哈工程力学基础第章

材料力学哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院第一章绪论1.1材料力学的任务1.2构件强度、刚度、稳定性概念1.3材料的基本假设1.4小变形限制条件1.5内力1.6应力1.7位移、变形和应变1.8构件基本变形形式力学与数学、物理、化学、天文、地理、生物并列为七大基础学科。力学课程应该是工程类专业学生的必修课。力学的发展源远流长。20世纪前，机械工业、大水利工程、大跨度桥梁、铁路与机车、船舶、兵器等近代工业，无一不是在力学知识积累和完善的基础上产生与发展起来的。例如，高新技术领域中的航空航天技术(包括人类登月、建立空间站、航天飞机和卫星测控)主要靠力学而发展。一架载客400人的波音747飞机，其质量超过100t，这样的庞然大物，竟然可以自由翱翔于空中，是得益于近代空气动力学的成就；在飞机遇到不稳定气流时，其机翼能够克服上下颤动，确保航行安全，则是固体力学和结构力学的成就；客机跨海越洋，遥遥数万里，无论昼夜，都能准确无误地到达终点，既不会延误，也不会迷路，更不会失控，这是导航与自动控制技术的贡献，其最核心的技术却是一般力学研究的成果。1.1材料力学的任务材料力学课程重在建立学生对工程设计中强度、刚度、稳定性问题明确的基本概念，掌握必要的基础知识，培养比较熟练的计算能力和初步的实验分析能力。1.2构件强度、刚度、稳定性概念1.强度要求

要求构件受载时不发生断裂或产生永久变形。2.刚度要求

构件在外载的作用下，发生的弹性变形不能超过允许值。3.稳定性要求要求构件在工作情况下，其平衡是稳定的。构件满足强度、刚度、稳定性要求的能力，称为构件的承载能力。震惊世界的两次强度失效事故：

1．“泰坦尼克号”沉没之谜1912年4月14日，当时最大最豪华的4600t英制游轮“泰坦尼克号”首次满载着2227名乘客离开英国的南安普敦港驶向纽约。乘客们都以为自己乘坐的是最豪华、最结实的轮船，做梦也不曾想到会有大祸临头。因为该船的底部已被隔成各个独立的舱房，任一舱房受损进水都不会影响别的舱房。即使在最坏的情况下，如与别的船相撞导致一部分舱房进水，整个“泰坦尼克号”沉没至少也需要3天时间，在那么长的时间内无论如何也能得到救援。因此，这次处女航几乎可以说是万无一失的，更何况造船用的是当时最优质的钢材。然而，令人遗憾的是，“泰坦尼克号”未能逃脱世界航海史上最大海难事故的命运。被称为“不沉之船”的“泰坦尼克号”连同它的1513位乘客，仅在3小时内就被格陵兰海冰冷的海水吞没了。这艘偌大的游轮究竟为什么会沉于海底呢?由于技术上的原因，直至1991年，第一次科学考察队才开始到水下对残骸进行考察，并收集了残骸的金属碎片供科研用。这些碎片以及沉船在海底的状况使人们终于解开了巨轮“泰坦尼克号”罹难之谜。考察队员们发现了导致“泰坦尼克号”沉没的两个重要细节。

一个细节说明，造船工程师们只考虑到船底、船尾或船首有被撞坏的可能性。在深夜里行进的“泰坦尼克号”遭遇冰山，当人们发现并想躲避却为时已晚。如果值班人员没有发现冰山，轮船直接撞到冰山上去的话，或许游轮受损伤进水的只是船首部分的舱房，船一定不会整个沉没。但不幸的是，值班员偏偏发现了冰山，并且怀着侥幸的心理想让船转过身来躲避冰山，这样一来，冰山就像一把利刃似的从船的侧面切入，把船拦腰斩断。这样，就不是一两个舱房进水，而是所有的舱房都进了水。结果“泰坦尼克号”在几个小时内就覆没于大海之中了。

第二个细节是造船工程师只考虑到要增加钢的强度，而没有想到要增加其韧性。把残骸的金属碎片与如今的造船钢材作一对比试验，发现在“泰坦尼克号”沉没地点的水温中，如今的造船钢材在受到撞击时可弯成V形，而残骸上的钢材则因韧性不够而很快断裂。由此发现了钢材的冷脆性，即在-40℃～O℃的温度下，钢材的力学行为由韧性变成脆性，从而导致灾难性的脆性断裂。而用现代技术炼的钢只有在－70℃～－60℃的温度下才会变脆。不过不能责怪当时的工程师，因为当时谁也不知道，为了增加钢的强度而往炼钢原料中增加大量硫化物会大大增加钢的脆性，以致酿成了“泰坦尼克号”沉没的悲剧。

另据美国国《纽约约时报》》报导，，一个海海洋法医医专家小小组对打打捞起来来的“泰泰坦尼克克号”船船壳上的的铆钉进进行了分分析，发发现固定定船壳钢钢板的铆铆钉里含含有异常常多的玻玻璃状渣渣粒，因因而使铆铆钉变得得非常脆脆弱、容容易断裂裂。这一分析析表明：：在冰山山的撞击击下，可可能是铆铆钉断裂裂导致船船壳解体体，最终终使“泰泰坦尼克克号”葬葬身于大大西洋海海底。2．切尔尔诺贝利利核电站站为什么么发生大大爆炸?切尔诺诺贝利利核电电站是是前苏苏联于于1973年开始始修建建、1977年启动动的最最大的的核电电站。。1986年4月26日凌晨晨，两两声沉沉闷的的爆炸炸声打打破了了核电电站周周围的的宁静静。随随着爆爆炸声声，一一条30多米高高的火火柱掀掀开反反应堆堆的外外壳，，冲向向天空空。反反应堆堆的防防护结结构和和各种种设备备整个个被掀掀起，，温度度高达达2000℃℃的烈焰焰吞噬噬着机机房，，熔化化了粗粗大的的钢架架。携携带着着高放放射性性物质质的水水蒸气气和尘尘埃随随着浓浓烟升升腾弥弥漫，，这次次爆炸炸造成成了灾灾难性性的后后果。。爆炸炸释放放的能能量相相当于于500颗在广广岛投投放的的原子子弹。。爆炸炸破坏坏了核核反应应堆，，使反反应堆堆内180多吨浓浓缩铀铀燃料料的3％被释放放到大大气中中，放放射性性污染染遍及及前苏苏联居居住着着694.5万人的的15万平方方公里里的地地区，，核电电站周周围30km范范围被被划为为隔离离区，，庄稼稼被全全部掩掩埋。。那么，，究竟竟是什什么原原因酿酿成了了这场场灾难难?事事后的的调查查表明明，这这是由由一系系列的的操作作失误误造成成的人人为事事故。。刚完完成检检修的的第四四核反反应堆堆重新新启动动时，，将产产生的的蒸汽汽输向向已经经关闭闭的涡涡轮机机，而而能够够关掉掉反应应堆的的自动动保护护装置置却事事先被被切断断了。。这样样，反反应堆堆不断断工作作产生生蒸汽汽，却却没有有宣泄泄的出出口。。反应堆堆外壳壳所承承受的的蒸汽汽压力力和温温度远远远超超出了了它的的设计计要求求，最最终引引发了了热能能爆炸炸。然而，，对于于人类类来说说，这这次爆爆炸仍仍然是是“幸幸运””的。。因为为它仅仅仅是是一次次过热热的蒸蒸汽爆爆炸，，而非非核爆爆炸。。否则则这对对于人人类是是绝对对的灭灭顶之之灾。。这次次大爆爆炸也也向人人类敲敲响了了警钟钟：如如何杜杜绝灾灾难性性事故故的发发生，，如何何在恶恶劣的的环境境条件件下，，遏制制更大大灾难难的发发生，，这也是是对力力学工工作者者提出出的新新的挑挑战性性课题题。1999年年1月月4日日，我我国某某市的的一座座大桥桥发生生垮塌塌，造造成：：40人人死亡亡；14人人受伤伤；直接经经济损损失631万元元。法庭以以外的的问题题－力学素素质的的重要要性－从简单单力学学问题题到高高等力力学问问题。。简单力力学问问题－－队伍过过桥时时不能能齐步步走高等力力学问问题－－冲击载载荷的的概念念：人跑步步时脚脚上的的力量量有多多大？？损伤累累积与与结构构寿命命与跑步步的次次数有有关脚上的力量假设人体重量为750N3000N3500N4500N6000N12500N44.76816.7高等力力学问问题－－损伤累累积与与结构构寿命命与跑步步的次次数有有关构件的的基本本形式式1、杆杆件长度（（纵向向）比比其他他两个个方向向的尺尺寸大大很多多的构构件称称为杆件。2、块块件各方向向尺寸寸相差差不多多的构构件称称为块件。杆(bar)体(body)构件的的基本本形式式板(plate)壳(shell)3板板件厚度比比其他他两个个方向向尺寸寸小得得多的的构件件称为为板件。如果中中面是是平面面的构构件称称为板。而中面面是曲曲面的的话则则称为为壳。1.3材料料力学学中的的基本本假设设1.关关于材材料性性质得得假定定连续性性假设设均匀性性假设设各向同同性假假设1.4小变变形限限制条条件变形固固体在在载荷荷作用用下可可发生生两种种不同同性质质的变变形：：一.弹性变变形二.是塑性性变形形材料力力学是是在弹弹性范范围内内研究究构件件的承承载能能力。。讨论论由均均匀、、连续续、各各向同同性材材料制制成的的杆件，受载载后变变形为为微小小的弹弹性变变形情情况！！材料力力学和和理论论力学学研究究对象象的区区别理论力力学研究对对象视视为刚体力学模模型理想化化的力力学模模型主要研研究力力的运运动效效应材料力力学研究对对象视视为变形体体力学模模型更更接近近于实实际主要研研究力的变变形效效应实际物物体往往往随随所研研究问问题的的不同同，有有时看看作刚刚体体，有有时看看作变变形体体。理论力力学中中某些些定理理在材材料力力学中中的应应用受受到严严格限限制加减平平衡力力系原原理及及其推推理（（力的的可传传性力力系简简化的的基础础）力的平平移定定理力偶等等效定定理(力偶偶矩相相等的的两力力偶等等效)等,只适用用于刚刚体，，而不不适用用于变变形体体。1.5内内力内力——构构件中中一部部分和和其相相邻部部分的的相互互作用用力内力是是分布布在截截面上上的内力是是成对对出现现的截面法法求内内力：显示和和确定定内力力的方方法是是截面面法。。截面法法的依依据是“一一个处处于平平衡状状态的的物体体其各各部分分也应应保持持平衡衡”。。例：有一一直杆杆，一一端固固定，，一端端自由由。在在自由由端位位于xOy平面内内作用用有集集中力力、和和力偶偶，现现欲求求截面面上的的内力力ymmp1Mep2xa0IIImmp1Mep2x01MNyQI将杆分分成、、两两部部分。。先取取部部分分来研研究根据平平面力力系的的平衡衡条件件若取部部分分研究究，应应先由由整体体的平平衡方方程求求出固固定端端的支支反力力，然然后可可由部部分分的平平衡条条件求求得截截面上上的内内力显显然然分分别别为作作用力力和反反作用用力截面法法求内内力的的过程程可归归纳如如下：（1））切开沿需求求内力力的截截面，，将构构件假假想地地截开开为两两部分分。（2））代替抛弃一一部分分，留留下一一部分分，抛抛弃部部分对对留下下部分分的作作用以以内力力来代代替。。（3））平衡根据留留下部部分的的平衡衡条件件，由由已知知外力力求未未知内内力。。1.6应应力力概念内力在在一点点处的的集度度称为为该点点的应应力。。设作用用在小小面积积上上的内内力为为，，那那么在在上的内内力的的平均均集度度为（称称为为平均均应力力）CADPDCtsP当C点（无限限变小小）某一极极限值值我们称称为为C点的全全应力力，其其表达达式为为：应力的的量纲纲为,单单位常常用是个矢矢量，，为了了研究究的方方便和和需要要，我我们总总是将将它分分解为为垂直直于截截面和和平行行于截截面的的两个个分量量。前前者称称为正正应力力（或或法向向应力力），，用表表示示。后后者称称为剪剪应力力（或或切向向应力力），，用表表示“应力力”与与“压压强””的区区别“应力力”虽虽与““压强强”量量纲相相同，，但两两者的的物理理意义义不同同。定义不不同：：应力————内内力压强————外外力作用方方式不不同：：应力————可可分解解，存存在于于受力力物体体内部部任意意一点点压强————作作用于于物体体表面面且垂垂至于于作用用面，，常呈呈均匀匀分布布或线线性分分布1.7位位移、、变形形和应应变线位移角位移{PqAuv二、变变形与与应变变线应变变———单单元元体边边长的的改变变平均应应变————单单位位长度度内的的平均改变变量，，用来来表表示当时时，有有剪应变变———单单元体体各边边互成成直角角，变变形后直角角的改改变量量叫叫做剪剪应变变。uDsD()a1.8构件件基本本变形形形式式拉压(tension&compression)扭转(torsion)剪切(shearing)弯曲(bending)9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Thursday,December22,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。06:33:0206:33:0206:3312/22/20226:33:02AM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2206:33:0206:33Dec-2222-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。06:33:0206:33:0206:33Thursday,December22,202213、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。12月-2212月-2206:33:0206:33:02December22,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。22十二月月20226:33:02上午06:33:0212月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月226:33上午午12月-2206:33December22,202216、行动出出成果，，工作出出财富。。。2022/12/226:33:0306:33:0322December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。6:33:03上上午6:33上上午午06:33:0312月月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Thursday,December22,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。06:33:0306:33:0306:3312/22/20226:33:03AM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2206:33:0306:33Dec-2222-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。06:33:0306:33:0306:33Thursday,December22,202213、不知香积寺寺，数里入云云峰。。12月-2212月-2206:33:0306:33:03December22,202214、意意志志坚坚强强的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥块块一一样样任任意意揉揉捏捏。。22十十二二月月20226:33:03上上午午06:33:0312月月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九九派派通通。。。。。十二二月月226:33上上午午12月月-2206:33December22,202216、少年十五二二十时，步行行夺得胡马骑骑。。2022/12/226:33:0306:33:0322December202217、空山新雨后后，天气晚来来秋。。6:33:03上午6:33上上午06:33:0312月-229、杨柳柳散和和风，，青山山澹吾吾虑。。。12月月-2212月月-22Thursday,December22,202210、阅读读一切切好