工程力學(xué)與材料力學(xué)

匯報(bào)人：AA2024-01-28工程力學(xué)與材料力學(xué)目錄contents工程力學(xué)概述材料力學(xué)基本概念桿件拉伸與壓縮變形分析彎曲變形分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)剪切、扭轉(zhuǎn)與組合變形分析工程實(shí)例與案例分析01工程力學(xué)概述工程力學(xué)定義與研究對(duì)象定義工程力學(xué)是研究物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程實(shí)際中應(yīng)用的科學(xué)，涉及力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等多學(xué)科知識(shí)。研究對(duì)象主要研究各種工程結(jié)構(gòu)在受到外力作用時(shí)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及振動(dòng)、疲勞、斷裂等問題。工程力學(xué)起源于古代建筑工程和軍事工程，經(jīng)歷了靜力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等發(fā)展階段，逐漸形成了現(xiàn)代工程力學(xué)的理論體系。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工程力學(xué)在數(shù)值計(jì)算、仿真模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面取得了顯著進(jìn)展，為工程實(shí)踐提供了更加精確和高效的理論支持。工程力學(xué)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀現(xiàn)狀發(fā)展歷史工程力學(xué)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工程、土木工程、水利工程、機(jī)械工程等領(lǐng)域，是工程設(shè)計(jì)和制造的重要基礎(chǔ)。應(yīng)用領(lǐng)域工程力學(xué)對(duì)于提高工程結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性具有重要意義，同時(shí)也有助于推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步。意義工程力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域及意義02材料力學(xué)基本概念材料力學(xué)的定義研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定和導(dǎo)致各種材料破壞的極限。研究對(duì)象固體材料，主要探討材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間相互作用的微觀機(jī)制以及在各種外力作用下材料宏觀的外在表現(xiàn)。材料力學(xué)定義與研究對(duì)象VS包括物理性質(zhì)（如密度、比熱容、熱導(dǎo)率等）和力學(xué)性質(zhì)（如彈性、塑性、韌性等）。材料分類根據(jù)材料的力學(xué)行為可分為彈性材料、塑性材料、粘彈性材料、復(fù)合材料等。材料性質(zhì)材料性質(zhì)及其分類應(yīng)力單位面積上的內(nèi)力，表示材料內(nèi)部各部分之間的相互作用力。應(yīng)變描述材料在外力作用下形狀和尺寸的變化程度，分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變。胡克定律在彈性限度內(nèi)，固體材料的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即σ=Eε，其中σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變，E為彈性模量。應(yīng)力、應(yīng)變與胡克定律03桿件拉伸與壓縮變形分析桿件在拉伸外力作用下，長(zhǎng)度增加，截面面積減小，同時(shí)伴隨著橫向收縮。變形特點(diǎn)拉伸應(yīng)力等于拉伸外力與桿件原始截面積的比值，計(jì)算公式為σ=F/A0，其中σ為拉伸應(yīng)力，F(xiàn)為拉伸外力，A0為桿件原始截面積。應(yīng)力計(jì)算拉伸變形特點(diǎn)及應(yīng)力計(jì)算桿件在壓縮外力作用下，長(zhǎng)度縮短，截面面積增大，同時(shí)伴隨著橫向膨脹。壓縮應(yīng)力等于壓縮外力與桿件原始截面積的比值，計(jì)算公式與拉伸應(yīng)力相同，即σ=F/A0，其中σ為壓縮應(yīng)力。變形特點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算壓縮變形特點(diǎn)及應(yīng)力計(jì)算彈性階段在拉伸或壓縮初期，材料發(fā)生彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，符合胡克定律。強(qiáng)化階段經(jīng)過屈服階段后，材料繼續(xù)發(fā)生塑性變形，但應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加，此階段稱為強(qiáng)化階段。強(qiáng)化階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率逐漸減小。頸縮與斷裂階段在拉伸過程中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)在局部區(qū)域發(fā)生頸縮現(xiàn)象，并最終導(dǎo)致斷裂。在壓縮過程中，材料則可能因達(dá)到其抗壓強(qiáng)度而發(fā)生破裂或失穩(wěn)現(xiàn)象。屈服階段當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，材料開始發(fā)生塑性變形，應(yīng)力不再增加，而應(yīng)變繼續(xù)增大，此階段稱為屈服階段。對(duì)于不同材料，屈服點(diǎn)的表現(xiàn)形式不同。拉伸與壓縮時(shí)材料性能變化規(guī)律04彎曲變形分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)彎曲變形特點(diǎn)及應(yīng)力計(jì)算當(dāng)外力作用于梁上時(shí)，梁會(huì)發(fā)生彎曲變形，表現(xiàn)為軸線由直線變?yōu)榍€，同時(shí)伴隨著橫截面的轉(zhuǎn)動(dòng)。彎曲變形特點(diǎn)在彎曲變形中，梁橫截面上既有正應(yīng)力也有切應(yīng)力。正應(yīng)力的大小與彎矩和截面模量有關(guān)，而切應(yīng)力的大小與剪力和截面面積有關(guān)。通過截面法可以求解出梁橫截面上的應(yīng)力分布。應(yīng)力計(jì)算中性軸在梁彎曲時(shí)，存在一個(gè)中性軸，該軸線上各點(diǎn)的正應(yīng)力為零。中性軸的位置與截面的形狀和大小有關(guān)。要點(diǎn)一要點(diǎn)二正應(yīng)力分布對(duì)于等截面直梁，在純彎曲情況下，正應(yīng)力沿橫截面高度呈線性分布，中性軸處為零，上下邊緣處最大。對(duì)于非等截面梁或復(fù)雜受力情況，正應(yīng)力分布可能呈現(xiàn)非線性。梁彎曲時(shí)正應(yīng)力分布規(guī)律選擇合理的截面形狀和尺寸通過增加截面高度或改變截面形狀（如采用工字形、箱形等），可以提高梁的抗彎剛度，從而減小彎曲變形和應(yīng)力。采用高強(qiáng)度材料可以提高梁的承載能力，減小彎曲變形和應(yīng)力。同時(shí)，還可以通過熱處理、合金化等工藝措施進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能。合理的支承條件可以減小梁的撓度和轉(zhuǎn)角，從而降低彎曲應(yīng)力。例如，增加支承點(diǎn)的數(shù)量、采用彈性支承或滾動(dòng)支承等。通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可以在梁內(nèi)產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，從而抵消部分或全部外載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，提高梁的承載能力和抗裂性能。采用高強(qiáng)度材料優(yōu)化梁的支承條件考慮梁的預(yù)應(yīng)力提高梁彎曲強(qiáng)度措施05剪切、扭轉(zhuǎn)與組合變形分析剪切變形特點(diǎn)受剪構(gòu)件在剪切力作用下，其變形特點(diǎn)是截面沿剪切力方向發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，而構(gòu)件的橫截面形狀和大小基本保持不變。剪切強(qiáng)度條件為保證構(gòu)件在剪切時(shí)不發(fā)生破壞，必須滿足剪切強(qiáng)度條件，即τmax≤[τ]。其中，τmax為構(gòu)件內(nèi)的最大剪切應(yīng)力，[τ]為材料的許用剪切應(yīng)力。剪切變形特點(diǎn)及應(yīng)力計(jì)算扭轉(zhuǎn)變形特點(diǎn)受扭構(gòu)件在扭矩作用下，其變形特點(diǎn)是構(gòu)件的任意兩個(gè)橫截面繞軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而構(gòu)件的橫截面形狀和大小基本保持不變。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為保證構(gòu)件在扭轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生破壞，必須滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件，即ρmax≤[ρ]。其中，ρmax為構(gòu)件內(nèi)的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，[ρ]為材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)變形特點(diǎn)及應(yīng)力計(jì)算組合變形特點(diǎn)在實(shí)際工程中，許多構(gòu)件往往同時(shí)承受多種基本變形的作用，這種由兩種或兩種以上的基本變形組合而成的變形稱為組合變形。組合變形的分析方法對(duì)于組合變形的分析，一般采用疊加原理進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。即先分別求出各種基本變形單獨(dú)作用時(shí)引起的內(nèi)力和變形，然后將它們疊加起來得到組合變形時(shí)的內(nèi)力和變形。組合變形的強(qiáng)度設(shè)計(jì)在進(jìn)行組合變形的強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮各種基本變形對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的影響。一般采用第三強(qiáng)度理論或第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核和設(shè)計(jì)。同時(shí)，還需要考慮材料的疲勞性能、環(huán)境腐蝕等因素的影響。組合變形分析及強(qiáng)度設(shè)計(jì)06工程實(shí)例與案例分析高層建筑01在高層建筑的設(shè)計(jì)中，工程力學(xué)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，以確保建筑的穩(wěn)定性和安全性。例如，利用力學(xué)原理對(duì)建筑的承重結(jié)構(gòu)、抗震性能等進(jìn)行精確計(jì)算和設(shè)計(jì)。大跨度橋梁02大跨度橋梁的建設(shè)需要充分考慮風(fēng)載、車輛載荷、溫度變化等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。工程力學(xué)在這些方面發(fā)揮著重要作用，通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力分析和優(yōu)化，確保其承載能力和穩(wěn)定性。地下工程03在地下工程的建設(shè)中，如地鐵、隧道等，工程力學(xué)被用于分析土體和巖體的穩(wěn)定性、變形特性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過合理的力學(xué)分析和設(shè)計(jì)，可以確保地下工程的安全和穩(wěn)定。建筑結(jié)構(gòu)中工程力學(xué)應(yīng)用實(shí)例金屬材料在機(jī)械制造中，金屬材料的應(yīng)用非常廣泛。材料力學(xué)可以幫助工程師了解金屬材料的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、韌性、硬度等，從而進(jìn)行合理的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。非金屬材料除了金屬材料外，非金屬材料如塑料、橡膠、陶瓷等也在機(jī)械制造中得到應(yīng)用。材料力學(xué)可以幫助分析這些材料的力學(xué)特性和變形行為，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或多種不同性質(zhì)的材料組成，具有優(yōu)異的綜合性能。在機(jī)械制造中，復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。材料力學(xué)可以幫助分析復(fù)合材料的力學(xué)性能和失效機(jī)制，為復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。機(jī)械制造中材料力學(xué)應(yīng)用實(shí)例要點(diǎn)三飛機(jī)結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，工程力學(xué)被廣泛應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等部件的受力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過精確的力學(xué)計(jì)算和設(shè)計(jì)，可以確保飛機(jī)在飛行過程中的穩(wěn)定性和安全性。要點(diǎn)一要點(diǎn)二火箭與導(dǎo)彈火箭和導(dǎo)彈的發(fā)射和飛行過程中，需要承受極大的推力和空氣動(dòng)力載荷。工程力