材料力學(xué)第一章緒論

1、材 料 力 學(xué)講授:顧志榮致謝詞 本材料力學(xué)多媒體課件在編輯過(guò)程中,參考并編用了范欽珊、王元?jiǎng)捉淌?上海交通大學(xué)材料力學(xué)教研室、西南交通大學(xué)配套孫訓(xùn)方教材、南京航空航天大學(xué)陶秋帆等老師的材料力學(xué)課件中的圖片、例題,在此首頁(yè)致詞表示由衷的謝意! 本課件的編輯由朱海陽(yáng)同仁制作,在此一并致謝!材料力學(xué)第一章 緒 論同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院 顧志榮一、材料力學(xué)的任務(wù)二、材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)容三、材料力學(xué)的基本假設(shè)四、材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式五、材料力學(xué)的課程性質(zhì)與特點(diǎn)六、如何學(xué)好材料力學(xué)第一章 緒 論 研究構(gòu)件的承載能力，研究材料的力學(xué)性質(zhì)，在既安全又經(jīng)濟(jì)的條件下，為構(gòu)件選擇合適的材料，確

2、定合理的截面形狀和尺寸提供計(jì)算理論與方法。一 材料力學(xué)的任務(wù)第一章 緒 論、研究構(gòu)件的承載能力 構(gòu)件：組成結(jié)構(gòu)或機(jī)械的部件。 衡量構(gòu)件承載能力的強(qiáng)度要求： 強(qiáng)度：構(gòu)件抵抗破壞的能力。 不因發(fā)生斷裂或過(guò)量的塑性變形而失效。緒論 / 一 材料力學(xué)的任務(wù)一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力強(qiáng) 度 問(wèn) 題房屋梁柱斷裂引起倒塌1993年8月13日上午10點(diǎn)左右， 泰國(guó)皇家大飯店倒塌，原房屋設(shè)計(jì) 為三層62套房間，后來(lái)又在上面加 蓋了三層1套房間，為防斷水，在 房頂又加了四個(gè)大水箱，下部三層 結(jié)構(gòu)承受不了上部的加層及水箱重 量，梁柱斷裂引起整幢大飯店倒塌。一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能

3、力橋梁斷塌1994年10月21日早晨7時(shí)45分，韓國(guó)漢城圣水大橋中段50米的橋梁斷塌，造成48人死亡，20多人受傷漢城市市長(zhǎng)辭職，總理辭職被挽留一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力 當(dāng)?shù)貢r(shí)間2007年8月1日19時(shí)5分左右,在美國(guó)中西部城市明尼阿波利斯，一座40年歷史的雙向8車道州際大橋突然斷裂成幾大段，墜入18米之下的密西西比河。當(dāng)?shù)卣汛_認(rèn)這次事故造成至少4人死亡，數(shù)十人受傷。初步調(diào)查顯示，這是一起橋梁結(jié)構(gòu)性垮塌事故，并非恐怖襲擊。 1998年9月10日19時(shí)38分，東方航空公司從上海飛往北京的MU586航班起飛，23時(shí)07分成功迫降上

4、海機(jī)場(chǎng)驚心動(dòng)魄3小時(shí)，就是因?yàn)轱w機(jī)前起落架的銷子斷裂導(dǎo)致起落架收放失效一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力前起落架鎖連桿安裝螺栓（銷子）發(fā)生斷裂一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力 1993年7月23日下午2時(shí)41分，西北航空公司從銀川至北京的2119航班從銀川市起飛時(shí)，因機(jī)尾突然斷裂，沖出跑道，沖破機(jī)場(chǎng)鐵絲網(wǎng)，栽入附近一淺水湖“7.23”銀川空難死亡59人，揚(yáng)子晚報(bào)的報(bào)導(dǎo)催人淚下一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力 2005年11月2日下午3時(shí)，上海江揚(yáng)南路臨汾路一處工地，正在吊運(yùn)貨運(yùn)電梯的塔吊從中間突然折斷，50米長(zhǎng)大臂折成幾段砸向樓頂，駕駛室內(nèi)的操作工當(dāng)場(chǎng)死亡一

5、材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力 2007年3月28日上午10時(shí)左右，上海江蘇路宣化路交叉口的企發(fā)大廈工地，塔吊在拆卸過(guò)程中，鋼絲繩突然斷裂，導(dǎo)致塔吊大臂傾覆，將工地上一臺(tái)升降機(jī)立柱砸彎，并懸掛在90米高空一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力高速公路直道與彎道的連接路面的剪切破壞一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力破壞斷裂或過(guò)量的塑性變形變形構(gòu)件尺寸與形狀的變化。彈性變形外力解除以后可消失的變形。塑性變形外力解除以后不能消失的變形。一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力美國(guó)塔科瑪大橋在風(fēng)荷載作用下發(fā)生過(guò)量的塑性變形引起大橋整體毀壞一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件

6、的承載能力、研究構(gòu)件的承載能力衡量構(gòu)件承載能力的剛度要求： 剛度：構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。 不因發(fā)生過(guò)大的彈性變形而失效。緒論 / 一 材料力學(xué)的任務(wù)一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力剛 度 問(wèn) 題剛度問(wèn)題一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力高剛度的橋面結(jié)構(gòu)剛度問(wèn)題一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力強(qiáng)度 剛度問(wèn)題一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力強(qiáng)度剛度問(wèn)題一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力、研究構(gòu)件的承載能力衡量構(gòu)件承載能力的穩(wěn)定要求： 穩(wěn)定性：構(gòu)件保持原有平衡狀態(tài)的能力。 不因發(fā)生因平衡形式的突然轉(zhuǎn)彎而失效。緒論 / 一 材料力學(xué)的任務(wù)一 材

7、料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力穩(wěn) 定 問(wèn) 題一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力細(xì)長(zhǎng)壓桿，當(dāng)壓力達(dá)到或超過(guò)一定限度時(shí)，桿件可能突然變彎而失去承載能力，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)或屈曲。桿件的失穩(wěn)或屈曲往往產(chǎn)生很大的變形甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力19世紀(jì)的最后25年,歐美發(fā)生過(guò)一系列鐵路和公路橋梁因壓桿失穩(wěn)而造成結(jié)構(gòu)破壞的事件。其中最有影響的兩例失穩(wěn)事故：美國(guó)阿什特比拉河上同名橋失穩(wěn)事故瑞士明漢斯太因村鐵路橋失穩(wěn)事故一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力美國(guó)阿什特比拉河上同名橋失穩(wěn)事故1876年12月29日晚8時(shí)許，一列由兩輛機(jī)車和11節(jié)車廂

8、組成的快車，在美國(guó)橫跨阿什特比拉河的同名橋上通過(guò)。在離對(duì)岸不到15米時(shí)，司機(jī)回頭一看，后面的列車都?jí)嬋牒又校?58名乘客中有92人遇難。該橋結(jié)構(gòu)破壞的原因是因?yàn)檫@座金屬桁架式鐵路橋的受壓斜桿失穩(wěn)引起的。一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力這座橋由法國(guó)著名設(shè)計(jì)師和建筑師埃菲爾（A.-G.Eiffel)設(shè)計(jì)并建造。采用埃菲爾式桁架，其結(jié)構(gòu)的立面圖和平面圖如上圖所示。瑞士明漢斯太因村鐵路橋失穩(wěn)事故一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力1891年5月14日瑞士這座架設(shè)在萊茵河支流比爾斯河上的單軌鐵橋，因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏全面的穩(wěn)定性分析而造成鐵橋墜毀，行駛其上的12節(jié)車廂中74人蒙難，200多

9、人受傷。一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力1925年2月13日，修復(fù)后的莫濟(jì)里橋在試車時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題。幸好桁架落在為試車準(zhǔn)備的臨時(shí)支座上，人們才可看到斜桿失穩(wěn)后的情景。左圖橋下側(cè)面觀察，右圖橋上看：長(zhǎng)15.372米的斜桿一根鼓出1.46米，另一根鼓出0.905米。一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力1875年俄國(guó)開(kāi)伏達(dá)河上同名橋，在安裝完畢后，僅當(dāng)工作車通過(guò)時(shí),受壓上弦桿發(fā)生偏離桁架平面的屈曲而毀壞。一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 1 研究構(gòu)件的承載能力2000年10月25日上午10時(shí)許南京電視臺(tái)演播廳工程封頂，由于腳手架失穩(wěn)，模板倒塌，造成6人死亡，35人受傷，其中一名死者是南京電視臺(tái)

10、的攝象記者。緒論 / 一 材料力學(xué)的任務(wù)2、研究材料力學(xué)的力學(xué)性能 不同材料制成的構(gòu)件,其承載能力不一樣。 構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性與制作構(gòu)件的材料有關(guān)。 材料力學(xué)還要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究材料的力學(xué)性能,并在此基礎(chǔ)上為構(gòu)件選擇合適的材料。一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 2 研究材料的力學(xué)性能為構(gòu)件選擇合適的材料 根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型選材 超高層建筑一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 2 研究材料的力學(xué)性能為構(gòu)件選擇合適的材料 根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型選材 高層 小高層建筑 一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 2 研究材料的力學(xué)性能為構(gòu)件選擇合適的材料 根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型選材 多層 小別墅建筑 一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 2 研究材料的力學(xué)性能為構(gòu)件選擇合適的材料

11、 根據(jù)受力性質(zhì)選材 一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 2 研究材料的力學(xué)性能為構(gòu)件選擇合適的材料 根據(jù)受力性質(zhì)選材 一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 2 研究材料的力學(xué)性能為構(gòu)件選擇合適的材料 根據(jù)受力性質(zhì)選材 南浦大橋楊浦大橋緒論 / 一 材料力學(xué)的任務(wù)3 合理解決安全與經(jīng)濟(jì)之間的矛盾 構(gòu)件設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)滿足剛度強(qiáng)度穩(wěn)定性要求材料好些截面大些降低成本、節(jié)約資金材料差些截面小些一 材料力學(xué)的任務(wù)/ 3 合理解決安全與經(jīng)濟(jì)矛盾安全經(jīng)濟(jì)矛盾力求合理解決選擇材料設(shè)計(jì)截面恰到好處第一章 緒 論1、基本理論部分 研究物體在外力作用下的內(nèi)部力學(xué)響應(yīng),即構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力和變形分析,這些都是強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。二 材料力學(xué)的

12、研究?jī)?nèi)容緒論 / 二 材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)容2、實(shí)驗(yàn)部分 實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)的重要組成部分,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究材料在外力作用下的力學(xué)性能和失效行為,確定材料抵抗破壞和變形的能力。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也是驗(yàn)證理論和解決理論分析難于處理的問(wèn)題的重要手段。緒論 / 二 材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)容3、應(yīng)用部分 上述兩部分內(nèi)容的結(jié)合,成為工程設(shè)計(jì)的重要組成部分,即根據(jù)安全與經(jīng)濟(jì)的控制條件(以后各章要介紹的強(qiáng)度條件、剛度條件和穩(wěn)定性條件)為構(gòu)件選擇 合適的材料,設(shè)計(jì)出合理的截面形狀和尺寸。二 材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)容/ 3 應(yīng)用部分方案設(shè)計(jì)靜力設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)定型工程設(shè)計(jì)程序二 材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)容/ 3 應(yīng)用部分靜力設(shè)計(jì) 受力分析 內(nèi)力分析應(yīng)力分析 失

13、效分析穩(wěn)定設(shè)計(jì)剛度設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)第一章 緒 論 1、兩種簡(jiǎn)化的力學(xué)模型 剛體 變形固體 FFF FFFF F三 材料力學(xué)的基本假定(或稱簡(jiǎn)化模型)緒論 / 三 材料力學(xué)的基本假設(shè)2、變形固體的三個(gè)物體假設(shè)(又稱材料性質(zhì)模型) 連續(xù)性假設(shè) 均勻性假設(shè) 各向同性假設(shè) 三 材料力學(xué)的基本假設(shè)/ 2 變形固體的物性假設(shè)(1)、連續(xù)性假設(shè)(不同的地方) 含義:認(rèn)為組成物體的物質(zhì)毫無(wú)空隙地充滿整個(gè)物體的幾何容積。 作用:可用連續(xù)函數(shù)來(lái)表示此物體的各力學(xué)量,如內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變和位移等變化。 實(shí)際情況:宏觀連續(xù),微觀不連續(xù)。三 材料力學(xué)的基本假設(shè)/ 2 變形固體的物性假設(shè)灰口鑄鐵顯微組織球墨鑄鐵顯微組織三 材料

14、力學(xué)的基本假設(shè)/ 2 變形固體的物性假設(shè)普通鋼材顯微組織優(yōu)質(zhì)鋼材顯微組織還例如:砼石子/黃沙/水泥但仍有空隙存在。三 材料力學(xué)的基本假設(shè)/ 2 變形固體的物性假設(shè)(2)均勻性假設(shè)(不同的地方) 含義:認(rèn)為物體內(nèi)任何部分的力學(xué)性質(zhì)相同、均勻分布。 作用:可以從小到大(為研究一個(gè)整體，可取一小部分研究）也可以從大到?。ù蟪叽缭嚰y(cè)試的力學(xué)性能可應(yīng)用到任何微小部分） 實(shí)際情況：宏觀均勻，微小不均勻。 砼振搗密實(shí)度會(huì)存在差異三 材料力學(xué)的基本假設(shè)/ 2 變形固體的物性假設(shè)低碳鋼拉伸局部頸縮現(xiàn)象三 材料力學(xué)的基本假設(shè)/ 2 變形固體的物性假設(shè)(3)、各向同性假設(shè)（同一點(diǎn)不同的方向） 含義：認(rèn)為物體在一點(diǎn)

15、處各個(gè)方向具有相同的力學(xué)性能。 作用：研究問(wèn)題時(shí)不必考慮方向性，即材料力學(xué)性能與坐標(biāo)方向無(wú)關(guān)。 例如：從鋼板中取試樣。 實(shí)際情況：多數(shù)各向異性，少數(shù)各向同性。 例如：木材順紋橫紋、竹子順紋橫紋、復(fù)合材料的經(jīng)向緯向存在很大差異。緒論 / 三 材料力學(xué)的基本假定3、材料力學(xué)的研究范圍及前提條件 在材料力學(xué)中，實(shí)際材料被看是連續(xù)、均勻、各向同性的變形固體，但只限于研究彈性范圍內(nèi)的小變形情況。三 材料力學(xué)的基本假設(shè)/ 3 材料力學(xué)的研究范圍及前提條件小變形：認(rèn)為物件在外力作用下所產(chǎn)生的變形極其微小，與物體原始尺寸比較要小得多（也稱小變形假設(shè)）。第一章 緒 論 1、按空間三個(gè)方向的幾何特征，變形固體大致

16、可分為 （1）塊體：空間三個(gè)方向具有相同量級(jí)的尺度。 （2）殼體：空間一個(gè)方向尺度遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向的尺度，且至少有一個(gè)方向的曲率為零。 （3）板：空間一個(gè)方向的尺度遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向的尺度，且各處曲率均為零。 （4）桿: 空間一個(gè)方向的尺度遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向的尺度。四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式緒論 / 四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式2 材料力學(xué)的研究對(duì)象：桿（1）直桿軸線是直線（2）曲桿軸線是曲線（3）等截面桿截面相同（4）變截面桿橫截面沿軸線變化緒論 / 四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式3 、桿件變形的基本形式四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式/

17、3 桿件變形的基本形式拉 伸四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式壓 縮四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式剪 切四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式扭 轉(zhuǎn)四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式彎 曲四 材料力學(xué)的研究對(duì)象及桿件變形的基本形式/3 桿件變形的基本形式彎 曲第一章 緒論 1 、課程性質(zhì) 材料力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支，是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。 無(wú)論是土建、機(jī)械、航空航天等專業(yè)，它的理論、概念、方法對(duì)工程設(shè)計(jì)、

18、科學(xué)研究和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)是必不可少的。五 材料力學(xué)的課程性質(zhì)與特點(diǎn)緒論 / 五 材料力學(xué)的課程性質(zhì)與特點(diǎn)2 課程特點(diǎn)(三強(qiáng)三多）（1）內(nèi)容的系統(tǒng)性強(qiáng)（2）方法的科學(xué)性強(qiáng)（3）理論聯(lián)系實(shí)際的密切性強(qiáng)（4）概念多、公式多、數(shù)字計(jì)算多五 材料力學(xué)的課程性質(zhì)與特點(diǎn)/ 2 課程特點(diǎn)（1）內(nèi)容的系統(tǒng)性強(qiáng)（一分析三計(jì)算兩先兩后）主線：桿件的應(yīng)力分析（應(yīng)力、變形及能量） 危險(xiǎn)段、面、點(diǎn)處的強(qiáng)度計(jì)算最大變形處的剛度計(jì)算一定受力情況下桿的穩(wěn)定計(jì)算先討論基本變形，后研究組合變形先討論靜力問(wèn)題，后研究動(dòng)荷問(wèn)題五 材料力學(xué)的課程性質(zhì)與特點(diǎn)/ 2 課程特點(diǎn)（2）方法的科學(xué)性強(qiáng) 兩個(gè)前提： 桿件在各種力作用下必須平衡 整體平衡、局部平衡、微元平衡作用在彈性體上的外力相互平衡內(nèi)力與外力平衡；內(nèi)力與內(nèi)力平衡。F1F3F2FnF1F2F3Fn分布內(nèi)力五 材料力學(xué)的課程性質(zhì)與特點(diǎn)/ 2 課程特點(diǎn)（2）方法的科學(xué)性強(qiáng) 兩個(gè)前提： 桿件各部分的變形必須協(xié)調(diào) 小到組成物體的各質(zhì)點(diǎn) 大到變形協(xié)調(diào)條件變形前變形不協(xié)調(diào)變形不協(xié)調(diào)變形協(xié)調(diào)一致五 材料力學(xué)的課程性質(zhì)與特點(diǎn)/ 2 課程特點(diǎn)（2）方法的科學(xué)性強(qiáng) 靜力學(xué)方面（平衡）綜合三方面 變形幾何學(xué)方面（變形協(xié)調(diào)） 物理學(xué)方面（力與變形）