工程力學(xué)北京科技大學(xué)版材料力學(xué)部分.ppt
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工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),1,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),教材:北京科技大學(xué)東北大學(xué)編2002.9.第二版,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),2,第2篇材料力學(xué)MechanicsofMaterials,引言靜力學(xué)將物體抽象為剛體,根據(jù)構(gòu)件的整體平衡條件討論了構(gòu)件所受的外力,求外力的方法是:分,去,代,平.材料力學(xué)研究構(gòu)件在外力作用下的強(qiáng)度,剛度和穩(wěn)定性問題.必須揚(yáng)棄剛體的假設(shè),采用變形體假設(shè).但為了簡(jiǎn)化,大多數(shù)平衡問題中,仍按初始尺寸列平衡方程,忽略微小變形的影響.基本假設(shè):假設(shè)材料是均勻,連續(xù)和各向同性的.桿件的基本變形有:軸向拉壓,剪切,扭轉(zhuǎn)與彎曲.見P.4組合變形:疊加基本變形的結(jié)果.,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),3,第一章軸向拉伸與壓縮AxialTensionandCompression,1-1實(shí)例與問題的抽象:受拉之桿曰桿。如活塞桿、連桿、柱等。其受力簡(jiǎn)圖為:特點(diǎn):外力合力通過截面形心,與軸線重合,截面形狀任意.變形:為沿軸線的伸長(zhǎng)或縮短.研究方法:外力–內(nèi)力–應(yīng)力.本章雖最簡(jiǎn)單,但卻包括材料力學(xué)的一般方法,不能輕視.任何事物都同時(shí)具有特殊性(如蘋果)和一般性(如水果).通過學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的特殊問題,了解和掌握一般方法,然后再用于新的特殊問題.這就是:特殊?一般?特殊的認(rèn)識(shí)方法.學(xué)一點(diǎn)哲學(xué),大有好處.,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),4,1.內(nèi)力:由于外力的作用引起的構(gòu)件各部分之間的附加內(nèi)力.2.截面法MethodofSections:以特殊的例題說明求內(nèi)力的一般方法.(1)切假想切開(一刀兩斷);(2)去去掉一半(原則上哪一半均可);(3)代代以內(nèi)力(最好代以正內(nèi)力).內(nèi)力的符號(hào):拉伸為正;壓縮為負(fù);(有其明確的物理意義.)(4)平平衡求解.,1-2軸向拉壓時(shí)的內(nèi)力Internalforce,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),5,采用國際單位制,,,力:牛頓N,1N=1Kg?m/s2(F=ma)應(yīng)力:帕Pa,1Pa=1N/m2兆帕Mpa1Mpa=106Pa=1N/mm2吉帕Gpa1Gpa=109Pa例1-1P10.先由整體平衡求支反力R,再求內(nèi)力.作內(nèi)力圖,找危險(xiǎn)截面.第一章習(xí)題P55:1-1d,e(內(nèi)力).,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),6,1-3橫截面上的應(yīng)力Stress,拉壓桿橫截面上的正應(yīng)力通過求拉壓時(shí)橫截面上的應(yīng)力,來說明材料力學(xué)中求應(yīng)力的一般方法。(1)實(shí)驗(yàn)觀察1)橫線仍為橫線,但是分開一個(gè)距離.縱線仍為縱線,但是縮小一個(gè)距離.2)直角仍為直角.(2)推理假設(shè)1)平面假設(shè)assumptionofplane-section.2)單向受力假設(shè)assumptionofuniaxialstressstate.,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),7,(3)分析計(jì)算1)平衡方程equationofequilibrium2)變形諧調(diào)條件conditionofcompatibility?=常數(shù).3)物理關(guān)系constitutiverelation:Hookeslaw?=E?=常數(shù).聯(lián)解得(1-1)(4)實(shí)驗(yàn)證明圣維難原理St.VenantsPrinciple:在遠(yuǎn)離(一個(gè)特性常數(shù))加力處的應(yīng)力分布,只與加力的合力有關(guān),而與加力方式無關(guān).例1-3.P13.重點(diǎn):先求內(nèi)力,再求應(yīng)力.注意作題的表達(dá)方法.寫清依據(jù)、坐標(biāo)、公式(先用文字,代入數(shù)字并注意單位,寫出結(jié)果).,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),8,1-4軸向拉壓時(shí)的變形Deformations,縱向變形,虎克定律(1-2)正應(yīng)變,應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系(1-3)或(1-4)橫向應(yīng)變(1-5)泊松比Poission’sradio:(1-6)常用材料的E,?的值見表1-1(P18)。第一章習(xí)題P57:1-4;1-7;1-8.,,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),9,1-5材料在拉壓時(shí)的力學(xué)性能Mechanicalpropertiesofmaterialsintensionandcompression,材料的力學(xué)性能只能通過實(shí)驗(yàn)求得.通常是在常溫isothermal、準(zhǔn)靜載荷quasi-staticloading的條件下測(cè)定的.兩類典型材料:塑性材料plasticmaterials,以低碳鋼為代表.脆性材料brittlematerials,以鑄鐵為代表.兩種實(shí)驗(yàn):拉伸實(shí)驗(yàn)和壓縮實(shí)驗(yàn).材料拉伸時(shí)的機(jī)械性能試件specimen:依l/d有五倍試件和十倍試件兩種.l為標(biāo)距gaugelength.,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),10,1、低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)用拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。注意實(shí)驗(yàn)機(jī)的加載結(jié)構(gòu)。,1.加載實(shí)驗(yàn)?=P/A?=?l/l比例階段:當(dāng)???p材料服從Hook’slaw,比例極限?pproportionallimit屈服階段:屈服現(xiàn)象,滑移線屈服極限?syieldingpoint強(qiáng)化階段:強(qiáng)化現(xiàn)象.強(qiáng)度極限?bultimatestrength頸縮階段:頸縮現(xiàn)象.延伸率?=[(l1–l)/l]?100%(1-7)斷面收縮率?=[(A–A1)/A]?100%(1-8)2.加載-卸載實(shí)驗(yàn)卸載定律:卸載過程中應(yīng)力和應(yīng)變按直線變化彈性階段:彈性現(xiàn)象,彈性極限?eelasticlimit3.加載-卸載-重新加載實(shí)驗(yàn)冷作硬化現(xiàn)象PhenomenonofCold-working:試件加載超過屈服極限,卸載后重新加載引起比例極限增加和殘余變形減少的現(xiàn)象.,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),11,2、其他材料的拉伸實(shí)驗(yàn),其他塑性材料P25,P26對(duì)沒有明顯屈服極限的塑性材料,可以用產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為屈服指標(biāo),并用?p0.2來表示.鑄鐵和玻璃鋼P(yáng)27只有一個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)?b.并用割線的斜率作為彈性模量.表1-2,表1-3常用金屬材料力學(xué)性能。,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),12,3、材料壓縮時(shí)的力學(xué)性能Mechanicalpropertiesofmaterialsincompression,試件:金屬:圓柱體l/d=1.5~3.混凝土及石料:立方體塊.1、低碳鋼屈服極限?s與彈性模量E與拉伸大致相同.試件被壓成圓餅.2、鑄鐵只有一個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)?b.?b壓=2~5?b拉.主要用于受壓.破壞斷面的法線與軸線成45?~55?的傾角.,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),13,1-6軸向拉壓時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算Strengthdesign,1、安全系數(shù)與許用應(yīng)力兩種強(qiáng)度失效:斷裂出現(xiàn)塑性變形極限應(yīng)力?0:對(duì)于塑性材料為?s.對(duì)于脆性材料為?b.許用應(yīng)力allowablestress[?]=?0/n(1-9)安全系數(shù)Factorofsaftyn:計(jì)入各種不準(zhǔn)確性的保險(xiǎn)系數(shù),有規(guī)范.(1)材料的好壞.(2)載荷的估計(jì).(3)簡(jiǎn)化及計(jì)算精度.(4)桿件的重要性.(5)減輕自重的要求.,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),14,2、強(qiáng)度條件strengthcondition,(1-10)三種用途:強(qiáng)度校核(見例1-5)P36截面設(shè)計(jì)(見例1-6)P37確定許可載荷(見例1-7)P38,,,,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),15,1-7拉壓靜不定問題*Staticallyindeterminateproblemsintensionandcompression1、靜不定問題:僅僅依靠靜力學(xué)平衡方程不能確定的問題.未知數(shù)的個(gè)數(shù)-獨(dú)立平衡方程的個(gè)數(shù)=靜不定次數(shù).,2、基本解法:以例說明.(1)平衡方程equilibriumequation(2)諧調(diào)方程compatibilitycondition(3)物理關(guān)系constitutiveequation聯(lián)解得:例1-8(P43),,,,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),16,3、溫度應(yīng)力和裝配應(yīng)力Thermalstressesandassemblystresses,一、溫度應(yīng)力平衡方程諧調(diào)條件物理方程聯(lián)解得:二、裝配應(yīng)力,,,,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),17,1-8應(yīng)力集中的概念Concentrationofstress,構(gòu)件形狀發(fā)生突然變化時(shí),將出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.理論應(yīng)力集中系數(shù)Theoreticalfactorofstressconcentration:害處:塑性材料在靜載荷作用下影響不大.而脆性材料在靜載荷作用下或塑性材料在動(dòng)載荷作用下,對(duì)應(yīng)力集中特別敏感,將加速斷裂.如第二次世界大戰(zhàn)時(shí)英國彗星號(hào)飛機(jī)的失事.警言:Roundyourcorners!利用:劃玻璃.減少應(yīng)力集中的方法:加大圓角半徑;防止形狀或剛度突然變化.如肥皂盒的裂紋可用大頭針在裂紋尖端鉆孔止裂.,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),18,1-9變形能的概念Strainenergy,能量守恒定律:積蓄在彈性體內(nèi)的變形能U在數(shù)值上等于外力所作的功W,U=W(1-13)U=(1/2)P?l=(1/2)N?l(1-14)=Nl/(2EA)(1-15)比能:u=U/Al=(1/2)??(1-16),例1-10:能量法求變形。P51.第一章習(xí)題P59:1-13;1-15;1-18。,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),19,第二章剪切Shear,2-1引言IntroductionP632-2剪切的實(shí)用計(jì)算1、剪切強(qiáng)度Shearingstrength實(shí)例:剪切鋼板;鍵連接keyedjoints;焊接weldedconnections;鉚釘或螺釘連接rivetedorboltedconnections.內(nèi)力為剪力:Q剪應(yīng)力shearingstress:強(qiáng)度條件:假定計(jì)算方法:以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。它實(shí)質(zhì)上是在比載荷。解題關(guān)鍵:找到剪切面,要會(huì)求剪力Q及受剪面積A.,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),20,2、擠壓強(qiáng)度bearingstrength,擠壓應(yīng)力bearingstress:強(qiáng)度條件:許用擠壓應(yīng)力.是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的假定計(jì)算方法.實(shí)質(zhì)上是也比載荷.解題關(guān)鍵找:擠壓力P和擠壓面積Abs:平面接觸即為接觸面積;圓柱接觸為投影面積td.例2-1(P68)校核鍵連接的強(qiáng)度(剪切和擠壓)。例2-2(P70)校核銷軸連接的強(qiáng)度(剪切和擠壓)。第二章習(xí)題P74:2-3;2-4(剪切和擠壓),,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),21,第三章扭轉(zhuǎn)Torsion,3-1引言Introduction受扭之桿曰軸.如方向盤軸、傳動(dòng)軸、車床的光桿、機(jī)床主軸.研究步驟:外力?內(nèi)力?應(yīng)力.主要研究圓軸扭轉(zhuǎn).3-2扭矩時(shí)的內(nèi)力Internaltorque1外力偶矩mExternaltorque已知:軸的傳遞功率為PkkW(千瓦)及軸的轉(zhuǎn)速為nr/min(revolutionsperminute),求外力偶矩m.因?yàn)槊棵胱鞴椋?3-1),,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),22,2扭矩T及扭矩圖,T的符號(hào):按右手螺旋法則用矢量表示T時(shí),當(dāng)矢量與截面外向法線方向n相同時(shí)為正.截面法:作扭矩圖,見圖3-6(P82).目的在于找危險(xiǎn)截面.用截面法求得:T1=mA=3000N?mT2=mA–mB=1200N?m,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),23,3-3圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的應(yīng)力Shearingstressesinashaftsubjectedtotorque,(1)實(shí)驗(yàn)觀察1)圓仍圓,但是轉(zhuǎn)一個(gè)角度,且大小和距離都不變.小變形情況下,縱線仍為縱線,但是傾斜一個(gè)角度.半徑仍為直線.2)方格變成菱形.應(yīng)力狀態(tài):純剪切剪應(yīng)力互等定理Mutuallyequaltheoryofshearingstress:過一點(diǎn)互相垂直面上的剪應(yīng)力必然成對(duì)存在,且其數(shù)值相等.方向?yàn)?箭頭對(duì)箭頭,箭尾對(duì)箭腳.(3-2)符號(hào):?對(duì)單元體內(nèi)任一點(diǎn)取矩按右手螺旋法則旋進(jìn)方向?yàn)檎?(2)推理假設(shè):平面假設(shè)assumptionofplane-section.,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),24,(3)計(jì)算分析,1)平衡方程equationofequilibrium(a)2)變形諧調(diào)條件conditionofcompatibility橫截面上只有剪應(yīng)力.依平面假設(shè),有(b)3)物理關(guān)系constitutiverelation:剪切虎克定律Hooke’slawforshear:(3-3)G為切變模量modulusofelasticityinshear,鋼材G?80Gpa;E?200Gpa.各向同性材料只有兩個(gè)獨(dú)立彈性常數(shù).可以證明:(3-4)從而(c)以(c)代入(a)得(3-5)式中Ip?polarmomentofinertiaofacross-sectionalarea.(3-6),,,,,,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),25,以(3-5)代入(c)得(3-7)Torsionformula由法國工程師Coulomb1775年在搞電器設(shè)備時(shí)推導(dǎo)出.最大剪應(yīng)力:剪應(yīng)力按直線分布,最大剪應(yīng)力為Wt?抗扭截面模量torsionalsectionmodulus.實(shí)用范圍:圓軸;外力偶矩垂直于軸線.(4)實(shí)驗(yàn)證明圣維難原理St.VenantsPrinciple:在遠(yuǎn)離(一個(gè)特性常數(shù))加力處的應(yīng)力分布,只與加力的合力有關(guān),而與加力方式無關(guān).Ip的計(jì)算:圓軸(3-8)(3-9),,,,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),26,3-4圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度和剛度計(jì)算,1.強(qiáng)度計(jì)算calculationsofstrength強(qiáng)度條件(3-10)2.剛度計(jì)算calculationsofstiffness(3-11)當(dāng)各段扭矩不同時(shí)(3-12)單位長(zhǎng)度的扭轉(zhuǎn)角angleoftwistperunitlength,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),27,剛度條件conditionofstiffness:(3-13)GIp?扭轉(zhuǎn)剛度torsionalrigidity例3-3(P96),強(qiáng)度計(jì)算例3-4(P97),強(qiáng)度設(shè)計(jì);校核剛度第三章習(xí)題P102:3-3b(內(nèi)力);3-7(強(qiáng)度和剛度).,,,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),28,拉壓與扭轉(zhuǎn)公式的比較注意它們的共性與特性。,,,,,工程力學(xué)材料力學(xué)部分(一),29,第四章彎曲內(nèi)力,4-1工程中的彎曲問題Bendingproblemsinengineering受彎之桿曰梁.例:大梁、車輛軸、鏜刀桿等.P106.研究步驟:外力??內(nèi)力?應(yīng)力.暫時(shí)限于:1.梁有一個(gè)對(duì)稱面或橫截面有一個(gè)對(duì)稱軸.2.所有外力都作用于對(duì)稱面內(nèi).平面彎曲Planarbending所有外力都作用于同一平面內(nèi),梁彎曲后的軸線為平面曲線,且該平面曲線所在的平面與外力所在的平面重合.,- 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