个人介绍
材料力学

主讲教师:

教师团队:共1

  • 秦世伦
专业大类: 力学
开课专业: 固体力学

 材料力学(mechanics of materials)主要研究杆件的应力、变形以及材料的宏观力学性能的学科。材料力学是固体力学的一个基础分支。它是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。

教师团队

秦世伦

职称:教授 博导

单位:四川大学

部门:建筑与环境学院

职位:教授

材料力学 - 概述

材料力学是工程设计的基础之一,即结构构件或机器零件的强度、刚度和稳定性分析的基础。在工程设计中,要求构件或零件在给定外力作用下,具有足够的强度、刚度和稳定性。构件或零件在外力作用下,不发生破坏,也不发生塑性变形,则称其具有足够的强度;若弹性变形不超过一定限度,则称其具有足够的刚度;若在特定外力(如细长杆承受轴向压力)作用下,其平衡和变形形式无突然转变,则称其具有足够的稳定性。

 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:不发生断裂,即具有足够的强度;弹性变形应不超出允许的范围,即具有足够的刚度;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。

材料力学 - 简史

在古代建筑中,尽管还没有严格的科学理论,但人们从长期生产实践中,对构件的承力情况已有一些定性或较粗浅的定量认识。例如,从圆木中截取矩形截面的木粱,当高宽比为3:2时最为经济,这大体上符合现代材料力学的基本原理。随着工业的发展,在车辆、船舶、机械和大型建筑工程的建造中所碰到的问题日益复杂,单凭经验已无法解决,这样,在对构件强度和刚度长期定量研究的基础上,逐渐形成了材料力学。

意大利科学家伽利略为解决建造船舶和水闸所需的粱的尺寸问题,进行了一系列实验,并于1638年首次提出粱的强度计算公式。由于当时对材料受力后会发生变形这一规律缺乏认识,他采用了刚体力学的方法进行计算,以致所得结论不完全正确。后来,英国科学家胡克在1678年发表了根据弹簧实验观察所得的,“力与变形成正比”这一重要物理定律(即胡克定律)。奠定了材料力学的基础。从18世纪起,材料力学开始沿着科学理论的方向向前发展。

一般认为伽利略的名著《关于两门新科学的谈话和数学证明》(1638)标志着材料力学的开端。书中有不少关于材料力学的内容。伽利略参观威尼斯一家兵工厂,观察了一些几何相似的结构物,经分析研究,得出以下结论:如果将物体做成几何相似,则尺寸愈大者,其强度愈弱,这完全是自重所起的作用。以后,R·胡克和E·马略特等人得出了与梁、柱、杆性态有关的基础知识,并研究了材料的强度性能与其他力学性能。18世纪时,因军事和结构工程的发展,做了很多关于木材、石料、钢和铜的力学性能试验。

材料力学 - 研究内容

材料力学的研究通常包括两大部分: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、压杆受弯曲(有时还应考虑剪切)的粱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,可将问题分为线弹性问题、几何非线性问题、物理非线性问题三类。

线弹性问题是指在杆变形很小,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。

几何非线性问题是指杆件变形较大,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。物理非线性问题是指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。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。

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