1、材料力学教学内容与体材料力学教学内容与体系改革的思考与实践系改革的思考与实践第第 3 3 讲讲 新体系材料力学的教学内容与体系（新体系材料力学的教学内容与体系（2 2）张少实哈尔滨工业大学二OO九年七月第第 3 3 讲讲前提前提机械类或相关专业，多学时课程（机械类或相关专业，多学时课程（6470学时）。学时）。开设的力学课程：只有大学物理、理论力学、材料开设的力学课程：只有大学物理、理论力学、材料力学（结构力学）。总之没有开设弹性力学和有限力学（结构力学）。总之没有开设弹性力学和有限元等课程。元等课程。材料力学课程内容为贯穿式的，即集合各力学分材料力学课程内容为贯穿式的，即集合各力学分支。但学
2、时、篇幅有限，材料力学将不伦不类。支。但学时、篇幅有限，材料力学将不伦不类。解决办法解决办法增设弹性力学、有限单元法。但总学时不允许。增设弹性力学、有限单元法。但总学时不允许。将部分内容将部分内容(外力；应力、应变分析；本构理论；外力；应力、应变分析；本构理论；强度理论等强度理论等)深化；凸显杆件应力与变形分析方深化；凸显杆件应力与变形分析方法实质（视为寻求一维形体的弹性力学解）法实质（视为寻求一维形体的弹性力学解）鉴于第鉴于第 2 2 讲陈述的讲陈述的各项缘由各项缘由第第 3 3 讲讲站在弹性力学高度审视材料力学站在弹性力学高度审视材料力学传统材料力学课程教学内容传统材料力学课程教学内容强度
3、、刚度、稳定性的一般概念强度、刚度、稳定性的一般概念内力、应力、应变概念内力、应力、应变概念应力状态分析应力状态分析材料力学性能与应力应变关系材料力学性能与应力应变关系强度理论强度理论能量原理的一般性理论能量原理的一般性理论疲劳的一般性理论疲劳的一般性理论静不定问题的一般性理论静不定问题的一般性理论适用于任适用于任意弹性体意弹性体第第 3 3 讲讲站在弹性力学高度审视材料力学站在弹性力学高度审视材料力学传统材料力学课程教学内容传统材料力学课程教学内容杆件的内力、应力与变形分析杆件的内力、应力与变形分析杆件的强度与刚度计算杆件的强度与刚度计算压杆的稳定性分析压杆的稳定性分析杆件的外力功与变形能杆
4、件的外力功与变形能杆件及其结构的静不定问题杆件及其结构的静不定问题杆件的疲劳计算杆件的疲劳计算只适用只适用于杆件于杆件第第 3 3 讲讲站在弹性力学高度审视材料力学站在弹性力学高度审视材料力学弹性力学课程教学内容弹性力学课程教学内容应力、应变分析理论应力、应变分析理论各坐标系下的泛定方程各坐标系下的泛定方程边界条件边界条件弹性力学问题的提法与解法弹性力学问题的提法与解法两种平面问题及其解法两种平面问题及其解法空间问题空间问题一些简单问题的经典解法一些简单问题的经典解法能量原理能量原理数学弹数学弹性力学性力学第第 3 3 讲讲站在弹性力学高度审视材料力学站在弹性力学高度审视材料力学弹性力学课程教
5、学内容弹性力学课程教学内容板壳理论板壳理论弹性屈曲理论弹性屈曲理论应用弹应用弹性力学性力学第第 3 3 讲讲站在弹性力学高度审视材料力学站在弹性力学高度审视材料力学材料力学内容与弹性力学内容的对应材料力学内容与弹性力学内容的对应内力、应力、应变概念内力、应力、应变概念应力、应变状态分析应力、应变状态分析材料力学性能与应力应变关系材料力学性能与应力应变关系能量原理的一般性理论能量原理的一般性理论与数学弹性与数学弹性力学相对应力学相对应杆件的应力、变形分析与计算杆件的应力、变形分析与计算压杆稳定性分析压杆稳定性分析强度理论；杆件强度、刚度计算强度理论；杆件强度、刚度计算疲劳；动载荷；静不定结构疲劳
6、；动载荷；静不定结构与应用弹性与应用弹性力学相对应力学相对应材料力学材料力学特有内容特有内容第第 3 3 讲讲深化、整合、引入新内容深化、整合、引入新内容深化深化应力、应变概念（凸显二阶张量特性）。两个下脚应力、应变概念（凸显二阶张量特性）。两个下脚标表示其分量。若有可能也可引入二阶张量概念。标表示其分量。若有可能也可引入二阶张量概念。外力概念，引入体积力与表面力，及其分布集度。外力概念，引入体积力与表面力，及其分布集度。本构方程，引入一般坐标系下的广义胡克定律本构方程，引入一般坐标系下的广义胡克定律应力状态分析，引入三维应力状态分析，引入求解应力状态分析，引入三维应力状态分析，引入求解主应力
7、的特征方程和应力状态不变量。主应力的特征方程和应力状态不变量。强度理论，引入平面应力状态的强度理论，引入平面应力状态的Tresca、Mises屈屈服线。服线。能量原理，引入虚功、虚变形、余功、余能等概念能量原理，引入虚功、虚变形、余功、余能等概念杆件应力与变形分析。杆件应力与变形分析。第第 3 3 讲讲深化、整合、引入新内容深化、整合、引入新内容整合整合动载荷问题不单设章节，构件作均加速直线运动和动载荷问题不单设章节，构件作均加速直线运动和均速转动的动应力计算问题，合到杆件轴向拉伸与均速转动的动应力计算问题，合到杆件轴向拉伸与压缩一章；冲击问题划归于能量原理一章压缩一章；冲击问题划归于能量原理
8、一章杆件的强度与刚度计算内容，从各相关章节中分离杆件的强度与刚度计算内容，从各相关章节中分离出来，整合成一个章节，并放在强度理论之后讲解出来，整合成一个章节，并放在强度理论之后讲解杆件（拉压、扭转、弯曲）应力与变形分析的实质：杆件（拉压、扭转、弯曲）应力与变形分析的实质：在平面假设前提条件下，求解一维弹性形体的力学在平面假设前提条件下，求解一维弹性形体的力学解。数学本质：寻求满足边界条件方程的三组方程解。数学本质：寻求满足边界条件方程的三组方程（平衡、几何、物理）的解（平衡、几何、物理）的解第第 3 3 讲讲深化、整合、引入新内容深化、整合、引入新内容引入引入几何方程，平面应变状态分析与相容方
9、程几何方程，平面应变状态分析与相容方程微体平衡，平衡微分方程；应力边界条件微体平衡，平衡微分方程；应力边界条件杆件塑性变形与极限载荷分析杆件塑性变形与极限载荷分析各向异性材料本构方程各向异性材料本构方程平面应力状态的平面应力状态的Tresca、Mises屈服线。屈服线。虚功、虚变形、余功、余能等概念虚功、虚变形、余功、余能等概念线性累积损伤、疲劳裂纹扩展概念线性累积损伤、疲劳裂纹扩展概念第第 3 3 讲讲新体系材料力学的架构新体系材料力学的架构 第第1章章 绪论绪论 第第2章章 应力状态分析应力状态分析 第第3章章 应变状态分析应变状态分析 第第4章章 材料的力学性能材料的力学性能 应力应变关
10、系应力应变关系 第第5章章 轴向拉伸与压缩轴向拉伸与压缩 第第6章章 扭转扭转 第第7章章 弯曲弯曲 第第8章章 组合内力时杆件应力计算组合内力时杆件应力计算第第 3 3 讲讲新体系材料力学的架构新体系材料力学的架构 第第9章章 能量原理能量原理 第第10章章 静不定结构静不定结构 第第11章章 材料失效及强度理论材料失效及强度理论 第第12章章 杆件的强度与刚度计算杆件的强度与刚度计算 第第13章章 联接联接 第第14章章 弹塑性变形与极限载荷分析弹塑性变形与极限载荷分析 第第15章章 疲劳与断裂疲劳与断裂 第第16章章 压杆稳定压杆稳定 附录附录A 截面几何性质截面几何性质第第 3 3 讲
11、讲引入平衡微分方程引入平衡微分方程特征方程，不变量特征方程，不变量应力边界条件应力边界条件引入几何方程引入几何方程平面应变状态分析、平面应变状态分析、应变圆，相容方程应变圆，相容方程引入高分子材料性能引入高分子材料性能各向异性材料本构各向异性材料本构相近于相近于弹性力弹性力学基本学基本理论与理论与基本方基本方程部分程部分在平面假设下，寻求满在平面假设下，寻求满足微段平衡和边界条件足微段平衡和边界条件一维形体的弹性力学解一维形体的弹性力学解新体系材料力学的架构新体系材料力学的架构 第第1章章 绪论绪论 第第2章章 应力状态分析应力状态分析 第第3章章 应变状态分析应变状态分析 第第4章章 材料的
12、力学性能材料的力学性能 应力应变关系应力应变关系 第第5章章 轴向拉伸与压缩轴向拉伸与压缩 第第6章章 扭转扭转 第第7章章 弯曲弯曲 第第8章章 组合内力时杆件应力计算组合内力时杆件应力计算引入体力与面力及引入体力与面力及其分布集度概念其分布集度概念第第 3 3 讲讲新体系材料力学的架构新体系材料力学的架构 第第9章章 能量原理能量原理 第第10章章 静不定结构静不定结构 第第11章章 材料失效及强度理论材料失效及强度理论 第第12章章 杆件的强度与刚度计算杆件的强度与刚度计算 第第13章章 联接联接 第第14章章 弹塑性变形与极限载荷分析弹塑性变形与极限载荷分析 第第15章章 疲劳与断裂疲
13、劳与断裂 第第16章章 压杆稳定压杆稳定 附录附录A 截面几何性质截面几何性质深化，引入虚功、虚应深化，引入虚功、虚应变、余功、余应变能等变、余功、余应变能等深化，引入平面应变深化，引入平面应变状态状态Tresca和和Mises屈服线及其实验研究屈服线及其实验研究引入塑性、塑性绞引入塑性、塑性绞和极限载荷分析和极限载荷分析整合整合引入损伤、疲劳引入损伤、疲劳裂纹扩展等概念裂纹扩展等概念第第 3 3 讲讲新体系材料力学的特色新体系材料力学的特色站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。通过前四个章节的学习，使学生充分认识到：通过前四个章节的学习，使学生充分认识到：在
14、平衡外力作用下在平衡外力作用下，各点有应力各点有应力、应变应变，要变形要变形；变形过程中变形过程中，非固定约束的，非固定约束的点要位移点要位移，应力与外力要平衡应力与外力要平衡平衡方程；平衡方程；应变与位移有关系应变与位移有关系几何方程；几何方程；各部分的各部分的变形要协调、连续变形要协调、连续相容方程；相容方程；应力与应变之间有关系，应力与应变之间有关系，取决于物质本身性质取决于物质本身性质本构方程。本构方程。一开始就将一开始就将研究对象定位为三维形体。引入研究对象定位为三维形体。引入面力面力、体力体力、位移位移等等概念；引入概念；引入微体平衡方程微体平衡方程、应力边界条件应力边界条件、几何
15、方程几何方程（包括平面应变状态的（包括平面应变状态的相容方程相容方程）；深化本构方程。）；深化本构方程。第第 3 3 讲讲新体系材料力学的特色新体系材料力学的特色 应力、应变分量采用两个下脚标表示。应力、应变分量采用两个下脚标表示。对于应力分量对于应力分量，第一个下脚标表示该应力分量作用在，第一个下脚标表示该应力分量作用在哪个面上，第二个哪个面上，第二个下脚标表示该应力分量沿哪一坐标下脚标表示该应力分量沿哪一坐标方向。一般情况下，作用在同一点不同面上的应力分方向。一般情况下，作用在同一点不同面上的应力分量是不同的。量是不同的。站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。站在弹性力学高度，注入弹性力学思
16、想。2.强调应力、应变是二阶张量的实质。强调应力、应变是二阶张量的实质。第第 3 3 讲讲新体系材料力学的特色新体系材料力学的特色 材料力学也好，弹性力学也好，其他变形体力学也好，材料力学也好，弹性力学也好，其他变形体力学也好，从数学上讲，都是寻求满足边界条件的这三组方程的从数学上讲，都是寻求满足边界条件的这三组方程的解（应力、应变、位移分量）。解（应力、应变、位移分量）。材料力学中求解杆件材料力学中求解杆件拉伸（压缩）、扭转、弯曲等变形问题，归根到底是拉伸（压缩）、扭转、弯曲等变形问题，归根到底是在平面假设的基础上，寻求一维形体满足在平面假设的基础上，寻求一维形体满足边界条件的边界条件的这组
17、方程的解。这组方程的解。站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。3.凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。2.强调应力、应变是二阶张量的实质。强调应力、应变是二阶张量的实质。第第 3 3 讲讲新体系材料力学的特色新体系材料力学的特色站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。3.凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。2.强调应力、应变是二阶张量的实质。强调应力、应变是二阶张量的实质。将应力状态分析与应变状态分析分设两个独立章节并将应力状态分析与应变状态
18、分析分设两个独立章节并提前讲述，进一步深化这部分内容，以此强化应力与提前讲述，进一步深化这部分内容，以此强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线，有机编织各章应变分析观点，并将其作为课程主线，有机编织各章内容，使其贯穿于后面的杆件应力与变形分析章节之内容，使其贯穿于后面的杆件应力与变形分析章节之中，并在那里变得浓墨重彩。中，并在那里变得浓墨重彩。4.4.强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。第第 3 3 讲讲新体系材料力学的特色新体系材料力学的特色站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。3.凸显平衡、几何、物理
19、三组方程的核心作用。凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。2.强调应力、应变是二阶张量的实质。强调应力、应变是二阶张量的实质。一起并入构件失效与杆件强度与刚度计算一章，其目一起并入构件失效与杆件强度与刚度计算一章，其目的：一方面是强化杆件应力与变形分析；另一方面是的：一方面是强化杆件应力与变形分析；另一方面是突出杆件强度与刚度计算方法。突出杆件强度与刚度计算方法。4.4.强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。5.5.整合杆件强度与刚度计算内容。整合杆件强度与刚度计算内容。第第 3 3 讲讲新体系材料力学的特色新体系材料力学的特色站在弹性力学高
20、度，注入弹性力学思想。站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。3.凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。2.强调应力、应变是二阶张量的实质。强调应力、应变是二阶张量的实质。单设一个章节，引入弹塑性变形、塑性绞、塑性机构、单设一个章节，引入弹塑性变形、塑性绞、塑性机构、极限载荷等概念。极限载荷等概念。4.4.强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。5.5.整合杆件强度与刚度计算内容。整合杆件强度与刚度计算内容。6.6.扩充极限应力法，引入弹塑性变形与极限载荷法。扩充极限应力法，引入弹塑性变形与极限载荷法。)M,
21、4,3,2,1(iri极限应力法极限应力法极限载荷法极限载荷法uFF 第第 3 3 讲讲新体系材料力学的特色新体系材料力学的特色站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。3.凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。2.强调应力、应变是二阶张量的实质。强调应力、应变是二阶张量的实质。7.统一坐标系。统一坐标系。4.4.强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。5.5.整合杆件强度与刚度计算内容。整合杆件强度与刚度计算内容。6.6.扩充极限应力法，引入弹塑性变形与极限载荷法。扩充极限
22、应力法，引入弹塑性变形与极限载荷法。改变传统课程改换坐标系的做法。引入正面、负面概念，完全改变传统课程改换坐标系的做法。引入正面、负面概念，完全依据坐标来定义各力学量的符号。目的是将一切分析与计算置依据坐标来定义各力学量的符号。目的是将一切分析与计算置于一个统一的参照系下，不仅便于用计算机解题，与于一个统一的参照系下，不仅便于用计算机解题，与CAECAE接轨，接轨，体现了计算机时代课程的特点，而且还沿用了以往习惯。体现了计算机时代课程的特点，而且还沿用了以往习惯。第第 3 3 讲讲新体系材料力学的特色新体系材料力学的特色站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。站在弹性力学高度，注入弹性力学思想。3
23、.凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。凸显平衡、几何、物理三组方程的核心作用。2.强调应力、应变是二阶张量的实质。强调应力、应变是二阶张量的实质。7.统一坐标系。统一坐标系。4.4.强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。强化应力与应变分析观点，并将其作为课程主线。5.5.整合杆件强度与刚度计算内容。整合杆件强度与刚度计算内容。6.6.扩充极限应力法，引入弹塑性变形与极限载荷法。扩充极限应力法，引入弹塑性变形与极限载荷法。教材、辅导资料、网络课程等，均使用图像、二维或三教材、辅导资料、网络课程等，均使用图像、二维或三维图形、动画等多媒体技术，使抽象知识变得形象化。维图形、动画等多媒体技术，使抽象知识变得形象化。8.采用现代教育技术，注重知识表述的形象化。采用现代教育技术，注重知识表述的形象化。
