材料力学第六版PPT-第一章 绪论

___ 不满足上述要求,
不能保证安全工作.
若：不恰当地加大横截面尺寸或
选用优质材料
___ 增加成本,造成浪费
}均 不 可 取
研究构件的强度、刚度和稳定性,还需要了解材料的力学性能。因此在 进行理论分析的基础上，实验研究是完成材料力学的任务所必需的途径和 手段。
目录
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§1.1 材料力学的任务
四、材料力学的研究对象
m F4

m
F3
F4

F3
目录
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§1.4 内力、截面法和应力的概念 例如
F
a
a
F
M FS
FS＝F M Fa
目录
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§1.4 内力、截面法和应力的概念
例 1.1 钻床 求：截面m-m上的内力。
解： 用截面m-m将钻床截为两部分，取上半 部分为研究对象，
受力如图：
列平衡方程:
M
Y 0 FN P
灰口铸铁的显微组织 球墨铸铁的显微组织
目录
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§1.2 变形固体的基本假设
2、均匀性假设： 认为物体内的任何部分，其力学性能相同 普通钢材的显微组织 优质钢材的显微组织
目录
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§1.2 变形固体的基本假设
3、各向同性假设： 认为在物体内各个不同方向的力学性能相同
（沿不同方向力学性能不同的材料称为各向异性 材料。如木材、胶合板、纤维增强材料等）
材料力学
目录
1
第一章 绪论
§1.1 材料力学的任务 §1.2 变形固体的基本假设 §1.3 外力及其分类 §1.4 内力、截面法及应力的概念 §1.5 变形与应变 §1.6 杆件变形的基本形式
目录

穷究于理，成就与工
材料力学
xxxx大学xxxx学院
任课教师：土星
2020年9月5日
内容回顾
关键问题1：材料力学研究的对象——杆件
杆：一个方向的尺寸远大于其它两个方向的尺寸
纵向（长的一个方向） 横向（短的两个方向）
横截面：垂直于长度方向的截面
轴 线：所有横截面形心的连线 横截面和轴线是相互垂直的
直 杆：轴线为直线 等直杆：轴线为直线，横截面相同 曲 杆：轴线为曲线
角应变：
3、应变与应力的对应关系
正应力引起线应变，剪应力引起剪应变；
不引起 ， 不引起 。
三、应变的单位
：无单位 mm/mm
：度或弧度
四、正负号的规定
：伸长为正，缩短为负。
：直角变小为正，变大为负。
注意：
材料力学所研究的变形仅限于小变形，故可认为变 形或变形引起的位移，其大小都是远小于构件的原始尺 寸。因此在建立静力学方程时，可依照物体的原始尺寸。
杆件的四种基本变形形式：
(1)拉伸或压缩
杆在一对大小相等，方向相反且力的作用线与杆轴线相重 合的力作用下所发生的伸长或缩短。
F
F
(2)剪切
杆在一对大小相等，方向相反且力的作用线相距很近的横 向力作用下所发生的相互错动。
(3)扭转 杆受一对大小相等，方向相反的力偶，力偶作用面垂直于杆
轴线。
(4)弯曲
特征： （1）随外力的变化而变化。 （2）内力成对出现，且相互平衡。
内力
2：内力的计算方法：截面法
（1）截面法步骤：
①截开 欲求某一截面上的内力，就沿该截面假想地将构件截 开。
②替代 任取一部分为研究对象，并弃去另一部分。同时在截 开的截面上用内力来表示弃去部分对留下部分的作用。

{
等截面杆 ——横截面的大小 形状不变的杆 变截面杆 ——横截面的大小 或形状变化的杆 等截面直杆 ——等直杆
§1.2 变形固体的基本假设
在外力作用下，一切固体都将发生变形， 故称为变形固体。在材料力学中，对变形固体 作如下假设： 1、连续性假设： 认为整个物体体积内毫无空隙地充满物质 灰口铸铁的显微组织 球墨铸铁的显微组织
1 3 2 5 tan 3 15
可以在未变形的构形中进行计算
1.3 杆件变形的基本形式
of a bar )
拉压 ( tension & compression )
( Basic deformations 扭转 ( torsion )
弯曲 ( bending )
A
如右图，δ远小于构 件的最小尺寸，所以通过 节点平衡求各杆内力时， 把支架的变形略去不计。 计算得到很大的简化。
δ1
B C F δ2
关于变形的假定：小变形
b
L vmax
h
vmax h
二阶微量可以忽略
cos
1 2 1 4 1 2! 4!
cos 1
tan
§1.2 变形固体的基本假设
2、均匀性假设： 认为物体内的任何部分，其力学性能相同 普通钢材的显微组织 优质钢材的显微组织
§1.2 变形固体的基本假设
3、各向同性假设： 认为在物体内各个不同方向的力学性能相同
（沿不同方向力学性能不同的材料称为各向异性 材料。如木材、胶合板、纤维增强材料等）
各向异性 (an- isotropy )
体 ( body )
三、材料力学的任务
研究杆件或杆件结构系统在外力作用 下的安全性问题

通常用
MPa＝N/mm2 ＝ 10 6 Pa
有些材料常数 GPa＝ kN/mm2 ＝ 10 9 Pa
工程上用 kg/cm2 ＝ 0.1 MPa
正应力s
剪应力
二、轴向拉压时横截面上应力
dA
dN dA •s
N
s dN
N dN s dA
A
A
求应力，先要找到应力在横截面上的分布情况。
应力是内力的集度，而内力与变形有关，所以
绘轴力图
（2）求应力 AB段：A1＝240240mm＝57600mm2
BC段：A2＝370370mm＝136900mm2
s1
N1 A1
50 103 57600
0.87 N
/ mm 2
0.87MPa
s2
N2 A2
150 103 136900
1.1N
/ mm 2
1.1MPa
应力为负号表示柱受压。正应力的正负号与轴力N相同。
Nl
A
l
————虎克定律（Hooke)
EA
l Pl
EA
计算中用得多
lE——N——弹性s横量（Mpa,
Gpa)
s
E
l EA E
实验中用得多
计算变形的两个实例：
1.一阶梯轴钢杆如图，AB段A1＝200mm2，BC和CD段截面积相同A2＝A3＝ 500mm2；l1= l2= l3=100mm。弹性模量E＝200GPa，荷载P1＝20kN，P2 ＝40kN 。试求：（1）各段的轴向变形；（2）全杆AD的总变形；
N1＝-20kN（压） N2＝-10kN（压） N3＝+30kN（拉）
§3 应力
一、应力：
内力在杆件截面上某一点的密集程度

求得
F F Fy 0, F FN 0
MON 0, Fa M 0
பைடு நூலகம்M Fa
应力
截面上，微小面积ΔA上分布内力的合力为ΔF，则平均应力为
pm
F A
当ΔA逐渐缩小，pm的大小和方向都将逐渐变化。 当ΔA趋近于零时，pm的大小和方向都将趋近于某极限值。
lim lim p
pm
A0
A0
F A
(用截面法：一截二取三平衡)
•解（1）沿m-m假想地将钻床分成 两部分。
•研究m-m截面以上部分（如图 1.2b），并以截面的形心O为原点， 选取坐标系如图所示。
•（2）外力F将使m-m见面以上部分
沿y轴方向位移，并绕O点转动，m- （3）由平衡方程
m截面以下部分必然以内力FN及M 作用于截面上，以保持上部的平衡。
建立力学模型：
轴向拉伸
轴向拉伸
轴向压缩
轴向压缩 弯曲
认 销 C处为钉的B重、螺量C栓W理连位想接于化，构为其架光约A滑B束C销既平钉不面。像内光，滑因销此钉可可作自为由平转面动力，系也问不题像来固定端那 处 样理毫。无转动的可能，而是介于两者之间，并与螺栓的紧固程度有关。
构件的强度、刚度和稳定性（ C ）。
构件 结构
——组成结构物和机械的单个组成部分（建筑物的 梁和柱，机床的轴）。 ——建筑物或构筑物中承受外部作用的骨架称为结构.
构件正常工作的条件：
足够的强度 足够的刚度 足足够够的的稳稳定定性性
强度：构件抵抗破坏的能力
不因发生断裂 或塑性变形而失效
刚度：构件抵抗弹性变形的能力
不因发生过大的弹性变形而失效
稳定性：构件保持原有平衡形式的能力
不因发生因平衡形式的突然转变而失效

前起落架 锁连杆安 装螺栓 (销子)意 外断裂。
高速公路直道与弯道的连接
路面的剪切破坏
2. 工程构件的刚度问题
Space Shuttle Discovery
3. 工程构件的稳定问题
3.本课程的任务
构件的强度、刚度和稳定性与构件的材料、 截面形状与尺寸、成本有关。 材料力学就是通过对构件承载能力的研究，找到构 件的截面尺寸、截面形状及所用材料的力学性质与所受 载荷之间的内在关系，从而在既安全可靠又经济节省的 前提下，为构件选择适当的材料和合理的截面尺寸、截 面形状。
2、均匀性假设： 认为变形固体整个体积内各点处的 力学性质相同。
3、各向同性假设： 认为变形固体沿各个方向的力学性 质相同（不适合所有的材料）。
4. 小变形假设： 指构件在外力作用下发生的变形量远 小于构件的尺寸。
材料力学研究的变形通常局限于小变形范围——小变形前提
小变形前提条件的作用：
1）小变形前提保证构件处于纯弹性变形范围
内力：外力作用引起构件内部附加的相互作用力。 内力的特点：
①连续分布于截面上各处； ②随外力的变化而变化。
求内力的方法 — — 截面法：用以显示和求解内力的方法，其步骤为：
F5 F1
F2
F4 F3
①截开：在待求内力的截面处假想地将构件截分为两部分， 取其中一部分为研究对象——分离体；
②代替： 用内力代替弃去部分对分离体的作用； —— 通常为分布内力系
a
n
y
L c
nb
mm
P
mOm Mm Nm
P
x
解：1、沿m-m截面截开，取上半部分：
Y 0
Nm - P = 0 ∴ Nm = P
MO ( F ) 0 Pa Mm 0， Mm Pa

2.注意理论联系实际
一些理论都是经过简化建立起来的，通常需要由试验来验 证；而在这些理论中所需要的材料的力学性能，要由试验来测 定；尚无理论结果的问题往往又需要用试验的方法来解决，所 以试验分析和理论研究同是材料力学解决问题的方法。 3.注意分析方法和计算能力的培养
理解概念，记住结论，掌握方法，灵活应用
1. 连续性假设（continuity assumption）
认为构件（物体）的体积完全由材料毫无空隙地 充满，结构是密实的。
2. 均匀性假设（assumption of homogeneity） with isotropy）
组成物体的材料沿各方向的力学性质完全相同。
五、材料力学的任务
在满足强度、刚度、稳定性的要求下，以最经济的 代价，为构件确定合理的形状和尺寸，选择适宜的材料， 而提供必要的理论基础和计算方法。
六、材料力学的学习和研究方法
1.与理论力学的联系
效应 理论力学 外效应
研究对象 刚体
研究内容 刚体的机械运动
材料力学 内效应 杆件（可变形体） 杆件的强度、刚度和稳定性
各向异性体（body with anisotropy） 组成物体的材料沿沿各方向的力学性质不尽相同。
4.小变形假设： 材料力学所研究的构件在载荷作用下的变形与原始尺寸
相比甚小，故对构件进行受力分析时可忽略其变形。
5.线弹性假设：
1-3 杆件变形的基本形式
1.拉伸和压缩： 变形形式是由大小相等、方向相反、作用线与杆件轴
线重合的一对力引起的，表现为杆件长度的伸长或缩短。
2.剪切： 变形形式是由大小相等、方向相反、相互平行的一对力引起
的，表现为受剪杆件的两部分沿外力作用方向发生相对错动。

第一章 绪 论
§ 1.1 材料力学的任务 § 1.2 变形固体的基本假设 § 1.3 内力.截面法和应力的概念 § 1.4 变形与应变的概念
理
刚体 运动
论 力
力
物体
学 变形 材
破坏 料
可变形固体
力 学
§ 1.1 材料力学的任务
一.工程要求
设 机械 计 结构
零件 构件 (可变形固体)
?
要求:构件具有足够的承载能力
构件的承载 能力包括
1.强度
2.刚度 3.稳定性
?
问题: 1.什么叫构件的强度 `刚度 `稳定性? 2.什么叫构件具有足够的强度 刚度 `` 稳定性?
强度 ----构件抵抗 破坏的能力 刚度 ----构件抵抗变形的能力 稳定性 ----维持原有平衡状态的能力
“破坏” 失效
变形 弹性变形---去掉载荷能恢复的变形 塑性变形---去掉载荷不能恢复的变形 （永久变形，残余变形）
构件 可变形固体 各种材料 在研究中可能以整体,部分,微块为对
象,在方法上要用到数学中的微积分,所 以首先要对可变形固体进行一定的假设
1.连续性 2.均匀性
3.各向同性
小变形条件 原始尺寸原理
在理论力学中,建立平衡方程,运动方程,动力
方程,都是把物体抽象为刚体来进行的
在材料力学中,不能再把物体看作刚体.
足够的强度----构件在规定的载荷作用下不发
生破坏
足够的刚度----构件在规定的载荷作用下不发
生过大的弹性变形
足够的稳定性----构件在规定的载荷作用下
不失稳
香 港 青 马 大 桥
南京长江二桥 （斜拉桥，628米）
江阴长江大桥 （悬索桥，1385米）

强度：在载荷作用下， 构件抵抗破坏的能力。
第八页，共98页。
目录
§1.1 材料力学的任务
4、稳定性：
在载荷 作用下，构 件保持原有 平衡状态的 能力。
强度、刚度、稳定性是衡量构件承载能力 的三个方面，材料力学就是研究构件承载能力的 一门科学。
第九页，共98页。
目录
§1.1 材料力学的任务
三、材料力学的任务
第三十五页，共98页。
目录
§2.2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力
杆件的强度不仅与轴力有关，还与横截面面积有 关。必须用应力来比较和判断杆件的强度。
在拉（压）杆的横截面上，与轴力
FN对应的应力是正应力 。根据连续性
假设，横截面上到处都存在着内力。 于是得静力关系：
FN dA A
第三十六页，共98页。
材料力学课件全套ppt演示文稿
第一页，共98页。
第一章 绪论
§1.1 材料力学的任务
§1.2 变形固体的基本假设 §1.3 外力及其分类 §1.4 内力、截面法及应力的概念 §1.5 变形与应变
§1.6 杆件变形的基本形式
第二页，共98页。
目录
§1.1 材料力学的任务
一、材料力学与工程应用
古代建筑结构
材料力学的任务就是在满足强度、刚度和 稳定性的要求下，为设计既经济又安全的构件 ，提供必要的理论基础和计算方法。
若：构件横截面尺寸不足或形状
不合理,或材料选用不当
___ 不满足上述要求, 不能保证安全工作.
若：不恰当地加大横截面尺寸或
选用优质材料
___ 增加成本,造成浪费
}
研究构件的强度、刚度和稳定性,还需要了解材料的力学性能。因此在进行理论分 析的基础上，实验研究是完成材料力学的任务所必需的途径和手段。