哈工程力學(xué)基礎(chǔ)第1章

材料力學(xué)學(xué)哈爾濱工程大大學(xué)航天與建筑工工程學(xué)院第一章緒緒論1.1材料力力學(xué)的任務(wù)1.2構(gòu)件強(qiáng)強(qiáng)度、剛度、、穩(wěn)定性概念念1.3材料的的基本假設(shè)1.4小變形形限制條件1.5內(nèi)力1.6應(yīng)力1.7位移、、變形和應(yīng)變變1.8構(gòu)件基基本變形形式式力學(xué)與數(shù)學(xué)、物理理、化學(xué)、天天文、地理、、生物并列為為七大基礎(chǔ)學(xué)學(xué)科。力學(xué)課程應(yīng)該是工程類類專業(yè)學(xué)生的的必修課。力學(xué)的發(fā)展源源遠(yuǎn)流長。20世紀(jì)前，，機(jī)械工業(yè)、、大水利工程程、大跨度橋橋梁、鐵路與與機(jī)車、船舶舶、兵器等近近代工業(yè)，無無一不是在力力學(xué)知識(shí)積累累和完善的基基礎(chǔ)上產(chǎn)生與與發(fā)展起來的的。例如，高高新技術(shù)領(lǐng)域域中的航空航航天技術(shù)(包包括人類登月月、建立空間間站、航天飛飛機(jī)和衛(wèi)星測測控)主要靠靠力學(xué)而發(fā)展。一架架載客400人的波音747飛機(jī)，，其質(zhì)量超過過100t，，這樣的龐然然大物，竟然然可以自由翱翱翔于空中，，是得益于近代空氣動(dòng)力力學(xué)的成就；在飛飛機(jī)遇到不穩(wěn)穩(wěn)定氣流時(shí)，，其機(jī)翼能夠夠克服上下顫顫動(dòng)，確保航航行安全，則則是固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的成就；客機(jī)機(jī)跨海越洋，，遙遙數(shù)萬里里，無論晝夜夜，都能準(zhǔn)確確無誤地到達(dá)達(dá)終點(diǎn)，既不不會(huì)延誤，也也不會(huì)迷路，，更不會(huì)失控控，這是導(dǎo)航航與自動(dòng)控制制技術(shù)的貢獻(xiàn)獻(xiàn)，其最核心心的技術(shù)卻是是一般力學(xué)研究的成果。。1.1材料力力學(xué)的任務(wù)材料力學(xué)課程程重在建立學(xué)學(xué)生對(duì)工程設(shè)設(shè)計(jì)中強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性問題明確的基基本概念，掌掌握必要的基基礎(chǔ)知識(shí)，培培養(yǎng)比較熟練練的計(jì)算能力力和初步的實(shí)實(shí)驗(yàn)分析能力力。1.2構(gòu)件強(qiáng)強(qiáng)度、剛度、、穩(wěn)定性概念念1.強(qiáng)度要求求要求構(gòu)件受載載時(shí)不發(fā)生斷斷裂或產(chǎn)生永永久變形。2.剛度要求求構(gòu)件在外載的的作用下，發(fā)發(fā)生的彈性變變形不能超過過允許值。3.穩(wěn)定性要要求要求構(gòu)件在工工作情況下，，其平衡是穩(wěn)穩(wěn)定的。構(gòu)件滿足強(qiáng)度度、剛度、穩(wěn)穩(wěn)定性要求的的能力，稱為為構(gòu)件的承載能力。震驚世界的兩兩次強(qiáng)度失效效事故：1．“泰坦坦尼克號(hào)””沉沒之謎謎1912年年4月14日，當(dāng)時(shí)時(shí)最大最豪豪華的4600t英英制游輪““泰坦尼克克號(hào)”首次次滿載著2227名名乘客離開開英國的南南安普敦港港駛向紐約約。乘客們們都以為自自己乘坐的的是最豪華華、最結(jié)實(shí)實(shí)的輪船，，做夢也不不曾想到會(huì)會(huì)有大禍臨臨頭。因?yàn)闉樵摯牡椎撞恳驯桓舾舫筛鱾€(gè)獨(dú)獨(dú)立的艙房房，任一艙艙房受損進(jìn)進(jìn)水都不會(huì)會(huì)影響別的的艙房。即即使在最壞壞的情況下下，如與別別的船相撞撞導(dǎo)致一部部分艙房進(jìn)進(jìn)水，整個(gè)個(gè)“泰坦尼尼克號(hào)”沉沉沒至少也也需要3天天時(shí)間，在在那么長的的時(shí)間內(nèi)無無論如何也也能得到救救援。因此此，這次處處女航幾乎乎可以說是是萬無一失失的，更何何況造船用用的是當(dāng)時(shí)時(shí)最優(yōu)質(zhì)的的鋼材。然而而，，令令人人遺遺憾憾的的是是，，““泰泰坦坦尼尼克克號(hào)號(hào)””未未能能逃逃脫脫世世界界航航海海史史上上最最大大海海難難事事故故的的命命運(yùn)運(yùn)。。被被稱稱為為“不不沉沉之之船船””的““泰泰坦坦尼尼克克號(hào)號(hào)””連連同同它它的的1513位位乘乘客客，，僅僅在在3小小時(shí)時(shí)內(nèi)內(nèi)就就被被格格陵陵蘭蘭海海冰冰冷冷的的海海水水吞吞沒沒了了。。這艘艘偌偌大大的的游游輪輪究究竟竟為為什什么么會(huì)會(huì)沉沉于于海海底底呢呢?由由于于技技術(shù)術(shù)上上的的原原因因，，直直至至1991年年，，第第一一次次科科學(xué)學(xué)考考察察隊(duì)隊(duì)才才開開始始到到水水下下對(duì)對(duì)殘殘骸骸進(jìn)進(jìn)行行考考察察，，并并收收集集了了殘殘骸骸的的金金屬屬碎碎片片供供科科研研用用。。這這些些碎碎片片以以及及沉沉船船在在海海底底的的狀狀況況使使人人們們終終于于解解開開了了巨巨輪輪““泰泰坦坦尼尼克克號(hào)號(hào)””罹罹難難之之謎謎。。考考察察隊(duì)隊(duì)員員們們發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)了了導(dǎo)導(dǎo)致致““泰泰坦坦尼尼克克號(hào)號(hào)””沉沉沒沒的的兩兩個(gè)個(gè)重重要要細(xì)細(xì)節(jié)節(jié)。。一個(gè)個(gè)細(xì)細(xì)節(jié)節(jié)說說明明，造造船船工工程程師師們們只只考考慮慮到到船船底底、、船船尾尾或或船船首首有有被被撞撞壞壞的的可可能能性性。。在在深深夜夜里里行行進(jìn)進(jìn)的的““泰泰坦坦尼尼克克號(hào)號(hào)””遭遭遇遇冰冰山山，，當(dāng)當(dāng)人人們們發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)并并想想躲躲避避卻卻為為時(shí)時(shí)已已晚晚。。如如果果值值班班人人員員沒沒有有發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)冰冰山山，，輪輪船船直直接接撞撞到到冰冰山山上上去去的的話話，，或或許許游游輪輪受受損損傷傷進(jìn)進(jìn)水水的的只只是是船船首首部部分分的的艙艙房房，，船船一一定定不不會(huì)會(huì)整整個(gè)個(gè)沉沉沒沒。。但但不不幸幸的的是是，，值值班班員員偏偏偏偏發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)了了冰冰山山，，并并且且懷懷著著僥僥幸幸的的心心理理想想讓讓船船轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過過身身來來躲躲避避冰冰山山，，這這樣樣一一來來，，冰冰山山就就像像一一把把利利刃刃似似的的從從船船的的側(cè)側(cè)面面切切入入，，把把船船攔攔腰腰斬?cái)財(cái)鄶?。。這這樣樣，，就就不不是是一一兩兩個(gè)個(gè)艙艙房房進(jìn)進(jìn)水水，，而而是是所所有有的的艙艙房房都都進(jìn)進(jìn)了了水水。。結(jié)結(jié)果果““泰泰坦坦尼尼克克號(hào)號(hào)””在在幾幾個(gè)個(gè)小小時(shí)時(shí)內(nèi)內(nèi)就就覆覆沒沒于于大大海海之之中中了了。。第二二個(gè)個(gè)細(xì)細(xì)節(jié)節(jié)是造造船船工工程程師師只只考考慮慮到到要要增增加加鋼鋼的的強(qiáng)強(qiáng)度度，，而而沒沒有有想想到到要要增增加加其其韌韌性性。。把把殘殘骸骸的的金金屬屬碎碎片片與與如如今今的的造造船船鋼鋼材材作作一一對(duì)對(duì)比比試試驗(yàn)驗(yàn)，，發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在在““泰泰坦坦尼尼克克號(hào)號(hào)””沉沉沒沒地地點(diǎn)點(diǎn)的的水水溫溫中中，，如如今今的的造造船船鋼鋼材材在在受受到到撞撞擊擊時(shí)時(shí)可可彎彎成成V形形，，而而殘殘骸骸上上的的鋼鋼材材則則因因韌韌性性不不夠夠而而很很快快斷斷裂裂。。由由此此發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)了了鋼鋼材材的的冷冷脆脆性性，，即即在在-40℃℃～～O℃℃的的溫溫度度下下，，鋼鋼材材的的力力學(xué)學(xué)行行為為由由韌韌性性變變成成脆脆性性，，從從而而導(dǎo)導(dǎo)致致災(zāi)災(zāi)難難性性的的脆脆性性斷斷裂裂。。而而用用現(xiàn)現(xiàn)代代技技術(shù)術(shù)煉煉的的鋼鋼只只有有在在－70℃℃～－60℃的的溫度下下才會(huì)變變脆。不不過不能能責(zé)怪當(dāng)當(dāng)時(shí)的工工程師，，因?yàn)楫?dāng)當(dāng)時(shí)誰也也不知道道，為了了增加鋼鋼的強(qiáng)度度而往煉煉鋼原料料中增加加大量硫硫化物會(huì)會(huì)大大增增加鋼的的脆性，，以致釀釀成了““泰坦尼尼克號(hào)””沉沒的的悲劇。。另據(jù)美國國《紐約約時(shí)報(bào)》》報(bào)導(dǎo)，，一個(gè)海海洋法醫(yī)醫(yī)專家小小組對(duì)打打撈起來來的“泰泰坦尼克克號(hào)”船船殼上的的鉚釘進(jìn)進(jìn)行了分分析，發(fā)發(fā)現(xiàn)固定定船殼鋼鋼板的鉚鉚釘里含含有異常常多的玻玻璃狀渣渣粒，因因而使鉚鉚釘變得得非常脆脆弱、容容易斷裂裂。這一分析析表明：：在冰山山的撞擊擊下，可可能是鉚鉚釘斷裂裂導(dǎo)致船船殼解體體，最終終使“泰泰坦尼克克號(hào)”葬葬身于大大西洋海海底。2．切爾爾諾貝利利核電站站為什么么發(fā)生大大爆炸?切爾諾貝貝利核電電站是前前蘇聯(lián)于于1973年開始修修建、1977年啟動(dòng)的的最大的的核電站站。1986年4月26日凌晨，，兩聲沉沉悶的爆爆炸聲打打破了核核電站周周圍的寧寧靜。隨隨著爆炸炸聲，一一條30多米高的的火柱掀掀開反應(yīng)應(yīng)堆的外外殼，沖沖向天空空。反應(yīng)應(yīng)堆的防防護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)和各種種設(shè)備整整個(gè)被掀掀起，溫溫度高達(dá)達(dá)2000℃的烈焰吞吞噬著機(jī)機(jī)房，熔熔化了粗粗大的鋼鋼架。攜攜帶著高高放射性性物質(zhì)的的水蒸氣氣和塵埃埃隨著濃濃煙升騰騰彌漫，，這次爆爆炸造成成了災(zāi)難難性的后后果。爆爆炸釋放放的能量量相當(dāng)于于500顆在廣島島投放的的原子彈彈。爆炸炸破壞了了核反應(yīng)應(yīng)堆，使使反應(yīng)堆堆內(nèi)180多噸濃縮縮鈾燃料料的3％被釋放到到大氣中中，放射射性污染染遍及前前蘇聯(lián)居居住著694.5萬人的15萬平方公公里的地地區(qū)，核核電站周周圍30km范圍圍被劃為為隔離區(qū)區(qū)，莊稼稼被全部部掩埋。。那么，究究竟是什什么原因因釀成了了這場災(zāi)災(zāi)難?事事后的調(diào)調(diào)查表明明，這是是由一系系列的操操作失誤誤造成的的人為事事故。剛剛完成檢檢修的第第四核反反應(yīng)堆重重新啟動(dòng)動(dòng)時(shí)，將將產(chǎn)生的的蒸汽輸輸向已經(jīng)經(jīng)關(guān)閉的的渦輪機(jī)機(jī)，而能能夠關(guān)掉掉反應(yīng)堆堆的自動(dòng)動(dòng)保護(hù)裝裝置卻事事先被切切斷了。。這樣，，反應(yīng)堆堆不斷工工作產(chǎn)生生蒸汽，，卻沒有有宣泄的的出口。。反應(yīng)堆外外殼所承承受的蒸蒸汽壓力力和溫度度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超超出了它它的設(shè)計(jì)計(jì)要求，，最終引引發(fā)了熱熱能爆炸炸。然而，對(duì)對(duì)于人類類來說，，這次爆爆炸仍然然是“幸幸運(yùn)”的的。因?yàn)闉樗鼉H僅僅是一次次過熱的的蒸汽爆爆炸，而而非核爆爆炸。否否則這對(duì)對(duì)于人類類是絕對(duì)對(duì)的滅頂頂之災(zāi)。。這次大大爆炸也也向人類類敲響了了警鐘：：如何杜杜絕災(zāi)難難性事故故的發(fā)生生，如何何在惡劣劣的環(huán)境境條件下下，遏制制更大災(zāi)災(zāi)難的發(fā)發(fā)生，這也是對(duì)對(duì)力學(xué)工工作者提提出的新新的挑戰(zhàn)戰(zhàn)性課題題。1999年1月月4日，，我國某某市的一一座大橋橋發(fā)生垮垮塌，造造成：40人死死亡；14人受受傷；直接經(jīng)濟(jì)濟(jì)損失631萬萬元。法庭以外外的問題題－力學(xué)素質(zhì)質(zhì)的重要要性－從簡單力力學(xué)問題題到高等等力學(xué)問問題。簡單力學(xué)學(xué)問題－－隊(duì)伍過橋橋時(shí)不能能齊步走走高等力學(xué)學(xué)問題－－沖擊載荷荷的概念念：人跑步時(shí)時(shí)腳上的的力量有有多大？？損傷累積積與結(jié)構(gòu)構(gòu)壽命與跑步的的次數(shù)有有關(guān)腳上的力量假設(shè)人體重量為750N3000N3500N4500N6000N12500N44.76816.7高等力學(xué)學(xué)問題－－損傷累積積與結(jié)構(gòu)構(gòu)壽命與跑步的的次數(shù)有有關(guān)構(gòu)件的基基本形式式1、桿件件長度（縱縱向）比比其他兩兩個(gè)方向向的尺寸寸大很多多的構(gòu)件件稱為桿件。2、塊塊件各方向向尺寸寸相差差不多多的構(gòu)構(gòu)件稱稱為塊件。桿(bar)體(body)構(gòu)件的的基本本形式式板(plate)殼(shell)3板板件厚度比比其他他兩個(gè)個(gè)方向向尺寸寸小得得多的的構(gòu)件件稱為為板件。如果中中面是是平面面的構(gòu)構(gòu)件稱稱為板。而中面面是曲曲面的的話則則稱為為殼。1.3材料料力學(xué)學(xué)中的的基本本假設(shè)設(shè)1.關(guān)關(guān)于材材料性性質(zhì)得得假定定連續(xù)性性假設(shè)設(shè)均勻性性假設(shè)設(shè)各向同同性假假設(shè)1.4小變變形限限制條條件變形固固體在在載荷荷作用用下可可發(fā)生生兩種種不同同性質(zhì)質(zhì)的變變形：：一.彈性變變形二.是塑性性變形形材料力力學(xué)是是在彈彈性范范圍內(nèi)內(nèi)研究究構(gòu)件件的承承載能能力。。討論論由均均勻、、連續(xù)續(xù)、各各向同同性材材料制制成的的桿件，受載載后變變形為為微小小的彈彈性變變形情情況??！材料力力學(xué)和和理論論力學(xué)學(xué)研究究對(duì)象象的區(qū)區(qū)別理論力力學(xué)研究對(duì)對(duì)象視視為剛體力學(xué)模模型理想化化的力力學(xué)模模型主要研研究力力的運(yùn)運(yùn)動(dòng)效效應(yīng)材料力力學(xué)研究對(duì)對(duì)象視視為變形體體力學(xué)模模型更更接近近于實(shí)實(shí)際主要研研究力的變變形效效應(yīng)實(shí)際物物體往往往隨隨所研研究問問題的的不同同，有有時(shí)看看作剛剛體體，有有時(shí)看看作變變形體體。理論力學(xué)中中某些定理理在材料力力學(xué)中的應(yīng)應(yīng)用受到嚴(yán)嚴(yán)格限制加減平衡力力系原理及及其推理（（力的可傳傳性力系簡簡化的基礎(chǔ)礎(chǔ)）力的平移定定理力偶等效定定理(力偶偶矩相等的的兩力偶等等效)等,只適用于剛剛體，而不不適用于變變形體。1.5內(nèi)內(nèi)力內(nèi)力——構(gòu)件中中一部分和和其相鄰部部分的相互互作用力內(nèi)力是分布布在截面上上的內(nèi)力是成對(duì)對(duì)出現(xiàn)的截面法求內(nèi)內(nèi)力：顯示和確定定內(nèi)力的方方法是截面面法。截面法的依依據(jù)是“一個(gè)處處于平衡狀狀態(tài)的物體體其各部分分也應(yīng)保持持平衡”。。例：有一直桿桿，一端固固定，一端端自由。在在自由端位位于xOy平面內(nèi)作用用有集中力力、和力偶偶，現(xiàn)欲求求截面上的的內(nèi)力ymmp1Mep2xa0IIImmp1Mep2x01MNyQI將桿分成、、兩部部分。先取取部分分來研究根據(jù)平面力力系的平衡衡條件若取部部分研究究，應(yīng)先由由整體的平平衡方程求求出固定端端的支反力力，然后可可由部部分的平平衡條件求求得截面上上的內(nèi)力顯顯然然分分別別為作作用力力和反作用用力截面法求內(nèi)內(nèi)力的過程程可歸納如如下：（1）切開沿需求內(nèi)力力的截面，，將構(gòu)件假假想地截開開為兩部分分。（2）代替拋棄一部分分，留下一一部分，拋拋棄部分對(duì)對(duì)留下部分分的作用以以內(nèi)力來代代替。（3）平衡根據(jù)留下部部分的平衡衡條件，由由已知外力力求未知內(nèi)內(nèi)力。1.6應(yīng)應(yīng)力概念內(nèi)力在一