材料力学课件刘鸿文版

材料力学课件全套刘鸿文版材料力学是研究材料在各种外力作用下的力学性能和破坏规律的学科。它涉及弹性、塑性、强度、刚度、稳定性等方面的理论和应用。材料力学是机械、土木、航空航天等工程领域的重要基础学科之一。课程简介1材料力学机械工程和土木工程的必修课程2刘鸿文版经典教材，内容全面，讲解清晰3课程目标理解力学原理，分析结构行为4课程内容从基本概念到复杂结构的分析力的基本概念外力外力是由物体外部施加的力，例如推力、拉力、重力等。内力内力是指物体内部各部分之间的相互作用力，例如弹性力、摩擦力等。力的合成与分解多个力作用于同一个物体，可以将它们合成一个合力，也可以将合力分解成多个分力。力矩力矩是指力使物体绕轴旋转的趋势，大小等于力的大小乘以力臂的长度。应力基本概念应力定义应力是物体内部抵抗形变的内力，是作用于截面上的内力与截面面积之比。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)。应力类型应力可分为正应力和切应力。正应力垂直于截面作用，切应力平行于截面作用。应力分布应力在物体内部的分布并非均匀，而是受物体形状、载荷类型和边界条件的影响。应力分析1应力集中几何形状变化处2应力分布应力在截面上变化3应力计算根据外力求解应力4应力类型正应力、剪应力应力分析是材料力学的重要组成部分。它是对材料内部由于外力作用而产生的内力进行分析，以判断材料是否能够承受外力，并评估其可能发生的变形。在实际应用中，应力分析可以帮助工程师设计安全可靠的结构，避免材料失效。应力-应变关系1弹性阶段材料恢复原始形状2屈服阶段材料发生永久变形3强化阶段应力继续增加，材料变硬4颈缩阶段材料强度下降，最终断裂材料力学中，应力-应变曲线描述了材料在受力时的行为。不同材料有不同的应力-应变曲线，影响因素包括材料类型、温度、加载速度等。轴向载荷定义轴向载荷是指作用于杆件轴线方向上的力。它会导致杆件发生拉伸或压缩变形。应力分析轴向载荷引起的应力称为正应力，可以根据杆件的截面积和外力计算。变形分析轴向载荷引起的变形称为轴向变形，可以使用胡克定律计算。应用场景轴向载荷广泛应用于各种工程结构，例如桥梁、建筑物、机械等。扭转载荷1扭矩和扭转角扭矩是施加在物体上的旋转力矩，导致物体产生扭转角。2切应力扭转载荷在物体内部产生切应力，导致横截面上的剪切变形。3扭转强度材料在扭转载荷下的抵抗能力，取决于材料的剪切强度和截面的几何形状。弯曲载荷1弯曲应力弯曲载荷会引起横截面的弯曲应力。横截面上的弯曲应力分布不均匀，最大值出现在最外层纤维上。2弯曲变形弯曲载荷会导致横截面发生弯曲变形。这种变形被称为挠度，表示横截面中心线在载荷作用下产生的位移。3弯曲强度弯曲强度指的是材料在弯曲载荷作用下所能承受的最大应力，是衡量材料抵抗弯曲载荷能力的重要指标。复合应力状态定义当物体上存在两种或两种以上不同方向的应力时，称之为复合应力状态。复合应力状态是材料力学研究的重要内容之一，因为它可以帮助我们更准确地分析物体的强度和变形。类型常见的复合应力状态包括平面应力状态、平面应变状态、三向应力状态等。不同的复合应力状态对应不同的应力分析方法和变形计算公式。应用复合应力状态分析在许多工程领域都有重要的应用，例如桥梁、建筑、飞机、汽车等。通过分析复合应力状态，我们可以设计出更安全、更可靠的结构。变形基本定理该定理表明结构的变形与外力成正比，与结构的刚度成反比。该定理是结构分析中的基本原理之一，广泛应用于各种工程结构的设计和分析中。应用该定理可以计算出结构在特定载荷下的变形量，从而判断结构是否满足设计要求。静定结构位移分析1位移法基于力的平衡方程和几何关系，求解结构的位移和内力。2虚功原理将位移分析问题转化为求解虚功的方程。3能量法利用结构的能量原理，求解结构的位移和内力。静定结构位移分析是材料力学的重要内容之一，通过分析结构的位移和内力，可以评估结构的安全性，指导结构的设计和建造。力热应变分析温度变化材料温度变化会引起尺寸变化，产生热应变。热应变与温度变化和材料热膨胀系数有关。热应力当材料受热膨胀或收缩时，如果受到约束，就会产生热应力。热应力的大小取决于约束条件和材料的弹性模量。热应力分析分析热应力问题，需要考虑材料的热膨胀系数、约束条件、温度变化以及材料的弹性模量等因素。应力集中裂纹结构中存在的裂纹会使应力集中，从而导致材料的强度降低。孔洞结构中存在的孔洞或其他几何形状的突变也会导致应力集中。角结构中的尖角或锐角会使应力集中，从而降低材料的强度。断裂力学基础11.裂纹扩展裂纹扩展是指材料中裂纹尺寸逐渐增大的过程，是导致结构失效的重要原因。22.应力强度因子应力强度因子是表征材料断裂韧性的重要参数，它反映了材料在裂纹尖端承受的应力水平。33.断裂韧性断裂韧性是指材料抵抗裂纹扩展的能力，是评价材料抗断裂性能的重要指标。44.断裂力学应用断裂力学在工程实际中被广泛应用于材料选择、结构设计、安全评估等方面。疲劳与断裂疲劳材料在反复应力作用下，即使应力水平低于材料的屈服强度，也会发生断裂。疲劳破坏是结构失效的重要原因，占结构失效的90%以上。疲劳过程分为三个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和断裂。断裂材料在应力或应变的作用下，发生分离或断裂的过程称为断裂。断裂可分为脆性断裂和韧性断裂两种类型。脆性断裂的特点是断裂前无明显塑性变形，断裂面平整，断裂速度快。韧性断裂的特点是断裂前有明显塑性变形，断裂面粗糙，断裂速度慢。柱的稳定问题稳定性与失稳当柱子受到轴向压缩载荷时，会发生弯曲变形，最终可能导致失稳。临界载荷柱子所能承受的最大轴向压缩载荷称为临界载荷，超过临界载荷，柱子将发生失稳。细长比的影响柱子的细长比是指柱子长度与其横截面惯性半径的比值，细长比越大，临界载荷越低。薄壁构件应力与变形薄壁构件概念薄壁构件是指截面尺寸远小于长度的构件，如薄板、薄壳等。应力与变形特点薄壁构件的应力分布不均匀，存在弯曲应力和剪切应力，变形也较为复杂。分析方法薄壁构件的应力与变形分析常用薄壁理论、有限元方法等。应用薄壁构件广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域，具有重量轻、强度高的特点。结构设计总论结构类型介绍不同类型的结构，例如梁、柱、拱、壳、桁架等，并分析它们的优缺点和应用场景。设计原则探讨结构设计的基本原则，包括安全性、适用性、经济性、美观性、可施工性等方面的考虑。设计方法介绍结构设计的常用方法，例如极限状态设计法、工作状态设计法、可靠度设计法等，并比较它们的适用范围和优缺点。强度理论强度理论概述强度理论研究结构或材料在各种载荷作用下，发生失效或破坏时的极限状态。强度理论用于确定材料或结构的承载能力，评估其安全性。常见强度理论最大拉应力理论最大剪应力理论能量理论屈服准则理论塑性屈服准则屈服强度材料开始发生塑性变形时的应力值。该值反映材料抵抗永久变形的强度。屈服准则用于预测材料在复杂应力状态下的屈服行为。常用的屈服准则包括最大剪应力准则、最大应变能准则和冯·米塞斯准则。应用塑性屈服准则广泛应用于结构设计、材料分析和失效预测，确保材料在承受载荷时不会发生永久变形。限制设计1安全系数将材料强度除以实际工作应力，以确保结构安全。2工作应力设计允许的应力，不得超过材料的屈服强度。3疲劳强度考虑结构在重复载荷下的耐久性，确保结构不会因疲劳失效。4稳定性考虑结构在载荷作用下保持稳定的能力，确保结构不会发生失稳。工程材料力学性能金属材料金属材料具有较高的强度、韧性、塑性和良好的导电性，适用于各种结构件、零件和工具等。陶瓷材料陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、绝缘性能优异的特点，广泛应用于建筑、电子、航空航天等领域。复合材料复合材料由两种或多种材料组成，通过不同的组合方式，可以获得优异的综合性能，例如高强度、高刚度、耐高温等。聚合物材料聚合物材料具有轻质、易加工、可塑性强、成本低廉等特点，广泛应用于包装、建筑、汽车等领域。材料失效模式脆性断裂材料在没有明显塑性变形的情况下突然断裂。这种失效模式通常发生在应力集中区域或存在裂纹的情况下。韧性断裂材料在断裂前出现明显的塑性变形。这种失效模式通常发生在拉伸载荷下，材料会发生颈缩，然后断裂。疲劳断裂材料在反复载荷下，即使载荷低于材料的屈服强度，也会发生断裂。疲劳断裂通常发生在应力集中区域，并形成裂纹。蠕变断裂材料在高温和长期载荷下，会发生缓慢的变形，最终导致断裂。蠕变断裂通常发生在高温部件，如涡轮叶片。材料选择与设计性能需求根据工程应用需求，确定材料的强度、刚度、韧性、疲劳强度等性能指标。成本考量选择经济实惠的材料，并考虑材料的加工成本、运输成本等。环境因素考虑材料的耐腐蚀性、耐高温性、耐低温性等，确保材料能够在实际环境中正常工作。可持续性优先考虑可回收、可再生、环保的材料，减少对环境的影响。机构与设备设计中的应用11.结构设计材料力学可以预测机构和设备的承载能力和强度，从而优化结构设计。22.优化设计通过对机构和设备进行应力分析，找出薄弱环节，进行优化设计，提高安全性和可靠性。33.疲劳分析利用材料力学理论，评估机构和设备的疲劳寿命，防止因疲劳失效造成的意外。44.故障诊断根据机构和设备的变形情况，判断故障类型，并进行维修或更换。钢结构设计结构分析钢结构设计需考虑多种因素，例如材料强度、荷载类型以及结构稳定性。建造技术钢结构的建造工艺，包括焊接、螺栓连接以及防腐处理等，对结构的性能和寿命有重要影响。抗震设计钢结构在高层建筑和桥梁等工程中具有较高的抗震性能。应用领域钢结构广泛应用于建筑、桥梁、工业厂房等领域。混凝土结构设计材料性能混凝土是一种复合材料，其强度和耐久性取决于原材料的质量、配比和施工工艺。结构类型混凝土结构可用于各种建筑类型，包括桥梁、房屋、办公楼和基础设施。设计原则混凝土结构设计遵循强度、刚度、稳定性和耐久性等原则，以确保安全和可靠性。复合材料设计纤维增强复合材料例如碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料，具有高强度、轻量化的特点，广泛应用于航空航天、汽车等领域。颗粒增强复合材料例如金属基复合材料、陶瓷基复合材料，具有良好的耐磨性、耐高温性能，应用于发动机、工具等领域。层状复合材料例如夹层板、蜂窝板，具有高强度、高刚度、轻量化的特点，应用于建筑、航空等