材料力学-试题分解课件.ppt

1、材料力学内容材料力学内容总复习总复习第一部分第一部分 基本变形部分基本变形部分第三部分第三部分专题部分专题部分总总 复复 习习压杆稳定压杆稳定能量方法能量方法动载荷与交变应力动载荷与交变应力 第二部分第二部分 组合变形部分组合变形部分第四部分第四部分 应力状态与强度理论应力状态与强度理论材料力学的任务是解决构件安全与经济间的矛盾。材料力学的任务是解决构件安全与经济间的矛盾。1、强度、强度2、刚度、刚度3、稳定性、稳定性保证构件正常工作保证构件正常工作第一章第一章 绪绪 论论1.连续性假设连续性假设2.均匀性假设均匀性假设3.各向同性假设各向同性假设4.小变形假设小变形假设材料力学中可变形固体的

2、四个基本假设材料力学中可变形固体的四个基本假设材料力学所研究的四个基本变形材料力学所研究的四个基本变形1.轴向拉伸或压缩轴向拉伸或压缩2.剪切剪切3.扭转扭转4.弯曲弯曲第一章第一章 绪绪 论论一、基本概念及基本量一、基本概念及基本量轴力：轴力：FN 截面法截面法(或快速算法或快速算法)、轴力图、轴力图应力：应力：NFA变形：变形：NF llEA 应变：应变：E（轴向应变）（轴向应变）（横向应变）（横向应变）二、材料的力学性能二、材料的力学性能（材料的力学性质）（材料的力学性质）低碳钢拉伸与压缩试验低碳钢拉伸与压缩试验4个阶段；个阶段；铸铁拉伸与压缩试验铸铁拉伸与压缩试验5个指标：个指标：几种

3、现象；几种现象；psb,三、拉压强度条件及其应用三、拉压强度条件及其应用 NFA的确定：试验的确定：试验 bbn或 ssn第二章第二章 拉伸和压缩拉伸和压缩强度计算的三类问题：强度计算的三类问题：强度校核：强度校核：NFA截面设计：截面设计：NFA许用载荷计算：许用载荷计算：NFA四、杆件的变形与超静定问题求解四、杆件的变形与超静定问题求解超静定问题的求解步骤：超静定问题的求解步骤：建立静力平衡方程建立静力平衡方程建立变形协调方程建立变形协调方程建立物理方程（胡克定律）建立物理方程（胡克定律）得到补充方程得到补充方程将平衡方程与补充方程联立求解将平衡方程与补充方程联立求解第二章第二章 拉伸和压

4、缩拉伸和压缩第二章第二章 拉伸和压缩拉伸和压缩五、剪切与挤压的实用计算五、剪切与挤压的实用计算 SFAbsbsbsbsFA 特别要注意计算挤压面面积的计算方法特别要注意计算挤压面面积的计算方法(什么时候什么时候等于实际挤压面面积，什么不等等于实际挤压面面积，什么不等?)第三章第三章 扭转扭转min/rkW3N1055.9nPMm1、传动轴的外力偶矩计算、传动轴的外力偶矩计算2、扭矩与扭矩图、扭矩与扭矩图22 rT3、薄壁圆筒的扭转应力、薄壁圆筒的扭转应力pTImaxpTW4、圆轴扭转横截面上的应力、圆轴扭转横截面上的应力5 极惯性矩与抗扭截面系数极惯性矩与抗扭截面系数a.实心圆截面实心圆截面4

5、p32DI3p16DWb.空心圆截面空心圆截面44p(1)32DI34p(1)16DWc.薄壁圆截面薄壁圆截面3p02IR2p02WR脆性材料扭转破坏脆性材料扭转破坏:沿沿 450 螺旋曲面螺旋曲面被被拉断拉断塑性材料扭转破坏塑性材料扭转破坏:沿沿横截面横截面被被剪断剪断圆轴扭转的强度条件为圆轴扭转的强度条件为:maxmaxpTW6 圆轴扭转破坏与强度条件圆轴扭转破坏与强度条件a 圆轴扭转时的变形圆轴扭转时的变形:pTlGIb 圆轴扭转的刚度条件圆轴扭转的刚度条件:maxmaxp180TGIpi iiTlGI7 圆轴扭转变形与刚度条件圆轴扭转变形与刚度条件第三章第三章 扭转扭转一定要注意转角单

6、位的一定要注意转角单位的一致一致(弧度与角度的转换弧度与角度的转换)若梁上的若梁上的外载荷都作用在纵向对称平面内外载荷都作用在纵向对称平面内，则梁弯曲变形后的轴，则梁弯曲变形后的轴线为纵向对称平面内的线为纵向对称平面内的平面曲线平面曲线。这种弯曲称为这种弯曲称为平面弯曲平面弯曲或或对称弯曲。对称弯曲。1、平面弯曲的概念、平面弯曲的概念2、剪力与弯矩、剪力与弯矩a.剪力的正负剪力的正负b.弯矩的正负弯矩的正负 使使梁微段发生上凹下凸变形梁微段发生上凹下凸变形的的弯矩弯矩 M 为正，反之为负。为正，反之为负。使使梁微段发生顺时针转动梁微段发生顺时针转动的剪力的剪力Fs为正，反之为负。为正，反之为负

7、。sFsFsFsF（）（）（）（）（）（）（）（）MMMM第四章第四章 弯曲内力弯曲内力常见荷载下常见荷载下FS，M图的一些特征图的一些特征向上）(0 cq向下）(0 cq0q)0(ScbcxF)0(212cdbxcxM)0(ScbcxF)0(212cdbxcxMcF SbcxM第四章第四章 弯曲内力弯曲内力(孙教材中孙教材中,与弯曲应力合为一章与弯曲应力合为一章)集中力作用处集中力偶作用处 若某截面的剪力FS(x)=0，根据 ，该截面的弯矩为极值。0)(d)(dSxFxxM第四章第四章 弯曲内力弯曲内力3.分布荷载集度、剪力和弯矩之间的积分关系若在若在 a 和和 b 两个横截面两个横截面之之

8、间无集中力间无集中力，则则)(d)(dSxqxxFSd()()bbaaF xq x dx SS()()()bqaF bF aq x dxA S()()SqF bFaAabq(x)第四章第四章 弯曲内力弯曲内力)(d)(dSxFxxM若横截面若横截面 A,B 间无集中力偶作用则得间无集中力偶作用则得()()SFM bM aAd()dbbSaaMFxx()()SFM bM aAabq(x)第四章第四章 弯曲内力弯曲内力拉拉/压压扭扭 转转平 面 弯 曲平 面 弯 曲内内力力应应力力变变形形NFN 0 x杆轴AT 0 x杆轴AMnAMFsM 0Fs 0 x平行于杆轴x AxFN)(LxxEAxFLL

9、Nd)()(dO pIT)(zxIMy xyzzSybISF ABxGITABLpABdqnfxq fw fEIxMxf)()(拉（压）拉（压）扭扭 转转平 面 弯 曲平 面 弯 曲强强度度条条件件刚刚度度条条件件变变形形能能maxmaxminNAmaxANmax|maxntMW|maxtnWMmaxmaxmaxMWzmaxzWMmaxmaxqqmax|wwll2()d2NLFxVxEA2()d2LpTxVxGI2()d2LMxVxEI拉拉 压压扭扭 转转平平面面弯弯曲曲内力计算内力计算快速计算方法:看笔记快速计算方法:看笔记快速计算方法:看笔记1 纯弯曲纯弯曲:梁的横截面上既有梁的横截面上既

10、有弯矩弯矩又有又有剪力剪力的弯曲称为的弯曲称为横力弯曲横力弯曲梁的横截面上只有梁的横截面上只有弯矩弯矩没有没有剪力剪力的弯曲称为的弯曲称为纯弯曲纯弯曲2 纯弯曲时梁的横截面上的正应力纯弯曲时梁的横截面上的正应力a 三种现象三种现象（1）变形后，横截面仍保持为平面。但横截面间发生转动。）变形后，横截面仍保持为平面。但横截面间发生转动。（2）同一层（高度）的纤维变形相同，即曲率相同。）同一层（高度）的纤维变形相同，即曲率相同。（3）矩形横截面变为上宽下窄的近似倒梯形。）矩形横截面变为上宽下窄的近似倒梯形。b 两个假设两个假设（1）平面假设）平面假设（2）纵向纤维互不挤压假设，即单向拉压。）纵向纤维

11、互不挤压假设，即单向拉压。第五章第五章 弯曲应力弯曲应力zEIM1yyEEzIMyc 两个概念两个概念（1）中性层中性层：梁中纤维即不伸长也不缩短的那层。：梁中纤维即不伸长也不缩短的那层。（2）中性轴中性轴：中性层与横截面的交线。：中性层与横截面的交线。d 三个方面三个方面由变形几何关系得到由变形几何关系得到由物理关系得到由物理关系得到由静力学关系得到由静力学关系得到3 纯弯曲正应力强度条件纯弯曲正应力强度条件maxmaxmaxyIMzmaxmaxZMW弯曲正应力强度条件弯曲正应力强度条件在弯矩最大的截面上离中性轴最远处发生最大正应力在弯矩最大的截面上离中性轴最远处发生最大正应力第五章第五章

12、弯曲应力弯曲应力4、惯性矩与极惯性矩、惯性矩与极惯性矩AzIAyIAyAzd,d222pAIdApyzIII惯性矩：惯性矩：图形面积对某轴的二次矩图形面积对某轴的二次矩极惯性矩极惯性矩:平面图形对平面图形对某点的二次矩：某点的二次矩：极惯性矩与惯性矩间的关系极惯性矩与惯性矩间的关系123bhIz123hbIy62maxbhyIWzz则则62maxhbxIWyyb b 圆形截面的形心主惯性矩圆形截面的形心主惯性矩4p264yzIdII323dWza a 矩形截面的形心主惯性矩矩形截面的形心主惯性矩hbzyydyOdzyO第五章第五章 弯曲应力弯曲应力)1(6444DIIzyDd其中)(DWz43

13、132dD同理，对于空心圆截面：同理，对于空心圆截面：5 对称弯曲切应力对称弯曲切应力SzzF SI b梁弯曲时横截面任一点梁弯曲时横截面任一点切应力计算公式切应力计算公式 SmaxmaxmaxzzFSI b矩形截面梁矩形截面梁:工字形截面梁工字形截面梁:圆形截面梁圆形截面梁:SmaxFbhSmax243FRSmax32FA6、弯曲正应力强度条件、弯曲正应力强度条件 maxmaxZWM梁强度计算的三类问题：梁强度计算的三类问题：（a）强度校核；）强度校核；（c）梁的许用载荷计算；）梁的许用载荷计算；（b）梁的截面设计；）梁的截面设计；第五章第五章 弯曲应力弯曲应力7、弯曲切应力强度条件、弯曲切

14、应力强度条件 SmaxmaxmaxzzFSI b 短粗梁，或集中力作用与支座附近时；木材顺纹方向的剪切强度低，短粗梁，或集中力作用与支座附近时；木材顺纹方向的剪切强度低，须校核剪应力；薄壁截面梁（如：工字形截面梁）；梁由几部分经焊接、须校核剪应力；薄壁截面梁（如：工字形截面梁）；梁由几部分经焊接、胶合等而成，其焊缝、胶合面处剪切强度；胶合等而成，其焊缝、胶合面处剪切强度；对于下列情况需用梁的剪切强度对于下列情况需用梁的剪切强度校核计算校核计算：zWMmaxmax 主要以此作为设计主要以此作为设计梁的依据。梁的依据。8.梁的合理强度设计梁的合理强度设计从以下两方面来考虑：从以下两方面来考虑：（1

15、）采用合理的截面形状，以提高）采用合理的截面形状，以提高W 的值，充分利用材料性能。的值，充分利用材料性能。（2）合理安排梁的受力情况，以降低）合理安排梁的受力情况，以降低Mmax的值；的值；第五章第五章 弯曲应力弯曲应力1、挠曲线：、挠曲线：梁在平面弯曲时，其轴线在载荷作梁在平面弯曲时，其轴线在载荷作用平面（纵向对称面）内，变成了一用平面（纵向对称面）内，变成了一条曲线，该曲线称为条曲线，该曲线称为挠曲线。挠曲线。ByxxCcwcqcqCABlF第六章第六章 弯曲变形弯曲变形挠度：挠度：梁上任一横截面形心在垂直于轴线方向的位移，梁上任一横截面形心在垂直于轴线方向的位移，用用w表表示。示。2、

16、挠度和转角、挠度和转角d()dwfxxq即：挠曲轴上任一点处切线的斜率等于即：挠曲轴上任一点处切线的斜率等于该点横截面的该点横截面的转角转角。)(xqq也称为转角方程。也称为转角方程。转角：转角：横截面绕中性轴转过的角度，横截面绕中性轴转过的角度，用用q q 表示。表示。第六章第六章 弯曲变形弯曲变形3 挠曲线近似微分方程挠曲线近似微分方程平面弯曲时中性层的曲率平面弯曲时中性层的曲率zEIxMx)()(1由曲率的概念由曲率的概念22322d1d()d1()dwxxwx 2d()1dwx 22ddzM xwxEI 梁挠曲线的梁挠曲线的近似近似微分方程微分方程4 计算梁位移的积分法计算梁位移的积分

17、法两边对变量两边对变量x 积分一次，得积分一次，得 dddzM xwxCxEI 转角方程转角方程两边对变量两边对变量x 再积分一次，有再积分一次，有 ddzM xwxxCxDEI 挠曲轴方程（挠度方程）挠曲轴方程（挠度方程）对等截面梁，对等截面梁，EIz =常数，则常数，则 dzzEIEI wM xxCq ddzEI wMxxxCxD 式中：式中：C、D 为积分常数，为积分常数，由由边界条件边界条件或或变形连续性条变形连续性条件件确定。确定。第六章第六章 弯曲变形弯曲变形5 用叠加法求弯曲变形用叠加法求弯曲变形叠加法叠加法：当梁上当梁上同时作用同时作用几种载荷时，可分别求出每一几种载荷时，可分

18、别求出每一种载荷单独作用下的变形，然后将各个载荷单独引起的种载荷单独作用下的变形，然后将各个载荷单独引起的变形叠加，得这些载荷共同作用时的变形。变形叠加，得这些载荷共同作用时的变形。6 梁的刚度条件与合理刚度设计梁的刚度条件与合理刚度设计maxwwll qqmaxw 许用最大挠度；许用最大挠度；许用最大转角。许用最大转角。其中：其中：为保证梁的正常工作，需要对其最大转角和最大挠度加以限制为保证梁的正常工作，需要对其最大转角和最大挠度加以限制即要求即要求满足刚度条件：满足刚度条件：提高弯曲刚度的措施提高弯曲刚度的措施1 1、增大梁截面的抗弯刚度、增大梁截面的抗弯刚度EIEIz z2 2、尽量减小

19、梁的长度或跨度、尽量减小梁的长度或跨度3 3、改变加载方式、改变加载方式4 4、增加支承、增加支承第六章第六章 弯曲变形弯曲变形2sin2cos22xyyxyx2cos2sin2xyyx1、任意斜截面上应力计算公式、任意斜截面上应力计算公式第七章第七章 应力状态与强度理论应力状态与强度理论xyyxyx22)2(2minmaxyxxyyxxy222tan0CFDF3、平面应力状态的极值应力、平面应力状态的极值应力2、应力圆、应力圆xyyxyx2222)2()2(r 点面对应点面对应圆上一点对应着微元某一方向上的正应力和切应力；圆上一点对应着微元某一方向上的正应力和切应力；r 转向对应转向对应半径

20、旋转方向与方向面法线旋转方向一致；半径旋转方向与方向面法线旋转方向一致；r 二倍角对应二倍角对应半径转过的角度是方向面旋转角度的两倍。半径转过的角度是方向面旋转角度的两倍。Rcxyyx22)2(2yx应应 力力 圆圆（Mohr 圆圆）ominmaxxyyx22)2(1tan22xyxy主平面：主平面：=0=0 即：与应力圆上和横轴交点相对应的面即：与应力圆上和横轴交点相对应的面224212xyyxyx 224212xyyxyx 0 yxxy22tan04、主平面、主应力与主方向、主平面、主应力与主方向主应力：主应力：主方向：主方向：2221max4212xyyx401即最大和最小切应力所在平面

21、与主平面的夹角为即最大和最小切应力所在平面与主平面的夹角为455、面内最大切应力、面内最大切应力 对应应力圆上的最高点的面上切应力最大，对应应力圆上的最高点的面上切应力最大，称为称为“面内最大切应力面内最大切应力”。第七章第七章 应力状态与强度理论应力状态与强度理论3211E1111 3121E2222 1231E3333 7 广义胡克定律广义胡克定律6 复杂应力状态的最大应力复杂应力状态的最大应力1max3min231max三向应力状态中三向应力状态中13（方向与（方向与 及及 成成45角）角）第七章第七章 应力状态与强度理论应力状态与强度理论1.最大拉应力理论（第一强度理论）最大拉应力理论

22、（第一强度理论）1 2.最大拉应变理论（第二强度理论）最大拉应变理论（第二强度理论）123()3.最大剪应力理论（第三强度理论）最大剪应力理论（第三强度理论）13 4.形状改变能密度变能理论（第四强度理论）形状改变能密度变能理论（第四强度理论）)()()(21213232221第七章第七章 应力状态与强度理论应力状态与强度理论2、弯拉（压）组合、弯拉（压）组合最大拉应力为：最大拉应力为：最大压应力为：最大压应力为：第八章第八章 组合变形组合变形1、斜弯曲、斜弯曲产生的条件中性轴的特点最大应力的计算变形的计算第八章第八章 组合变形组合变形3、偏心拉压、偏心拉压中性轴的特点 最大应力的计算 截面核

23、心问题4、弯扭组合、弯扭组合 22r34 zWTM22由第三强度理论：由第三强度理论：22r43 zWTM2275.0由第四强度理论：由第四强度理论：第九章第九章 压杆稳定压杆稳定 具有受压杆件结构具有受压杆件结构的一种破坏方式的一种破坏方式失稳（屈曲）：失稳（屈曲）：轴向受压杆件，其原有（直线）平衡形式由稳定变为不稳轴向受压杆件，其原有（直线）平衡形式由稳定变为不稳定的现象。定的现象。临界压力临界压力Fcr（应力（应力cr）：）：使杆件使杆件原有（直线）平衡形式为稳定原有（直线）平衡形式为稳定的最大轴向压力（应力）的最大轴向压力（应力）或：或：使受压杆件使受压杆件维持微小弯曲平衡维持微小弯曲

24、平衡的最小轴向压力（应力）的最小轴向压力（应力）柔度柔度（长细比）：（长细比）：il相当长度系数：相当长度系数：与压杆两端的约束性质有关。与压杆两端的约束性质有关。两端铰支：两端铰支：1一端固定另一端自由：一端固定另一端自由：2两端固定：两端固定：0.5一端固定另一端铰支：一端固定另一端铰支：7.0欧拉公式欧拉公式2cr2()EIPl2cr2E适用范围：适用范围：121pE 大柔度杆大柔度杆或或细长杆细长杆临界压力（应力）的计算临界压力（应力）的计算第九章第九章 压杆稳定压杆稳定稳定性计算-折减系数法il)(查表或者计算*)(cr然后：然后：crV.S.NFA第九章第九章 压杆稳定压杆稳定提高

25、压杆稳定性的措施提高压杆稳定性的措施（1）减小柔度）减小柔度il（a）选择合理截面形状；）选择合理截面形状；（2）对中柔度杆，选用高强度材料。）对中柔度杆，选用高强度材料。（c）加强杆端部约束。加强杆端部约束。（b）尽量减小压杆的长度；）尽量减小压杆的长度；第十章第十章 能量法能量法二二 克拉比隆定理克拉比隆定理d112233111222VWPPP 线弹性体的变形能等于每一外力与其相应位移乘积的二分之一的总和。线弹性体的变形能等于每一外力与其相应位移乘积的二分之一的总和。2222Ndp()d()d()d()d2222yzyzLLLLMxxFxxMxxTxxVEAGIEIEI三三 应变能的一般表

26、达式应变能的一般表达式一、外力功一、外力功d12VWPP 广义力，代表拉伸广义力，代表拉伸(FN)，扭转扭转(T)，弯曲，弯曲(M)广义位移，代表拉伸广义位移，代表拉伸(L)，扭转扭转()，弯曲，弯曲()。第十章第十章 能量法能量法四四 互等定理互等定理212121 PP功的互等定理功的互等定理2112 位移互等定理位移互等定理若若 P1=P2，则：则：P1在由于在由于P2引起的位移引起的位移12上所作的功等于上所作的功等于P2在由于在由于P1引起的位移引起的位移21上所作的功。上所作的功。五五 卡氏定理卡氏定理 设在某弹性体上作用有外力设在某弹性体上作用有外力P1，P2，Pn，在支承约在支承

27、约束下在相应的力束下在相应的力Pi方向产生的位移为方向产生的位移为i，(i=1,2,n)，则：，则：d/iiVP 直接应用、附加加法、同名力、相对位移、超静定应用直接应用、附加加法、同名力、相对位移、超静定应用第十一章第十一章 动载荷动载荷计算冲击问题时所作的假设：计算冲击问题时所作的假设：F1.1.冲击物视为刚体冲击物视为刚体;F2.2.被冲击物的质量远小于冲击物的质量被冲击物的质量远小于冲击物的质量;F3.3.冲击后冲击物与被冲冲击后冲击物与被冲击物附着在一起运动击物附着在一起运动;F4.4.不考虑冲击时热能的损失，即认为不考虑冲击时热能的损失，即认为只有系统动能与位能的转化只有系统动能与

28、位能的转化.动荷系数动荷系数kd:dst211Hk 自由落体冲击：自由落体冲击：冲击应力为：冲击应力为：ddstk强度条件为：强度条件为：dmaxdstmax()k水平冲击时的动荷系数计算水平冲击时的动荷系数计算水平冲击时的动荷系数为：水平冲击时的动荷系数为：2dstvkg2、计算、计算动荷系数动荷系数 。3、计算动应力、计算动应力 、动位移、动位移 。第十一章第十一章 动载荷动载荷在解决动载荷作用下的内力、应力和位移计算的问题时，均在解决动载荷作用下的内力、应力和位移计算的问题时，均可可在动载荷作为静荷作用在物体上所产生的静载荷，静应力，在动载荷作为静荷作用在物体上所产生的静载荷，静应力，静

29、应变和静位移计算的基础上乘以动荷系数，静应变和静位移计算的基础上乘以动荷系数，即：即：ddstddstddstddstkPk Pkk 计算步骤：计算步骤：1、将冲击物的重量作为静载荷作用在受冲击处，计算静应、将冲击物的重量作为静载荷作用在受冲击处，计算静应力力 、静位移、静位移 ；ststdkdd第十一章第十一章 动载荷动载荷另有惯性力问题和补卡的运动体，请注意复习第十二章第十二章 疲劳及断裂疲劳及断裂交变应力：交变应力：随时间随时间 t 作周期性循环变化的应力。作周期性循环变化的应力。t Tminmaxma最大应力最大应力：max最小应力最小应力：min平均应力：平均应力：maxminm2应

30、力幅：应力幅：maxmina2循环特征：循环特征：,maxminr且且11r第十二章第十二章 疲劳及断裂疲劳及断裂疲劳破坏疲劳破坏材料与构件在交变应力作用下产生可见裂纹材料与构件在交变应力作用下产生可见裂纹或完全断裂的现象，称为或完全断裂的现象，称为疲劳破坏疲劳破坏，简称，简称疲劳疲劳。疲劳破坏的三个特点疲劳破坏三个阶段应力不太大就破坏破坏前无明显的塑性变形断口总是出现光滑区和粗糙区裂纹源的形成裂纹源的扩展突然的脆断1、构件外形引起的影响、构件外形引起的影响应力集中应力集中11kK应力集中的影响用应力集中的影响用有效应力集中因数有效应力集中因数 K 度量：度量：第十二章第十二章 疲劳及断裂疲劳及断裂影响构件疲劳极限的主要因素：影响构件疲劳极限的主要因素：2 2、构件尺寸的影响、构件尺寸的影响11(1)零件尺寸的影响用零件尺寸的影响用尺寸因数尺寸因数 度量：度量：3 3、构件表面加工质量的影响、构件表面加工质量的影响11(1)表面加工质量对疲劳极限的影响表面加工质量对疲劳极限的影响用表面质量系数用表面质量系数 表示：表示：