材料力学的研究对象、研究任务和研究方法.ppt

第一章绪论 本章主要介绍材料力学的研究对象、研究任务和研究方法。本章还介绍了变形固体的基本概念和变形固体的基本假设，以及杆件在荷载作用下的变形形式。 1-1 〓材料力学的研究对象、任 务和研究方法 1 材料力学的研究对象 结构就是建筑物中承受力而起骨架作用的部分。结构是由单个的部件按照一定的规则组合而成的，组成结构的部件称为构件。 构件都是由固体形态的工程材料制成的，并具有一定的外部形状和几何尺寸。在使用的过程中，所有的构件都要受到相邻构件或其他物体的作用，也就是说要受到外力。 例如房屋的外墙壁要受到风的压力、建筑物要受到地震的冲击力、公路桥梁要受到过往车辆的压力等等，此外它们都还要受到自身重力的作用。 作用在建筑物或结构上的外力，及它们自身的重力通称为荷载。 结构是由构件组成的，作用于结构上的荷载，也要由组成结构的构件来共同承担，因而构件是承受荷载的基本单元。材料力学的研究对象就是由工程材料制成的、在荷载作用下的构件。 2 材料力学的研究任务 在荷载的作用下，构件的几何形状和尺寸大小都要发生一定程度的改变，这种改变，在材料力学中称为变形。一般来讲，变形要随着荷载的增大而增大，当荷载达到某一数值时，构件会因为变形过大或被破坏而失去效用，通常简称为失效。避免构件在使用时的失效是材料力学的主要研究任务。 构件的失效形式通常有三种： 一是构件在使用中因承受的荷载过大而发生破坏，如起重吊车的绳索被拉断、建筑物的基础被压坏等； 二是构件的变形超出了工程上所允许的范围，如工业厂房中吊车的横梁或建筑物的房梁在受载时发生过大的弯曲等； 三是构件在荷载的作用下其几何形状无法保持原有的状态而失去平衡，通常也称为失稳，如细长的支柱在受压时突然变弯等。 构件本身对各种失效具有抵抗的能力，简称为抗力。 在材料力学中，把构件抵抗破坏的能力称为强度，构件抵抗变形的能力称为刚度。 构件抵抗失稳、维持原有平衡状态的能力称为稳定性。 研究表明：构件的强度、刚度和稳定性，与其本身的几何形状、尺寸大小、所用材料、荷载情况以及工作环境等都有着非常密切的关系。 在工程结构的设计过程中，必须根据荷载的情况对结构本身和组成结构的每一个构件进行力学分析。构件的力学分析，首先要保证的就是构件要有足够的强度、刚度和稳定性，以使构件能够安全工作而不至于发生失效。 一般说来，为构件选用较好的材料和较大的截面尺寸，上述的三项基本要求是可以满足的，但是这样又可能造成材料的浪费和结构的笨重。由此可见，结构的安全性与经济性之间是存在矛盾的。所以，如何合理地选用构件材料，恰当地确定构件的截面形状和几何尺寸，是构件设计中的一个十分重要的问题，也是材料力学所要完成的主要研究任务。 综合以上分析，可以把材料力学的主要研究任务归纳为：研究各种构件在荷载的作用下所表现出来的变形和破坏的规律，为合理设计构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的理论基础和设计计算方法，从而为构件选择适当的材料、确定合理的形状和足够的尺寸，以保证建筑物或工程结构在满足安全、可靠、适用的前提下，符合最经济的要求。 3 材料力学的研究方法 材料力学采用的是实验—假设—理论分析—实验验证的研究方法。  1-2 〓变形固体及其基本假设 1.2.1 〓刚体与变形固体 理论力学研究的是物体的运动和平衡问题的一般规律。在理论力学的研究中，把物体都看作是刚体，即在外力的作用下，物体的大小和形状都绝对不变。用绝对刚体这个抽象的力学模型代替真实的物体，这是理论力学研究的特点之一。 材料力学所研究的是构件的强度、刚度和稳定性问题。在这类问题中，物体的变形虽然很小，但却是主要影响因素之一，必须要予以考虑而不能忽略。因而，在材料力学的研究中，把物体（构件）都看作是变形固体，即在外力的作用下都要发生变形——包括尺寸的改变和形状的改变。 122 〓变形固体的基本假设 1 有关材料的三个基本假设 （1） 连续性假设 假设构成变形固体的物质完全填满了固体所占的几何空间而毫无空隙存在。 事实上，构件的材料是由微粒或晶粒组成的，各微粒或晶粒之间是有空隙的，是不可能完全紧密的，但这种空隙和构件的尺寸比起来极为微小，因而可以假设是紧密而毫无空隙存在。以这个假设为依据，在进行理论分析时，与构件性质相关的物理量可以用连续函数来表示，所得出的结论与实际情况不会有显著的误差。 （2） 均匀性假设  假设构件中各点处的力学性能是完全相同的。 事实上，组成构件材料的各个微粒或晶粒，彼此