以上实验共计 12 学时，课内占 8 学时，课外占 4 学时。力学实验中心为开放实验室，开课后要预约实验。材料力学实验有《材料力学实验指导书》，要求学生上实验课之前要预习《材料力学实验指导书》，并写出预习报告。
实验时每组人数 2 —3 人，每位任课教师要指导一个实验教学班的实验。实验报告要用学校统一印制的实验报告用纸，教师要认真批阅每份实验报告，评出成绩并做好记录。
三、各章节内容及学时分配：
第一章绪论
教学目的与要求
1. 了解构件的强度、刚度和稳定性的概念。
2. 明确材料力学的课程的地位和任务。
3. 理解变形固体的基本假设、条件及其意义。
4. 明确内力的概念初步掌握用截面法计算内力的方法。
5. 建立正应力、切应力、线应变、切应变的基本概念。
6. 了解杆件四种基本变形的受力的特点和变形特点。
教学内容
材料力学的任务、同相关学科的关系，变形固体的基本假设、主要研究对象、研究方法、截面法、内力、应力、和应变的概念，基本变形。
第二章轴向拉伸和压缩
教学目的与要求
1. 了解轴向拉、压的受力特点和变形特点。
2. 熟练掌握轴力计算和轴力图的绘制方法。
3. 了解轴向拉、压时横截面上正应力公式的推倒过程和应用条件。
4. 了解轴向拉、压时斜截面上应力变化规律 , 特别是最大正应力和最大切应变的大小和作用面
5. 掌握轴向拉、压时 , 塑性和脆性材料的力学性质 , 并能分析解释其破坏原因。
6. 掌握工作应力、极限应力许用应力与安全系数的概念。
7. 熟练掌握轴向拉压杆的强度条件和三种强度问题的计算方法。
8. 明确弹性模量 E 波松比μ和抗拉、压刚度 EA 的物理意义 , 熟练运用胡克定律计算拉压
杆变形。
9. 建立轴向拉、压时弹性变形能的概念和计算方法。
10. 熟练掌握一次拉、压静不定的解法 ( 包括温度应变和装配应力 ) 。
11. 了解应力集中的概念。
教学内容
轴力与轴力图，直杆横截面及斜截面的应力，圣维南原理，应力集中的概念。材料拉伸及压缩时的力学性能，应力 - 应变曲线。拉压杆强度条件，安全因数及许用应力的确定。
第三章扭转和剪切
教学目的与要求
1. 了解圆轴扭转时的受力特点和变形特点。
2. 能够根据轴的传递功率和转速计算外力偶矩。
3. 熟练掌握扭矩的符号规定和扭矩图的绘制。
4. 掌握切应力互等定理和剪切胡克定律。
5. 了解圆轴扭转时横截面上的切应力和扭转变形公式的推导过程和应力分部规律。
6. 了解圆轴扭转时斜截面上的应力变化规律 , 特别是最大正应力和最大切应力的大小和作用面。
7. 了解塑性和脆性材料的扭转实验。
8. 熟练掌握圆轴扭转时变形和刚度条件。
9. 熟练掌握建立轴向拉、压时弹性变形能的概念和计算方法。
10. 掌握剪切和挤压的实用计算。
11. 了解非圆截面杆和薄壁杆件的扭转。
教学内容
扭矩及扭矩图，切应力互等定理，剪切胡克定律，圆轴扭转的应力与变形，扭转强度及刚度条件，非圆截面杆扭转的概念，密圈圆柱螺旋弹簧的应力和变形简介，剪切及挤压的概念和实用计算。
第四章弯曲内力
教学目的与要求
1. 明确平面弯曲的概念。
2. 熟练掌握建立剪力方程、弯曲方程和绘制剪力图、弯矩图的方法。
3. 掌握平面刚架的内力计算和内力图的绘制方法。
4. 熟练运用载荷集中、剪力和弯矩之间的微分关系绘制或校核剪力图和弯矩图的方法。
5. 掌握带梁间铰静定梁的内力图的绘制。
6. 了解用叠加原理作弯矩图的基本方法。
7. 了解平面曲杆的弯曲内力计算和内力方程的建立方法。
教学内容
平面弯曲的内力，剪力、弯矩方程，剪力、弯矩图，利用微分关系画梁的剪力、弯矩图。
第五章弯曲强度
教学目的与要求
1. 明确纯弯曲和横力弯曲的概念。
2. 了解梁纯弯曲时横截面上的正应力公式的推导方法和正应力分布规律。
3. 熟练掌握弯曲正应力的计算和弯曲正应力的强度条件及其应用。
4. 理解矩形截面梁衡截面上弯曲切应力公式的推导过程及切应力的分部规律。
5. 掌握常见截面梁衡截面上切应力的计算和弯曲切应力强度条件。
6. 建立弯曲中心的概念 , 横力弯曲时 , 产生平面弯曲的条件。
7. 了解提高粱弯曲强度的主要措施。
教学内容
弯曲正应力公式，弯曲切应力，弯曲强度条件，薄壁截面梁的弯曲切应力，弯曲中心的概念，提高弯曲强度的措施。
第六章弯曲变形
教学目的与要求
1. 明确挠曲线、挠度和转角的概念。
2. 理解求解弯曲变形的挠曲线近似非分方程的建立过程及刚度条件。
3. 掌握用积分法求弯曲变形及确定积分常数的边界条件和连续条件。
4. 掌握用叠加法求弯曲变形。
5. 了解提高粱弯曲刚度的主要措施。
教学内容
挠曲线及其近似微分方程，积分法和叠加法求梁的位移，梁的刚度校核，提高梁弯曲刚度的措施。
第七章应力及应变分析强的计算
教学目的与要求
1. 明确什么叫一点处的应力状态 ? 为什么要研究一点处的应力状态 ?
2. 明确主平面、主应力和应力状态分析。
3. 熟练掌握各种组合变形的危险点 ( 或指定点 ) 处原始单元体的截取及各面上的正应力。
4. 熟练掌握二向应力状态分析的解析罚和图解法及单元体与应力圆之间的一一对应关系。
5. 了解三向应力圆的画法 , 熟练掌握单元体内的最大切应力的计算。
6. 了解平面英里状态下的应便分析。
7. 掌握广义胡克定律及应用。
8. 了解复杂应力状态下的比能、体积改变比能和形状改变比能。
9. 了解什么是强度理论 ? 为什么要建立强度理论 ? 建立强的理论的依据是什么 ?
10. 熟练掌握四种常用强度理论进行强度计算的方法及强度理论的选择。
教学内容
应力状态的概念，平面应力状态下的应力分析和应变分析的解析法及图解法，三向应力状态的简介，广义胡克定律，体积应变，三向应力状态下应变能、体积改变能、畸变能的概念。
第八章组合变形构件的强度计算
教学目的与要求
1. 了解组合变形机构的强度计算的基本方法和步骤。
2. 掌握斜弯曲和拉弯曲组合变形构件的应力和强度计算。
3. 熟练掌握圆轴扭转与其他变形的组合时的应力和强度计算。
教学内容
强度理论的概念，破坏形式的分析，脆性断裂和塑性屈服，四个经典强度理论。组合变形的类型，解决的方法和步骤，组合变形下杆件的强度计算，截面核心的简介（土建类）。
第九章实验应力分析
教学目的与要求
1. 明确实验应力的分析的目的和电测法的基本原理。为什么要进行温度补偿 ?
2. 熟练掌握测量电桥的接法及其应用。
3. 掌握二向应力的状态主方向已知时的应力测定。
4. 了解二向应力的状态主方向未知时的应力测定。
5. 了解电测法的主要优缺点。
教学内容
电测试验应力分析的基本原理和方法，应力测定，光测法的基本原理。
第十章能量法
教学目的与要求
1. 掌握轴向拉压、圆轴扭转、平面弯曲和组合变形时的杆件变形能的计算 , 了解变
形能的特点。
2. 掌握计算位移的莫尔积分法。
3. 熟练掌握一种计算位移地能量法。如计算莫尔积分的图形互乘法
4. 了解虚功和虚位移互等定理及其应用。
教学内容
杆件应变能计算，卡氏定理，莫尔定理，用能量法计算位移。
第十一章静不定结构
教学目的与要求
1. 明确静不定机构的概念 , 掌握判定静不定次数的方法。
2. 掌握用力法解静不定的基本步骤。
3. 熟练掌握解一次静不定机构的变形比较法。
4. 理解力法正则方程的力学意义和建立过程 , 并用力法正则方程解静不定结构。
5. 掌握利用机构在几何物理和载荷方面的对称性和反对称性 , 来简化静不定次数的方法。
教学内容
用力法解简单静不定的基本步骤，正则方程，对称性在解静不定问题中的应用。
第十二章动载荷教学目的与要求
1. 掌握匀加速直线运动杆件和匀速转动圆环的动应力计算。
2. 理解用能量法求解自由落体和水平冲击动载荷系数 K d 公式的推导过程及动荷系
数的物理意义。
3. 熟练掌握自由落体和水平冲击时的动载荷、动应力和动变形的计算。
4. 了解冲击实验和提高构件抗冲击能力的措施。
构件作等加速运动和匀速转动的应力计算，冲击时的应力和变形计算，动、静异同动应力，动变形的计算。
第十三章交变应力
教学目的与要求
1. 了解疲劳破坏的特点和原因。
2. 掌握描述交变应力的参数计算。
3. 明确材料的持久极限及其测定。
4. 了解影响构件持久极限的主要原因。
5. 掌握对称循环下构件的疲劳强度计算。
6. 理解非对称循环时的材料持久极限曲线及其简化折线。
7. 了解非对称循环时 , 构件的持久极限简化折线及其构件的疲劳强度计算。
8. 了解在弯扭组合交变应力下构件的疲劳强度计算。
9. 了解提高构件疲劳强度的主要措施。
教学内容
疲劳破坏的概念， S-N 曲线及材料的疲劳极限，影响构件疲劳极限的主要因素，有限寿命简介，提高构件疲劳强度的措施，交变应力与疲劳破坏，持久极限及其影响因素。
第十四章压杆稳定
教学目的与要求
1. 明确压杆稳定和临界力的概念。
2. 理解两端铰支细长压杆临界力计算公式推导过程。
3. 了解长度系数的力学意义 , 掌握四种常见约束下细长压杆临界力的计算。
4. 明确压杆的柔度和欧拉公式的适用范围。掌握临界应力总图
5. 掌握压杆的稳定校
核。
6. 了解提高压杆稳定的措施。
压杆稳定的概念，细长压杆临界载荷的欧拉公式，临界应力、经验公式、临界应力总图，压杆的稳定校核，安全因数法，折减系数法（土木建筑类），提高稳定性的措施。
附录 A 平面图形的几何性质
教学目的与要求1. 掌握静矩和形心的概念、性质和计算。
2. 掌握惯性矩、惯性半径、极惯性矩和惯性积的概念、性质和计算。
3. 掌握平行移轴公式及组合图形惯性矩的计算。
4. 了解转轴公式 , 主惯性轴、主惯性矩、形心主轴和形心主惯性矩的概念、性质和
计算。
教学内容
静矩、形心、惯性矩、惯性积、惯性半径、积惯性矩、主轴、形心主惯矩、截面二次矩、平行移轴公式、转轴公式。
四、实验：
1.实验目的与任务
大量与《材料力学》相关的产品和科研成果作为《材料力学实验》实践教学的内容，通过参观图片实物、实验扩展以及学生自己观察、分析和动手实践达到实验的目的。实验课采用开放实验教学方式，实验前学生必须提前到实验室预约本课程 12 学时实验要求学生自己动手做， 2 学时实验为扩展性实验。要求学生在实验前预习指导书，指导教师概述实验的原理和方法及仪器的使用等，并具体操作，由学生独立完成 5 次实验报告。
2.实验教学基本要求
（1）材料的机械性能测试：材料的各项强项指标，如屈服强度、强度极限、持久极限等。测量材料的弹性性能，如弹性极限、弹性模量等，认识低碳钢和铸铁的基本力学性能，了解其测试方法，对于常用材料的基本力学性能及测试方法有初步认识；
（2）验证性实验：材料力学的一些理论是以假设为基础而导出的，例如杆件弯曲理论就以平面假设为基础。用实验验证这些理论的正确性＆使用范围，更可加深对理论的认识和理解。对剪变模量测试的理论误差要求在 10 ％以内，对静态电测应力值要求误差在 10 ％以内，对所有的设备仪器的精度示值要求在规定范围内；
（3）应力分析实验：在某些情况下，例如因构件几何形状不规则或应力复杂等，应力计算并无适用的理论。这时，用诸如电测、光弹性等实验应力分析的方法直接测定构件的应
力，便成为有效的方法。对经过较大简化后得到的理论计算或数值计算，其结果的可靠性更有赖于实验应力分析的验证。重点掌握静态测试技术，掌握电测实验的基本原理和方法；
（4）具有熟练整理实验数据、分析误差、独立完成实验报告的能力；（5）锻炼分析能力、实验方法设计能力和实验操作能力。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
材料力学课程描述 学时：88 学分：5.5 课程性质： 材料力学是变形固体力学入门的学科基础课，用以培养学生在工程设计中有关力学方面的设计计算能力，本课程主要研究工程结构中构件的承载能力问题，通过揭示构件的强度、刚度和稳定性问题的基本概念及必要的基础知识，培养学生解决问题的能力；以理论分析为基础，培养学生的实验动手能力；发挥其它课程不可替代的综合素质教育作用。 课程任务：其主要任务是培养学生： 1.树立正确的设计思想，理论联系实际，解决好经济与安全的矛盾，具备创新精； 2.全面系统地了解构件的受力变形、破坏的规律； 3.掌握有关构件设计计算的基本概念、基本理论、基本方法及其在工程的应用； 4.能将一般构件抽象出力学简图，进行外力分析、内力分析、应力分析、应变分析 、应力和应变分析； 5.掌握材料的力学性能的原理和方法，具有进行实验研究的初步能力； 6.在满足强度、刚度、稳定性的前提下，以最经济的代价，为构件选择合适的形状 设计合理的界面形状和尺寸，为设计提供计算依据； 7.了解材料力学的新理论，新方法及发展趋向； 课程目的： 材料力学课程是高等工科院校中机械类专业一门主干课程，是机械类硕士研究生入学考试的一门专业基础课。在教学过程中要综合运用先修课程中所学到的有关知识与技能，结合各种实践教学环节，进行机械工程技术人员所需的基本训练，为学生进一步学习有关专业课程和有目的从事机械设计工作打下基础，因此材料力学课程机械类专业的教学计划中占有重要的地位和作用。 二、教学基本要求： ( 一 ) 课程的基本要求及提高要求： 基本要求：
1.对材料力学的基本概念和基本分析方法有明确的认识。 2.能熟练地做出杆件在基本变形下的内力图，进行应力和位移、强度和刚度计算。 3.掌握应力状态理论，掌握组合变形下杆件的强度计算。 4.掌握简单静不定问题的求解方法。 5.了解能量法的基本原理，掌握一种计算位移的能量方法。 6.了解压杆的稳定性概念，会计算轴向受压杆的临界力与临界应力。 7.了解低碳钢和灰口铁的基本力学性能及其测试方法。 8.掌握电测实验应力分析的基本原理和方法。 提高要求： 1.薄壁杆件扭转，弯曲中心，莫尔强度理论； 2.功互等定理、位移互等定理和虚功原理； 3.拉压杆的弹塑性分析； 4. 综合性、设计性实验。 ( 二 ) 实验要求： 材料力学课程是一门实践性，设计性很强的技术基础课，实验教学是培养学生创新精神和实践能力的重要教学环节。共安排 6 次实验。 1. 低碳钢和铸铁的拉伸实验（ 2 学时）； 2. 低碳钢和铸铁的压缩实验，测 E 实验（ 2 学时）； 3. 低碳钢和铸铁的扭转实验，测 G 实验（ 2 学时）； 4. 电测实验 I （ 2 学时）； 5. 电测实验 II （ 2 学时）； 6. 光测实验，冲击，疲劳，动荷实验（ 2 学时）。 以上实验共计 12 学时，课内占 8 学时，课外占 4 学时。力学实验中心为开放实验室，开课后要预约实验。材料力学实验有《材料力学实验指导书》，要求学生上实验课之前要预习《材料力学实验指导书》，并写出预习报告。
材料力学课程设计 班级： 作者： 题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 指导老师： 2007.11.05
班级 姓名 一、 课程设计的目的 材料力学课程设计的目的是在于系统学习材料力学后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题，解决问题的能力；既把以前所学的知识综合应用，又为后继课程打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。 1）使所学的材料力学知识系统化，完整化。让我们在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际问题。 2）综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。 3）使我们初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法，为后续课程的学习打下基础。 二、 课程设计的任务和要求 要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并导出计算公式，独立编制计算程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。 三、 设计题目 某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构，材料为球墨铸铁(QT450-5)弹性常数为E 、μ，许用应力为[σ]，G 处输入转矩为e M ，曲轴颈中点受切向力t F 、径向力r F 的作用，且r F = 2t F 。曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤h D ≤1.6，2.5≤h b ≤4, 3l =1.2r,已知数据如下表：
材料力学阶段总结 一、 材料力学得一些基本概念 1. 材料力学得任务: 解决安全可靠与经济适用得矛盾。 研究对象:杆件 强度:抵抗破坏得能力 刚度:抵抗变形得能力 稳定性:细长压杆不失稳。 2、 材料力学中得物性假设 连续性:物体内部得各物理量可用连续函数表示。 均匀性:构件内各处得力学性能相同。 各向同性:物体内各方向力学性能相同。 3、 材力与理力得关系, 内力、应力、位移、变形、应变得概念 材力与理力:平衡问题,两者相同; 理力:刚体,材力:变形体。 内力:附加内力。应指明作用位置、作用截面、作用方向、与符号规定。 应力:正应力、剪应力、一点处得应力。应了解作用截面、作用位置(点)、作用方向、与符号规定。 正应力 应变:反映杆件得变形程度 变形基本形式:拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲。 4、 物理关系、本构关系 虎克定律;剪切虎克定律: ???? ? ==?=Gr EA Pl l E τεσ夹角的变化。剪切虎克定律：两线段 ——拉伸或压缩。拉压虎克定律：线段的 适用条件:应力～应变就是线性关系:材料比例极限以内。 5、 材料得力学性能(拉压): 一张σ-ε图,两个塑性指标δ、ψ,三个应力特征点:,四个变化阶段:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。 拉压弹性模量E ,剪切弹性模量G ,泊松比v , 塑性材料与脆性材料得比较: 安全系数:大于1得系数,使用材料时确定安全性与经济性矛盾得关键。过小,使构件安全性下降;过大,浪费材料。 许用应力:极限应力除以安全系数。 塑性材料 脆性材料 7、 材料力学得研究方法
1)所用材料得力学性能:通过实验获得。 2)对构件得力学要求:以实验为基础,运用力学及数学分析方法建立理论,预测理论 应用得未来状态。 3)截面法:将内力转化成“外力”。运用力学原理分析计算。 8、材料力学中得平面假设 寻找应力得分布规律,通过对变形实验得观察、分析、推论确定理论根据。 1) 拉(压)杆得平面假设 实验:横截面各点变形相同,则内力均匀分布,即应力处处相等。 2) 圆轴扭转得平面假设 实验:圆轴横截面始终保持平面,但刚性地绕轴线转过一个角度。横截面上正应力为零。 3) 纯弯曲梁得平面假设 实验:梁横截面在变形后仍然保持为平面且垂直于梁得纵向纤维;正应力成线性分布规律。 9 小变形与叠加原理 小变形: ①梁绕曲线得近似微分方程 ②杆件变形前得平衡 ③切线位移近似表示曲线 ④力得独立作用原理 叠加原理: ①叠加法求内力 ②叠加法求变形。 10 材料力学中引入与使用得得工程名称及其意义(概念) 1) 荷载:恒载、活载、分布荷载、体积力,面布力,线布力,集中力,集中力偶,极限荷 载。 2) 单元体,应力单元体,主应力单元体。 3) 名义剪应力,名义挤压力,单剪切,双剪切。 4) 自由扭转,约束扭转,抗扭截面模量,剪力流。 5) 纯弯曲,平面弯曲,中性层,剪切中心(弯曲中心),主应力迹线,刚架,跨度, 斜弯 曲,截面核心,折算弯矩,抗弯截面模量。 6) 相当应力,广义虎克定律,应力圆,极限应力圆。 7) 欧拉临界力,稳定性,压杆稳定性。 8)动荷载,交变应力,疲劳破坏。 二、杆件四种基本变形得公式及应用 1、四种基本变形:
第一章 绪论和基本概念 应力（全应力）：2 P 正应力：σ 切应力：τ 222τσ+=P 线应变：l l dx du //x ?==ε 切应变：角度的改变量α 只受单向应力或纯剪的单元体：胡克：εσ?=E 剪切胡克：r G ?=τ ()E G =+ν12 第二章 杆件的内力分析 轴力N F ：拉力为正 扭矩T ：右手螺旋，矢量方向与截面外法线方向一致为正 剪力S F ：顺时针方向转动为正 外力偶矩：()m N N P ·/9549m = ()m N N P ·/7024m = （K N /马力） 第三章 截面图形的几何性质 静矩：?= A x ydA S 若C 为形心[质心]：A S X C /y = 组合截面图形形心坐标计算：∑∑===n i i n i ci i C A y A y 1 1 / 惯性矩：?= A x dA y I 2 惯性积：? =A xy xydA I 包括主轴在内的任意一对正角坐标0=xy I 对O 点的极惯性矩：()y x A A P I I dA y x dA I +=+== ??2 22ρ 实心圆：32/224 d I I I P y x π=== 圆环：( )64/-1224 4 απD I I I P y x === D d /=α 平行四边/三角形：12/3bh I x = 平行移轴公式：A b I I xc x ?+= A ab I I xcyc xy ?+= 转轴公式（逆转α）：()() αα2s i n 2/2c o s 2/1xy y x y x x I I I I I I --++= ()() αα2sin 2/2cos 2/1xy y x y x y I I I I I I +--+= () αα2cos 2sin 11xy y x y x I I I I +-= 求主轴：000=y x I ()y x xy I I I --=/22tan 0α ()[]2//2a r c t a n 0y x xy I I I --=α
教学号：答辩成绩： 设计成绩： 材料力学课程设计 设计计算说明书 设计题目：车床主轴设计 题号: 7—8—Ⅰ—12 教学号: 姓名： 指导教师： 完成时间：
目录 一、材料力学课程设计的目的 --------------------------------------------------3 二、材料力学课程设计的任务和要求 --------------------------------------------------3 三、设计题目 --------------------------------------------------3 四、对主轴静定情况校核 --------------------------------------------------5 1.根据第三强度理论校核 ---- ----------------------------------------7 2.根据刚度进行校核 ---------------------------------------------8 3.疲劳强度校核 ------------------------------------------- 12 五、对主轴超静定情况校核 -------------------------------------------------13 1.根据第三强度理论校核 ---------------------------------------------15 2.根据刚度进行校核 ---------------------------------------------16 3.疲劳强度校核 ----------------------------------------------19 六、循环计算程序 ---------------------------------------------------19 七、课程设计总结 ----------------------------------------------------26
材料力学阶段总结 一.材料力学的一些基本概念 1.材料力学的任务： 解决安全可靠与经济适用的矛盾。 研究对象：杆件 强度：抵抗破坏的能力 刚度：抵抗变形的能力 稳定性：细长压杆不失稳。 2.材料力学中的物性假设 连续性：物体内部的各物理量可用连续函数表示。 均匀性：构件内各处的力学性能相同。 各向同性：物体内各方向力学性能相同。 3.材力与理力的关系 , 内力、应力、位移、变形、应变的概念 材力与理力：平衡问题，两者相同； 理力：刚体，材力：变形体。 内力：附加内力。应指明作用位置、作用截面、作用方向、和符号规定。 应力：正应力、剪应力、一点处的应力。应了解作用截面、作用位置（点）、作用方向、 和符号规定。 压应力 正应力拉应力 线应变 应变：反映杆件的变形程度角应变 变形基本形式：拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲。 4.物理关系、本构关系虎 克定律；剪切虎克定律： 拉压虎克定律：线段的拉伸或压缩。 E —— Pl l EA 剪切虎克定律：两线段夹角的变化。Gr 适用条件：应力～应变是线性关系：材料比例极限以内。 5.材料的力学性能（拉压）： 一张σ - ε图，两个塑性指标δ 、ψ ，三个应力特征点：p、s、b，四个变化阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。 拉压弹性模量，剪切弹性模量，泊松比 v ， G E （V） E G 2 1 塑性材料与脆性材料的比较： 变形强度抗冲击应力集中
塑性材料流动、断裂变形明显 较好地承受冲击、振动不敏感 拉压s 的基本相同 脆性无流动、脆断仅适用承压非常敏感 6.安全系数、许用应力、工作应力、应力集中系数 安全系数：大于 1的系数，使用材料时确定安全性与经济性矛盾的关键。过小，使 构件安全性下降；过大，浪费材料。 许用应力：极限应力除以安全系数。 s0 塑性材料 s n s b 脆性材料0b n b 7.材料力学的研究方法 1)所用材料的力学性能：通过实验获得。 2)对构件的力学要求：以实验为基础，运用力学及数学分析方法建立理论，预测理 论应用的未来状态。 3)截面法：将内力转化成“外力” 。运用力学原理分析计算。 8.材料力学中的平面假设 寻找应力的分布规律，通过对变形实验的观察、分析、推论确定理论根据。 1)拉（压）杆的平面假设 实验：横截面各点变形相同，则内力均匀分布，即应力处处相等。 2)圆轴扭转的平面假设 实验：圆轴横截面始终保持平面，但刚性地绕轴线转过一个角度。横截面上正应力 为零。 3)纯弯曲梁的平面假设 实验：梁横截面在变形后仍然保持为平面且垂直于梁的纵向纤维；正应力成线性分 布规律。 9小变形和叠加原理 小变形： ①梁绕曲线的近似微分方程 ② 杆件变形前的平衡 ③ 切线位移近似表示曲线 ④ 力的独立作用原理 叠加原理： ① 叠加法求内力 ② 叠加法求变形。 10材料力学中引入和使用的的工程名称及其意义（概念） 1)荷载：恒载、活载、分布荷载、体积力，面布力，线布力，集中力，集中力偶， 极限荷载。 2)单元体，应力单元体，主应力单元体。
《材料力学》课程教学大纲 二、教学目标 了解材料力学的基本理论、基本概念和基本分析方法。使学生能科学地辨认材料力学中的各种概念、原理、专业术语，使学生知道材料力学中各种构件的分类、受力过程和变化倾向。理解材料力学中杆件和梁的几种变形形式。使学生能用自己的语言对各种理论知识加以叙述、解释和归纳，并且能够指出各部分知识之间的内在联系和相互区别。 熟悉各种概念、原理和定律，掌握其计算与应用的方法。具体反映在： 1. 对材料力学的基本理论、基本概念和基本分析方法有明确的认识。 2. 掌握一般杆类零件和构件的受力与变形原理，具有绘出其合理的力学计算简图的初步能力。 3. 能够熟练地分析与计算杆件在拉、压、剪、扭、弯时的内力，绘制相应的内力图。 4. 能够熟练地分析与计算杆件在基本变形下的应力和变形，并进行相应的强度和刚度计算。 5. 对应力状态理论与强度理论有明确的认识，并能够将其应用于组合变形情况下的强度计算。对应变状态有关概念有一定了解和认识。 6. 熟练地掌握简单超静定问题的求解方法。 7. 能够熟练地分析与计算理想中心受压杆件的临界荷载和临界应力，并对国家现行钢结构设计规范所规定工程压杆的稳定计算方法，有深入地了解和认识，并能够熟练地进行压杆的稳定性计算。 8. 对杆件的应变能有关概念、基本原理和基本定理有一定认识和掌握，并能够熟练地用来计算简单梁、扭转圆轴和简单拉压杆结构的位移，进而计算简单超静定问题的内力。 9.对于常用材料的基本力学性能及其测试方法有初步认识。 10. 对于电测实验应力分析的基本原理和方法有初步认识。 三、教学内容与教学要求 1.绪论 内容要求：了解材料力学的任务、变形固体的概念；理解变形固体的基本假设；熟悉杆件变形的基本形式分类。 重点：杆件的四种基本变形。 难点：理解变形固体的四个基本假设。
《集中力作用下深梁弯剪耦合变形应力计算方法》学习心得 背景 深梁是工程中常见的的结构，其跨高比一般介于3~8之间。当梁上作用集中力时，既有弯矩又有剪力即横力弯曲，出现弯剪耦合现象。由于剪力的存在，梁的横截面上会出现翘曲现象，并且与中性层平行的截面上出现挤压应力。 跨高比小于5的梁在应用细长梁的纯弯曲理论及假设计算时，误差会随跨高比的减小而迅速增大。对这种深梁而言，细长梁理论就不适用了。深梁应力计算主要影响因素有截面形状、支座约束、跨高比，究其原因是集中力作用下发生弯曲变形时，平面假设和纵向纤维相互不挤压的假设与实际相差太大。 原理 文章只研究两端简支和两端固支时，集中载荷作用在跨中时的横力弯曲的问题，以矩形截面为例，然后推广至工字形截面。 模型简化：在深梁跨中施加集中力F ；当深梁为简支时，两端只有集中反力R 的作用；当深梁为固支时，梁两端受到剪力和弯矩的共同作用。当深梁受有集中力时，由于跨度小，梁高大，其跨中截面的挠度较小。故以力的作用点为圆心的区域内按一半平面考虑应力分布。根据弹性力学半平面体在边界上受集中力作用时，应力计算方法得出深梁内的应力分布。由弹性力学半平面模型可得到图1所示载荷下应力表达式。 ?x =? 2F πx 2y (x 2+y 2)2 (1) 在梁两端集中反力作用下，梁内也会产生应力场，按照叠加原理，梁内应力由这三个力产生的应力场叠加而得。为方便将这三个应力叠加在一起，文章采用了坐标变换， 变换方式坐标轴以图2为基准。坐标变换公式如下： 对于集中力F 产生的应力场，有如下坐标变换：
x F=x?l 2 y F=y?? 2 (2) 对于集中反力R1产生的应力场，有如下坐标变换： x R 1 =?x y R 1=?y+? 2 (3) 对于集中反力R2产生的应力场，有如下坐标变换：x R 2 =l?x y R 2=?y+? 2 (4) 将（2）、（3）、（4）式代入到（1）中，由平衡原理知R1=R2=F 2 ，可得到叠加后应力表达式： ?x=2F π x?l 2 2 (y+? 2 ) ( x?l 2 2 + y+? 2 2 )2 ? F π x2 ?y+? 2 x2+ ?y+? 2 22 ? F π l?x2 ?y+? 2 l?x2+ ?y+? 2 22 (5) 梁在集中力作用下，不仅引起剪力，还会产生弯矩，因此需要考虑弯矩剪力共同作用产生的应力。再将材料力学梁受弯矩作用下的应力公式代入叠加到（5）式中，可得弯剪共同作用下的应力表达式： ?x=My I + 2F π x?l 2 2 (y+? 2 ) ( x?l 2 2 + y+? 2 2 )2 ? F π x2 ?y+? 2 x2+ ?y+? 2 22 ? F π l?x2 ?y+? 2 l?x2+ ?y+? 2 22 (6) 分析 对（6）式所得结果进行无量纲化分析，定义剪跨比η=x l (0<η<1)，跨高 比α=l ?，和y值的无量纲值ξ=y ?/2 。将其代入（6）得到 ?x=My I +F 2π? {2α 2 η+1 2 2 (ξ+1) α2 η+1 2 +1ξ+12 2 ?α2η2?ξ+1 α2η2+1 4 ?ξ+12 2 ?α2(1?η)2?ξ+1 α21?η2+1 4 ?ξ+12 2 }（7） 再将大括号中的表达式用λ表达得到?x=My I +Fλ 2π? 。为材料力学解加一个修 正项。为比较材料力学和修正项的比例又引入无量纲翘曲应力λ?=Fλ 2π? I My 。得到 无量纲弯曲正应力表达式：
材料力学课程设计--曲柄轴的强度设计及变形计算
(导师好，课程设计是我这两天赶工的，质量不怎么好，你帮我改改，其中1.2，4.2，4.3没有完成，不知道怎么写，您帮我看看想一下，3.1的第三强度公式我感觉有点不会，您也帮着看一下。。。幸好有您这个导师，嘻嘻，感谢呀。。。祝勇哥圣诞元旦双节快乐，新春快乐假期美好。。———学生：东禹 材料力学课程设计 题目：曲柄轴的强度设计及变形计算 单位：理学院
班级：力学 11-1 姓名：宫东禹 指导教师：宋志勇 目录 一、绪论 二、力学模型与内力分析 三、强度分析。 四、变形计算与刚度分析。 五、总结。
一、绪论 1.1、课程设计目的意义： 材料力学课程设计是材料力学课程的重要实践性环节。 通过结合工程实际，自行设计结构形式，并对杆件结构进行内力、应力变形位移计算等，校核杆件结构的强度和刚度、稳定性，并对结构进行改进。进一步巩固和加深材料力学课程中的基本理论知识，初步掌握对材料力学中分析、计算的步骤和方法，培养和提高独立分析问题和运用所学理论知识解决实际问题的能力、通过自由设计结构、锻炼创新思维能力。既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思想和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有以下几方面： 1、对之前学过的相关力学知识的全面复习，使学生的力学知识系统化、完整化； 2、综合运用力学理论知识解决工程中的实际问题。 3、本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以 达到综合运用材料力学知识解决工程实际问题的目的。 4、由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可以为学生后续的毕业设计打下基础，进行提前锻炼。 5、初步了解和掌握工程实践中的分析思想和计算方法。 1.2、结构的工程应用背景简介： （简单的介绍你所设计的结构在工程的使用，比如哪些领域，有何作
《材料力学》精品课程培训心得体会经过三天的材料力学精品课程培训，通过张少实教授等的讲座与在线交流，使我对材料力学有了更全面的认识和更深入的思索，对在材料力学理论教学与实践教学中遇到的一些问题有了新的观点和解决的思路。下面根据我这三天的培训所得总结如下。 经过与张少实教授等多名国家级材料力学精品课程骨干教师的交流和学习，我深深地感到21世纪对人才的需要已经发生了较大的变化。我国高等教育正在从以传授知识为主的知识教育向以培养能力为主的素质教育转型。在这一过程中，达到教学目标，体现教育思想都要通过教学方法来实现，而传统的教学模式已经不能适应育人要求，因此在材料力学理论教学中尝试多种教学方法以寻求科学合理的教学模式与经验已显得十分迫切。通常，人们对于客观世界的认知主要包括三个过程：同化过程，顺应过程和平衡过程。同化过程是学习者对刺激输入的过滤或改变过程；顺应过程是学习者调节自己的内部知识结构以适应特定刺激情境的过程；平衡过程是指学习者通过自我调节使其认知活动从平衡到不平衡再到新的平衡状态过渡的过程，并不断地发展和提升。材料力学是一门实践性很强的课程，其强调的是受教育者对知识主动性地建构自己的材料力学知识体系。因此，材料力学是一门特性鲜明的专业课程。
通过三天来对专家报告的聆听及与同行的交流，我对材料力学教学有了一些深入的思考。根据材料力学科的特点，我感到我们在新形势下，必须以一种新的视角来审视这个年轻的学科及其发展趋势。 材料力学作为主干课程，长期以来其教学思想是建立在辩证唯物主义认识论的基础上，强调认识的反映特性，也就是客观性，而对认识的主观能动性则没有足够地重视和深入地揭示。教师的教学过程一般为“阐述概念、定义、原则，揭示相关理论，提供有关策略与方法，实际运用”。学生的接受过程也基本如此。总的来说，这种方法对于传授知识和信息的效率是比较高，而且逻辑严密，系统性强，对于奠定坚实的材料力学理论基础无疑是有效的。但这与材料力学的实践活动却是基本矛盾的。但是，相当一部分老师在教学中将知识的传授定型为注入式，并且忽视了学生已经积累的知识经验和心理感受。另外，在材料力学理论教学过程中有将知识过于简化的趋势。然而，材料力学活动本身是一个系统的、开放的、动态的过程，影响因素往往呈现多元化并具有层次性。在理论教学过程中，要实现理论上的典型化相当困难。 针对这种学科特点，结合我多年来的实际教学工作经验与建构理念，以下提出我对材料力学课程建设的一点新思路。 （一）通过互动教学，使学生对专业知识深入理解
材料力学主要知识点 一、基本概念 1、构件正常工作的要求：强度、刚度、稳定性。 2、可变形固体的两个基本假设：连续性假设、均匀性假设。另外对于常用工程材料（如钢材），还有各向同性假设。 3、什么是应力、正应力、切应力、线应变、切应变。 杆件截面上的分布内力集度，称为应力。应力的法向分量σ称为正应力，切向分量τ称为切应力。 杆件单位长度的伸长（或缩短），称为线应变；单元体直角的改变量称为切应变。 4、低碳钢工作段的伸长量与荷载间的关系可分为以下四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段。 5、应力集中：由于杆件截面骤然变化（或几何外形局部不规则）而引起的局部应力骤增现象，称为应力集中。 6、强度理论及其相当应力（详见材料力学ⅠP229）。 7、截面几何性质 A 、截面的静矩及形心 ①对x 轴静矩?=A x ydA S ，对y 轴静矩?=A y xdA S ②截面对于某一轴的静矩为0，则该轴必通过截面的形心；反之亦然。 B 、极惯性矩、惯性矩、惯性积、惯性半径 ① 极惯性矩：?=A P dA I 2ρ ② 对x 轴惯性矩：?= A x dA y I 2，对y 轴惯性矩：?=A y dA x I 2 ③ 惯性积：?=A xy xydA I ④ 惯性半径：A I i x x =，A I i y y =。 C 、平行移轴公式： ① 基本公式：A a aS I I xc xc x 22++=；A b bS I I yc yc y 22++= ；a 为x c 轴距x 轴距离，b 为y c 距y 轴距离。 ② 原坐标系通过截面形心时A a I I xc x 2+=；A b I I yc y 2+=；a 为截面形心距x 轴距离， b 为截面形心距y 轴距离。 二、杆件变形的基本形式 1、轴向拉伸或轴向压缩： A 、应力公式 A F = σ B 、杆件伸长量EA F N l l =?，E 为弹性模量。
材料力学课程设计设计题目五种传动轴的静强度、变形及疲劳强度的计算
1．课程设计的目的 本课程设计的目的是在于系统学完材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题，解决问题的能力；既把以前所学的知识综合运用，又为后继课程打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。 1．使所学的材料力学知识系统化、完整化。让我们在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际问题。 2．综合运用了以前所学的各门课程的知识（高数、制图、理力、算法语言、计算机等）使相关学科的知识有机地联系起来。 3．使我们初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法，为后继课程的教学打下基础。 2．课程设计的任务和要求 要求参加设计者，要系统地复习材料力学的全部基本理论和方法，独立分析、判断、设计题目的已知条件和所求问题。画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据和导出计算公式，独立编制计算程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。 3．课程设计的题目 传动轴的强度、变形及疲劳强度计算 6－1 设计题目 传动轴的材料为优质碳素结构钢（牌号45），许用应力[σ]=80MPa，经高频淬火处理，其σb=650MPa，σ-1=300MPa,τ-1=155MPa,磨削轴的表面，键槽均为端铣加工，阶梯轴过渡圆弧r均为2，疲劳安全系数n=2，要求： 1）绘出传动轴的受力简图; 2）作扭矩图及弯矩图； 3）根据强度条件设计等直轴的直径； 4）计算齿轮处轴的挠度；（按直径Φ1的等直杆计算） 5）对阶梯传动轴进行疲劳强度计算；（若不满足，采取改进措施使其满足疲劳强度）； 6）对所取数据的理论根据作必要的说明。 说明： a) 坐标的选取均按下图6—1所示； b) 齿轮上的力F与节圆相切； c) 数据表中P为直径D的皮带轮传递的功率， P为直径为D1的皮带轮传递的功率。 1
中国海洋大学本科生课程大纲 一、课程介绍 1.课程描述（中英文）： 材料力学为船舶与海洋工程专业的学科基础必修课程。通过本课程的学习，使学生对工程设计中结构构件的强度、刚度和稳定性问题具有明确的基本概念，必要的基本知识及一定的计算能力和分析能力。能将常见的结构构件简化为力学模型，较熟练地确定杆件的内力并绘制内力图，较熟练地分析计算杆件由基本变形引起的应力、变形和位移，并运用强度、刚度和稳定性条件，对杆件的承载能力进行分析、计算和校核，熟悉基本的材料力学实验，并能测定常用钢材在常温、静载下的力学性能。 Mechanics of materials is a compulsory course for students majoring in naval architecture and marine engineering. By studying this course, students can have a clear concept, necessary basic knowledge, and certain analysis ability for the strength, stiffness and stability of structure in engineering design. Students can simplify common structures into mechanical models, determine the internal forces, analyze the stress and strain caused by the basic deformation of the members, and use the strength, stiffness and stability conditions to analyze, calculate and check the bearing capacity of the structures. Students should be familiar with basic material mechanics experiments, and can determine the mechanical properties of common steel under normal temperature and static load. 2.设计思路： 材料力学是船舶与海洋工程专业的一门重要课程，本课程从圆截面杆件的材料力 - 5 -
目录 一、 关于材料力学课程设计 (2) 二、 设计题目 (2) 三、 设计内容 (3) 3.1 柴油机曲轴的受力分析 (3) 3.2 设计曲轴颈直径d ，主轴颈直径D (6) 3.3 设计h 和b,校核曲柄臂强度 (6) 3. 4 校核主轴颈H —H 截面处的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2。键 槽为端铣加工，主轴颈表面为车削加工 (6) 3.5 用能量法计算A —A 截面的转角y θ，x θ (7) 3.6对计算过程的几点必要说明 (9) 3.7 改进方案 (10) 四、 计算机程序设计 (10) 4.1程序框图 (10) 4.2计算机程序 (11) 4.3输出结果 (12) 五、 设计体会 (12) 六、 参考书目 (12) 一、 关于材料力学课程设计 1.材料力学课程设计的目的 本课程设计的目的是在于系统学完材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体，既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既把以前所学的知识(高等数学、工程图学、理论力
学、算法语言、计算机和材料力学等)综合运用，又为后继课程(机械设计、专业课等)打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。具体的有以下六项: (1)使学生的材料力学知识系统化、完整化; (2)在系统全面复习的基础上.运用材料力学知识解决工程中的实际问题; (3)由于选题力求结合专业实际.因而课程设计可以把材料力学知识和专业需要结 合起来; (4)综合运用了以前所学的多门课程的知识(高数、制图、理力、算法语言、计算 机等等)使相关学科的知识有机地联系起来; (5)初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法; (6)为后继课程的教学打下基础 2.材料力学课程设计的任务和要求 参加设计者要系统地复习材料力学的全部基本理论和方法.独立分析、判断、设计题目的已知条件和所求问题.画出受力分析计算简图和内力图.列出理论依据和导出计算公式.独立编制计算程序.通过计算机给出计算结果.并完成设计计算说明书. 3.材料力学课程设计的一般过程 材料力学课程设计与工程中的一般设计过程相似.从分析设计方案开始到进行必要的计算并对结构的合理性进行分析.最后得出结论.材料力学设计过程可大致分为以下几个阶段: (1)设计准备阶段:认真阅读材料力学课程设计指导书.明确设计要求.结合设计题目复习材料力学课程设计的有关理论知识.制定设计步骤、方法以及时间分配方案等; (2)从外力变形分析入手,分析及算内力、应力及变形,绘制各种内力图及位移、转角曲线; (3)建立强度和刚度条件.并进行相应的设计计算及必要的公式推导; (4)编制计算机程序并调试; (5)上机计算,记录计算结果; (6)整理数据,按照要求制作出设计计算说明书; (7)分析讨论设计及计算的合理性和优缺点,以及相应的改进意见和措施; 二、设计题目 某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构，材料为球墨铸铁（QT450—5），弹性常数为E 、μ，许用应力[σ],G 处输入转矩为e M ，曲轴颈中点受切向力t F 、径向力r F 的作用，且2t r F F = 。曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤h D ≤1.6，2.5≤h b ≤4，3l =1.2r ，有关数据如下表：
一、基本变形 轴向拉压材料力学总结 扭转弯曲 外外力合力作用线沿杆轴 力线 内轴力： N 规定： 力拉为“ +” 压为“-” 几 变形现象： 何 平面假设： 应 方应变规律： 面 d l 常数 dx 力 应 力 N 公 A 式 力偶作用在垂直于轴 的平面内 扭转： T 规定： 矩矢离开截面为“ +” 反之为“ - ” 变形现象： 平面假设： 应变规律： d dx T T I P max W t 外力作用线垂直杆轴，或外力偶作用 在杆轴平面 剪力： Q 规定：左上右下为“ +” 弯矩： M 规定：左顺右逆为“ +” 微分关系： dQ ; dM q Q dx dx 弯曲正应力 变形现象： 平面假设：弯曲剪应力 应变规律： y My QS*z I Z I z b M QS max max max W Z I z b
应 力 分 布 应 等直杆 用 外力合力作用条 线沿杆轴线 件 应力-应 E 变 （单向应力状态）关系 强N max 度 A max u 条 n 件塑材：u s 脆材：u b 圆轴平面弯曲 应力在比例极限内应力在比例极限内 G （纯剪应力状态） 弯曲正应力 T 1．t c max 弯曲剪应力W t max max 2． t c Q max S max max I z b t max t cmac c 轴向拉压扭转弯曲刚 度T 180 0 y max y max GI P 条注意：单位统一max 件 d l N ; L NL d T 1 M ( x) EA 变dx EA dx GI Z ( x) EI TL y '' M (x) GI P EI EA—抗拉压刚度GI p—抗扭刚度EI —抗弯刚度
设计题目 传动轴的材料均为优质碳素结构钢（牌号45），许用应力[σ]=80MPa ，经高频淬火处理， 650b MPa σ=，1300MPa σ-=，1155MPa τ-=。磨削轴的表面，键槽均为端铣加工，阶梯轴 过渡圆弧r 均为2mm ，疲劳安全系数n=2。 要求： 1. 绘出传动轴的受力简图。 2. 做扭矩图及弯矩图。 3. 根据强度条件设计等直轴的直径。 4. 计算齿轮处轴的挠度（均按直径1φ的等直杆计算）。 5. 对阶梯传动轴进行疲劳强度计算。（若不满足，采取改进措施使其满足疲劳强度要求）。 6. 对所取数据的理论根据做必要的说明。 说明： （1） 坐标的选取均按图所示。 （2） 齿轮上的力F 与节圆相切。 （3） 表中P 为直径为D 的带轮传递的功率，1P 为直径为1D 的带轮传递的功率。1G 为小 带轮的重量，2G 为大带轮的重量。 （4） 1φ为静强度条件所确定的轴径，以mm 为单位，并取偶数。 设 312 243 1.1φφφφφφ=== 设计计算数据
传动轴零件图 设计计算数据表 设计过程 1.传动轴受力简图 首先对传动轴进行受力分析，轴共受 7 个力作用，分别为皮带轮 D 对传动轴的力2和，皮带轮1对传动轴的力1和 21，齿轮2对传动轴的力 F，还有皮带轮 D 的 重力2和皮带轮1的重力G 1，且M1与M2方向相反， P/kW 1P/kW n/(r/min ) D/mm 1 D/mm 2 D/mm 2 G/N 1 G/N a/mm a(o ) 6.6 2.9 150 700 350 100 800 400 500 30
受力简图如下图所示 列公式求得： M 1=184.61NM M 2=420.16NM M= M 2- M 1=235.55NM 2.弯矩图及扭矩图 1)在 XOY 面上传动轴受力简图如下: 2)在 XOZ 面上传动轴受力简图如下: F AY
1、 应力 全应力正应力切应力线应变 外力偶矩 当功率P 单位为千瓦（kW ），转速为n （r/min ）时，外力偶矩为 m).(N 9549e n P M = 当功率P 单位为马力（PS ），转速为n （r/min ）时，外力偶矩为 m).(N 7024e n P M = 拉（压）杆横截面上的正应力 拉压杆件横截面上只有正应力σ，且为平均分布，其计算公式为 N F A σ= (3-1) 式中N F 为该横截面的轴力，A 为横截面面积。 正负号规定 拉应力为正，压应力为负。 公式（3-1）的适用条件： （1）杆端外力的合力作用线与杆轴线重合，即只适于轴向拉（压）杆件； （2）适用于离杆件受力区域稍远处的横截面； （3）杆件上有孔洞或凹槽时，该处将产生局部应力集中现象，横截面上应力分布很不均匀； （4）截面连续变化的直杆，杆件两侧棱边的夹角0 20α≤时 拉压杆件任意斜截面（a 图）上的应力为平均分布，其计算公式为 全应力 cos p ασα= (3-2) 正应力 2cos ασσα=（3-3） 切应力1 sin 22 ατα= （3-4） 式中σ为横截面上的应力。 正负号规定： α 由横截面外法线转至斜截面的外法线，逆时针转向为正，反之为负。 ασ 拉应力为正，压应力为负。 ατ 对脱离体内一点产生顺时针力矩的ατ为正，反之为负。
两点结论： （1）当0 0α=时，即横截面上，ασ达到最大值，即()max ασσ=。当α=0 90时，即纵截面上，ασ=0 90=0。 （2）当0 45α=时，即与杆轴成045的斜截面上，ατ达到最大值，即max ()2αα τ= 1．2 拉（压）杆的应变和胡克定律 （1）变形及应变 杆件受到轴向拉力时，轴向伸长，横向缩短；受到轴向压力时，轴向缩短，横向伸长。如图3-2。 图3-2 轴向变形 1l l l ?=- 轴向线应变 l l ε?= 横向变形 1b b b ?=- 横向线应变 b b ε?'= 正负号规定 伸长为正，缩短为负。 （2）胡克定律 当应力不超过材料的比例极限时，应力与应变成正比。即 E σε= （3-5） 或用轴力及杆件的变形量表示为 N F l l EA ?= (3-6) 式中EA 称为杆件的抗拉（压）刚度，是表征杆件抵抗拉压弹性变形能力的量。 公式(3-6)的适用条件： (a)材料在线弹性范围内工作，即p σσ?； (b)在计算l ?时，l 长度内其N 、E 、A 均应为常量。如杆件上各段不同，则应分段计算，求其代数和得总变形。即 1 n i i i i i N l l E A =?=∑ (3-7) (3)泊松比 当应力不超过材料的比例极限时，横向应变与轴向应变之比的绝对值。即 ενε ' = (3-8) 表1-1 低碳钢拉伸过程的四个阶段
怎样才能学好材料力学课程 首先，需要转变观念。材料力学是研究工程问题的，其研究对象和任务都与具体的工程结构相关，它的理论、方法和各种结论都是围绕工程问题形成的。可以说，离开工程结构问题，就没有材料力学。多数同学开始学习材料力学课程时，比较习惯抽象思维，对各种具体工程结构及其基本设计要求了解得很少，因此，要学好材料力学，首先要建立工程概念，注意用工程的方法解决问题。例如，解题时应画好结构图，用简单的近似计算方法代替复杂的精确计算，用有理数计算而不是用无理数计算等。对工程概念和工程方法持忽视、漠视乃至抵触的态度，极易产生浮躁情绪，如不看清楚问题就解题，解题不画图，误以为知道公式就能解题，抄作业，实验课应付差事等，这对学习都是极为不利的。 其次，需要提高学习境界。学习有三种境界。 第一种境界是止于模仿，这是最初等的。每逢考试前，总有人问做过书上习题后考试是否就能通过，这些同学就是处于这种境界。我们做过尝试，允许同学考试时带一页 A4 纸入场，上面可写满他认为对考试有帮助的内容，有不少同学用很大篇幅写满了他认为是难题的解题过程，这些同学也是处于这种境界。注意力放在记公式和结论上，满足于会使用公式，不注意分析问题的思路，学而不思，为应试学习。尽管模仿也是一种学习方式，而且模仿得好，在初等教育阶段可能得高分，但是到了高等教育阶段，这种方式显然是落后的，它使人缺乏自主性，缺乏创造性。大学生需要尽早超越这种境界。 第二种境界是抓小放大，这是中等境界。所谓抓小，指的是对每一章每一节都读得很细，不但熟知每个公式和结论，而且对这些公式和结论是怎么来的也很清楚，作业基本能独立完成，也基本正确，考试成绩中等偏上，在以后的学习和工作中也能正确无误地使用书中公式和结论。很多同学以此为满足，认为达到这种程度就算是一个好学生了。其实，材料力学和其他课程一样，有自己的一个大思维，比如解决强度问题，问题本身是复杂的，但是如果建立拉压、扭转和平面弯曲等几个简单受力模型，通过应力状态理论和强度理论，组合起来解决各种复杂受力状态下的强度问题，相信这种用简单模型解决复杂问题的大思维会对解决许多问题有参考价值。因此，抓小放大不能算是学习的完美境界。 第三种境界是系统化，这是学习的高级境界。这种境界是抓小也抓大，以大带小把一门课当做一个系统来学习，既注意掌握细节，又注意解决问题的总体思路。我们提倡的研究式学习方法就是指系统化方法。这种方法是把学习过程同时当做研究过程，时刻清楚课程在解决的问题（如强度），了解并审查所选择参数的必要性和完备性（如内力和应力），了解并检查获得这些参数的确定性和可操作性（如各种简单变形下横截面上的应力公式，试验方法），归纳并审查解决问题的总程序和各分程序（如用简单模型解决复杂强度问题），以及每个章节存在的必要性、合理性、地位等。系统化学习方法能使我们从课程中获得的知识和能力最大化，是值得每个人都掌握的方法。