《刘鸿文的材料力学》课件

《刘鸿文的材料力学》一本深入浅出的材料力学经典教材,由资深教授刘鸿文主编。从材料的基本性质、应力与应变、平面应力状态等基础知识开始,全面系统地讲解了材料力学的核心概念,配有丰富的插图和实例,为学生和工程师提供了卓越的学习资源。课程概述材料力学基础本课程主要介绍材料力学的基本概念、常用理论和计算方法,为后续学习打下基础。工程设计应用通过大量工程实例分析,学习如何将材料力学理论应用于实际的工程设计中。创新思维训练培养学生独立分析问题、创新设计的能力,提高解决实际工程问题的综合素质。学习目标掌握基础知识系统学习材料力学的基本概念、原理和分析方法,为后续专业学习奠定坚实的基础。培养分析能力学会运用材料力学的基本理论和方法,分析常见结构构件的应力、应变及变形情况。提高设计技能学会根据材料性能和工程要求,合理设计各类受力构件,确保结构安全可靠。增强实践能力通过案例分析和实验操作,培养学生解决实际工程问题的能力。材料基本概念材料结构材料由各种原子和分子组成的内部结构,决定了材料的物理、化学和力学性能。材料应力响应材料在外力作用下会产生应力和应变,不同材料的应力应变关系各不相同。材料力学性能材料的强度、刚度、韧性等力学性能指标决定了其在工程应用中的表现。材料应力分析1应力的定义应力是指内力作用于单位面积的大小,表示物体内部受力的程度。2应力分析方法可以采用理论分析、实验测量或数值模拟等方法来确定材料内部的应力状态。3应力状态分类根据应力作用的方向可分为拉应力、压应力、切应力等类型。应变与应变测量应变概念应变是材料在受力作用下发生的形变量。它描述了物体形状和尺寸的变化。应变类型应变包括轴向应变、剪切应变和体积应变等。不同类型的应变对应不同的受力方式。应变测量常用的应变测量方法包括电阻应变计、光电应变计和光栅应变计等。它们能精确测量材料的变形量。应变分析通过应变分析,可以评估材料的受力状态,为结构设计提供重要依据。应力应变关系1胡克定律材料在弹性变形范围内,应力与应变成正比,这种线性关系被称为胡克定律。2弹性常数材料的弹性模量、泊松比等弹性常数反映了材料的刚度和变形特性。3塑性变形当应力超过材料的屈服强度时,材料会发生永久性塑性变形,不再遵循胡克定律。4应力应变曲线通过拉伸试验可以得到材料的应力应变曲线,反映了材料的力学性能特点。受力构件受力分析1构件类型分析根据受力情况确定构件的类型,如拉杆、压杆、弯曲构件等。2荷载确定准确分析作用于构件上的各类荷载,包括静荷载和动荷载。3内力分析根据材料力学理论,确定构件内部的轴力、剪力和弯矩分布。4应力计算将内力转化为作用在构件截面上的应力,为后续强度验算做准备。通过对构件类型、载荷情况以及内力分布的全面分析,可以准确计算出构件内部的应力状态,并为后续的强度设计提供有效依据。这是材料力学课程的核心内容之一,也是工程师进行结构设计时必须掌握的关键技能。受压构件设计结构稳定性对于受压构件来说，确保结构稳定性是关键。需要通过合理的截面尺寸和材料选择来防止屈曲失效。安全系数在设计时应考虑足够的安全系数,以应对意外情况和材料属性的变化。这可以确保构件能够承受预期载荷。屈曲分析需要进行细致的屈曲分析,计算临界屈曲载荷,并据此确定合理的尺寸和材料。这可以有效防止屈曲失效。受拉构件设计受拉构件特点受拉构件承受沿长度方向的拉应力,需设计保证其不会发生拉断。关键在于选择合适的材料并确保截面足够大。应力分析受拉构件的应力分布较为简单,主要为均匀的轴向拉应力。通过计算最大拉应力可确定所需截面积。强度验算通过拉力试验可以测定材料的抗拉强度,设计时应确保工作应力低于材料强度,以满足安全性要求。受剪构件设计最大剪应力确定构件中的最大剪应力是设计的关键,需要根据载荷和截面尺寸进行计算。剪断面承载能力根据材料的剪强度,计算构件在剪应力下的承载极限,并保持足够的安全系数。剪应力集中在构件连接处,可能会出现应力集中情况,需要考虑并采取相应的结构设计措施。剪接头设计根据构件受力情况,合理设计各种剪接头,包括焊接、铆接和螺栓连接等。扭转构件设计扭矩分析确定构件承受的扭矩大小及其分布情况,是扭转构件设计的关键。扭转强度根据材料性能和构件尺寸,计算构件的扭转强度,以确保其安全性。扭转变形预估构件在服役过程中可能发生的扭转变形,并控制在允许范围内。轴承设计对承受扭转力的轴承进行合理设计,满足强度和变形要求。弯曲构件设计确定合适截面首先要确定构件所受的最大弯矩，并根据材料强度及安全系数选择合适的截面尺寸。常见的截面包括矩形、圆形及工字形等。计算应力分布利用弯曲公式计算构件的应力分布,确定最大拉应力和压应力的位置,以确保不超过材料强度。检查截面抗弯承载力满足承载能力的同时,还要考虑构件的刚度和变形,确保满足使用要求。可根据具体情况采用加劲肋等措施提高抗弯性能。优化设计通过调整截面尺寸和材料性能等,可以最大限度地减少构件质量,在满足强度要求的前提下达到经济高效的设计目标。复合应力多轴应力状态在实际工程中,构件常常同时受到拉伸、压缩、剪切等多种应力,形成复合应力状态。主应力分析通过主应力理论可以确定复合应力状态下的主应力和主应力平面,为构件设计提供依据。应力集中分析复合应力下还需分析应力集中区域,针对这些区域采取相应的措施以提高构件强度。破坏理论应用根据不同材料的破坏理论,如最大应力理论、最大应变理论等,确定复合应力下构件的极限承载能力。变形能与功变形能当外力作用在材料上时,会导致材料发生变形。变形能指的是材料在变形过程中所储存的势能。这种势能可以用来分析材料的承载能力和抗断裂性能。功功是外力对物体所做的功。在材料力学中,功与应力、应变和变形能之间存在紧密的联系,可用于计算材料的承载能力和极限强度。变形能与功的关系变形能与外力做的功是一一对应的。研究变形能和功的关系对于分析材料的力学性能和断裂行为非常重要。静定结构受力分析1静定分析通过力平衡分析确定内力2应力分析根据受力情况计算应力分布3变形分析利用材料力学公式求解构件变形对于静定结构,通过力平衡分析就可以确定各部位的内力,进而计算应力分布。然后利用材料力学理论分析构件的变形情况。这种分析方法相对简单,是工程实践中常用的方法之一。静不定结构受力分析力与变形关系复杂静不定结构中，力与变形之间存在复杂的关系,需要使用矩阵计算或能量法等方法进行分析。基本原理静不定结构的受力分析需要满足结构平衡条件和材料力学关系,并通过多次迭代来确定内力分布。计算步骤首先确定静不定支座反力,然后通过兼容条件确定结构内力,最后根据内力计算构件应力和变形。构件支座连接设计基础连接合理设计构件与基础的连接方式,确保结构安全可靠。桁架连接桁架构件的受力传递特点需要特殊的连接设计,确保整体稳定性。铰链连接合理设置铰链支座可以为结构提供足够的活动空间,增强耐震性。伸缩连接采用可控伸缩连接可以应对温度变化引起的位移变形,保证结构安全。工程材料及其性能金属材料金属材料包括钢铁、铜、铝等,具有高强度、耐磨、导电性等优点,广泛应用于机械、建筑、电子等领域。高分子材料高分子材料如塑料、橡胶等,质轻、耐腐蚀、易加工,多用于制造日用品、包装容器和工业零件。陶瓷材料陶瓷材料如瓷砖、耐火材料等,具有高硬度、耐热性强的特点,主要应用于建筑、电子、航天等工业领域。复合材料复合材料由两种或多种材料组成,结合了各种材料的优点,广泛应用于航空航天、交通运输等高技术领域。焊接连接设计焊接强度设计根据焊缝的形状、尺寸和焊材性能,合理计算焊缝的承载能力,确保连接处可靠。应力集中控制通过优化焊缝形状和尺寸,减小应力集中,有效防止焊接接头的早期失效。焊接变形控制采取合理的焊接工艺和焊接顺序,最小化焊接变形,确保构件的几何尺寸准确。焊接后处理通过后续的热处理或表面处理,提高焊接接头的抗疲劳性能和抗腐蚀性能。铆接连接设计1铆接原理铆接通过在工件表面开设孔洞，插入铆钉并压实来实现连接。这种连接方式简单可靠，能够承受较大的剪切和拉伸力。2铆钉材料选择常见的铆钉材料包括碳钢、不锈钢、铝合金等。应根据连接工件的材质和使用环境进行合理选择。3铆钉尺寸确定铆钉直径和长度需要根据工件厚度、孔径、承载要求等因素进行设计计算。过大或过小的铆钉都可能导致连接失效。4铆接工艺要求铆接时需注意孔洞加工精度、铆钉安装位置、压缩量等工艺参数,确保连接可靠性。螺栓连接设计标准螺栓类型常用的螺栓类型包括六角头螺栓、平头螺栓、沉头螺栓等,适用于不同的结构连接需求。螺栓连接强度设计螺栓连接强度取决于材料强度、螺纹长度、预紧力等因素,需要进行详细计算和检验。预紧力计算预紧力的大小直接影响连接强度,需要根据受力情况和构件尺寸进行精确的预紧力计算。变截面构件受力分析1确定截面确定构件的几何参数2计算应力根据受力情况计算每个截面上的应力分布3分析变形利用力-变形关系估算构件的变形情况4验算强度根据材料强度理论及允许应力检查构件是否满足强度要求变截面构件的受力分析需要先确定构件的几何参数,然后根据受力情况计算每个截面上的应力分布,最后还要进行变形和强度检查,确保构件在使用过程中能够安全可靠地承担预期的荷载。薄壁构件受力分析1截面特征薄壁构件具有比较小的厚度,它们的应力和变形分布都不太均匀。2应力集中由于几何形状的突变,薄壁构件会产生应力集中,需要特别考虑。3整体稳定薄壁构件容易发生整体屈曲失稳,必须进行稳定性分析。薄壁构件是结构设计中广泛使用的一类构件,其由于截面较薄,应力和变形分布不太均匀,容易发生局部屈曲和整体稳定问题。因此在薄壁构件的受力分析中,除了要考虑普通的应力分析,还需要重点分析应力集中问题和整体稳定问题。焊接与应力集中焊接对构件强度的影响焊接过程会在构件表面和内部引入应力集中区域,降低材料的抗拉强度和抗疲劳性能。需要采取措施减小焊接对构件强度的不利影响。应力集中的识别与分析通过有限元分析等方法,可以预测构件内部的应力分布和应力集中区域,为后续的结构优化提供依据。焊接工艺优化通过调整焊接工艺参数,如焊缝形状、焊缝尺寸等,可以有效降低焊接带来的应力集中,提高构件的强度和使用寿命。结构优化设计在设计阶段就要考虑焊接对构件强度的影响,采取结构优化措施,如设置应力集中缓解孔或过渡圆角等,以提高构件的整体强度。材料强度理论1主要理论包括最大应力说、最大切应力说、最大主应力说、最大应变能说等材料强度理论。2理论比较各理论在不同材料和载荷条件下的适用性和准确性各不相同。需要根据具体情况选择合适的理论。3安全系数材料强度理论可用于确定构件的合理安全系数，确保构件在设计载荷下不会发生失效。4应用举例材料强度理论广泛应用于机械、土木、航空等工程领域的构件设计与分析。疲劳与断裂疲劳失效当材料长期受到交变应力作用时,会发生疲劳失效。疲劳失效是一种由应力集中和微裂纹逐步扩展导致的渐进性破坏过程。断裂机理断裂分为脆性断裂和塑性断裂两种形式。脆性断裂表现为平面断口,而塑性断裂则呈现出杯形断口。了解断裂机理对于设计安全可靠的构件至关重要。构件寿命设计寿命预测基于材料性能和结构载荷分析,准确预测构件的疲劳寿命,确保结构可靠性。安全系数通过引入适当的安全系数,确保构件在设计使用阶段不会发生突发性破坏。定期检查构件在使用过程中需要定期检查,及时发现并修理隐藏的裂纹或损伤。材料力学中常用术语应力内部力作用在单位面积上的大小,描述物体内部受力的程度。应变物体在受力作用下发生的形状和大小的变化,用来描述物体的变形程度。力学参数描述材料力学性能的一些重要物理量,如杨氏模量、泊松比等。受力类型物体所受力的不同形式,如拉力、压力、剪力、扭矩等。案例分析与讨论1桥梁设计讨论一座公路桥梁的结构设计,包括材料选择、力学分析和抗震性能等方面。2飞机机身分析民用客机机身的材