北京航空航天大学 材料力学课件 Chapt1-2004wqz

1材料力学王奇志Tel:82317508E-mail:[e-mail]2注意事项一、交作业时间：准备两个作业本，周一5:00前交，要求：正确、工整、按时，用工具作图。地点：主南103材料力学教研室。二、答疑时间：每周一下午4:00～5:00，地点：主南103。另外，还可以预约答疑。三、实验：主101或主南116。四、参考书：1.经典教材：《MechanicsofMaterials材料力学》,Timoshenko铁摩辛柯著，(如，科学出版社1993年).2.FerdinandP.Beer,etc.MechanicsofMaterials,清华大学出版社,2003年3.材料力学,兴伦自学课程系列，高教出版社，2004。3Chapter1Introduction§1Objectiveofthecourse§2Basicassumptionsformaterialproperties§3ExternalLoadandInternalForces§4ConceptofStress§5ConceptofStrain§6Hooke'slaw45历史悠久—2000多年前就有杠杆等静力学知识的记载;300多年前牛顿创立经典力学—力学精确化—自然科学精确化。直至20世纪50～60年代，力学是科学技术发展的主导学科，汽车、火车、飞机、火箭、卫星，力学家功居首位，伽利略、牛顿、卡门、铁摩辛柯、钱学森、钱伟长、钱令希、周培源这些众人熟知的科学家都为力学家。21世纪-信息时代、生命科学时代、智能材料时代。但力学仍是整个科学技术的重要基础，是七大基础学科(数、理、化、天、地、生、力)之一。6一些高科技及其在各工业领域的应用与力学的指导密不可分。789吊车10材料力学作为一门技术基础课，是全体同学必备的基础。材料的力学行为是工程材料研究的重要方面。11•理论力学-静力学（Statics）：•材料力学（MechanicsofMaterials)：Mechanicsofmaterialsisabranchofappliedmechanicsthatdealswiththestrength,rigidityandstabilityofdeformablesolidbodiessubjectedtovarioustypesofloading研究构件外力简化与平衡（considertheforcesandmomentsrequiredtokeeptherigidbodyinstaticequilibrium）刚体力学（Mechanismofrigidbodies）变形体力学Mechanismofdeformablebodies12材料力学发展简史中国古代有关材料力学的应用试弓定力图—东汉赵州桥—隋朝13斗拱1103年，李诫在《营造法式大木作制度》指出：“凡梁之大小，各随其广分为三分，以二分为厚”14材料力学在近代的发展伽利略（Galileo,1564～1642）1638年：材料力学的开端《关于两种新科学的对话》提出了梁强度的计算公式开创了用系统科学实验与观察的方法进行研究15胡克的弹性实验装置1678年：发现“胡克定律”雅各布.伯努利，马略特：得出了有关梁、柱性能的基础知识，并研究了材料的强度性能与其它力学性能。库伦：修正了伽利略、马略特关于梁理论中的错误，得到了梁的弯曲正应力和圆杆扭转切应力的正确结果16(瑞士)欧拉像主要研究梁的变形：《曲线的变分法》，推导出受横向力的悬臂杆的挠度表达式《关于柱的承载力》，讨论了压杆稳定问题，引入了临界载荷的概念。还研究了大变形问题、变截面梁的问题、具有初始曲率杆的问题。17(瑞士)约翰.伯努利像(意大利)拉格朗日像提出“虚位移原理”阐述了“虚功原理”18(英国)托马斯.杨像(法国)纳维像定义“弹性模量”研究了扭转问题、梁的弯曲问题、提出了解超静定问题的位移法1826年，第一本《材料力学》19(法国)泊松像定义“泊松比”(法国)圣维南像研究了扭转和弯曲问题，提出了“圣维南原理”20(乌克兰)铁摩辛柯像建立“铁摩辛柯梁”模型研究了圆孔附近的应力集中问题，梁板的弯曲振动问题，薄壁杆件扭转问题，弹性系统稳定性问题等出版了大量力学教材：《材料力学》，《高等材料力学》，《结构力学》，《板壳理论》等20多部21材料力学在现代的发展19世纪中叶，铁路桥梁工程的发展，大大推动了材料力学的发展；当时，材料力学的主要研究对象为钢材；20世纪，各种新型材料(复合材料、高分子材料等)广泛应用，实验水平、计算方法不断提高；材料力学所涉及的领域更加广阔，它仍在发展。22§1材料力学的任务Objectiveofthecourse埃菲尔铁塔铁塔承受风载的计算简图铁塔变形示意图23Tacoma海峡大桥(美国Tacoma市)Tacoma海峡新桥因设计不良1940年破坏24Tacoma大桥破坏全过程（点击图象）25Tacoma桥受压壁板的破坏形式加筋板Thecolumnsuddenlybecomescurved,whentheloadreachedaspecialvalue.26高压电线塔毁坏的高压电线塔27•失效分析AnalysisofFailure构件ComponentofStructure2.刚度失效FailurebyLostRigidity—LargeDeformation3.屈曲失效FailurebyBuckling/FailurebyLostStability4.OtherKindsofFailure:Fatigue疲劳,Creep蠕变,Relaxation松弛1.强度失效FailurebyLostStrength—Rupture/Yield28•构件设计基本要求BasicRequirementsinDesignWork（保持原有平衡形式）（抵抗变形）（抵抗破坏）稳定性刚度强度矛盾经济安全合理设计③enoughstability足够的稳定性—不因发生因平衡形式的突然转变而失效。②enoughstiffness足够的刚度—不因发生过大的弹性变形而失效；①enoughstrength足够的强度—不因发生断裂或塑性变形而失效；29•PrincipalObjectiveoftheCourseDeterminethestresses,strainsanddisplacementsproducedbytheloads,iftheirquantitiescanbefoundforallvaluesofloaduptothefailureload,andthenobtainacompletepictureofthemechanicalbehaviorofthedeformablebody.材料力学的任务：30Body;Plateorshell;BarObjectofourstudy:Bar(StraightorCurvedBar，UniformorVariableCross-SectionBar)•TheBodiesThatConsideredinMechanicsofMaterials材料力学的研究对象体(body)杆(bar/rod)板壳(plate/shell)3132杆拉压TensionandCompression扭转Torsion弯曲Bending•受力和变形的基本形式:TheBasicFormsofLoadandDeformation轴梁33§2BasicAssumptionsforMaterialProperties关于材料的基本假设ContinuitySteelMicro:non-continuousMacro:continuousMechanicalpropertiescanbeexpressedascontinuousfunctions材料力学主要研究材料的宏观力学行为连续性假设：材料无空隙地充满于整个构件。——力学量可以用坐标的连续函数表示。34Homogeneity铁碳合金（0.2C%）Micro:non-homogeneousMacro:homogeneousMaterialbehaviorsareindependentofthelocationofapoint均匀性假设：构件内每一处的力学性能相同。——通过试样得到的材料性能可用于构件的任何部位。35IsotropyMicro:AnisotropicMacro:IsotropicMetalMaterialbehaviorsareindependentofthedirectionatapoint各向同性假设：构件某一处材料沿各个方向的力学性能均相同36Continuity：MechanicalpropertiescanbeexpressedascontinuousfunctionsHomogeneity：MaterialbehaviorsareindependentofthelocationofapointIsotropy：MaterialbehaviorsareindependentofthedirectionatapointSummaryAnisotropicMaterialFiber-ReinforcedCompositeMaterial37外力ExternalForces：Loads载荷andReactions约束反力§3外力与内力ExternalandInternalForcesF1F2表面力：气、液体压力，接触力体积力：重力，惯性力，电磁力。Distributedforce分布力Pointforce集中力静载荷Staticload：不随时间改变或变化较慢。动载荷Dynamicload：随时间显著变化或使构件各质点产生明显加速度38ReviewofStatics•Thestructureisdesignedtosupporta30kNload•Performastaticanalysistodeterminetheinternalforceineachstructuralmemberandthereactionforcesatthesupports•Thestructureconsistsofaboomandrodjoinedbypins(zeromomentconnections)atthejunctionsandsupports39StructureFree-BodyDiagram•Structureisdetachedfromsupportsandtheloadsandreactionforcesareindicated•AyandCycannotbedeterminedfromtheseequationskN300kN300kN400kN40m8.0kN30m6.00yyyyyxxxxxxxCCACAFACCAFAAM•Conditionsforstaticequilibrium:40ComponentFree-BodyDiagram•Inadditiontothecompletestructure,eachcomponentmustsatisfytheconditionsforstaticequilibrium•Results:kN30kN40kN40yxCCAReactionforcesaredirectedalongboomandrod0m8.00yyBAAM•Considerafree-bodydiagramfortheboom:kN30yCsubstituteintothestructureequilibriumequation41MethodofJoints•Theboomandrodare2-forcemembers,i.e.,themembersaresubjectedtoonlytwoforceswhichareappliedatmemberendskN50kN403kN30540BCABBCABB