第一章 绪论
第一节 材料力学的任务
1、组成机械与结构的各组成部分,统称为构件。
2、保证构件正常或安全工作的基本要求:a)强度,即抵抗破坏的能力;b)刚度,即抵抗变形的能力;c)稳定性,即保持原有平衡状态的能力。
3、材料力学的任务:研究构件在外力作用下的变形与破坏的规律,为合理设计构件提供强度、刚度和稳定性分析的基本理论与计算方法。
第二节 材料力学的基本假设
1、连续性假设:材料无空隙地充满整个构件。 2、均匀性假设:构件内每一处的力学性能都相同
3、各向同性假设:构件某一处材料沿各个方向的力学性能相同。木材是各向异性材料。
第三节 内力
1、内力:构件内部各部分之间因受力后变形而引起的相互作用力。 2、截面法:用假想的截面把构件分成两部分,以显示并确定内力的方法。
3、截面法求内力的步骤:①用假想截面将杆件切开,一分为二;②取一部分,得到分离体;③对分离体建立平衡方程,求得内力。
4、内力的分类:轴力FN;剪力FS;扭矩T;弯矩M
第四节 应力
1、一点的应力: 一点处内力的集(中程)度。
全应力p?lim?F;正应力σ;切应力τ;p??2??2 ?A?0?A2、应力单位:Pa (1Pa=1N/m2,1MPa=1×106 Pa,1GPa=1×109 Pa)
第五节 变形与应变
1、变形:构件尺寸与形状的变化称为变形。除特别声明的以外,材料力学所研究的对象均为变形体。
2、弹性变形:外力解除后能消失的变形成为弹性变形。
3、塑性变形:外力解除后不能消失的变形,称为塑性变形或残余变形。
4、小变形条件:材料力学研究的问题限于小变形的情况,其变形和位移远小于构件的最小尺寸。对构件进行受力分析时可忽略其变形。
5、线应变:???l。线应变是无量纲量,在同一点不同方向线应变一般不同。
l1
6、切应变:??tan?。切应变为无量纲量,切应变单位为rad。
第六节 杆件变形的基本形式
1、材料力学的研究对象:等截面直杆。
2、杆件变形的基本形式:拉伸(压缩)、扭转、弯曲
第二章 拉伸、压缩与剪切
第一节 轴向拉伸(压缩)的特点
1、受力特点:外力合力的作用线与杆件轴线重合。 2、变形特点:沿杆件的轴线伸长和缩短。
第二节 拉压杆的内力和应力
1、内力:拉压时杆横截面上的为轴力 FN。 2、轴力正负号规定:拉为正、压为负。
3、轴力图三个要求:上下对齐,标出大小,标出正负。
F4、横截面上应力:应力在横截面上均匀分布 ? N ?A
第三节 材料拉伸和压缩时的力学性能 1、低碳钢拉伸时的应力–应变曲线:(见图)
低碳钢拉伸应力-应变曲线
2、低碳钢拉伸时经过的四个阶段:弹性阶段,屈服阶段,强化阶段,局部变形阶段。 3、胡克定律:应力小于比例极限?p时,应力与应变成正比,材料服从胡克定律: ??E?,E为(杨氏)弹性模量,是材料常数,单位与应力相同。钢的弹性模量E=210GPa。
4、低碳钢拉伸时四个强度指标:弹性极限?e;比例极限?p;屈服极限?s;强度极限?b。
2
5、低碳钢拉伸时两个塑性指标:伸长率:???l0A?A1断面收缩率???100%;?100%
lA
6、材料分类:? <5%为脆性材料,?≥ 5%为塑性材料。
7、卸载定律和冷作硬化:在卸载过程中,应力和应变按直线规律变化。预加塑性变形使材料的比例极限或弹性极限提高,但塑性变形和延伸率有所降低。
8、名义屈服极限?0.2:对于没有明显屈服阶段的材料,工程上常以卸载后产生残余应变为0.2%的应力作为屈服强度,称为名义屈服极限?0.2
9、材料压缩时的力学性能:塑性材料的拉压性能相同。脆性材料在压缩时的强度极限远高于拉伸强度极限,脆性材料抗拉性能差,抗压性能好。(如图)
第四节 失效、许用应力与强度条件
1、失效:塑性材料制成的构件出现塑性变形,脆性材料制成的构件出现断裂。 2、许用应力:[ ? ] ? u , [?]称为许用应力,构件工作时允许的最大应力值,其中n
n为安全因数,? u 为极限应力
3、极限应力? u :构件失效时的应力,塑性材料取屈服极限?s(或?0.2);脆性材料取强度极限?b(或?bc)。
低碳钢
铸铁
?F4、拉压时强度条件: ??N?[?]A5、强度计算:根据强度条件,可进行强度校核、截面设计和确定许可载荷等强度计算。在工程中,如果工作应力σ略大于[σ],其超出部分小于[σ]的5%,一般还是允许的。
第五节 杆件轴向拉压时的变形
弹性范围)。
FNl1、轴向变形:Δl ,EA为拉压刚度。公式只适用于应力小于比例极限(线?EA3
?????2、横向变形: ,μ称为泊松比,材料常数,对于各向同性材料,0???0.5。
?3、计算变形的叠加原理:
i分段叠加:①分段求轴力②分段求变形③求代数和 Δl??Ni。FlEiAi分载荷叠加:几组载荷同时作用的总效果,等于各组载荷单独作用产生效果的总和。 4、叠加原理适用范围:①材料线弹性(应力与应变成线性关系)②小变形。 5、用切线代替圆弧求节点位移。
第五节 杆件轴向拉压时的应变能
1、应变能:构件在外载荷作用下发生变形,载荷在相应位移上作了功,因变形而储存的能量称为应变能。忽略动能、热能等能量的变化,在数量上等于外力作功。
22FNl1Fl2、轴向拉压杆应变能: ? ? W ? F ? ? l ? ? 此公式只适用于线弹性范围。 V22EA2EA3、应变能密度:单位体积应变能。 4、轴向拉压杆应变能密度:v ? ? 2
第六节 拉伸、压缩超静定问题
1、静定与超静定的概念:由静力学平衡方程即可求出全部未知力的问题称为静定问题。只凭静力学平衡方程不能求出全部未知力的问题称为超静定问题。
2、超静定次数:超静定次数 = 未知力数 — 独立平衡方程数。
3、超静定问题的解法:通过变形协调方程(几何方程)和物理方程来建立补充方程。 4、变形协调方程:也称为变形几何相容方程。结构受力变形后,结构各部分变形必须满足相互协调的关系。可以通过结构的变形图来建立结构各部分变形之间的关系。
5、结构变形图的画法:①若能直接判断出真实变形趋势,则按真实变形趋势画变形图;②若不能直接判断出真实变形趋势,则画出任意可能变形图即可;③对于不能判断出真实变形趋势的情况,应设杆子受拉,即内力为正(设正法),若计算结果为负,则说明真实方向与所设方向相反;④杆子受力与变形要一致,设杆子受拉则应该伸长,设杆子受压则应该缩短;⑤刚性杆不发生变形。
6、超静定结构内力特征:在超静定结构中各杆的内力与各杆刚度的比值有关。刚度越大内力越大。
4
??7、温度应力和装配应力:超静定结构在温度变化时构件内部产生的应力称为温度应力。由于加工误差使实际杆长与设计尺寸不同,超静定结构组装后还没有受外力时已经存在的应力称为装配应力。温度应力和装配应力问题的解法:与超静定问题解法相同,在建立变形协调方程和物理方程时要考虑温度和加工误差的影响。
第七节 应力集中的概念
1、应力集中:因杆件外形突然变化而引起的局部应力急剧增大的现象,称为应力集中。 2、理论应力集中因数:
?K?max ?其中:?max为应力集中截面上最大应力,σ为同截面上平均应力。
3、圣维南原理:用与原力系等效的力系来代替原力系,则除在原力系作用区域内有明显差别外,在离外力作用区域略远处,应力分布与大小不受外载荷作用方式的影响。(杆端作用力的分布方式,只影响杆端局部范围的应力分布,影响区的轴向范围约离杆端1—2个杆的横向尺寸。)
第八节 剪切和挤压的实用计算
F??S1、剪切的实用计算: AF??2、挤压的实用计算: bsbs称为计算挤压面,受压面为圆柱面时,取圆柱面A,Abs的投影面积计算, A bs ? td 。
第三章 扭 转
第一节 圆轴扭转时横截面上的内力和应力 1、扭转时的内力:扭矩T,
2、扭矩的正负规定:以右手螺旋法则,沿截面外法线方向为正,反之为负。 3、切应力互等定理:在两个相互垂直的面上,切应力必然成对出现,且数值相等,两者都垂直于两平面的交线,其方向为共同指向或共同背离该交线。
4、剪切胡克定律:
??G?其中:G为剪切弹性模量,材料常数。
5
材料力学基本概念和公式
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)