高等材料力学课件

第一章绪论研究对象和任务基本假设发展与工程应用 目录§1.1弹性力学的任务§1.2弹性力学的基本假设§1.3弹性力学的发展和研究方法 §1.1弹性力学的任务弹性力学——也称弹性理论固体力学学科的一个分支基本任务——研究由于载荷或者温度改变，弹性体内部所产生的位移、变形和应力分布等。为解决工程结构的强度，刚度和稳定性问题作准备。 构件承载能力分析是固体力学的基本任务不同的学科分支，研究对象和方法是不同的研究对象——弹性体研究内容和基本任务与材料力学基本相同研究对象近似研究方法却有比较大的差别§1.1弹性力学任务2 材料力学的研究对象是杆件，平面假设确定横截面变形。——一维数学问题，求解的基本方程是常微分方程。弹性力学的研究对象是完全弹性体。只能从微分单元体入手，三维数学问题，综合分析的结果是偏微分方程边值问题。§1.1弹性力学任务3 建筑工程§1.1弹性力学任务4 建筑工程§1.1弹性力学任务5 航空航天工程§1.1弹性力学任务6 船舶机械工程§1.1弹性力学任务7 §1.1弹性力学任务8 弹性是变形固体的基本属性。“完全弹性”是对弹性体变形的抽象。完全弹性使得物体变形成为一种理想模型。完全弹性是指在一定温度条件下，材料的应力和应变之间一一对应的关系。这种关系与时间无关，也与变形历史无关。材料的应力和应变关系通常称为本构关系；——物理关系或者物理方程线性弹性体和非线性弹性体§1.1弹性力学任务9 常微分方程，数学求解没有困难。偏微分方程边值问题，在数学上求解困难重重，除了少数特殊问题，一般弹性体问题很难得到解析解。这里并不是说弹性力学分析不再需要假设，事实上对于任何学科，如果不对研究对象作必要的抽象和简化，研究工作都是寸步难行的。研究方法的差别造成弹性力学与材料力学问题的最大不同。§1.1弹性力学任务11 工程问题的复杂性是诸多方面因素组成的。如果不分主次考虑所有因素，则问题的复杂，数学推导的困难，将使得问题无法求解。根据问题性质，忽略部分暂时不必考虑的因素，提出一些基本假设。使问题的研究限定在一个可行的范围。基本假设是学科的研究基础。超出基本假设的研究领域是固体力学其它学科的研究。§1.2弹性力学基本假设 工程材料通常可以分为晶体和非晶体两种。金属材料——晶体材料，是由许多原子，离子按一定规则排列起来的空间格子构成，其中间经常会有缺陷存在。高分子材料——非晶体材料，由许多分子的集合组成的分子化合物。工程材料内部的缺陷、夹杂和孔洞等构成了固体材料微观结构的复杂性。§1.2基本假设2 1.连续性假设——假设所研究的整个弹性体内部完全由组成物体的介质所充满，各个质点之间不存在任何空隙。——变形后仍然保持连续性。根据这一假设，物体所有物理量，例如位移、应变和应力等均为物体空间的连续函数。微观上这个假设不可能成立——宏观假设。§1.2基本假设3 2.均匀性假设——假设弹性物体是由同一类型的均匀材料组成的。因此物体各个部分的物理性质都是相同的，不随坐标位置的变化而改变。——物体的弹性性质处处都是相同的。工程材料，例如混凝土颗粒远远小于物体的的几何形状，并且在物体内部均匀分布，从宏观意义上讲，也可以视为均匀材料。对于环氧树脂基碳纤维复合材料，不能处理为均匀材料。§1.2基本假设4 3.各向同性假设——假定物体在各个不同的方向上具有相同的物理性质，这就是说物体的弹性常数将不随坐标方向的改变而变化。——宏观假设，材料性能是显示各向同性。当然，像木材，竹子以及纤维增强材料等，属于各向异性材料。——这些材料的研究属于复合材料力学研究的对象。§1.2基本假设5 4.完全弹性假设——对应一定的温度，如果应力和应变之间存在一一对应关系，而且这个关系和时间无关，也和变形历史无关，称为完全弹性材料。完全弹性分为线性和非线性弹性，弹性力学研究限于线性的应力与应变关系。研究对象的材料弹性常数不随应力或应变的变化而改变。§1.2基本假设6 5.小变形假设——假设在外力或者其他外界因素（如温度等）的影响下，物体的变形与物体自身几何尺寸相比属于高阶小量。——在弹性体的平衡等问题讨论时，可以不考虑因变形所引起的尺寸变化。——忽略位移、应变和应力等分量的高阶小量，使基本方程成为线性的偏微分方程组。§1.2基本假设7 ——假设物体处于自然状态，即在外界因素作用之前，物体内部没有应力。弹性力学求解的应力仅仅是外力或温度改变而产生的。6.无初始应力假设§1.2基本假设8 弹性力学的基本假设，主要包括弹性体的连续性、均匀性、各向同性、完全弹性和小变形假设等。这些假设都是关于材料变形的宏观假设。弹性力学问题的讨论中，如果没有特别的提示，均采用基本假设。这些基本假设被广泛的实验和工程实践证实是可行的。§1.2基本假设9 §1.3弹性力学的发展和研究方法弹性力学是一门有悠久历史的学科，早期研究可以追溯到1678年，胡克（R.Hooke）发现胡克定律。这一时期的研究工作主要是通过实验方法探索物体的受力与变形之间的关系。 近代弹性力学的研究是从19世纪开始的。柯西1828年提出应力、应变概念，建立了平衡微分方程，几何方程和广义胡克定律。柯西的工作是近代弹性力学的一个起点，使得弹性力学成为一门独立的固体力学分支学科。§1.3发展与研究方法2柯西（A.L.Cauchy） 而后，世界各国的一批学者相继进入弹性力学研究领域，使弹性力学进入发展阶段。1856年，圣维南（A.J.Saint-Venant）建立了柱体扭转和弯曲的基本理论；§1.3发展与研究方法3圣维南（A.J.Saint-Venant） 1862年，艾瑞（G.B.Airy）发表了关于弹性力学的平面理论；1881年，赫兹建立了接触应力理论；§1.3发展与研究方法4赫兹（H.Hertz） 1898年，基尔霍夫建立了平板理论;1824年生於德国，1887年逝世。曾在海登堡大学和柏林大学任物理学教授，他发现了电学中的“基尔霍夫定理”，同时也对弹性力学，特别是薄板理论的研究作出重要贡献。§1.3发展与研究方法5基尔霍夫(G.R.Kirchoff) 1930年，Гадёркин发展了应用复变函数理论求解弹性力学问题的方法等。另一个重要理论成果是建立种能量原理；提出一系列基于能量原理的近似计算方法。许多科学家.像拉格朗日(J.L.Lagrange)，乐甫(A.E.H.Love)，铁木辛柯(S.P.Timoshenko)做出了贡献。中国科学家钱伟长，钱学森，徐芝伦，胡海昌,等在弹性力学的发展，特别是在中国的推广应用做出了重要贡献。§1.3发展与研究方法6 钱伟长钱学森胡海昌§1.3发展与研究方法7 徐芝伦杨桂通§1.3发展与研究方法8 弹性力学——促进数学和自然科学基本理论的建立和发展；广泛工程应用——造船、建筑、航空和机械制造等。发展——形成了一些专门的分学科；现代科学技术和工程技术——仍然提出新的理论和工程问题。对于现代工程技术和科研工作者的培养——对于专业基础，思维方法以及独立工作能力都有不可替代的作用。§1.3发展与研究方法9 数学方法实验方法二者结合的方法弹性力学的基本方程——偏微分方程的边值问题，求解的方法有解析法和近似解法。解析法在数学上难度极大，因此仅适用于个别特殊边界条件问题。近似解法对于弹性力学有重要意义。§1.3发展与研究方法10 数值解法——计算机处理的近似解法。现代科学技术，特别是计算机技术的迅速发展和广泛应用为基础。有限元方法为代表的计算力学。以有限元为基础的CAD,CAE等技术，使计算机不仅成为数值分析工具，而且成为设计分析工具。有限元方法以弹性力学为基础，有限元方法将计算数学与工程分析相结合，极大地扩展和延伸了弹性力学理论与方法，取得了当代力学理论应用的高度成就。§1.3发展与研究方法11