材料力学

第一讲 第一章材料力学基本知识 § 1.1 基本概念： 理论力学 ------研究物体（刚体）受力和机械运动一般规律的科学。 材料力学 ------研究构件（杆件）在外力作用下内力、变形、以及破坏或失效一般规律 的科学，为合理设计构件提供有关强度、刚度、稳定性等分析的基本理论和方法。 4．1 构件的承载能力 为保证构件正常工作，构件应具有足够的能力负担所承受的载荷。因此，构件应当满 足以下要求： 1、 强度要求： 即构件在外力作用下应具有足够的抵抗破坏的能力。在规定的载荷 作用下构件当然不应破坏，包括断裂和发生较大的塑性变形。例如，冲床曲轴不可折断； 建筑物的梁和板不应发生较大塑性变形。强度要求就是指构件在规定的使用条件下不发生 意外断裂或显著塑性变形。 2、 刚度要求： 即构件在外力作用下应具有足够的抵抗变形的能力。在载荷作用下， 构件即使有足够的强度，但若变形过大，仍不能正常工作。例如，机床主轴的变形过大， 将影响加工精度；齿轮轴变形过大将造成齿轮和轴承的不均匀磨损，引起噪音。刚度要求 就是指构件在规定的事业条件下不发生较大的变形。 3、 稳定性要求： 即构件在外力作用下能保持原有直线平衡状态的能力。承受压力 作用的细长杆，如千斤顶的螺杆、内燃机的挺杆等应始终维持原有的直线平衡状态，保证 不被压弯。稳定性要求就是指构件在规定的使用条件下不产生丧失稳定性破坏。 如果构件的横截面尺寸不足或形状不合理，或材料选用不当，不能满足上述要求，将 不能保证工程结构或机械的安全工作。相反，如果不恰当的加大构件横截面尺寸或选用高 强材料，这虽满足了上述要求，却使用了更多的材料和增加了成本，造成浪费。 我们可以作出以下 结论： 材料力学是研究各类构件（主要是杆件）的强度、刚度和 稳定性的学科，它提供了有关的基本理论、计算方法和实验技术，使我们能合理地确定构 件的材料和形状尺寸，以达到安全与经济的设计要求。 在工程实际问题中，一般来说，构件都应具有足够的承载能力，即足够的强度、 刚度和稳定性，但对具体的构件又有所侧重。例如，储气罐主要保证强度，车床主轴主 要要求具有足够的刚度，受压的细长杆应该保持其稳定性。对某些特殊的构件还可能有相 反的要求。例如为防止超载，当载荷超过某一极限时，安全销应立即破坏。又如为发挥缓 冲作用，车辆的缓冲弹簧应有较大的变形。 研究构件的承载能力时必须了解材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性 能，及材料的力学性能。材料的力学性能由实验来测定。经过简化得出的理论是否可信， 也要由实验来验证。此外，对于一些尚无理论结果的问题，需要借助实验方法来解决。所 以，实验分析和理论研究同是材料力学解决问题的方法。 4．2 变形固体的基本假设 材料力学所研究的构件，由各种材料所制成，材料的物质结构和性质虽然各不相同， 但都为固体。任何固体在外力作用下都会发生形状和尺寸的改变——即变形。因此，这些 材料统称为变形固体。 变形固体的性质是很复杂的，在对用变形固体做成的构件进行强度、刚度和稳定性计 算时，为了使计算简化，经常略去材料的次要性质，并根据其主要性质做出假设，将它们 抽象为一种理想模型，作为材料力学理论分析的基础。下面是材料力学对变形固体常采用 的几个基本假设： 连续性假设：假设在固体所占有的空间内毫无空隙地充满了物质。实际上，组成固体 的粒子之间存在空隙，但这种空隙极其微小，可以忽略不计。于是可认为固体在其整个体 积内是连续的。基于连续性假设，固体内的一些力学量（例如点的位移）既可用连续函数 表示，并可采用无穷小的高等数学分析方法研究。 连续性不仅存在于变形前，同样适用于变形发生之后。既构件变形后不出现新的空 隙，也不出现重叠。 均匀性假设：材料在外力作用下在强度和刚度方面所表现出的性能称为材料的力学性 能。所谓的均匀性假设指材料的力学性能在各处都是相同的，与其在固体内的位置无关。 即从固体内任意取出一部分，无论从何处取也无论取多少其性能总是一样的。 由此假设可以认为，变形固体均由同一均质材料组成，因而体内各处的力争性质都是 相同的，并认为在其整个体积内毫无空隙地充满了物质。事实上，从固体的微观结构看， 各种材料都是由无数颗粒（如金属中的晶粒）组成的，颗粒之间是有一定空隙的，而且各 颗粒的性质也不完全一致。但由于材料力学是从宏观的角度去研究构件的强度、刚度和稳 定性问题，这些空隙远远小于构件的尺寸，而且各颗粒是错综复杂地排列于整个体积内， 因此，由统计平均值观点看，各颗粒性质的差异和空隙均可忽略不计，而认为变形固体是 均匀连续的。 各向同性假设：即认为材料沿各个方向的力学性质是相同的。具有这种属性的材料称 为各向同性材料。例如钢、铜、铸铁、玻璃等，而木材、竹和轧制过的钢材等，则为各向 异性材料。但是，有些各向异性材料也可近似地看作是各向同性的。 构件在外力作用下将发生变形，当外力不超过一定限度时，绝大多数构件在外力去掉 后均能恢复原状。当外力超过某一限度时，则在外力去掉后只能部分地复原而残留一部分 不能消失的变形。外力去掉后能消失的变形称为弹性变形，不能消失而残留下来的变形称 为塑性变形。应该指出，工程实际中多数构件在正常工作条件下只产生弹性变形，而且这 些变形与构件原有尺寸相比通常是很小的，所以，在材料力学中，大部分问题只限于对弹 性变形的研究，并且在研究构件的平衡与运动时，变形的影响可以忽略不计。 综上所述，材料力学是将物体看作均匀、连续、各向同性的变形固体， 并且只限于研究微小的弹性变形的情况。 4．3 内力、截面法和应力概念 一、内力的概念 材料力学的研究对象是构件，对于所取的研究对象来说，周围的其他物体作用于其上 的力均为外力，这些外力包括荷载、约束力、重力等。按照外力作用方式的不同，外力又 可分为分布力和集中力。 构件即使不受外力作用，它的各质点之间本来就有相互作用的内力，以保持其一定的 形状。材料力学所讨论的内力，是指因外力作用使构件发生变形时，构件的各质点间的相 对位置改变而引起的 “ 附加内力 ” ，即分子结合力的改变量。 这种内力随外力的改变而改变。 但是，它的变化是有一定限度的，不能随外力的增加而无限地增加。当内力加大到一定限 度时，构件就会破坏，因而内力与构件的强度、刚度是密切相关的。由此可知，内力是材 料力学研究的重要内容。 二、截面法 截面法是材料力学中求内力的基本方法，是已知构件外力确定内力的普遍方法。 已知杆件在外力作用下处于平衡，求m－m 截面上的内力，即求m－m 截面左、右两 部分的相互作用力。 首先假想地用一截面m－m 截面处把杆件裁成两部分，然后取任一部分为研究对象，另一 部分对它的作用力，即为m－m 截面上的内力 N。因为整个杆件是平衡的，所以每一部分 也都平衡，那么， m－m 截面上的内力必和相应部分上的外力平衡。由平衡条件就可以确 定内力。例如在左段杆上由平衡方程 N－F＝0 可得 N=F 按照材料连续性假设， m－m 截面上各处都有内力作用，所以截面上应是一个分布内 力系，用截面法确定的内力是该分布内力系的合成结果。这种将杆件用截面假想地切开以 显示内力，并由平衡条件建立内力和外力的关系确定内力的方法，称为截面法。 综上所述，截面法可归