哈工程力學基礎第1章

材料力學哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院第一章緒論1.1資料力學的義務1.2構件強度、剛度、穩(wěn)定性概念1.3資料的根本假設1.4小變形限制條件1.5內力1.6應力1.7位移、變形和應變1.8構件根本變形方式力學與數(shù)學、物理、化學、天文、地理、生物并列為七大根底學科。力學課程應該是工程類專業(yè)學生的必修課。力學的開展源遠流長。20世紀前，機械工業(yè)、大水利工程、大跨度橋梁、鐵路與機車、船舶、兵器等近代工業(yè)，無一不是在力學知識積累和完善的根底上產生與開展起來的。例如，高新技術領域中的航空航天技術(包括人類登月、建立空間站、航天飛機和衛(wèi)星測控)主要靠力學而開展。一架載客400人的波音747飛機，其質量超越100t，這樣的龐然大物，竟然可以自在翱翔于空中，是得益于近代空氣動力學的成就；在飛機遇到不穩(wěn)定氣流時，其機翼可以抑制上下顫抖，確保航行平安，那么是固膂力學和構造力學的成就；客機跨海越洋，遙遙數(shù)萬里，無論晝夜，都能準確無誤地到達終點，既不會延誤，也不會迷路，更不會失控，這是導航與自動控制技術的奉獻，其最中心的技術卻是普通力學研討的成果。1.1資料力學的義務資料力學課程重在建立學生對工程設計中強度、剛度、穩(wěn)定性問題明確的根本概念，掌握必要的根底知識，培育比較熟練的計算才干和初步的實驗分析才干。1.2構件強度、剛度、穩(wěn)定性概念1.強度要求要求構件受載時不發(fā)生斷裂或產生永久變形。2.剛度要求構件在外載的作用下，發(fā)生的彈性變形不能超越允許值。3.穩(wěn)定性要求要求構件在任務情況下，其平衡是穩(wěn)定的。構件滿足強度、剛度、穩(wěn)定性要求的才干，稱為構件的承載才干。震驚世界的兩次強度失效事故：1．“泰坦尼克號〞沉沒之謎1912年4月14日，當時最大最奢華的4600t英制游輪“泰坦尼克號〞初次滿載著2227名乘客分開英國的南安普敦港駛向紐約。乘客們都以為本人乘坐的是最奢華、最結實的輪船，做夢也不曾想到會有大禍臨頭。由于該船的底部已被隔成各個獨立的艙房，任一艙房受損進水都不會影響別的艙房。即使在最壞的情況下，如與別的船相撞導致一部分艙房進水，整個“泰坦尼克號〞沉沒至少也需求3天時間，在那么長的時間內無論如何也能得到救援。因此，這次處女航幾乎可以說是萬無一失的，更何況造船用的是當時最優(yōu)質的鋼材。然而，令人遺憾的是，“泰坦尼克號〞未能逃脫世界航海史上最大海難事故的命運。被稱為“不沉之船〞的“泰坦尼克號〞連同它的1513位乘客，僅在3小時內就被格陵蘭海冰冷的海水淹沒了。這艘偌大的游輪終究為什么會沉于海底呢?由于技術上的緣由，直至1991年，第一次科學調查隊才開場到水下對殘骸進展調查，并搜集了殘骸的金屬碎片供科研用。這些碎片以及沉船在海底的情況使人們終于解開了巨輪“泰坦尼克號〞罹難之謎。調查隊員們發(fā)現(xiàn)了導致“泰坦尼克號〞沉沒的兩個重要細節(jié)。一個細節(jié)闡明，造船工程師們只思索到船底、船尾或船首有被撞壞的能夠性。在深夜里行進的“泰坦尼克號〞遭遇冰山，當人們發(fā)現(xiàn)并想躲避卻為時已晚。假設值班人員沒有發(fā)現(xiàn)冰山，輪船直接撞到冰山上去的話，或許游輪受損傷進水的只是船首部分的艙房，船一定不會整個沉沒。但不幸的是，值班員偏偏發(fā)現(xiàn)了冰山，并且懷著僥幸的心思想讓船轉過身來躲避冰山，這樣一來，冰山就像一把利刃似的從船的側面切入，把船攔腰斬斷。這樣，就不是一兩個艙房進水，而是一切的艙房都進了水。結果“泰坦尼克號〞在幾個小時內就覆沒于大海之中了。第二個細節(jié)是造船工程師只思索到要添加鋼的強度，而沒有想到要添加其韌性。把殘骸的金屬碎片與如今的造船鋼材作一對比實驗，發(fā)如今“泰坦尼克號〞沉沒地點的水溫中，如今的造船鋼材在遭到撞擊時可彎成V形，而殘骸上的鋼材那么因韌性不夠而很快斷裂。由此發(fā)現(xiàn)了鋼材的冷脆性，即在-40℃～O℃的溫度下，鋼材的力學行為由韌性變成脆性，從而導致災難性的脆性斷裂。而用現(xiàn)代技術煉的鋼只需在－70℃～－60℃的溫度下才會變脆。不過不能責怪當時的工程師，由于當時誰也不知道，為了添加鋼的強度而往煉鋼原料中添加大量硫化物會大大添加鋼的脆性，以致釀成了“泰坦尼克號〞沉沒的悲劇。

另據(jù)美國<紐約時報>報導，一個海洋法醫(yī)專家小組對打撈起來的“泰坦尼克號〞船殼上的鉚釘進展了分析，發(fā)現(xiàn)固定船殼鋼板的鉚釘里含有異常多的玻璃狀渣粒，因此使鉚釘變得非常脆弱、容易斷裂。這一分析闡明：在冰山的撞擊下，能夠是鉚釘斷裂導致船殼解體，最終使“泰坦尼克號〞葬身于大西洋海底。2．切爾諾貝利核電站為什么發(fā)生大爆炸?切爾諾貝利核電站是前蘇聯(lián)于1973年開場建筑、1977年啟動的最大的核電站。1986年4月26日凌晨，兩聲沉悶的爆炸聲突破了核電站周圍的安靜。隨著爆炸聲，一條30多米高的火柱掀開反響堆的外殼，沖向天空。反響堆的防護構造和各種設備整個被掀起，溫度高達2000℃的烈焰吞噬著機房，熔化了粗大的鋼架。攜帶著高放射性物質的水蒸氣和塵埃隨著濃煙升騰彌漫，這次爆炸呵斥了災難性的后果。爆炸釋放的能量相當于500顆在廣島投放的原子彈。爆炸破壞了核反響堆，使反響堆內180多噸濃縮鈾燃料的3％被釋放到大氣中，放射性污染普及前蘇聯(lián)居住著694.5萬人的15萬平方公里的地域，核電站周圍30km范圍被劃為隔離區(qū)，莊稼被全部掩埋。那么，終究是什么緣由釀成了這場災難?事后的調查闡明，這是由一系列的操作失誤呵斥的人為事故。剛完成檢修的第四核反響堆重新啟動時，將產生的蒸汽輸向曾經封鎖的渦輪機，而可以關掉反響堆的自動維護安裝卻事先被切斷了。這樣，反響堆不斷任務產生蒸汽，卻沒有宣泄的出口。反響堆外殼所接受的蒸汽壓力和溫度遠遠超出了它的設計要求，最終引發(fā)了熱能爆炸。然而，對于人類來說，這次爆炸依然是“僥幸〞的。由于它僅僅是一次過熱的蒸汽爆炸，而非核爆炸。否那么這對于人類是絕對的滅頂之災。這次大爆炸也向人類敲響了警鐘：如何杜絕災難性事故的發(fā)生，如何在惡劣的環(huán)境條件下，遏制更大災難的發(fā)生，這也是對力學任務者提出的新的挑戰(zhàn)性課題。1999年1月4日，我國某市的一座大橋發(fā)生垮塌，呵斥：40人死亡；14人受傷；直接經濟損失631萬元。法庭以外的問題－力學素質的重要性－從簡單力學問題到高等力學問題。簡單力學問題－隊伍過橋時不能齊步走高等力學問題－沖擊載荷的概念：人跑步時腳上的力量有多大？損傷累積與構造壽命與跑步的次數(shù)有關腳上的力量假設人體分量為750N3000N3500N4500N6000N12500N44.76816.7高等力學問題－損傷累積與構造壽命與跑步的次數(shù)有關構件的根本方式1、桿件長度〔縱向〕比其他兩個方向的尺寸大很多的構件稱為桿件。2、塊件各方向尺寸相差不多的構件稱為塊件。桿(bar)體(body)構件的根本方式板(plate)殼(shell)3板件厚度比其他兩個方向尺寸小得多的構件稱為板件。假設中面是平面的構件稱為板。而中面是曲面的話那么稱為殼。1.3資料力學中的根本假設1.關于資料性質得假定延續(xù)性假設均勻性假設各向同性假設1.4小變形限制條件變形固體在載荷作用下可發(fā)生兩種不同性質的變形：一.彈性變形二.是塑性變形資料力學是在彈性范圍內研討構件的承載才干。討論由均勻、延續(xù)、各向同性資料制成的桿件，受載后變形為微小的彈性變形情況！資料力學和實際力學研討對象的區(qū)別實際力學研討對象視為剛體力學模型理想化的力學模型主要研討力的運動效應資料力學研討對象視為變形體力學模型更接近于實踐主要研討力的變形效應實踐物體往往隨所研討問題的不同，有時看作剛體，有時看作變形體。

實際力學中某些定理在資料力學中的運用遭到嚴厲限制

加減平衡力系原理及其推理〔力的可傳性力系簡化的根底〕

力的平移定理

力偶等效定理(力偶矩相等的兩力偶等效)等,只適用于剛體，而不適用于變形體。1.5內力內力——構件中一部分和其相鄰部分的相互作用力內力是分布在截面上的內力是成對出現(xiàn)的截面法求內力：顯示和確定內力的方法是截面法。截面法的根據(jù)是“一個處于平衡形狀的物體其各部分也應堅持平衡〞。例：有不斷桿，一端固定，一端自在。在自在端位于xOy平面內作用有集中力、和力偶，現(xiàn)欲求截面上的內力ymmp1Mep2xa0IIImmp1Mep2x01MNyQI將桿分成、兩部分。先取部分來研討根據(jù)平面力系的平衡條件

假設取部分研討，應先由整體的平衡方程求出固定端的支反力，然后可由部分的平衡條件求得截面上的內力顯然分別為作用力和反作用力

截面法求內力的過程可歸納如下：〔1〕切開沿需求內力的截面，將構件假想地截開為兩部分?！?〕替代丟棄一部分，留下一部分，丟棄部分對留下部分的作用以內力來替代?！?〕平衡根據(jù)留下部分的平衡條件，由知外力求未知內力。1.6應力概念內力在一點處的集度稱為該點的應力。設作用在小面積上的內力為，那么在上的內力的平均集度為〔稱為平均應力〕CADPDCtsP當C點〔無限變小〕某一極限值我們稱為C點的全應力，其表達式為：應力的量綱為,單位常用是個矢量，為了研討的方便和需求，我們總是將它分解為垂直于截面和平行于截面的兩個分量。前者稱為正應力〔或法向應力〕，用表示。后者稱為剪應力〔或切向應力〕，用表示“應力〞與“壓強〞的區(qū)別“應力〞雖與“壓強〞量綱一樣，但兩者的物理意義不同。定義不同：應力——內力壓強——外力作用方式不同：應力——可分解，存在于受力物體內部恣意一點壓強——作用于物體外表且垂至于作用面，常呈均勻分布或線性分布1.7位移、變形和應變線位移角位移{PqAuv二、變形與應變線應變—