材料力学教案

第一章绪论及基本概念一、教学目标和教学内容教学目标：明确材料力学的任务，理解变形体的的基本假设，掌握杆件变形的基本形式。教学内容：○1材料力学的特点○2材料力学的任务○3材料力学的研究对象○4变形体的基本假设○5材料力学的基本变形形式二、重点难点构件的强度、刚度、稳定性的概念；杆件变形的基本形式、变形体的基本假设。三、教学方式采用启发式教学，通过提问，引导学生思考，让学生回答问题。四、建议学时0.5学时五、讲课提纲1、材料力学的任务材料力学是研究构件强度、刚度和稳定性计算的学科。工程中各种机械和结构都是由许多构件和零件组成的。为了保证机械和结构能安全正常地工作，必须要求全部构件和零件在外力作用时具有一定的承载能力，承载能力表现为1.1强度是指构件抵抗破坏的能力。构件在外力作用下不被破坏，表明构件具有足够的强度。1.2刚度是指构件抵抗变形的能力。构件在外力作用下发生的变形不超过某一规定值，表明构件具有足够的刚度。1.3稳定性是指构件承受在外力作用下，保持原有平衡状态的能力，构件在外力作用下，能保持原有的平衡形态，表明构件具有足够的稳定性。1.4材料力学的任务：以最经济为代价，保证构件具有足够的承载能力。通过研究构件的强度、刚度、稳定性，为构件选择合适的材料、确定合理的截面形状和尺寸提供计算理论。2、材料力学的研究对象：可变形固体均匀连续性假设:假设变形固体内连续不断地充满着均匀的物质，且体内各点处的力学性质相同。各向同性假设:假设变形固体在各个方向上具有相同的力学性质。小变形假设:假设变形固体在外力作用下产生的变形与构件原有尺寸相比是很微小的，称“小变形”。在列平衡方程时，可以不考虑外力作用点处的微小位移，而按变形前的位置和尺寸进行计算。3、杆件的几何特征3.1轴线：截面形心的连线3.2横截面：垂直于轴线的截面3.3杆的分类：4、杆件变形的基本形式杆件在不同受力情况下，将产生各种不同的变形，但是，不管变形如何复杂，常常是四种基本变形（轴向拉压、剪切、扭转、弯曲）或是它们的组合。第二章轴向拉伸和压缩一、教学目标和教学内容1、教学目标正确理解内力、应力、应变等基本概念，熟练掌握截面法。正确理解并熟练掌握轴向拉压正应力公式、胡克定律、强度条件，掌握拉压杆的强度计算方法。掌握拉压时材料的力学性能，弄清材料力学解决问题的思路和方法。2、教学内容○1截面法、内力、应力○2轴力、轴力图○3正应力、应力集中的概念○4轴向拉（压）时斜截面上的应力○5拉压杆的变形、胡克定律、泊松比⑥拉压杆的强度计算⑦材料拉压时的力学性能⑧拉压杆件系统的超静定问题二、重点难点1、内力和截面法，轴力和轴力图。2、应力的概念，轴向拉压时横截面上的应力，轴向拉压时的变形。3、材料拉、压时的力学性能。4、轴向拉压的强度计算。5、应力集中的概念，拉、压静不定问题。三、教学方式采用启发式教学和问题式教学法结合，通过提问，引导学生思考，让学生回答问题，激发学生的学习热情。四、建议学时7学时五、讲课提纲2.1轴向拉伸(压缩)的概念受力特点：作用于杆件上外力或外力合力的作用线与杆件轴线重合。变形特点：构件沿轴线方向的伸长或缩短。2.2轴力、轴力图1、内力、截面法内力的概念内力是构件因受外力而变形，其内部各部分之间因相对位移改变而引起的附加内力。截面法截面法四部曲：截（切开）、取（取分离体）、代（代替）、平（平衡）2、轴力、轴力图轴向拉压时的内力——轴力轴力的符号规则——轴力背离截面时为正，指向截面为负。轴力图2.3应力与圣维南原理1、应力的概念：定义：内力在截面上的分布集度。数学表示：APAlim0应力分量；与截面相切的应力。切应力与截面正交的应力。正应力::正应力的代数符号规定：拉应力为正，压应力为负。应力的单位：Pa（N/m2）2、轴向拉（压）时横截面上的正应力：应力计算公式：AFN公式的适用范围：（1）外力作用线必须与杆轴线重合，否则横截面上应力将不是均匀分布；(2)距外力作用点较远部分正确，外力作用点附近应力分布复杂，由于加载方式的不同，只会使作用点附近不大的范围内受到影响（圣维南原理）。因此，只要作用于杆端合力作用线与杆轴线重合，除力作用处外，仍可用该公式计算。(3)必须是等截面直杆，否则横截面上应力将不是均匀分布，当截面变化较缓慢时，可近似用该公式计算。3、圣维南原理：外力作用在杆端的方式不同，只会使杆端距离不大于横向尺寸的范围内应力分布受到影响。4、轴向拉（压）杆斜截面上的应力2sin2sincoscos2pp2.4变形、胡克定律、泊松比1、纵向变形、胡克定律：绝对变形lll1EAlFlN.胡克定律E——弹性模量（Pa）EA—抗拉（压）刚度，反映杆件抵抗拉伸（压缩）变形的能力相对变形（线应变）ll拉伸为“+”，压缩为“-”在弹性范围内：,EP胡克定律2、横向变形及泊松比：绝对变形横向尺寸1aaaaa1相对变形（横向应变）aa拉伸为“-”，压缩'为“+”柏松比（横向变形系数）实验表明：在弹性范围内是反映材料性质的常数，由实验确定，一般在-1～-0.5之间。2.5材料在拉伸和压缩时的力学性能1、低碳钢拉伸时的力学性能：试件：圆截面：dl10dl5矩形截面：l=11.3Al=5.65Al—工作段长度（标距）d—直径A—横截面积低碳钢拉伸时变形发展的四个阶段：（1）弹性阶段（oa）应力特征值：比例极限p—材料应力应变成正比的最大应力值（服从虎克定律）弹性极限e—材料只出现弹性变形的应力极限值,成比tgE（比例系数）E为与材料有关的比例常数，随材料不同而异。当1时，E，由此说明表明材料的刚性的大小；tg说明几何意义。（2）屈服阶段（bc）当应力超过弹性极限后，应变增加很快，但应力仅在一微小范围波动，这种应力基本不变，应变不断增加，从而明显地产生塑性变形的现象称为屈服（流动）。现象：磨光试件表面出现与轴线成45倾角条纹——滑移线，是由于材料晶格发生相对滑移所造成。材料产生显著塑性变形，影响构件正常使用，应避免出现。应力特征值：屈服极限s——衡量材料强度的重要指标（3）强化阶段（cd）强化现象：材料恢复抵抗变形的能力，要使应变增加，必须增大应力值。曲线表现为上升阶段。应力特征性：强度极限b——材料能承受的最大应力值。冷作硬化——材料预拉到强化阶段，使之发生塑性变形，然后卸载，当再次加载时弹性极限e和屈服极限s提高、塑性降低的现象。（4）颈缩阶段（df）在某一局部范围内，A（急剧）、，用A计算的，试件被拉断。两个塑性指标：延伸率（伸长率）：%1001lll材料分类%5%5脆性材料塑性材料截面收缩率：%1001AAA2、其它材料拉伸时的力学性能：16Mn钢也有明显的四个阶段；H62（黄铜）没有明显的屈服阶段，另三阶段较明显；T10A（高碳钢）没有屈服和颈缩阶段，只有弹性和强化阶段。铸铁拉伸时是一微弯曲线，没有明显的直线部分，拉断前无屈服现象，拉断时变形很小是典型的脆性材料。对于没有明显的屈服阶段的材料，常以产生0.2%的塑性变形所对应的应力值作为屈服极限，称条件屈服极限，用2.0表示。3、材料压缩时的力学性能：低碳钢压缩时的力学性能：压缩时曲线，在屈服阶段以前与拉伸时相同，spE,,都与拉伸时相同，当达到s后，试件出现显著的塑性变形，越压越短，横截面增大，试件端部由于与压头之间摩擦的影响，横向变形受到阻碍，被压成鼓形。得不到压缩时的强度极限。因此，钢材的力学性质主要时用拉伸试验来确定。铸铁压缩时的力学性能：与塑性材料相反脆性材料在压缩时的力学性质与拉伸时有较大差别。4、材料在拉伸与压缩时力学性质特点：当应力不超过一定限度（不同材料其限度不同）时，与成正比；塑性材料的抗拉强度极限比脆性材料高，宜作受拉构件；表示其强度特征的是s和b，而s是杆件强度设计的依据；脆性材料的抗压强度极限远大于其抗拉强度极限，宜作受压构件；唯一表示强度特征的是b，它也是杆件强度设计的依据。2.6许用应力与强度条件1、极限应力、安全系数、许用应力：极限应力：材料破坏时的应力称为极限应力。脆性材料塑性材料或2.0ubs安全系数、许用应力nun—安全系数（大于1的数）构件工作时允许达到的最大应力值称许用应力][。许用应力应低于极限应力。2、强度条件：为了保证构件有足够的强度，杆内最大工作应力不得超过材料在拉压时的许用应力][，即][maxNmaxAF它可解决工程上的三类强度问题：强度校核设计截面确定许可载荷2.7应力集中的概念局部应力——截面突变处某些局部小范围内的应力。应力集中——在截面突变处出现局部应力剧增现象。应力集中对于塑性、脆性材料的强度产生截然不同的影响，脆性材料对局部应力的敏感性很强，而局部应力对塑性材料的强度影响很小。2.8拉伸和压缩静不定问题1、静不定问题的解法：基本思路：静力学关系，变形几何关系，物理关系。解超静定问题，除列出平衡方程外，还要通过研究变形和内力的关系建立足够数量的补充方程，为此要找出变形的协调条件，即保持结构连续所必须满足的变形几何条件，在通过变形的物理条件（内力与变形的关系）就可以列出所需要的补充方程。2、装配应力：杆件制成后，其尺寸有微小误差是难免的，这种误差使静定结构的几何形状发生微小改变，而不会引起内力。但对超静定结构，这种误差就会使杆件在承受载荷前产生较大的内力。由于加工误差，强行装配而引起的内力称为装配内力，与之相应的应力叫装配应力。计算装配应力的关键在于根据结构的变形几何关系建立补充方程。这类超静定问题的变形几何关系中一定有一项与尺寸误差有关。3、温度应力：热胀冷缩是金属材料的通性，在静定结构中杆件可以自由变形，温度均匀变化所产生的伸缩，不会在杆内引起内力。但在超静定结构中，杆件的伸缩受到部分或全部约束，温度变化将会引起内力，和它相应的应力称为温度应力。第三章扭转与剪切一、教学目标和教学内容1．教学目标掌握扭转内力的计算方法；正确理解并熟练掌握扭转剪应力、扭转变形的计算方法、剪切胡克定律和剪应力互等定理、扭转强度和扭转刚度计算。2．教学内容○1外力偶矩的计算，扭矩、扭矩图，纯剪切。○2圆轴扭转时的应力和变形，扭转的强度条件和刚度条件。○3扭转的强度计算和刚度计算。○4扭转静不定问题，非圆截面杆扭转。二、重点难点重点：圆轴扭转时横截面上剪应力分布规律和强度，圆轴扭转变形时的刚度和变形（相对扭转角）计算。难点：扭转剪应力推导过程重点处理：通过例子，关键理解max是指整个轴上的maxT面上的最外边缘点（等截面）；对变截面可用maxPmaxWT；严格区分刚度和扭转角的区别难点处理：结合、对比AFN的推导过程，和薄壁圆筒横截面上的推导，让学生思考可能采用的方法，然后在讲解。三、教学方式采用启发式教学，通过提问，引导学生思考，让学生回答问题，达到课堂互动。四、建议学时4学时五、讲课提纲3.1扭转的概念及实例杆件发生扭转变形的受力特点是：在杆件上作用着大小相等、转向相反、作用平面垂直于杆件轴线的两组平行力偶系。杆件扭转变形的特点是：当杆件发生扭转变形时，任意两个横截面将绕杆轴线作相对转动而产生相对角位移，称为该两个横截面的扭转角，用表示。3.2扭矩的计算和扭矩图1、外力偶矩的计算：已知轴所传递的功率和轴的转速，则外力偶矩eM（N•m）nPM9550eP——功率，单位为千瓦（KW）n——转速，单位为r/min2、扭转时的内力——扭矩：扭矩：受扭杆件横截面上的内力是作用在该截面上的力偶，该力偶之矩称扭矩（Mt）。扭矩的计算方法——截面法（假设扭矩为正，即设正法）扭矩的符号规则——右手螺旋法则扭矩图:表示杆件各横截面上的扭矩沿杆轴的变化规律。3.3圆轴扭转时的应力与强度条件1、薄壁圆筒的扭转应力①实验研究：变形特点：（1）各纵向线倾斜了同一