材料力学

文章目录

  • 第一章 绪论
    • 1.1 材料力学的基本任务
      • 1、研究对象
      • 2、研究内容
    • 1.2 材料力学的基本假设
      • 一、基本假设
      • 二、小变形问题
      • 三、四种基本变形
  • 第二章 轴向拉伸和压缩
    • 2.1 轴向拉伸和压缩的概念
    • 2.2 轴力和轴力图
      • 例、求阶梯状杆件各段受力
      • 轴力图的画法
      • 轴力的符号规定
      • 关于轴力图的讨论
    • 2.3 拉(压)杆的应力
      • 1. 应力的概念
      • 2. 拉(压)杆截面上的应力
      • 3、应力公式的适用条件
    • 2.4 许用应力和强度条件【研究强度】
      • 强度条件
      • 例1 强度校核问题(验证强度公式是否成立)
      • 例2 截面设计问题(设计杆的直径)
      • 例3 计算许用荷载问题(较复杂)
    • 2.5 拉(压)杆的变形【研究刚度】
      • 拉(压)杆的纵向变形——拉压胡克定律
      • 例1 仅有集中力杆件的变形量
      • 例2 有均布力杆件的变形量
      • 例3 胡克定律+节点位移的几何关系
      • 线应变
      • 拉(压)杆的横向变形
      • 小结
    • 2.6 材料的在拉伸和压缩时的力学性能
      • 一、材料的拉伸和压缩试验
      • 二、低碳钢试样的拉伸图及低碳钢的力学性能
      • 三、金属材料在压缩时的力学性能
      • 四、安全系数与许用应力
      • 五、小结
  • 第三章 扭转
    • 3.1 概述
    • 3.2 扭矩和扭矩图
    • 3.3 等直圆杆扭转时的应力
    • 3.4 等直圆杆扭转时的变形
    • 3.5 等直非圆杆的自由扭转
    • 3.6 材料力学的特殊意义
  • 第四章 截面的几何性质
  • 第五章 梁弯曲时的位移
  • 第六章 简单的超静定问题
  • 第七章 应力状态和强度理论
  • 第八章 组合变形
  • 第九章 压杆稳定
  • 第十章 能量法
  • 第十一章 动载荷和交变应力

第一章 绪论

1.1 材料力学的基本任务

1、研究对象

变形固体→构件→杆件(细长)

2、研究内容

1)强度:抵抗破坏的能力

破坏:断裂、明显的塑形变形
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2)刚度:抵抗变形的能力

变形:明显的弹性变形
材料力学_第1张图片

3)稳定性:保持稳定的平衡状态的能力

材料力学_第2张图片

1.2 材料力学的基本假设

一、基本假设

  1. 连续性假设:材料是连续分布的
  2. 均匀性假设:材料是均匀分布的
  3. 各向同性假设:材料在各个方向的力学性能相同

二、小变形问题

  1. 要研究变形,计算变形
  2. 变形与构件的原始尺寸相比很小

三、四种基本变形

构件千变万化,分成若干大类,按照形状、材料分,数不清
基本变形:拉压、弯、剪、扭

  1. 拉压
  2. 扭转
  3. 弯曲
  4. 剪切

第二章 轴向拉伸和压缩

2.1 轴向拉伸和压缩的概念

  • 变形特点:轴线方向伸长或缩短,横向缩短或伸长
  • 几何形状:等直杆

区分是否是等直杆:
(1)不是,因为等直杆必须是笔直的
材料力学_第3张图片
(2)是,横截面的形状和尺寸不变,可以分段等直
材料力学_第4张图片

  • 受力特点:外力(或其合力)的作用线与轴线重合

拉压变形的判断:
材料力学_第5张图片

2.2 轴力和轴力图

例、求阶梯状杆件各段受力

材料力学_第6张图片
材料力学_第7张图片
注:轴力用FN表示
材料力学_第8张图片
注:FN2的大小与内力的位置有关
材料力学_第9张图片

轴力图的画法

材料力学_第10张图片

实际过程中,在 l 处并不是突变的过程,而是一个渐变的过程。之所以出现这种情况是因为:集中力作用在一点是理想化的

轴力的符号规定

受拉为正,受压为负

注:只有内力有正负之分,外力没有正负

关于轴力图的讨论

A. 没有载荷作用的区段,轴力图为水平线
B. 在集中力作用截面上,轴力图发生突变,且突变的幅度为在该截面上集中力的代数和
C. 均布载荷作用的区段,轴力图为斜直线
D. 计算截面不应取在集中力作用截面上
E. 荷载不能平移

本节小结

  1. 轴力的概念
  2. 轴力的计算方法
  3. 画轴力图的约定和规律

2.3 拉(压)杆的应力

1. 应力的概念

材料力学_第11张图片

正应力:垂直于横截面,将轴力均分给横截面上的所有点

2. 拉(压)杆截面上的应力

做实验
材料力学_第12张图片
平面假设
原为平面的横截面在杆变形后仍为平面,且仍垂直于轴线
重要推论
横截面上每根纵向纤维的变形相同
横截面上每个点的受力相同,应力均匀分布
应力的计算公式
材料力学_第13张图片
应力的单位
在这里插入图片描述
例2-1
材料力学_第14张图片
故最大的工作应力是1.10MPa
注意:F的单位化成N,A的单位化成mm2,则正应力的单位就是MPa

3、应力公式的适用条件

  1. 拉压变形的平面假设成立
  2. 在集中荷载作用区附近和截面发生剧烈变化的区域,横截面上的应力情况复杂,σ=FN/A不再正确 (应力集中不适用,计算时不做考虑)
  3. 对工程中大多数横截面形状都适用,但对于平面截面假设不成立的某些特定截面,应力公式不成立

问:如何缓解这种应力集中现象呢?
答:将集中力等价成均布的分布力

问:那么等价的分布力的影响区域有多大呢?
答:圣维南原理:力作用于杆端的方式不同,只会使与杆端距离不大于杆的横向尺寸的范围内受到影响

问:除了集中力会出现应力集中现象,还有哪些情况?怎么缓解?
答:① 变截面,方法:加倒角 ; ② 打孔处,方法:打圆孔,不要打尖锐的孔
材料力学_第15张图片

以后遇到,这两个公式可以直接用

2.4 许用应力和强度条件【研究强度】

强度条件

在这里插入图片描述

注意:

  1. 不等式左边是杆件最大的工作应力
  2. 不等式右边是材料的强度指标,也叫材料的许用正应力,是一种材料能够承受的最大正应力
  3. 特别地,如果是等直杆:
    在这里插入图片描述

例1 强度校核问题(验证强度公式是否成立)

材料力学_第16张图片
材料力学_第17张图片
材料力学_第18张图片

注意:

  1. 计算FAy和FBy利用对称载荷分布
  2. AC和BC是屋檐,受到分布力的作用,不是二力杆
  3. 正确选取分离体,受力分析,静平衡 (这是为数不多的材料力学中用到理论力学的知识)

思考题:
材料力学_第19张图片

例2 截面设计问题(设计杆的直径)

材料力学_第20张图片
材料力学_第21张图片

注意:

  1. 首先利用对称载荷分布
  2. 用截面法而不是节点法
  3. 特别注意单位的选用

例3 计算许用荷载问题(较复杂)

材料力学_第22张图片
材料力学_第23张图片

注意:

  1. 截面积要自己去查型钢表
  2. 度量单位的取用仍不变

问题:
若改变集中力F的方向仓,那么F的最大值是多少?
AB和AC杆都达到了最大的轴力,用平行四边形法则,当FN1和FN2的夹角为锐角时,F取得最大值
材料力学_第24张图片
思考题:
材料力学_第25张图片

2.5 拉(压)杆的变形【研究刚度】

拉(压)杆的纵向变形——拉压胡克定律

材料力学_第26张图片
拉压胡克定律
在这里插入图片描述

1.E是弹性模量,单位与应力相同,反映的是材料的软硬程度。E越小,纵向变形越大,E越大,纵向变形越小
2.EA是杆件的拉压刚度
3.E和EA对纵向变形的影响一致,但是E反映的是材料的性质,EA反映的是杆件的性质
4.计算长度l时,F、E、A必须都是常数
5.低碳钢(Q235)E=200~210GPa

例1 仅有集中力杆件的变形量

计算第一小问有两种方法
法一:(分段累加)
材料力学_第27张图片
材料力学_第28张图片

注意:

  1. 因为利用拉压胡克定律,F必须是常数,所以AC段必须分成AB和BC两段计算,运用分段累加的思想
  2. GPa化成MPa,乘以103
  3. Δl计算结果为正,说明受拉;计算结果为负,说明受压(用相对或者相向的箭头表示)

法二:(叠加法)
材料力学_第29张图片

注意:

  1. F受拉为正,受压为负
  2. 注意受力的长度

材料力学_第30张图片

说明:

  1. 小变形
  2. 变形和位移的区别:变形针对物体而言,是指形状的变化;位移是指位置的移动,针对点、截面、物体等,对于物体而言,必须没有变性,才能说物体的位移
  3. 物体有变形,一般物体上的点会有位移;物体没有变形,物体上的点不一定没有位移;物体上一点的位移为0,不一定变性为0

例2 有均布力杆件的变形量

材料力学_第31张图片

注意:

  1. 是压缩变形,面积为负面积
  2. 利用一次积分的几何意义,将积分运算简化为算数运算
    实际上,在遇到均布力时,变形量的计算公式为:
    在这里插入图片描述

例3 胡克定律+节点位移的几何关系

材料力学_第32张图片
材料力学_第33张图片
材料力学_第34张图片

线应变

材料力学_第35张图片
材料力学_第36张图片

注意:

  1. 计算线应变,也要像胡克定律求变形量一样,分开算,如果偏要一起算,算到的是平均线应变,意义不大
  2. 10-6 = με

拉(压)杆的横向变形

必须先求出纵向变形线应变
材料力学_第37张图片

ε‘是横向线应变
材料力学_第38张图片

材料力学_第39张图片

小结

(1)胡克定律,轴向变形和位移的计算
(2)胡克定律只能应用在线弹性阶段
(3)桁架节点位移的计算:作图法
(4)线应变,要弄清楚:正应变与轴力的联系和区别;线应变和变形量的联系和区别
(5)横向变形效应与横向变形的计算

2.6 材料的在拉伸和压缩时的力学性能

力学性能:材料受力时在强度和变形方面所表现出来的性能,取决于:内部结构和外部环境,本节讨论的是常温、静载、轴向拉压变形条件下的力学性能

一、材料的拉伸和压缩试验

材料力学_第40张图片

材料力学_第41张图片

二、低碳钢试样的拉伸图及低碳钢的力学性能

材料力学_第42张图片
材料力学_第43张图片

I. 弹性阶段OB
A点是比例极限σp,也就是OA两点之间,σ和ε成线性关系
B点是弹性极限σe,也就是OB之间的点,发生形变后,可以恢复
但是A点和B点很接近,一般看做是一点
E=σ/ε就是线段OA的斜率


II. 屈服阶段
应变显著增加,但应力基本不变
变形主要是塑形的
D点是屈服极限σs


III. 强化阶段
抵抗变形的能林有所增加
变形增加很快
G点是强度极限σb
强化阶段的卸载:卸载过程是直线
材料力学_第44张图片
强化阶段的再加载规律:再加载过程是直线
材料力学_第45张图片


IV. 破坏阶段
颈缩阶段、杯状断口
材料力学_第46张图片
材料力学_第47张图片
在这里插入图片描述

材料力学_第48张图片

三、金属材料在压缩时的力学性能

材料力学_第49张图片
材料力学_第50张图片
材料力学_第51张图片
在这里插入图片描述
材料力学_第52张图片

四、安全系数与许用应力

材料力学_第53张图片

五、小结

材料力学_第54张图片

第三章 扭转

3.1 概述

3.2 扭矩和扭矩图

3.3 等直圆杆扭转时的应力

3.4 等直圆杆扭转时的变形

3.5 等直非圆杆的自由扭转

3.6 材料力学的特殊意义

第四章 截面的几何性质

第五章 梁弯曲时的位移

第六章 简单的超静定问题

第七章 应力状态和强度理论

第八章 组合变形

第九章 压杆稳定

第十章 能量法

第十一章 动载荷和交变应力

你可能感兴趣的:(材料力学)