材料力学课件全套

材料力学课件全套1材料力学刘鸿文主编(第4版)高等教育出版社目录第一章绪论目录第一章绪论§11>.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§1.1材料力学的任务传统具有柱、梁、檩、椽的木制房屋结构古代建筑结构目录建于隋代（6<05年）的河北赵州桥桥长64.4米，跨径37.<02米，用石28<0<0吨一、材料力学与工程应用古代建筑结构建于辽代（1<056年）的山西应县佛宫寺释迦塔塔高9层共67.31米，用木材74<0<0吨9<0<0多年来历经数次地震不倒，现存唯一木塔目录§1.1材料力学的任务 四川彩虹桥坍塌目录§1.1材料力学的任务美国纽约马尔克大桥坍塌比萨斜塔§1.1材料力学的任务目录§1.1材料力学的任务1、构件：工程结构或机械的每一组成部分。（例如：行车结构中的横梁、吊索等）理论力学—研究刚体，研究力与运动的关系。材料力学—研究变形体，研究力与变形的关系。二、基本概念2、变形：在外力作用下，固体内各点相对位置的改变。(宏观上看就是物体尺寸和形状的改变） 3、内力：构件内由于发生变形而产生的相互作用力。（内力随外力的增大而增大）强度：在载荷作用下，构件抵抗破坏的能力。刚度：在载荷作用下，构件抵抗变形的能力。塑性变形(残余变形)—外力解除后不能消失弹性变形—随外力解除而消失｛§1.1材料力学的任务目录§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。目录研究构件的强度、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§1.1材料力学的任务 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。三、材料力学的任务若：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,造成浪费构件的分类：杆件、板壳*、块体*§1.1材料力学的任务材料力学主要研究杆件等截面直杆——等直杆四、材料力学的研究对象直杆——轴线为直线的杆曲杆——轴线为曲线的杆{{目录 §1.2变形固体的基本假设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：目录灰口铸铁的显微组织球墨铸铁的显微组织2、均匀性假设：认为物体内的任何部分，其力学性能相同§1.2变形固体的基本假设普通钢材的显微组织优质钢材的显微组织目录§1.2变形固体的基本假设如右图，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。 4、小变形与线弹性范围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）认为构件的变形极其微小，比构件本身尺寸要小得多。目录§1.3外力及其分类外力：来自构件外部的力（载荷、约束反力）按外力作用的方式分类体积力：连续分布于物体内部各点的力。如重力和惯性力表面力：连续分布于物体表面上的力。如油缸内壁的压力，水坝受到的水压力等均为分布力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。如火车轮对钢轨的压力等分布力：集中力：目录 按外力与时间的关系分类载荷缓慢地由零增加到某一定值后，就保持不变或变动很不显著，称为静载。静载：动载：载荷随时间而变化。如交变载荷和冲击载荷§1.3外力及其分类交变载荷冲击载荷目录内力：外力作用引起构件内部的附加相互作用力。求内力的方法—截面法目录§1.4内力、截面法和应力的概念(1)假想沿m-m横截面将杆切开(2)留下左半段或右半段(3)将弃去部分对留下部分的作用用内力代替(4)对留下部分写平衡方 程，求出内力的值。FSM目录§1.4内力、截面法和应力的概念例如例1.1钻床求：截面m-m上的内力。用截面m-m将钻床截为两部分，取上半部分为研究对象，解：受力如图：§1.4内力、截面法和应力的概念列平衡方程:目录FNM 目录§1.4内力、截面法和应力的概念为了表示内力在一点处的强度，引入内力集度,即应力的概念。——平均应力——C点的应力应力是矢量，通常分解为—正应力—切应力应力的国际单位为Pa（帕斯卡）1Pa=1N/m21kPa=1<03N/m21MPa=1<06N/m21GPa=1<09N/m2§1.5变形与应变1.位移刚性位移；变形位移。2.变形物体内任意两点的相对位置发生变化。取一微正六面体两种基本变形：线变形 ——线段长度的变化角变形——线段间夹角的变化目录3.应变x方向的平均应变：正应变（线应变）§1.5变形与应变M点处沿x方向的应变：切应变（角应变）M点在xy平面内的切应变为：目录§1.5变形与应变例1.2已知：薄板的两条边固定，变形后a&#<039;b,a&#<039;d仍为直线。解：目录 求：ab边的??m和ab、ad两边夹角的变化。拉压变形拉伸（压缩）、剪切、扭转、弯曲剪切变形杆件的基本变形：目录§1.6杆件变形的基本形式扭转变形弯曲变形目录§1.6杆件变形的基本形式 第二章拉伸、压缩与剪切(1)目录第二章拉伸、压缩与剪切目录§2.1轴向拉伸与压缩的概念和实例目录§2.1轴向拉伸与压缩的概念和实例目录 作用在杆件上的外力合力的作用线与杆件轴线重合，杆件变形是沿轴线方向的伸长或缩短。拉（压）杆的受力简图§2.1轴向拉伸与压缩的概念和实例目录受力特点与变形特点：§2.1轴向拉伸与压缩的概念和实例目录§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力1、截面法求内力目录(1)假想沿m-m横截面将杆切开(2)留下左半段或右半段 (3)将弃去部分对留下部分的作用用内力代替(4)对留下部分写平衡方程求出内力即轴力的值§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力2、轴力：截面上的内力目录由于外力的作用线与杆件的轴线重合，内力的作用线也与杆件的轴线重合。所以称为轴力。3、轴力正负号：拉为正、压为负4、轴力图：轴力沿杆件轴线的变化§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力 已知F1=1<0kN；F2=2<0kN；F3=35kN；F4=25kN;试画出图示杆件的轴力图。例题2.1解：1、计算各段的轴力。AB段BC段CD段2、绘制轴力图。目录§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力目录 §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。目录§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力目录平面假设—变形前原为平面的横截面，变形后仍保持为平面且仍垂直于轴线。横向线ab、cd仍为直线，且仍垂直于杆轴线，只是分别平行移至a’b’、c’d’。观察变形：§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力目录 从平面假设可以判断：（1）所有纵向纤维伸长相等（2）因材料均匀，故各纤维受力相等（3）内力均匀分布，各点正应力相等，为常量§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力该式为横截面上的正应力σ计算公式。正应力σ和轴力FN同号。即拉应力为正，压应力为负。圣维南原理目录§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力目录§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力 例题2.2图示结构，试求杆件AB、CB的应力。已知F=2<0kN；斜杆AB为直径2<0mm的圆截面杆，水平杆CB为15×15的方截面杆。解：1、计算各杆件的轴力。（设斜杆为1杆，水平杆为2杆）用截面法取节点B为研究对象45°目录§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力2、计算各杆件的应力。目录 §2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力例题2.2悬臂吊车的斜杆AB为直径d=2<0mm的钢杆，载荷W=15kN。当W移到A点时，求斜杆AB横截面上的应力。解：当载荷W移到A点时，斜杆AB受到拉力最大，设其值为Fmax。讨论横梁平衡目录§2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力由三角形ABC求出斜杆AB的轴力为斜杆AB横截面上的应力为目录 §2.3直杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力实验表明：拉（压）杆的破坏并不总是沿横截面发生，有时却是沿斜截面发生的。目录§2.4材料拉伸时的力学性能力学性能：在外力作用下材料在变形和破坏方面所表现出的力学特性。一试件和实验条件常温、静载目录§2.4材料拉伸时的力学性能目录 §2.4材料拉伸时的力学性能二低碳钢的拉伸目录§2.4材料拉伸时的力学性能明显的四个阶段1、弹性阶段ob2、屈服阶段bc（失去抵抗变形的能力）3、强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力）4、局部径缩阶段ef目录胡克定律E—弹性模量（GN/m2）§2.4材料拉伸时的力学性能两个塑性指标: 断后伸长率断面收缩率低碳钢的为塑性材料目录§2.4材料拉伸时的力学性能三卸载定律及冷作硬化1、弹性范围内卸载、再加载2、过弹性范围卸载、再加载材料在卸载过程中应力和应变是线性关系，这就是卸载定律。材料的比例极限增高，延伸率降低，称之为冷作硬化或加工硬化。目录§2.4材料拉伸时的力学性能四其它材料拉伸时的力学性质 对于没有明显屈服阶段的塑性材料，用名义屈服极限σp<0.2来表示。目录§2.4材料拉伸时的力学性能对于脆性材料（铸铁），拉伸时的应力应变曲线为微弯的曲线，没有屈服和径缩现象，试件突然拉断。断后伸长率约为<0.5%。为典型的脆性材料。σbt—拉伸强度极限（约为14<0MPa）。它是衡量脆性材料（铸铁）拉伸的唯一强度指标。目录第二章拉伸、压缩与剪切(2)目录§2.5材料压缩时的力学性能 一试件和实验条件常温、静载目录§2.5材料压缩时的力学性能二塑性材料（低碳钢）的压缩拉伸与压缩在屈服阶段以前完全相同。E---弹性摸量目录§2.5材料压缩时的力学性能三脆性材料（铸铁）的压缩脆性材料的抗拉与抗压性质不完全相同压缩时的强度极限远大于拉伸时的强度极限目录 目录§2.5材料压缩时的力学性能§2.7失效、安全因数和强度计算一、安全因数和许用应力目录§2.7失效、安全因数和强度计算二、强度条件根据强度条件，可以解决三类强度计算问题1、强度校核：2、设计截面：3、确定许可载荷：目录 §2.7失效、安全因数和强度计算例题2.4油缸盖与缸体采用6个螺栓连接。已知油缸内径D=35<0mm，油压p=1MPa。螺栓许用应力[σ]=4<0MPa，求螺栓的内径。每个螺栓承受轴力为总压力的1/6解：油缸盖受到的力即螺栓的轴力为螺栓的直径为目录§2.7失效、安全因数和强度计算例题2.5AC为5<0×5<0×5的等边角钢，AB为1<0号槽钢，〔σ〕=12<0MPa。确定许可载荷F。解：1、计算轴力（设斜杆为1杆，水平杆为2杆）用截面法取节点A为研究对象2、根据斜杆的强度，求许可载荷查表得斜杆AC的面积为A1=2×4.8cm2 目录§2.7失效、安全因数和强度计算3、根据水平杆的强度，求许可载荷查表得水平杆AB的面积为A2=2×12.74cm24、许可载荷目录§2.8轴向拉伸或压缩时的变形 一纵向变形二横向变形钢材的E约为2<0<0GPa，μ约为<0.25—<0.33EA为抗拉刚度泊松比横向应变目录{§2.8轴向拉伸或压缩时的变形目录 §2.8轴向拉伸或压缩时的变形目录对于变截面杆件（如阶梯杆），或轴力变化。则例题2.6AB长2m,面积为2<0<0mm2。AC面积为25<0mm2。E=2<0<0GPa。F=1<0kN。试求节点A的位移。解：1、计算轴力。（设斜杆为1杆，水平杆为2杆）取节点A为研究对象2、根据胡克定律计算杆的变形。§2.8轴向拉伸或压缩时的变形斜杆伸长水平杆缩短目录 3、节点A的位移（以切代弧）§2.8轴向拉伸或压缩时的变形目录§2.9轴向拉伸或压缩的应变能目录 §2.1<0拉伸、压缩超静定问题约束反力（轴力）可由静力平衡方程求得静定结构：目录§2.1<0拉伸、压缩超静定问题约束反力不能由平衡方程求得超静定结构：结构的强度和刚度均得到提高超静定度（次）数：约束反力多于独立平衡方程的数独立平衡方程数： 平面任意力系：3个平衡方程平面共点力系：2个平衡方程目录§2.1<0拉伸、压缩超静定问题1、列出独立的平衡方程超静定结构的求解方法：2、变形几何关系3、物理关系4、补充方程5、求解方程组，得例题2.7目录 §2.1<0拉伸、压缩超静定问题例题2.8目录在图示结构中，设横梁AB的变形可以省略，1，2两杆的横截面面积相等，材料相同。试求1，2两杆的内力。2、变形几何关系3、物理关系4、补充方程5、求解方程组得 §2.11温度应力和装配应力一、温度应力1、杆件的温度变形（伸长）2、杆端作用产生的缩短3、变形条件4、求解未知力温度应力为目录§2.11温度应力和装配应力二、装配应力已知：求：各杆内力。1、列平衡方程2、变形协调条件3、将物理关系代入目录 §2.12应力集中的概念常见的油孔、沟槽等均有构件尺寸突变，突变处将产生应力集中现象。即理论应力集中因数1、形状尺寸的影响：2、材料的影响：应力集中对塑性材料的影响不大；应力集中对脆性材料的影响严重，应特别注意。目录尺寸变化越急剧、角越尖、孔越小，应力集中的程度越严重。 一.剪切的实用计算§2-13剪切和挤压的实用计算铆钉连接剪床剪钢板目录销轴连接§2-13剪切和挤压的实用计算剪切受力特点：作用在构件两侧面上的外力合力大小相等、方向相反且作用线很近。变形特点：位于两力之间的截面发生相对错动。目录§2-13剪切和挤压的实用计算 目录§2-13剪切和挤压的实用计算假设切应力在剪切面（m-m截面）上是均匀分布的,得实用切应力计算公式：切应力强度条件：目录二.挤压的实用计算假设应力在挤压面上是均匀分布的得实用挤压应力公式*注意挤压面面积的计算§2-13剪切和挤压的实用计算 挤压力Fbs=F（1）接触面为平面Abs—实际接触面面积（2）接触面为圆柱面Abs—直径投影面面积目录§2-13剪切和挤压的实用计算挤压强度条件：目录§2-13剪切和挤压的实用计算 目录为充分利用材料，切应力和挤压应力应满足§2-13剪切和挤压的实用计算得：目录图示接头，受轴向力F作用。已知F=5<0kN，b=15<0mm，δ=1<0mm，d=17mm，a=8<0mm，[σ]=16<0MPa，[τ]=12<0MPa，[σbs]=32<0MPa，铆钉和板的材料相同，试校核其强度。2.板的剪切强度解：1.板的拉伸强度§2-13剪切和挤压的实用计算例题3-1 目录3.铆钉的剪切强度4.板和铆钉的挤压强度结论：强度足够。§2-13剪切和挤压的实用计算目录§2-13剪切和挤压的实用计算例题3-2目录 §2-13剪切和挤压的实用计算解：（1）校核键的剪切强度（2）校核键的挤压强度平键满足强度要求。目录小结1.轴力的计算和轴力图的绘制2.典型的塑性材料和脆性材料的主要力学性能及相关指标3.横截面上的应力计算，拉压强度条件及计算4.拉（压）杆的变形计算，桁架节点位移5.拉压超静定的基本概念及超静定问题的求解方法目录6.剪切变形的特点,剪切实用计算,挤压实用计算 第三章扭转第三章扭转汽车传动轴§3.1扭转的概念和实例汽车方向盘§3.1扭转的概念和实例 杆件受到大小相等,方向相反且作用平面垂直于杆件轴线的力偶作用,杆件的横截面绕轴线产生相对转动。受扭转变形杆件通常为轴类零件，其横截面大都是圆形的。所以本章主要介绍圆轴扭转。扭转受力特点及变形特点:§3.1扭转的概念和实例直接计算1.外力偶矩§3.2外力偶矩的计算扭矩和扭矩图按输入功率和转速计算电机每秒输入功：外力偶作功完成：已知轴转速－n转/分钟输出功率－P千瓦求：力偶矩Me§3.2外力偶矩的计算扭矩和扭矩图 T=Me2.扭矩和扭矩图§3.2外力偶矩的计算扭矩和扭矩图用截面法研究横截面上的内力扭矩正负规定右手螺旋法则右手拇指指向外法线方向为正(+),反之为负(-)§3.2外力偶矩的计算扭矩和扭矩图扭矩图§3.2外力偶矩的计算扭矩和扭矩图