材料力学 课件 邓宗白 第一章 绪论

第一章

绪论

材料力学1

第一章

绪论材料力学的定位、历史观与方法论

站在力学史和力学方法论的发展观、自然科学的价值观上，追根溯源，展望去向，力图使我们对于材料力学有如下的宏观感觉和总体把握：

材料力学的由来——学科发展的必然性材料力学的任务——工程需要的迫切性材料力学的作用——承前启后的阶段性材料力学的学习——爱学会学的自觉性2第一章

绪论材料力学的由来——学科发展的必然性质点——刚体——变形体质点：只有质量，没有大小变形体：有质量，有大小，有变形（相对位置变化）刚体：有质量，有大小，但没有变形（相对位置不变）理论力学：约束体、刚体材料力学：约束体、变形体……结构力学弹性力学塑性力学3

第一章

绪论为材料力学发展做出杰出贡献的他们牛顿：《自然哲学的数学原理》伽利略：《两种科学的对话》欧拉、雅克布·伯努利、《关于柱的承载能力》和圣维南：《力学在结构和机械方面的应用》……

约瑟夫·拉格朗日伽利略牛顿达芬奇

纳维埃欧拉4第一章

绪论李诫（1035年—1110年）中国古代土木建筑家、《营造法式》的编纂者，该书于宋徽宗崇宁二年（1103年），经皇帝批准刊刻颁行，是一部既有科学意义又有实用价值的建筑学专著。宋徽宗崇宁二年（1103年）经皇帝批准刊刻颁行

四段合三段合《营造法式》5郑玄（127年~200年）字康成，山东高密人。东汉思想家、经学大师、大司农。遍注儒家经典，整理古籍，博采众家之长，创立郑学。《考工记·弓人》中有一句《考工记》成书于春秋末、战国初郑玄作注解中写到:“假设弓力胜三石,引之中三尺,驰其弦,以绳缓擐之,每加物一石,则张一尺。”正确地提示了力与形变成正比的关系,郑玄的发现要比胡克要早一千五百年。

“量其力，有三均”6第一章

绪论第一章

绪论沈括（1031—1095）字存中，号梦溪丈人，杭州钱塘（今浙江杭州）人，北宋科学家、改革家。我国历史上最卓越的科学家之一。他还是卓越的工程师、出色的外交家。

李春，隋代造桥匠师。现今河北邢台临城人士。隋开皇十五年至大业初（595～605）建造赵州桥（安济桥）。唐中书令著《安济桥铭》中记有：“赵州蛟河石桥，隋匠李春之迹也，制造奇特，人不知其所以为。”赵州桥存世1400多年，堪称中国建筑史上的奇迹之一。7第一章

绪论上海环球金融中心（492米，101层）香港2IFC420m，88层广州电视塔610米迪拜塔：2008年04月在建高度已达629米，世界最高建筑

香港九龙站塔楼102层,472米8第一章

绪论伦敦桥苏通大桥湖南洞口.淘金桥赵州桥（安济桥）9第一章

绪论高速列车海洋石油平台航空母舰航天器10第一章

绪论埃菲尔铁塔(法国)千年悬寺——悬空寺11第一章

绪论北京.国家体育场悉尼歌剧院12第一章

绪论材料力学的作用——承前启后的阶段性材料力学地位：是变形体力学最早分支，有最简洁的结果。（1）最简单的模型（2）最基本的概念（3）最根本的方法（4）最典型的结论材料力学研究方法：（1）理论分析方法（2）实验方法（3）计算方法13第一章

绪论材料力学的学习——爱学会学的自觉性

材料力学是一门重要的基础课，要学好材料力学必须要下一些功夫。1.正确理解和掌握基本概念；2.熟练掌握基本定理和公式；3.课后及时看书复习，注意归纳总结；4.

认真、及时地完成课后作业；5.有问题及时答疑。14第一章

绪论本章内容:1.1材料力学的性质和任务1.2材料力学的基本假设1.3材料力学的研究对象1.4杆件变形的形式1.5外力及其分类1.6内力与应力1.7变形、位移和应变1.8材料力学的研究方法15第一章绪论1.1材料力学的性质和任务材料力学研究的构件可看成是由一根杆件或由几根杆件组成的结构。

为了使制造的工程构件能够正常工作，构件的设计必须满足下面三个基本要求：1.强度

构件不发生破坏（断裂或失效），即具备足够的抵抗破坏的能力。2.刚度

构件不产生过大的变形（不超出工程上的许可范围），即具备足够的抵抗变形的能力。3.稳定性

构件在微小的干扰下，不会改变原有的平衡状态，即具备足够的保持原有平衡状态的能力。16第一章绪论1.1材料力学的性质和任务强度问题17第一章绪论1.1材料力学的性质和任务强度问题18第一章绪论1.1材料力学的性质和任务刚度问题19第一章绪论1.1材料力学的性质和任务稳定问题20第一章绪论1.1材料力学的性质和任务2008雪灾电网结冰21第一章绪论1.1材料力学的性质和任务强度、刚度和稳定问题22第一章绪论1.1材料力学的性质和任务

1.研究构件的强度条件、刚度条件、稳定性条件强度——材料抵抗破坏的能力；刚度——构件抵抗变形的能力；稳定性——构件维持原有平衡形式的能力。2.解决结构设计中安全可靠与经济合理的矛盾

23第一章绪论1.2材料力学的基本假定外效应：

理论力学是讨论物体在力作用下整体产生的运动规律，称为外效应。因此将研究对象视为刚体。在刚体内部各质点之间保持相对位置不变，所以物体受力过程中其形状和尺寸都不改变（即不变形）。内效应：

材料力学研究的是变形固体。在力作用下，物体内部各质点间的位置发生改变，产生内力，引起物体尺寸和形状的改变，即变形，这称为内效应。因此即使构件由于约束不允许有总体的刚性移动，但未被约束的部分仍将有空间位置上的变化，这就是变形固体具有的特点。24第一章绪论1.2材料力学的基本假定一般金属材料的显微组织微观上：材料是不连续、不均匀、各向异性。但单个晶粒聚集成金属材料时呈随机取向。球墨铸铁优质钢材1.2.1变形固体的基本假设25建立理想模型的必要性宏观上：可以认为材料是连续、均匀的，表现为各向同性的。第一章绪论1.2材料力学的基本假定1.连续性假设

认为整个物体所占空间内毫无空隙地充满物质。灰口铸铁的显微组织普通钢材的显微组织

实际上变形固体是由许多晶粒结构组成的，且具有不同程度的空隙（包括缺陷、夹杂等），但它与构件尺寸相比极为微小可忽略不计。故认为材料在整个几何空间里是密实的，其某些力学量可以用坐标的连续函数来表示。26第一章绪论1.2材料力学的基本假定2.均匀性假设

认为从变形固体内取出的任意一小部分，不论其位置如何都具有完全相同的力学性能。

实际上各晶粒结构的性质不尽相同，晶粒交界处的晶界物质和晶粒本身的性质也不相同，晶粒排列也不规则。但由于晶粒尺寸远小于构件材料的尺寸，材料的力学性能是无数晶粒力学性能的统计平均值，因此可以认为变形固体各部分的力学性能是均匀的。单元体：

从构件任意部位取出的一部分或微小单元体块（称为单元体）。其力学性能都和整体相同。显然，通过材料试样的实验获得的力学性能可应用于该材料制成的任何构件的任一部分。27第一章绪论1.2材料力学的基本假定3.各向同性假设

认为变形固体在各个方向的力学性能都是相同的，具备这种属性的材料称为各向同性材料。

金属的单个晶粒是各向异性的，但由于材料是由无数多的晶粒所组成的，且晶粒的排列是杂乱无章的，这样金属材料在各个方向的性质就接近相同了。除金属外，玻璃、工程塑料等亦为典型的各向同性材料。

各向异性28第一章绪论1.2材料力学的基本假定

构件受力将产生变形，其大小与所受的力有关。在材料力学中，所研究的问题一般仅限于构件变形的大小远小于其原始尺寸的情况，这通常称为小变形条件。在此基础上，为了简化分析计算，材料力学提出小变形假设。主要包含两个内容：1.2.2构件变形的基本假设（1）原尺寸原理

（b）（a）29研究构件的平衡和运动时，忽略构件的变形，按构件变形前的原始尺寸和形状分析计算。

第一章绪论1.2材料力学的基本假定（2）线性化原理

30研究构件的位移和变形的几何关系时，构件的位移常常是一弧线。为简化分析计算，以一直线（弦线或切线）代替，简称以直代曲。

第一章绪论1.2材料力学的基本假定小变形的要点：1.在列平衡方程求力时，可忽略变形，仍用变形前的形状和尺寸。

原始尺寸原理2.在变形分析时，几何分析以直线代曲线。

数值分析线性化31第一章绪论1.3材料力学的研究对象构件(member)基本形式板壳块材料力学的研究对象杆32第一章绪论1.3材料力学的研究对象等截面直杆变截面直杆曲杆33杆件的分类第一章绪论1.3材料力学的研究对象材料力学研究对象——等截面直杆

杆件的计算模型轴线横截面34第一章绪论1.4杆件变形的形式

杆件是变形固体，在不同的受力情况下，将产生各种不同的变形。归结起来可分为基本变形和组合变形两大类:1.轴向拉伸（压缩）35基本变形主要包括轴向拉伸或压缩、扭转、

弯曲和剪切四种。

组合变形是由两种或两种以上基本变形组合而成。

第一章绪论1.4杆件变形的形式2.扭转3.弯曲4.剪切36第一章绪论1.4杆件变形的形式5.组合变形37第一章绪论1.5外力及其分类

结构或机械是由多个构件组装而成的，它们相互制约或相互传递机械作用。当取其某一部分作为研究对象时，可设想将它从周边物体中分离取出，并用力代替周边物体对它的作用。其中来自研究对象外部的作用力（矩）称为荷载。限制研究对象自由运动的反作用力（矩）称为约束力。前者是主动力，后者是被动力。

荷载的分类有不同的形式。若以在构件上的作用方式，可分为连续分布于物体内部各点的体积力（如物体的自重和惯性力）和作用于物体表面的表面力。表面力按其分布方式又可分为分布荷载和集中荷载。38第一章绪论1.5外力及其分类1.分布力：连续分布在杆件上的表面力。2.集中力：力作用的面积远小于杆件的表面尺寸，或力的作用范围远小于杆件的轴线长度。39第一章绪论1.5外力及其分类按其随时间的变化情况可分为静荷载和动荷载两大类。动荷载：

如交变荷载、冲击荷载等。在动荷载作用下的破坏特征、力学表现和行为都与静荷载作用时有所不同，分析方法也不完全一样。静荷载：

杆件受到的荷载由零逐渐增大到某一固定值而保持不变，或变动甚微，这称为静荷载。如起重机以极缓慢的速度吊装重物时所受到的力、建筑物对基础的压力等。40第一章绪论1.6内力与应力1.内力：是由于变形引起的物体内部的附加力。

由于假设物体是均匀连续的可变形固体，因此在物体的任何一截面上，内力是一个分布力系。向截面形心处简化可得分布内力系的主矢和主矩，称为截面上的内力，简称内力。在直角坐标系中，主矢和主矩可分解为三个力和三个力矩。41第一章绪论1.6内力与应力2.应力：一般情况下，杆件受外力作用，各截面上的内力是不相同的，即使内力相同由于截面尺寸不同，在截面内某一点处的强弱程度也不同。为此引入某一截面上分布内力在某一点处的集度----应力的概念。平均应力点a处的总应力42第一章绪论1.6内力与应力

应力的单位：N/m2，Pa(帕斯卡)MPa，GPa43第一章绪论1.7变形、位移和应变位移：杆件受力后，各质点的位置会发生变化，称为位移。变形：杆件受力后，引起杆件原始形状的改变，称为变形。位移是针对物体的位置而言，变形是针对物体的尺寸和形状而言。单元体：变形固体