《材料力学基础》课件

《材料力学基础》课程导言本课程介绍材料力学的基础知识，包括材料的力学性能、应力应变分析、强度理论和稳定性分析。通过本课程的学习，学生将掌握材料力学的基本概念和方法，为后续专业课程的学习打下坚实基础。力学基础概述1静力学研究物体在力的作用下处于静止状态或匀速直线运动状态的力学分支，是材料力学的理论基础。2运动学研究物体的运动规律，不考虑物体运动的原因，即不考虑力的作用，是材料力学的基础理论。3动力学研究物体在力的作用下的运动规律，是材料力学的理论基础。4材料力学研究材料在各种外力作用下的强度、刚度、稳定性和变形等力学性能。重要物理量与单位材料力学是研究材料在各种外力作用下产生的变形和破坏规律的学科。该课程涉及许多重要物理量，了解其定义和单位至关重要。1长度米（m）2质量千克（kg）3时间秒（s）4力牛顿（N）力的概念与分类力的定义力是物体之间的相互作用，它可以使物体发生形变或改变运动状态。力的分类根据力的性质和作用方式可以分为：重力、弹力、摩擦力、压力、浮力、电磁力等。力的合成与分解1力的合成多个力共同作用于同一物体上，将这些力合成为一个合力，合力产生的效果等效于多个力的共同效果。2平行四边形法则将两个力作为平行四边形的两条边，合力为以这两个力为邻边的平行四边形的对角线。3力的分解将一个力分解为两个或多个分力，分力共同作用于物体上，其效果等效于原力。力的平衡条件静力平衡当物体处于静止状态时，它受到的合力为零。动态平衡当物体处于匀速直线运动状态时，它受到的合力为零。平衡条件公式∑F=0，其中F表示作用于物体上的所有力。力的平衡应用力的平衡应用是材料力学中的重要组成部分，在工程设计中应用广泛，例如桥梁、建筑物等结构的设计，需要考虑所有外力作用下，结构的平衡状态。力的平衡应用可以保证结构的稳定性，避免结构因外力作用而发生破坏或坍塌。应力概念应力定义应力是指物体内部各部分之间相互作用力的度量，反映了物体抵抗外力的能力。应力单位应力的单位通常为帕斯卡(Pa)或牛顿每平方米(N/m²)。应力类型常见的应力类型包括拉伸应力、压缩应力、剪切应力、弯曲应力和扭转应力。拉压应力分析定义拉压应力是指作用于物体横截面上的正应力，其方向与横截面垂直。计算拉压应力可以用公式σ=F/A计算，其中F是作用力，A是横截面积。影响因素拉压应力的大小与作用力的大小和横截面积的大小有关。它还受到材料的弹性模量的影响。应用拉压应力分析在结构设计和分析中至关重要，它有助于预测材料在拉伸和压缩载荷下的性能。剪应力分析1定义物体发生剪切变形时，其内部所产生的内力。2公式剪应力=剪切力/作用面积。3计算根据剪切力方向和作用面积计算。剪应力是材料力学中的重要概念，在分析结构的承载能力和强度方面具有重要意义。弯曲应力分析弯曲应力是指物体在弯曲载荷作用下产生的内力，导致横截面上出现正应力。正应力是指垂直于横截面的应力，分为拉伸应力和压缩应力。1弯曲应力计算公式：σ=My/I，其中M为弯矩，y为距离中性轴的距离，I为截面惯性矩2弯曲应力分布弯曲应力在横截面上呈线性分布，最大值位于最外层，最小值位于中性轴3影响因素弯曲应力的大小取决于弯矩、材料的弹性模量和截面形状扭转应力分析1扭矩概念扭转应力由扭矩产生2剪应力计算扭矩与极惯性矩相关3最大应力发生在圆轴表面扭转应力分析是材料力学的重要内容，用于研究杆件在扭矩作用下的变形和失效。扭转应力分析需要计算杆件的扭矩、剪应力和最大应力，以确定杆件是否安全。组合应力分析实际工程中，构件往往同时承受多种应力，例如拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转。这些应力的叠加会形成更复杂的应力状态，需要进行组合应力分析。1组合应力多种应力共同作用2最大应力确定结构最危险点3强度判别依据强度理论判断安全4安全设计确保结构安全可靠性组合应力分析是材料力学中的重要内容，它能有效地预测结构在复杂受力条件下的失效模式，为工程结构设计提供可靠的理论依据。应变概念应变是指物体在外力作用下，形状或尺寸发生改变的程度。应变的定义是材料在受力后产生的变形量与原尺寸的比值。应变是材料力学中的重要概念，用于描述材料的变形特性。材料力学基本假设连续性假设材料内部无空隙，连续分布。忽略微观结构，视为连续体。各向同性假设材料各方向力学性能一致。适用于大多数工程材料。小变形假设变形量远小于构件尺寸。简化应力应变关系分析。线性弹性假设应力与应变成线性关系。适用于大多数工程材料在弹性范围内。拉压应变分析应变定义应变是指物体在受力后，尺寸发生变化的程度。它反映了物体形变的大小。拉伸应变拉伸应变是指物体在受拉力后，长度增加的程度。压缩应变压缩应变是指物体在受压力后，长度缩短的程度。应变计算拉压应变的计算公式为：应变=(变形量)/(原尺寸)。弯曲应变分析1横向应变横截面尺寸变化，反映材料在外力作用下的变形程度。2纵向应变杆件轴线方向的变形，体现了材料在弯曲时的拉伸或压缩情况。3剪切应变杆件横截面上不同层的相对滑动，反映了材料在弯曲时的剪切变形情况。扭转应变分析1切应变材料截面上的切应变2扭转角杆件在扭转作用下，横截面之间发生的相对转角3应变计算根据切应变和扭转角计算杆件的扭转应变扭转应变分析是材料力学的重要内容之一，用于研究杆件在扭转力作用下的变形特性。组合应变分析应变叠加原理组合应变由多种应力产生的变形叠加而成，例如拉伸和弯曲、扭转和剪切等。应变分量计算根据应变叠加原理，可分别计算每个应力引起的应变分量，再进行叠加得到总应变。应变分量关系应变分量之间存在一定的关系，例如剪切应变与正应变之间存在特定关系。应变分析应用组合应变分析有助于理解结构在复杂载荷作用下的变形行为，为安全设计提供依据。应力与应变关系胡克定律应力与应变成正比，比例系数称为弹性模量。弹性阶段材料在应力去除后可以恢复原始形状，应力与应变呈线性关系。屈服阶段材料发生塑性变形，应力不再与应变呈线性关系，出现屈服现象。强化阶段材料继续发生塑性变形，应力随应变的增加而增大，直到达到材料的抗拉强度。材料性能分类弹性材料承受外力后能恢复原状塑性材料承受外力后发生永久变形脆性材料承受外力后易发生断裂韧性材料承受外力后能吸收大量能量拉伸试验与力学性能指标拉伸试验是材料力学中最基础的试验之一，也是材料力学性能分析中必不可少的一部分。通过拉伸试验可以得到材料的许多重要性能指标，如屈服强度、抗拉强度、伸长率等。1试样准备标准尺寸试样2加载过程均匀拉伸加载3数据采集应力应变曲线4性能指标屈服强度、抗拉强度、伸长率拉伸试验的具体步骤包括试样准备、加载过程、数据采集和性能指标分析。通过对试验数据的分析，可以评估材料的强度、塑性和韧性等性能，为材料的合理选择和应用提供依据。压缩试验与力学性能指标1试验目的通过压缩试验，测定材料在受压状态下的力学性能，评估材料的抗压强度和压缩模量，为结构设计提供依据。2试验步骤将试样放置在万能试验机上，施加垂直于试样截面的压力，记录试样在不同荷载下的变形情况，最终测定材料的抗压强度和压缩模量。3力学指标抗压强度是指材料在破坏前所能承受的最大压应力；压缩模量反映材料在弹性范围内应力与应变之间的关系，表征材料的刚度。剪切试验与力学性能指标1剪切试验剪切试验是材料力学中的一种重要试验方法。它主要用于测试材料在剪切载荷作用下的力学性能。2剪切强度剪切强度是指材料在剪切破坏前所能承受的最大剪应力。剪切强度是材料抵抗剪切破坏能力的重要指标。3剪切模量剪切模量是衡量材料在剪切变形下抵抗形变的能力。它是材料的弹性常数之一。弯曲试验与力学性能指标实验原理弯曲试验用于评估材料承受弯曲载荷的能力。通过测量材料在弯曲状态下的变形和断裂情况，可以确定材料的弯曲强度、弯曲模量等力学性能指标。实验方法实验过程中，将试样固定在测试仪器上，并施加弯曲力，通过传感器测量试样的变形和断裂情况。弯曲试验可以分为三点弯曲试验和四点弯曲试验，根据实验需求选择不同的实验方法。力学性能指标弯曲试验可以得到材料的弯曲强度、弯曲模量、弯曲屈服强度等力学性能指标，这些指标反映了材料在弯曲载荷下的抵抗能力，是材料力学性能的重要参数。应用领域弯曲试验广泛应用于各种材料的性能测试，例如金属材料、塑料材料、陶瓷材料等，用于评估材料在弯曲载荷下的性能，并根据测试结果进行材料选择和产品设计。扭转试验与力学性能指标1扭转试验测量材料在扭转载荷下的力学性能2扭转强度材料在扭转破坏时的最大应力3扭转刚度材料抵抗扭转变形的能力4扭转韧性材料在扭转破坏前吸收的能量扭转试验通过施加扭矩来测试材料的力学性能，并计算出材料的扭转强度、扭转刚度和扭转韧性等指标。材料强度理论11.屈服强度理论材料在达到屈服点之前，能够承受的最大应力。它反映了材料在塑性变形前抵抗破坏的能力。22.极限强度理论材料在断裂前能够承受的最大应力。它反映了材料在断裂前抵抗破坏的能力。33.疲劳强度理论材料在反复加载下，抵抗疲劳断裂的能力。它反映了材料在循环载荷下抵抗破坏的能力。44.冲击强度理论材料在冲击载荷下抵抗破坏的能力。它反映了材料在突然载荷下抵抗破坏的能力。安全因子与设计原则安全因子安全因子是指材料的强度极限与实际工作应力之比。选择安全因子，需要综合考虑材料的强度、工作环境、使用寿命等因素。设计原则结构设计需要遵循一定的原则，以确保安全可靠。例如，应力不超过材料的屈服极限，结构具有足够的刚度和稳定性。设计规范设计规范是国家或行业制定的标准，对结构的设计参数、材料选择、施工工艺等进行规范，以确保结构的安全和质量。应力集中现象分析应力集中定义应力集中是指在结构中由于形状突变或存在缺陷，导致局部应力显著高于平均应力。常见应力集中区域包括孔洞边缘、缺口、螺纹、焊接部位等。影响因素应力集中程度受结构形状、材料性质、载荷类型等因素影响。形状越尖锐、缺陷越大，应力集中程度越高。危害应力集中会导致局部强度降低，加速疲劳破坏，甚至引发脆性断裂。减轻措施通过改变结构形状、优化设计，以及使用高韧性材料可以减轻应力集中。采用圆角设计、增加过渡圆角、使用应力集中系数等方法可以有效降低局部应力。疲劳失效分析1循环载荷在反复或交变载荷作用下，材料会产生疲劳现象，最终导致断裂。2应力集中材料内部存在的应力集中区域更