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材料力学

 

   

材料力学 (基础学科)

材料力学(mechanics of materials)是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。一般是机械工程和土木工程以及相关专业的大学生必须修读的课程,学习材料力学一般要求学生先修高等数学和理论力学。材料力学与理论力学、结构力学并称三大力学。材料力学的研究对象主要是棒状材料,如杆、梁、轴等。对于桁架结构的问题在结构力学中讨论,板壳结构的问题在弹性力学中讨论。

 

中文名

    材料力学

 

外文名

    mechanics of materials

 

目录

 

    1 定义

    2 研究内容

    3 学科任务

    4 基本假设

    5 大事记

    成为独立学科

    梁的弯曲问题

    杆件扭转问题

    压杆稳定问题

 

定义

固体力学的一个分支,研究结构构件和机械零件承载能力的基础学科。其基本任务是:将工程结构和机械中的简单构件简化为一维杆件,计算杆中的应力、变形并研究杆的稳定性,以保证结构能承受预定的载荷;选择适当的材料、截面形状和尺寸,以便设计出既安全又经济的结构构件和机械零件。

在结构承受载荷或机械传递运动时,为保证各构件或机械零件能正常工作,构件和零件必须符合如下要求:①不发生断裂,即具有足够的强度;②构件所产生的弹性变形应不超出工程上允许的范围,即具有足够的刚度;③在原有形状下的平衡应是稳定平衡,也就是构件不会失去稳定性。对强度、刚度和稳定性这三方面的要求,有时统称为“强度要求”,而材料力学在这三方面对构件所进行的计算和试验,统称为强度计算和强度试验。

为了确保设计安全,通常要求多用材料和用高质量材料;而为了使设计符合经济原则,又要求少用材料和用廉价材料。材料力学的目的之一就在于为合理地解决这一矛盾,为实现既安全又经济的设计提供理论依据和计算方法。

研究内容

在人们运用材料进行建筑、工业生产的过程中,需要对材料的实际承受能力和内部变化进行研究,这就催生了材料力学。运用材料力学知识可以分析材料的强度、刚度和稳定性。材料力学还用于机械设计使材料在相同的强度下可以减少材料用量,优化结构设计,以达到降低成本、减轻重量等目的。

在材料力学中,将研究对象被看作均匀、连续且具有各向同性的线性弹性物体。但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料,所以须要各种理论与实际方法对材料进行实验比较。

材料力学的研究内容包括两大部分:一部分是材料的力学性能(或称机械性能)的研究,材料的力学性能参量不仅可用于材料力学的计算,而且也是固体力学其他分支的计算中必不可缺少的依据;另一部分是对杆件进行力学分析。杆件按受力和变形可分为拉杆、压杆(见柱和拱)、受弯曲(有时还应考虑剪切)的梁和受扭转的轴等几大类。杆中的内力有轴力、剪力、弯矩和扭矩。杆的变形可分为伸长、缩短、挠曲和扭转。在处理具体的杆件问题时,根据材料性质和变形情况的不同,可将问题分为三类:

①线弹性问题。在杆变形很小,而且材料服从胡克定律的前提下,对杆列出的所有方程都是线性方程,相应的问题就称为线性问题。对这类问题可使用叠加原理,即为求杆件在多种外力共同作用下的变形(或内力),可先分别求出各外力单独作用下杆件的变形(或内力),然后将这些变形(或内力)叠加,从而得到最终结果。

②几何非线性问题。若杆件变形较大,就不能在原有几何形状的基础上分析力的平衡,而应在变形后的几何形状的基础上进行分析。这样,力和变形之间就会出现非线性关系,这类问题称为几何非线性问题。

③物理非线性问题。在这类问题中,材料内的变形和内力之间(如应变和应力之间)不满足线性关系,即材料不服从胡克定律。在几何非线性问题和物理非线性问题中,叠加原理失效。解决这类问题可利用卡氏第一定理、克罗蒂-恩盖塞定理或采用单位载荷法等。

在许多工程结构中,杆件往往在复杂载荷的作用或复杂环境的影响下发生破坏。例如,杆件在交变载荷作用下发生疲劳破坏,在高温恒载条件下因蠕变而破坏,或受高速动载荷的冲击而破坏等。这些破坏是使机械和工程结构丧失工作能力的主要原因。所以,材料力学还研究材料的疲劳性能、蠕变性能和冲击性能。

学科任务

1. 研究材料在外力作用下破坏的规律 ;

2. 为受力构件提供强度,刚度和稳定性计算的理论基础条件;

3. 解决结构设计安全可靠与经济合理的矛盾。

基本假设

1、连续性假设——组成固体的物质内毫无空隙地充满了固体的体积:

2、均匀性假设——在固体内任何部分力学性能完全一样:

3、各向同性假设——材料沿各个不同方向力学性能均相同:

在材料力学中,将研究对象被看作均匀、连续且具有各向同性的线性弹性物体,但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料,所以须要各种理论与实际方法对材料进行实验比较。材料在机构中会受到拉伸或压缩、弯曲、剪切、扭转及其组合等变形。根据胡克定律(Hooke's law),在弹性限度内,材料的应力与应变成线性关系。

大事记

成为独立学科

通常认为,意大利科学家伽利略(Galileo)《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》—书的发表(1638年)是材料力学开始形成一门独立学科的标志。在该书中这位科学巨匠尝试用科学的解析方法确定构件的尺寸,讨论的第—问题是直杆轴向拉伸问题,得到承载能力与横截面积成正比而与长度无关的正确结论。

梁的弯曲问题

在《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》一书中,伽利略讨论的第二个问题是梁的弯曲强度问题。按今天的科学结论,当时作者所得的弯曲正应力公式并不完全正确,但该公式已反映了矩形截面梁的承载能力和bh(b、h分别为截面的宽度和高度)成正比,圆截面梁承载能力和d(d为横截面直径)成正比的正确结论。对于空心梁承载能力的叙述则更为精彩,他说,空心梁“能大大提高强度而无需增加重量,所以在技术上得到广泛的应用。在自然界就更为普遍了。这样的例子在鸟类的骨骼和各种芦苇中可以看到,它们既轻巧,而又对弯曲和断裂具有相当高的抵抗能力”。

梁在弯曲变形时,沿长度方向的纤维中有一层既不伸长也不缩短者,称为中性层。早在1620年荷兰物理学家和力学家比克门(Beeckman I)发现,梁弯曲时一侧纤维伸长、另一侧纤维缩短,必然存在既不伸长也不缩短的中性层。英国科学家胡克(Hooke R)于1678年也阐述了同样的现象,但他们都没有述及中性层位置问题。首先论及中性层位置的是法国科学家马略特(Mariotte E, 1680年)。其后莱布尼兹(Leibniz G W)、雅科布·伯努利(Jakob Bernoulli,1694)、伐里农(Varignon D, 1702年)等人及其他学者的研究工作尽管都涉及了这一问题,但都没有得出正确的结论。18世纪初,法国学者帕伦(Parent A)对这一问题的研究取得了突破性的进展。直到1826年纳维(Navier,C. -L. -M. -H)才在他的材料力学讲义中给出正确的结论:中性层过横截面的形心。

平截面假设是材料力学计算理论的重要基础之一。雅科布·伯努利于1695年提出了梁弯曲的平截面假设,由此可以证明梁(中性层)的曲率和弯矩成正比。此外他还得到了梁的挠曲线微分方程。但由于没有采用曲率的简化式,且当时尚无弹性模量的定量结果,致使该理论并没有得到广泛的应用。

梁的变形计算问题,早在13世纪纳莫尔(Nemore J de)已经提出,此后雅科布·伯努利、丹尼尔·伯努利(Daniel Bernoulli)、欧拉(Euler L)等人都曾经研究过这一问题。1826年纳维在他材料力学讲义中得出了正确的挠曲线微分方程式及梁的弯曲强度的正确公式,为梁的变形与强度计算问题奠定了正确的理论基础。

俄罗斯铁路工程师儒拉夫斯基(ЖуравскийДИ)于1855年得到横力弯曲时的切应力公式。30年后,他的同胞别斯帕罗夫(ВеспаловД)开始使用弯矩图,被认为是历史上第一个使用弯矩图的人。

杆件扭转问题

对于圆轴扭转问题,可以认为法国科学家库仑(Coulomb C A de)分别于1777年和1784年发表的两篇论文是具有开创意义的工作。其后英国科学家杨(Young T)在1807年得到了横截面上切应力与到轴心距离成正比的正确结论。此后,法国力学家圣维南(Saint-Venant B de)于19世纪中叶运用弹性力学方法奠定了柱体扭转理论研究的基础,因而学术界习惯将柱体扭转问题称为圣维南问题。闭口薄壁杆件的切应力公式是布莱特(Bredt R)于1896年得到的;而铁摩辛柯(Timoshenko S P,1922)、符拉索夫(ВласовВЗ,1939)和乌曼斯基(Уманский А А,1940)则对求解开口薄壁杆件扭转问题做出了杰出的贡献。

压杆稳定问题

压杆在工程实际中到处可见,第11章已经述及压杆的失稳现象。早在文艺复兴时期,伟大的艺术家、科学家和工程师达·芬奇对压杆做了一些开拓性的研究工作。荷兰物理学教授穆申布罗克(Musschenbroek P van)于1729年通过对于木杆的受压实验,得出“压曲载荷与杆长的平方成反比的重要结论”。众所周知,细长杆压曲载荷公式是数学家欧拉首先导出的。他在1744年出版的变分法专著中,曾得到细长压杆失稳后弹性曲线的精确描述及压曲载荷的计算公式。1757年他又出版了《关于柱的承载能力》的论著(工程中习惯将压杆称为柱),纠正了在1744年专著中关于矩形截面抗弯刚度计算中的错误。而大家熟知的两端铰支压杆压曲载荷公式是拉格朗日(Lagrange J L)在欧拉近似微分方程的基础上于1770年左右得到的。1807年英国自然哲学教授杨(Young T)、1826年纳维先后指出欧拉公式只适用于细长压杆。1846年拉马尔(Lamarle E)具体讨论了欧拉公式的适用范围,并提出超出此范围的压杆要依*实验研究方可解决问题的正确见解。关于大家熟知的非细长杆压曲载荷经验公式的提出者,则众说纷云,难于考证。一种说法是瑞士的台特迈尔(Tetmajer L)和俄罗斯的雅辛斯基(Ясинский Φ С)都曾提出过有关压杆临界力与柔度关系的经验公式,雅辛斯基还用过许可应力折减系数计算稳定许可应力。