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材料力學 版權信息
- ISBN:9787030360434
- 條形碼:9787030360434 ; 978-7-03-036043-4
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
材料力學 內容簡介
本教材定位于應用型本科教材,突出"培養工程應用型人才"的目標,結合我國土木類、水利類、機械類、電力類相關專業教學實際,以培養目標為指導,遵循科學性、優選性、系統性、普適性和教與學實用性的原則。在保證基本培養規格的前提下,強化寬口徑人才培養方針,拓寬學生知識面。本教材既可以用于土木水利類各專業,也可用于機械電力類各專業。書中將上述兩類專業彎矩圖的不同畫法分開編寫。在深度上滿足學生考研的要求。隨著各專業課程體系的不斷改革與發展,學生要學的學科越來越多,基礎課學時越來越少。本教材應本著少而精、易掌握,同時不失系統性、完整性、嚴謹性和實用性的原則編寫。內容力求簡明扼要,適合中等學時教學。本書按80學時編寫,總字數約55萬。
材料力學 目錄
前言
第1章 緒論 1
1 1 材料力學的任務 1
1.2 變形固體的基本假設 2
1.3 外力、內力及截面法 3
1.4 應力與應變 6
1.5 桿件變形的基本形式 9
思考題 11
習題 11
第2章 拉伸與壓縮 13
2.1 軸向拉伸與壓縮的概念 13
2.2 橫截面上的內力和應力 13
2.3 斜截面上的應力 19
2.4 材料在拉伸時的力學性能 21
2.5 材料在壓縮時的力學性能 25
2.6 失效、安全系數和強度計算 27
2.7 軸向拉伸或壓縮時的變形、胡克定律 30
2.8 軸向拉伸或壓縮的變形能 33
2.9 拉伸、壓縮超靜定問題 35
2.10 溫度應力和裝配應力 38
2.11 應力集中的概念 42
思考題 43
習題 44
第3章 扭轉 49
3.1 扭轉的概念、扭矩和扭矩圖 49
3.2 純剪切 52
3.3 圓軸扭轉時的應力、強度條件 54
3.4 圓軸扭轉時的變形、剛度條件 62
3.5 扭轉超靜定問題 65
3.6 圓柱形密圈螺旋彈簧的應力和變形 67
3.7 等直非圓截面桿的自由扭轉 70
思考題 73
習題 74
第4章 彎曲內為 80
4.1 彎曲的概念和實例 80
4.2 受彎桿件的簡化 80
4.3 彎曲內力——剪力和彎矩 82
4.4 剪力方程和彎矩方程、剪力圖和彎矩圖 85
4.5 載荷集度、剪力和彎矩間的關系 88
4.6 平面剛架和曲桿的內力圖 92
思考題 95
習題 95
第5章 彎曲應力 100
5.1 純彎曲 100
5.2 純彎曲時梁橫截面上的正應力 101
5.3 橫力彎曲時的正應力 103
5.4 彎曲切應力 105
5.5 梁的合理設計 110
思考題 112
習題 113
第6章 彎曲變形 118
6.1 工程中的彎曲變形問題 118
6.2 梁的位移和撓曲線的微分方程 118
6.3 積分法求彎曲變形 119
6.4 疊加法計算梁的位移 123
6.5 簡單超靜定梁 125
6.6 梁的剛度條件及提高梁的剛度的措施 127
思考題 129
習題 129
第7章 應力應變分析和強度理論 132
概述 132
7.2 二向應力狀態分析——解析法 135
7.3 二向應力狀態分析——圖解法 139
7.4 三向應力狀態 142
7.5 平面應變狀態分析 144
7.6 廣義胡克定律 147
7.7 復雜應力狀態下的應變能密度 149
7.8 常用強度理論及其相當應力 151
7.9 莫爾強度理論 154
7.10 強度理論的應用 156
思考題 159
習題 160
第8章 組合變形 165
8.1 組合變形和疊加原理 165
8.2 斜彎曲 166
8.3 拉伸或壓縮與彎曲的組合 169
8.4 偏心壓縮、截面核心 172
8.5 扭轉與彎曲的組合 177
8.6 普遍形式 181
8.7 剪切和擠壓的實用計算方法 181
思考題 185
習題 185
第9章 壓桿穩定 188
9.1 壓桿穩定的概念 188
9.2 兩端鉸支細長壓桿的臨界壓力 189
9.3 不同桿端約束下細長壓桿的臨界壓力 192
9.4 歐拉公式的適用范圍、臨界應力總圖 194
9.5 壓桿的穩定校核 199
9.6 提高壓桿穩定性的措施 203
思考題 204
習題 205
第10章 能量方法 209
10.1 概述 209
10.2 應變能、余能 209
10.3 互等定理 217
10.4 卡氏定理 220
10.5 虛功原理 223
10.6 單位荷載法、莫爾積分 226
10.7 計算莫爾積分的圖乘法 230
思考題 231
習題 232
第11章 超靜定結構 237
11.1 超靜定結構概述 237
11.2 用力法解超靜定結構 239
11.3 對稱及反對稱性質的利用 242
11.4 連續梁及三彎矩方程 246
11.5 支座沉陷及溫度變化對超靜定梁的影響 250
思考題 254
習題 255
第12章 動荷載 258
12.1 概述 258
12.2 動靜法的應用 258
12.3 桿件受沖擊時的應力和變形 262
思考題 269
習題 270
第13章 交變應力 273
13.1 交變應力與疲勞失效 273
13.2 疲勞極限 276
13.3 對稱循環下構件的疲勞強度計算 282
13.4 非對稱循環下構件的疲勞強度計算 284
13.5 彎扭組合交變應力的強度計算 287
13.6 變幅交變應力 289
13.7 提高構件疲勞強度的措施 290
思考題 291
習題 291
附錄A 截面的幾何性質 295
A.1 靜矩和形心 295
A.2 慣性矩、極慣性矩、慣性積 297
A.3 平行移軸公式、組合截面的慣性矩和慣性積 300
A.4 轉軸公式、主慣性軸 302
思考題 304
習題 305
附錄B 常用截面的幾何性質計算公式 308
附錄C 型鋼規格表 310
附錄D 簡單荷載作用下梁的撓度和轉角 323
參考文獻 326
習題參考答案 327
材料力學 節選
第1章 緒論 1.1 材料力學的任務 理論力學中的研究對象是剛體,所謂剛體指的是不變形的物體。而在材料力學中,人們的研究對象卻成了可以變形的物體,它更接近工程中的實際物體。 為了便于描述,首先粗略地明確幾個概念:荷載、結構、構件。后面還會詳述。 荷載(又稱載荷):結構物和機械受到外力的作用,這些力稱為荷載。 結構:建筑物或機械中能夠承受荷載起骨架作用的部分。 構件:組成結構和機械的單個部分。 工程結構或機械都是由構件組成的。如:建筑物的縱梁、橫梁、柱,機床的軸,起重機的吊臂等。構件的設計與計算與“材料”密不可分。 在生產力落后的封建社會及以前,建筑物的“材料”大多是石料、木材、鑄鐵等。人們在長期的生產實踐中,逐步積累了關于“材料”的經驗。例如,磚石材料具有較好的抗壓性能,就被用來做成拱形以承受壓力;而用竹索做成懸索橋,以充分利用竹材的抗拉強度。 封建社會解體后,社會生產力得到了迅速發展。由于需要建造新的建筑物、車船、機械等,材料力學作為一門科學逐步形成。不僅有了計算構件的理論,人們還采用了實驗的方法。隨著生產的發展,以及鐵路車輛、船舶、飛機等的發明和使用,提出了減輕構件自重、減少材料消耗的要求。由此推動了治金工業的發展,使高強度的金屬材料也逐漸成為主要的工程材料。 近幾十年來,由于大跨度的橋梁、高聳建筑結構的社會需求,高強度的混凝土材料及高強度的合金材料也逐步被采用。 當工程結構或機械工作時,構件將受到荷載的作用。如廠房的外墻受到風壓力,樓板受自重與堆放物品重力的作用,車床主軸受齒輪嚙合力和切削力的作用等。構件一般由固體制成。在外力作用下,固體具有有限的抵抗破壞的能力,同時還會發生尺寸和形狀的變化,稱為變形。為了使構件在受荷載時能正常工作,首先要求構件在受荷載作用時不發生破壞。例如,機床主軸不能因為荷載過大而斷裂。但僅僅不斷裂并不一定能保證構件或整個結構的正常工作。例如,機床主軸若發生過大的變形,那么雖然機械仍然工作,但是因為主軸變形影響了零件的加工精度,而使加工出的構件不能達到標準要求,機器仍然屬于不正常工作。因此要求構件的變形不能過大。另外,有些構件在外部壓力的作用下有可能離開其原有的平衡形態而喪失穩定性。如千斤頂的螺桿、內燃機的挺桿,若不能維持其原有的直線平衡形態而被壓彎,則不能正常工作。因此要求這樣的構件不能被壓彎,即不能喪失穩定性。針對上述三種情況,對于構件的正常工作的要求可以歸綱為以下三點: (1)強度要求要求構件在受荷載作用時不發生破壞(即斷裂),即構件應具有足夠的強度。如沖床曲軸不可折斷,儲氣罐不可爆破。強度要求就是指構件應具有足夠的抵抗破壞的能力。 (2)剛度要求要求構件在受荷載作用下不發生較大變形,或所產生的變形不超過工程上允許的范圍,即構件應具有足夠的剛度。當然,材料力學所研究的構件發生了變形是可以的,也是存在的。這里所說的較大變形是影響了機器或是構件正常工作時的變形?傊瑒偠纫缶褪侵笜嫾哂凶銐虻牡挚棺冃蔚哪芰。 (3)穩定性要求要求構件在受荷載作用時,能夠在原有的形狀下保持為穩定的平衡。即構件應具有足夠的保持原有平衡形態的能力,或稱滿足穩定性要求。 設計構件時,若截面尺寸不足或形狀不合理,或材料選取不當,將不能滿足上述要求,從而使結構不能正常工作。為了滿足上述強度、剛度、穩定性要求而不合理地加大截面尺寸也是不可取的。這就是經濟方面的要求。材料力學的任務就是在滿足強度、剛度和穩定性要求前提下,為設計既經濟又安全的構件,提供必要的理論基礎和計算方法。 一般說來,構件設計應滿足強度、剛度、穩定性要求。但是針對具體構件又往往有所側重。例如,儲氣罐主要是要保證強度,車床主軸側重于剛度,而受壓的細長桿則應保持穩定性。但總體來講,強度要求是一切構件所必須滿足的基本要求。 研究構件的強度、剛度和穩定性時,應了解材料在外力作用下表現出的變形和破壞方面的性能,即材料的力學性能。而材料的力學性能要由實驗來測定。此外,經過簡化得出的理論是否可信,還有一些尚無理論結果的問題,都需要借助實驗方法來解決。所以實驗分析和理論研究是材料力學解決問題的基本方法。 1.2 變形固體的基本假設 制作構件所用的材料是多種多樣的,而材料的具體組成與微觀結構更是非常復雜,但它們具有一個共同的特點,即都是固體,而且在荷載作用下都會發生變形。這些材料統稱為可變形固體或變形固體。在材料力學中,不能像靜力學中那樣,把物體看成為不可變形的剛體。 由于變形固體種類繁多,工程材料中有金屬與合金,工業陶瓷,聚合物等,性質是多方面的,而且很復雜。材料的基本組成部分,例如金屬、陶瓷、巖石的晶體,混凝土的石子、砂和水泥等,彼此之間以及基本組成部分與構件之間的力學性能都存在不同程度的差異。但由于基本組成部分的尺寸與構件尺寸相比極為微小,而且其排列方向又是隨機的,因此材料的力學性能反映的是無數個隨機排列的基本組成部分的力學性能的統計平均值。 對于變形固體制成的構件,在進行強度、剛度、穩定性計算時,通常略去一些次要因素,將它們抽象為理想化的材料,然后進行理論分析,F根據工程材料的主要性質對其作下列假設: 1)連續性假設 假設物體在其全部體積內毫無空隙地充滿了物質,其結構是密實的。而實際上,組成固體的粒子之間存在空隙,但這種空隙與構件尺寸相比是微乎其微的,在宏觀研究時完全可以忽略不計,認為物質是連續的。這就可以根據連續函數的性質,利用微積分等數學知識來研究力學中的有關問題。 此外,連續性假設不僅適用于構件變形前,也適用于變形后。也就是說,變形固體的變形必須滿足變形協調條件或幾何相容條件,即構件內變形前相鄰近的質點在變形后仍保持鄰近,既不產生新的空隙或孔}同,也不出現重疊現象。 2)均勻性假設 假設從固體內取出的任何一小部分的力學性質都是完全相同的,材料的力學性能與其在構件中的位置無關,即認為是均勻的。按照此假設,固體內到處有相同的力學性能,反過來講,從固體內任意一點處截取的微單元體,其力學性能都能代表整個固體的力學性能。 對于實際的工程材料而言,其組成部分的力學性能往往存在不同程度的差異。例如,就使用*多的金屬來說,它是由無數微小晶粒組成的,各晶粒的力學性能并不完全相同。又如混凝土材料由石子、砂和水泥組成,它們的性質更是各不相同。但由于這些晶粒或組成物質的大小與構件的整體尺寸相比很小,而且排列也是隨機的,因此,從宏觀上來看,可以將固體的力學性質看成是各組成部分力學性能的統計平均值,可認為各部分的力學性能是均勻的。這樣,如果從固體中取出一部分,無論大小,也無論從何處取出,力學性能總是相同的。 3)各向同性假設 假設材料沿各個方向的力學性能是完全相同的,即認為是各向同性的。 就金屬的單一晶粒而言,沿不同的方向的力學性能并不完全一樣,屬于各向異性體,但由于構件包含數量極多的晶粒,而且這些晶粒又雜亂無章地排列,這樣沿各個方向的力學性質就接近相同。具有這種屬性的材料稱為各向同性材料。金屬材料如鑄鋼、鑄鐵、鑄銅等均可認為是各向同性材料,像玻璃、混凝土、塑料等非金屬材料也可認為是各向同性材料。 沿不同方向力學性能不同的材料,稱為各向異性材料。如經過碾壓的鋼材、纖維整齊的木材以及玻璃纖維、碳纖維等復合材料、某些人工合成的材料等,則屬于各向異性材料,應按各向異性問題處理。材料力學中主要研究各向同性的材料,如上所述,在材料力學的理論分析中,以均勻、連續、各向同性的可變形固體作為構件材料的力學模型。這種理想化了的力學模型抓住了各種工程材料的基本屬性,從而使理論研究成為可行。而且,用這種力學模型進行計算所得的結果,在大多情況下是滿足工程計算的精度要求的。 材料力學除了采用以上假設外,主要研究以下范圍的變形固體: 1)小變形體 物體在承受荷載作用后將產生變形,如果變形的大小與物體的原始尺寸相比小得多,可以忽略不計,這樣的物體稱為小變形體。在小變形情況下,研究構件平衡和運動以及內部受力和變形時,均可按構件的原始尺寸和形狀來計算。這種變形微小及按原始尺寸和形狀進行計算的概念,在材料力學中經常用到。 有些構件在受力變形后,必須按變形后的形狀來計算,如第9章的壓桿穩定問題就屬于這類問題。而對于大變形問題,則超出了本書所討論的范圍,可參閱后繼相關課程。 2)線彈性體 工程材料在荷載作用下將發生變形。當荷載不超過一定的范圍時,絕大多數材料在荷載卸除后均可以恢復原狀。但當荷載過大時,則在荷載卸除后只能部分地復原,而殘留下一部分變形而不能消失。在卸除荷載后能夠完全消失的那一部分變形,稱為彈性變形,不能消失而殘留下來的那~部分變形,則稱為塑性變形。對于某一種材料,當荷載不超過某個限度時,其變形是完全彈性的。材料在彈性變形范圍內,變形與荷載呈線性關系的物體稱為線彈性體。大多數構件在正常工作時均要求其材料只發生彈性變形。所以,材料力學中所研究的大部分問題都限于彈性變形范圍內,即研究的是線彈性體。 總之,在材料力學中是把實際材料看做均勻、連續、各向同性的變形固體,且在大多數場合下局限在線彈性變形范圍內和小變形條件下進行研究。 1.3 外力、內力及截面法 1.3.1 外力 材料力學的研究對象是構件。假想地把這一構件從周圍物體中單獨取出,并用力來代替周圍各物體對于構件的作用,這些來自構件外部的力就是外力。因此,構件或物體上的外力包括荷載與約束反力。 外力按其作用方式可分為體積力和表面力。體積力是分布作用在桿件整個體積內各質點上的力,如桿的自重、桿件加速運動時的慣性力等。表面力是分布作用在桿件表面的力。若分布力的作用范圍遠小于構件的表面面積,或沿桿件軸線的分布范圍遠小于桿件長度,則可將分布力簡化為作用于一點處的力,稱為集中力;若作用面積較大,則稱為面分布力。若分布集度均勻,稱為均布荷載;若分布集度是變化的,則稱為非均布荷載。如作用于油缸內壁上的油壓力屬于均布荷載,作用于大壩上游面的水壓力屬于非均布荷載,火車輪對于鋼軌的壓力、滾珠軸承對于軸的反作用力可近似看成是集中力。 外力按其作用時隨時間變化的情況可分為靜荷載和動荷載。隨時間變化極緩慢或不變化的荷載,稱為靜荷載。其特征是在加載過程中,構件的加速度很小可以忽略不計。例如,把機器緩慢放置于基礎之上,機器的重力對于基礎的作用不隨時間變化,屬于靜荷載。隨時間顯著變化或使構件各質點產生明顯加速度的荷載,稱為動荷載。再按其隨時間變化的方式,動荷載又可分為沖擊荷載和交變荷載。沖擊荷載是指物體的運動在瞬時發生突然變化所引起的荷載。例如,鍛造時汽錘的錘桿、急剎車時飛輪的輪軸會受到沖擊荷載的作用。此部分內容將在第12章中講述。交變荷載是隨時間做周期性變化的荷載。例如,齒輪嚙合傳動時,輪齒所受到的力就是隨時間做周期性變化的。此部分內容將在第13章中討論。 材料在靜荷載與動荷載作用下的力學性能很不相同,分析方法也不完全相同。但前者是后者的基礎。 1.3.2 內力 當物體受外力作用而發生變形時,其內部各質點間的相對位置將發生變化。物體內部各部分之間因相對位置改變而引起的相互作用即為內力。大家知道,即使沒有外力作用,物體各質點之間也存在著相互作用力。材料力學中的內力,是指在外力的作用下,各質點之間的相互作用力的改變量,即附加內力——僅由外力作用而引起的附加相互作用力。這樣的內力隨著外力的增大而增大,當達到某一限度時就會引起構件的破壞。構件的強度、剛度及穩定性,與內力的大小及其在構件內的分布情況密切相關。因此,內力分析是解決構件強度、剛度與穩定性問題的基礎。 1.3.3 截面法 由剛體靜力學可知,為了分析兩物體之間
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