工学材料力学课件

材料力学课件本课件将深入探讨材料力学的基础知识，帮助你掌握各种材料的力学性能，并了解如何运用这些知识解决实际工程问题。课程简介目标帮助学生掌握材料力学的基本概念、原理和方法，为后续专业课程的学习奠定基础，并为今后从事工程设计、制造和研究工作提供必要的理论知识和技能。内容涵盖应力应变、轴向拉伸和压缩、扭转、弯曲、梁的弯曲、应力集中、稳定性、能量方法、断裂力学等内容。教学方法课堂讲授、习题练习、实验教学等多种方式相结合，注重理论联系实际，培养学生的实践能力。力的概念1定义力是物体之间的相互作用,力可以改变物体的运动状态或形状.2性质力具有大小和方向,是矢量,力的作用是相互的.3分类根据力的作用方式和性质,力可分为接触力和非接触力.力的表示力是矢量，具有大小和方向。力的大小可以用数值表示，力的方向可以用箭头表示。力的表示方法主要有以下几种：箭头表示法：用带箭头的线段表示力，箭头指向力的方向，线段长度表示力的大小。坐标系表示法：用坐标系表示力，力的方向用角度表示，力的大小用坐标值表示。解析式表示法：用解析式表示力，力的方向用方向余弦表示，力的大小用数值表示。力的分解平行四边形法则将力分解为两个相互垂直的分力，利用平行四边形法则进行分解。三角形法则利用三角形法则，将力分解为两个分力，应用正弦和余弦定理进行计算。投影法将力投影到坐标轴上，利用投影法得到力在各个方向上的分力。力的合成1平行力系所有力的作用线互相平行2汇交力系所有力的作用线相交于一点3一般力系既不平行也不汇交平衡条件静止平衡物体保持静止状态，即合力为零且合力矩为零。动态平衡物体以恒定速度运动，即合力为零且合力矩为零。材料的基本性质强度材料抵抗破坏的能力，反映材料承受载荷的能力。弹性材料在外力作用下发生变形，当外力消失后能恢复原来形状的能力。塑性材料在外力作用下发生永久变形而不发生断裂的能力。硬度材料抵抗压入或划痕的能力。应力和应变的定义应力材料内部抵抗外力作用的内力，通常用单位面积上的力来表示。应变材料在外力作用下发生的形变，通常用形变量与原尺寸之比来表示。正应力和切应力正应力垂直于截面的内力，也称为法向应力。切应力平行于截面的内力，也称为剪应力。应变与位移的关系1应变定义材料在外力作用下，其尺寸或形状发生变化，称为应变。2位移定义材料在外力作用下，其位置发生变化，称为位移。3关系应变是位移变化量的度量，通常用位移变化量与原尺寸的比值表示。弹性模量和泊松比弹性模量材料抵抗形变的能力。泊松比材料横向变形与轴向变形之比。应力-应变关系材料的应力-应变关系描述了材料在受力时其应力和应变之间的关系。它反映了材料的机械性能，如弹性、塑性、强度等。应力-应变关系通常通过实验测试获得，并可以用曲线表示。曲线上的点代表材料在不同载荷下的应力和应变状态。轴向受力1应力计算计算拉伸或压缩应力2变形分析确定杆件的伸长或缩短3强度校核判断杆件是否能承受外力扭转扭矩扭矩是作用于物体上的力矩，它使物体绕其轴线旋转。剪应力扭转时，物体内部产生剪应力，大小与扭矩成正比。扭转角扭转角是物体在扭转作用下产生的角位移。扭转强度扭转强度是指物体在扭转作用下所能承受的最大扭矩。弯曲1弯曲应力弯曲时，材料内部产生正应力和切应力2弯曲变形弯曲变形表现为梁的弯曲和挠度3弯曲强度材料抵抗弯曲破坏的能力复合应力状态多元化应力材料同时承受正应力和切应力，这种状态称为复合应力状态。复杂性分析复合应力状态的分析相对复杂，需要考虑应力的相互影响。典型应用常见的复合应力状态包括弯曲、扭转和剪切，广泛存在于工程结构中。应力集中几何形状的影响孔洞、缺口、尖角等几何形状会导致应力集中，使应力在这些区域显著增大。强度降低应力集中会降低材料的抗拉强度，甚至导致裂纹的产生，进而引发材料的断裂。设计考虑在设计时，应尽量避免应力集中，例如采用圆角过渡、优化结构等方法。柱体的稳定性轴向压力柱体在轴向压力作用下可能会失去稳定性，发生弯曲变形。临界压力临界压力是指使柱体发生失稳的最小压力值，可以通过公式计算。影响因素柱体的长度、截面形状、材料特性等因素都会影响其稳定性。能量方法功-能原理通过功和能的相互转化关系求解结构的变形和内力。势能方法利用势能的概念分析结构的稳定性和临界载荷。应变能法根据应变能的概念分析结构的变形和应力分布。虚功原理1基本概念在力学系统中，虚位移是系统在受力状态下可能发生的微小位移，但并不一定实际发生。2虚功定义虚功是指外力在虚位移上所做的功。3原理内容当一个力学系统处于平衡状态时，系统上所有外力在任何虚位移上所做的功之和为零。极限分析强度极限材料在抵抗外力作用下发生破坏时的应力值屈服极限材料开始发生永久变形时的应力值塑性极限材料在发生永久变形后仍然能够承受的应力值塑性变形永久变形塑性变形指的是材料在受到外力作用后发生永久变形，即使外力移除后，变形也不会恢复。应力-应变曲线塑性变形发生在材料的屈服点之后，应力-应变曲线不再是线性的，而是呈非线性。冷加工冷加工是在室温下进行的塑性变形，可以提高材料的强度和硬度，但也可能导致材料变脆。热加工热加工是在高温下进行的塑性变形，可以改善材料的塑性和韧性，并减小材料的内应力。断裂力学基础裂纹扩展研究裂纹在应力作用下的扩展行为，包括裂纹尖端应力场和裂纹扩展条件。应力强度因子用来描述裂纹尖端应力场的特征参数，用于评估裂纹扩展的风险。断裂韧性材料抵抗裂纹扩展的能力，反映了材料的抗断裂性能。疲劳与断裂疲劳材料在反复荷载作用下，在低于材料屈服极限的应力水平下发生的断裂现象。断裂材料在静态荷载作用下，当应力达到材料的断裂强度时发生的断裂现象。软件应用举例常用的材料力学分析软件可以帮助工程师进行结构设计和分析。例如，ANSYS、ABAQUS和SolidWorks等软件能够进行有限元分析，模拟材料的力学行为，并预测结构的强度、刚度和稳定性。实验测试方法1拉伸试验材料抗拉强度2压缩试验材料抗压强度3弯曲试验材料抗弯强度4扭转试验材料抗扭强度5冲击试验材料韧性案例分析桥梁分析桥梁结构在承受交通荷载和风荷载下的应力分布和变形情况。考虑桥梁材料的强度和刚度，评估桥梁的安全性和耐久性。建筑分析建筑结构在地震荷载和风荷载下的应力分布和变形情况。考虑建筑材料的强度和刚度，评估建筑的安全性和耐久性。机械分析机械零件在工作状态下的应力分布和变形情况。考虑材料的疲劳特性，评估零件的寿命和可靠性。课程小结重点内容回顾从力的概念到材料力学基础，回顾课程的关键知识点。应用领域介绍了解材料力学在工程实践中的应用，如桥梁、建筑、机械设计等。未来展望展望材料力学未来发展趋势，包括新材料、计算力学等领域。考核方式1课堂测验课堂测验主要考察学生对知识点的掌握程度。2作业练习作业练习旨在巩固课堂所学知识，并培养学