材料力学第一章绪论

第一章第一章 绪论绪论一、什么是力学一、什么是力学二、力学与工程二、力学与工程三、现代力学的发展及其特点三、现代力学的发展及其特点七、工程静力学研究主线七、工程静力学研究主线五、最基本概念五、最基本概念 -力和运动力和运动四、学科分类四、学科分类六、一般研究方法六、一般研究方法Chapter 1 IntroductionDefinition of MechanicsRelations of mechanics with engineeringDevelopment and characteristics of modern mechanicsClassification of mechanicsForce and motionGeneral study methodMethodology of static mechanics in engineering1Mechanics is the branch of physics concerned with the behavior of physical bodies when subjected to forces or displacements, and the subsequent effect of the bodies on their environment. 一、什么是力学一、什么是力学 ?是各技术工程学科的重要理论基础，是各技术工程学科的重要理论基础，是沟通自然科学基础理论与工程实践的桥梁是沟通自然科学基础理论与工程实践的桥梁 。所阐述的规律带有普遍性，是一门 基础科学 。 直接服务于工程 ,又是一门 技术科学 。力学是研究物质机械运动规律的科学力学是研究物质机械运动规律的科学 。墨子：墨子： “ 力，形之所以奋也力，形之所以奋也 ” 。 （公元前（公元前 4世纪世纪） 力是物体为什么改变其状态的原因力是物体为什么改变其状态的原因 。 Definition of mechanicsMechanics is a fundamental theory for all branches in technology and engineering sciences and is a bridge to connect the fundamental theory of natural science with the practice of engineering. 2Objective: to understand characteristics of engineering systems and to provide the corresponding design with rational rules.Definition of engineering mechanics: It is a science to apply the principle of mechanics to practical engineering systems.机械、结构等 受力如何？强度？如何运动？如何变形？破坏？如何控制设计？其 目的 是：了解工程系统的性态并为其设计提供合理的规则 。工程力学工程力学 （或者应用力学）（或者应用力学） 是是 :将力学原理应用实际工程系统的科学将力学原理应用实际工程系统的科学 。性态规则3二、力学与工程二、力学与工程以力学与航空航天工程为例简单回顾。Relation of mechanics with engineering4Paper kite, rocket, gliding flight Experimental exploration实验探索实验探索 ：风筝、火箭、模拟鸟类滑翔等。风筝、火箭、模拟鸟类滑翔等。问题一、如何飞起来？问题一、如何飞起来？ Question 1: How to fly5The flight principle of aerostatics (air balloon, airship)到到 19世纪末，世纪末， 经典经典 流体力学流体力学 基础已经形成。基础已经形成。1783年 6月，法蒙高兄弟布袋式热气球飞行。1875年，氢气球载人飞行到万米高空。19世纪后，出现了飞艇。充填氢、氦、热空气等产生升力，用动力装置辅助控制 , 可以向任意方向飞行。空气静力飞行：空气静力飞行： （气球、飞艇）（气球、飞艇）到到 20世纪，世纪， 人们从理论和实践二方面研究人们从理论和实践二方面研究 飞行飞行器与空气相对运动时作用力器与空气相对运动时作用力 (升力，阻力升力，阻力 )的产生的产生及其规律。及其规律。 空气动力学空气动力学 发展并形成新分枝。发展并形成新分枝。空气动力飞行空气动力飞行 ：The flight principle of aerodynamics 61949年，第一架喷气式年，第一架喷气式客机客机 “ 彗星号彗星号 ”, 可载可载客客 80名，最大起飞重量名，最大起飞重量达达 70吨，跨音速。吨，跨音速。1903年，应用空气动力学， 莱特兄弟（美国）的木制机身、双层帆布机翼螺旋桨飞机第一次飞行。7空气动力试验空气动力试验 -风洞实验风洞实验Aerodynamic test of plane models in air tunnel 8Question 3: How to satisfy the requirements of safety for the structure of an aircraft.Question 2: How to fly (development of aerodynamic)问题二问题二 如何飞如何飞 ？作为刚体，作为刚体，研究运动规律和控制。研究运动规律和控制。飞行力学问题三问题三 如何保证结构的安全如何保证结构的安全 ？无缺陷均匀材料， Object 变形体。研究对象材料力学性能、材料力学性能、Study 结构应力分析、结构应力分析、fields 失效判据、设计规范。失效判据、设计规范。 研究内容研究内容材料力学、结构力学、弹性力学、材料力学、结构力学、弹性力学、计算力学等。计算力学等。 属于静强度设计。属于静强度设计。相应学科相应学科Associated discipline9飞飞 机机 整整 机机 结结 构构 强强 度度 实实 验验机翼破坏实验机翼破坏实验 Static strength experiment of airframe structure (airfoil)10机机 身身 结结 构构 强强 度度 实实 验验Static strength experiment of airframe structure 11Influence of defects in materials, Influence of loading variation. Fracture mechanics-considering the effects of defects and flaws includedin materials材料缺陷的影响如何？载荷变化的影响如何？材料缺陷的影响如何？载荷变化的影响如何？60年代末，美国空军年代末，美国空军 F-111飞机连续发生灾难性事飞机连续发生灾难性事故，是由含裂纹构件的脆性断裂引起的，断裂力学故，是由含裂纹构件的脆性断裂引起的，断裂力学方法也从此引入飞机设计中。方法也从此引入飞机设计中。断裂力学断裂力学 -考虑材料缺陷和裂纹考虑材料缺陷和裂纹近代，复合材料，智能结构的研究。近代，复合材料，智能结构的研究。目标：更轻、更快、更安全（自监测、自诊断）目标：更轻、更快、更安全（自监测、自诊断）1952年，年， “Comet”试飞试飞 300多小时后投入使用。多小时后投入使用。 1954年元月突然发生空中爆炸，坠落于地中海。残骸研年元月突然发生空中爆炸，坠落于地中海。残骸研究后表明，起源于机身开口拐角处的裂纹，在扰动究后表明，起源于机身开口拐角处的裂纹，在扰动载荷作用下扩展导致破坏。载荷作用下扩展导致破坏。疲劳力学疲劳力学 -考虑载荷变化和重复作用的影响考虑载荷变化和重复作用的影响Mechanics of fatigue: considering the effects of cyclic loading on ductile materials.12Question 4: How to let people boarding on an plane to feel comfortableFactors: Vibration and noise control, stability and maneuverability振动、噪声控制；稳定性和可操纵性振动、噪声控制；稳定性和可操纵性力学与工程紧密结合。是一门既古老又年轻的学科，力学与工程紧密结合。是一门既古老又年轻的学科，它对于近、现代科学技术的进步，有重要的影响。它对于近、现代科学技术的进步，有重要的影响。问题四、如何更加舒适问题四、如何更加舒适 ？飞起来飞起来 ?跨、超音速空气动力学喷气机、后掠翼、复合材料快速快速理论力学飞行力学如何如何飞？飞？安全安全振动 噪声 ； 稳定性舒适舒适材料力学结构力学弹性力学计算力学疲劳力学断裂力学空气动力学 双、单翼机气球、飞艇流体力学实验力学13大型汽轮机大型汽轮机 转子转子A large rotor of turbine结构的破坏例：结构的破坏例： Example of structural failure14轴 (shaft) 叶轮 (impeller) 疲劳断裂破坏 (fatigue and fracture failure)15转子轴 (shaft) 疲劳开裂 (fatigue fracture) 疲劳断裂破坏 (fatigue and fracture failure)16叶片击穿厂房叶片击穿厂房 (Broken blades broke through the roof of a workshop) 17台南高屏大桥断裂台南高屏大桥断裂2000年 8月 27日下午 3时 20分，台湾南部高屏大桥断裂，大桥中间下陷部分长达 100米。 17辆车坠河， 22人受伤。 采沙过度，河面沉降 10余米，桥墩先断裂。Breakage of Kaoping bridge in southern Taiwan182000年月年月 25日，法航协和式客机坠毁，日，法航协和式客机坠毁， 113人死亡。人死亡。地面铁条使轮胎爆裂，碎片侵入发动机。The crash of a French Supersonic Concord jet19汽车碰撞试验汽车碰撞试验 Car crash test 20建建筑筑物物控控制制爆爆破破Controlled exploding of architecture 21上海上海 东方电视塔东方电视塔 高高 300m 球径球径 45mThe Oriental Pearl TV tower22抗震模型试验抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）（破坏部位、破坏形式、抗震能力）Model experiment of anti-seismic 23材料与对象 ： Materials and objects金属、土木石等 新型复合材料、高分子材料、结构陶瓷、功能材料。尺度 ： Scale宏观、连续体 含缺陷体，细、微观、纳米尺度。3.1 力学研究的发展力学研究的发展 ：应用领域应用领域 ： Application areas 航空、土木、机械、材料航空、土木、机械、材料生命生命 、微电子技术等、微电子技术等三、现代力学发展及其特点三、现代力学发展及其特点实验技术 ： Experimental Technology 电、光测实验技术 全息、超声、光纤测量，及实验装置的大型化。Development and characteristics of modern mechanics24静强度、 断裂控制设计、抗疲劳设计、刚度设计 损伤容限设计、结构优化设计、耐久性设计和可靠性设计等。保证结构与构件的安全和功能 设计 -制造 -使用 -维护的综合分析与控制，功能 安全 经济的综合性评价，自感知、自激励、自适应（甚至自诊断、自修复）的智能结构。设计目标设计目标 ：设计准则设计准则 ： Design rulesGoal of design25Computer applications:Material design:Incorporating the modern computer and information technologies, as well as other technological disciplines into mechanics. 3.2 现代力学的特点现代力学的特点 应用现代计算机、信息技术 ， 与其他基础或技术学科相互结合与渗透。材料设计材料设计 ： 按所要求的性能设计材料。 (90年代 )计算机应用计算机应用 ： 计算力学 +计算机应用 (60年代 ) 解决复杂、 困难的工程实际问题 。使工程结构分析技术；（结合 CAD技术）监测、控制技术（如振动监测、故障诊断）；工程系统动态过程的计算机数值仿真技术；广泛应用至各工程领域。Characteristics of modern mechanics2690年代开始，力学与材料、控制（包括传感与激励）、计算机相结合，研究发展面向 21世纪的、具有 “ 活 ” 的功能的智能结构 。智能结构智能结构 ：生物材料力学性能、微循环、定量生理学、心血管系统临床问题和生物医学工程等。“ 没有生物力学，就不能很好地了解生理学。 ”生物力学生物力学 ： (70年代冯元祯博士年代冯元祯博士 )依托新兴产业发展力学依托新兴产业发展力学 。航空航天、信息、生命、功能材料等航空航天、信息、生命、功能材料等Intelligent structureBiomechanics27四、力学学科的分类四、力学学科的分类静力学：静力学： 研究力系或物体的平衡问题，不涉及物体研究力系或物体的平衡问题，不涉及物体运动状态改变；如飞机停在地面或巡航。运动状态改变；如飞机停在地面或巡航。运动学：运动学： 研究物体如何运动，不讨论运动与受力的研究物体如何运动，不讨论运动与受力的关系；关系； 如飞行轨迹、速度、加速度。如飞行轨迹、速度、加速度。动力学：动力学： 研究力与运动的关系。研究力与运动的关系。如何提供加速度？如何提供加速度？按运动与否分按运动与否分 ：Classifications of mechanicsClassification in terms of motion28Classification in terms of investigation methods按研究对象分按研究对象分 ：一般力学一般力学 ：对象是刚体。研究力及其与运动的关系。：对象是刚体。研究力及其与运动的关系。有有 理论力学理论力学 ， 分析力学分析力学 等。等。流体力学流体力学 ：对象是气体和液体。：对象是气体和液体。有有 水力学、空气动力学水力学、空气动力学 等。等。固体力学固体力学 ：对象是可变形固体。研究强度、变形、破：对象是