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材料力学 版权信息
- ISBN:9787030360434
- 条形码:9787030360434 ; 978-7-03-036043-4
- 装帧:一般胶版纸
- 册数:暂无
- 重量:暂无
- 所属分类:>
材料力学 内容简介
本教材定位于应用型本科教材,突出"培养工程应用型人才"的目标,结合我国土木类、水利类、机械类、电力类相关专业教学实际,以培养目标为指导,遵循科学性、优选性、系统性、普适性和教与学实用性的原则。在保证基本培养规格的前提下,强化宽口径人才培养方针,拓宽学生知识面。本教材既可以用于土木水利类各专业,也可用于机械电力类各专业。书中将上述两类专业弯矩图的不同画法分开编写。在深度上满足学生考研的要求。随着各专业课程体系的不断改革与发展,学生要学的学科越来越多,基础课学时越来越少。本教材应本着少而精、易掌握,同时不失系统性、完整性、严谨性和实用性的原则编写。内容力求简明扼要,适合中等学时教学。本书按80学时编写,总字数约55万。
材料力学 目录
前言
第1章 绪论 1
1 1 材料力学的任务 1
1.2 变形固体的基本假设 2
1.3 外力、内力及截面法 3
1.4 应力与应变 6
1.5 杆件变形的基本形式 9
思考题 11
习题 11
第2章 拉伸与压缩 13
2.1 轴向拉伸与压缩的概念 13
2.2 横截面上的内力和应力 13
2.3 斜截面上的应力 19
2.4 材料在拉伸时的力学性能 21
2.5 材料在压缩时的力学性能 25
2.6 失效、安全系数和强度计算 27
2.7 轴向拉伸或压缩时的变形、胡克定律 30
2.8 轴向拉伸或压缩的变形能 33
2.9 拉伸、压缩超静定问题 35
2.10 温度应力和装配应力 38
2.11 应力集中的概念 42
思考题 43
习题 44
第3章 扭转 49
3.1 扭转的概念、扭矩和扭矩图 49
3.2 纯剪切 52
3.3 圆轴扭转时的应力、强度条件 54
3.4 圆轴扭转时的变形、刚度条件 62
3.5 扭转超静定问题 65
3.6 圆柱形密圈螺旋弹簧的应力和变形 67
3.7 等直非圆截面杆的自由扭转 70
思考题 73
习题 74
第4章 弯曲内为 80
4.1 弯曲的概念和实例 80
4.2 受弯杆件的简化 80
4.3 弯曲内力——剪力和弯矩 82
4.4 剪力方程和弯矩方程、剪力图和弯矩图 85
4.5 载荷集度、剪力和弯矩间的关系 88
4.6 平面刚架和曲杆的内力图 92
思考题 95
习题 95
第5章 弯曲应力 100
5.1 纯弯曲 100
5.2 纯弯曲时梁横截面上的正应力 101
5.3 横力弯曲时的正应力 103
5.4 弯曲切应力 105
5.5 梁的合理设计 110
思考题 112
习题 113
第6章 弯曲变形 118
6.1 工程中的弯曲变形问题 118
6.2 梁的位移和挠曲线的微分方程 118
6.3 积分法求弯曲变形 119
6.4 叠加法计算梁的位移 123
6.5 简单超静定梁 125
6.6 梁的刚度条件及提高梁的刚度的措施 127
思考题 129
习题 129
第7章 应力应变分析和强度理论 132
概述 132
7.2 二向应力状态分析——解析法 135
7.3 二向应力状态分析——图解法 139
7.4 三向应力状态 142
7.5 平面应变状态分析 144
7.6 广义胡克定律 147
7.7 复杂应力状态下的应变能密度 149
7.8 常用强度理论及其相当应力 151
7.9 莫尔强度理论 154
7.10 强度理论的应用 156
思考题 159
习题 160
第8章 组合变形 165
8.1 组合变形和叠加原理 165
8.2 斜弯曲 166
8.3 拉伸或压缩与弯曲的组合 169
8.4 偏心压缩、截面核心 172
8.5 扭转与弯曲的组合 177
8.6 普遍形式 181
8.7 剪切和挤压的实用计算方法 181
思考题 185
习题 185
第9章 压杆稳定 188
9.1 压杆稳定的概念 188
9.2 两端铰支细长压杆的临界压力 189
9.3 不同杆端约束下细长压杆的临界压力 192
9.4 欧拉公式的适用范围、临界应力总图 194
9.5 压杆的稳定校核 199
9.6 提高压杆稳定性的措施 203
思考题 204
习题 205
第10章 能量方法 209
10.1 概述 209
10.2 应变能、余能 209
10.3 互等定理 217
10.4 卡氏定理 220
10.5 虚功原理 223
10.6 单位荷载法、莫尔积分 226
10.7 计算莫尔积分的图乘法 230
思考题 231
习题 232
第11章 超静定结构 237
11.1 超静定结构概述 237
11.2 用力法解超静定结构 239
11.3 对称及反对称性质的利用 242
11.4 连续梁及三弯矩方程 246
11.5 支座沉陷及温度变化对超静定梁的影响 250
思考题 254
习题 255
第12章 动荷载 258
12.1 概述 258
12.2 动静法的应用 258
12.3 杆件受冲击时的应力和变形 262
思考题 269
习题 270
第13章 交变应力 273
13.1 交变应力与疲劳失效 273
13.2 疲劳极限 276
13.3 对称循环下构件的疲劳强度计算 282
13.4 非对称循环下构件的疲劳强度计算 284
13.5 弯扭组合交变应力的强度计算 287
13.6 变幅交变应力 289
13.7 提高构件疲劳强度的措施 290
思考题 291
习题 291
附录A 截面的几何性质 295
A.1 静矩和形心 295
A.2 惯性矩、极惯性矩、惯性积 297
A.3 平行移轴公式、组合截面的惯性矩和惯性积 300
A.4 转轴公式、主惯性轴 302
思考题 304
习题 305
附录B 常用截面的几何性质计算公式 308
附录C 型钢规格表 310
附录D 简单荷载作用下梁的挠度和转角 323
参考文献 326
习题参考答案 327
材料力学 节选
第1章 绪论 1.1 材料力学的任务 理论力学中的研究对象是刚体,所谓刚体指的是不变形的物体。而在材料力学中,人们的研究对象却成了可以变形的物体,它更接近工程中的实际物体。 为了便于描述,首先粗略地明确几个概念:荷载、结构、构件。后面还会详述。 荷载(又称载荷):结构物和机械受到外力的作用,这些力称为荷载。 结构:建筑物或机械中能够承受荷载起骨架作用的部分。 构件:组成结构和机械的单个部分。 工程结构或机械都是由构件组成的。如:建筑物的纵梁、横梁、柱,机床的轴,起重机的吊臂等。构件的设计与计算与“材料”密不可分。 在生产力落后的封建社会及以前,建筑物的“材料”大多是石料、木材、铸铁等。人们在长期的生产实践中,逐步积累了关于“材料”的经验。例如,砖石材料具有较好的抗压性能,就被用来做成拱形以承受压力;而用竹索做成悬索桥,以充分利用竹材的抗拉强度。 封建社会解体后,社会生产力得到了迅速发展。由于需要建造新的建筑物、车船、机械等,材料力学作为一门科学逐步形成。不仅有了计算构件的理论,人们还采用了实验的方法。随着生产的发展,以及铁路车辆、船舶、飞机等的发明和使用,提出了减轻构件自重、减少材料消耗的要求。由此推动了治金工业的发展,使高强度的金属材料也逐渐成为主要的工程材料。 近几十年来,由于大跨度的桥梁、高耸建筑结构的社会需求,高强度的混凝土材料及高强度的合金材料也逐步被采用。 当工程结构或机械工作时,构件将受到荷载的作用。如厂房的外墙受到风压力,楼板受自重与堆放物品重力的作用,车床主轴受齿轮啮合力和切削力的作用等。构件一般由固体制成。在外力作用下,固体具有有限的抵抗破坏的能力,同时还会发生尺寸和形状的变化,称为变形。为了使构件在受荷载时能正常工作,首先要求构件在受荷载作用时不发生破坏。例如,机床主轴不能因为荷载过大而断裂。但仅仅不断裂并不一定能保证构件或整个结构的正常工作。例如,机床主轴若发生过大的变形,那么虽然机械仍然工作,但是因为主轴变形影响了零件的加工精度,而使加工出的构件不能达到标准要求,机器仍然属于不正常工作。因此要求构件的变形不能过大。另外,有些构件在外部压力的作用下有可能离开其原有的平衡形态而丧失稳定性。如千斤顶的螺杆、内燃机的挺杆,若不能维持其原有的直线平衡形态而被压弯,则不能正常工作。因此要求这样的构件不能被压弯,即不能丧失稳定性。针对上述三种情况,对于构件的正常工作的要求可以归纲为以下三点: (1)强度要求要求构件在受荷载作用时不发生破坏(即断裂),即构件应具有足够的强度。如冲床曲轴不可折断,储气罐不可爆破。强度要求就是指构件应具有足够的抵抗破坏的能力。 (2)刚度要求要求构件在受荷载作用下不发生较大变形,或所产生的变形不超过工程上允许的范围,即构件应具有足够的刚度。当然,材料力学所研究的构件发生了变形是可以的,也是存在的。这里所说的较大变形是影响了机器或是构件正常工作时的变形。总之,刚度要求就是指构件应具有足够的抵抗变形的能力。 (3)稳定性要求要求构件在受荷载作用时,能够在原有的形状下保持为稳定的平衡。即构件应具有足够的保持原有平衡形态的能力,或称满足稳定性要求。 设计构件时,若截面尺寸不足或形状不合理,或材料选取不当,将不能满足上述要求,从而使结构不能正常工作。为了满足上述强度、刚度、稳定性要求而不合理地加大截面尺寸也是不可取的。这就是经济方面的要求。材料力学的任务就是在满足强度、刚度和稳定性要求前提下,为设计既经济又安全的构件,提供必要的理论基础和计算方法。 一般说来,构件设计应满足强度、刚度、稳定性要求。但是针对具体构件又往往有所侧重。例如,储气罐主要是要保证强度,车床主轴侧重于刚度,而受压的细长杆则应保持稳定性。但总体来讲,强度要求是一切构件所必须满足的基本要求。 研究构件的强度、刚度和稳定性时,应了解材料在外力作用下表现出的变形和破坏方面的性能,即材料的力学性能。而材料的力学性能要由实验来测定。此外,经过简化得出的理论是否可信,还有一些尚无理论结果的问题,都需要借助实验方法来解决。所以实验分析和理论研究是材料力学解决问题的基本方法。 1.2 变形固体的基本假设 制作构件所用的材料是多种多样的,而材料的具体组成与微观结构更是非常复杂,但它们具有一个共同的特点,即都是固体,而且在荷载作用下都会发生变形。这些材料统称为可变形固体或变形固体。在材料力学中,不能像静力学中那样,把物体看成为不可变形的刚体。 由于变形固体种类繁多,工程材料中有金属与合金,工业陶瓷,聚合物等,性质是多方面的,而且很复杂。材料的基本组成部分,例如金属、陶瓷、岩石的晶体,混凝土的石子、砂和水泥等,彼此之间以及基本组成部分与构件之间的力学性能都存在不同程度的差异。但由于基本组成部分的尺寸与构件尺寸相比极为微小,而且其排列方向又是随机的,因此材料的力学性能反映的是无数个随机排列的基本组成部分的力学性能的统计平均值。 对于变形固体制成的构件,在进行强度、刚度、稳定性计算时,通常略去一些次要因素,将它们抽象为理想化的材料,然后进行理论分析。现根据工程材料的主要性质对其作下列假设: 1)连续性假设 假设物体在其全部体积内毫无空隙地充满了物质,其结构是密实的。而实际上,组成固体的粒子之间存在空隙,但这种空隙与构件尺寸相比是微乎其微的,在宏观研究时完全可以忽略不计,认为物质是连续的。这就可以根据连续函数的性质,利用微积分等数学知识来研究力学中的有关问题。 此外,连续性假设不仅适用于构件变形前,也适用于变形后。也就是说,变形固体的变形必须满足变形协调条件或几何相容条件,即构件内变形前相邻近的质点在变形后仍保持邻近,既不产生新的空隙或孔}同,也不出现重叠现象。 2)均匀性假设 假设从固体内取出的任何一小部分的力学性质都是完全相同的,材料的力学性能与其在构件中的位置无关,即认为是均匀的。按照此假设,固体内到处有相同的力学性能,反过来讲,从固体内任意一点处截取的微单元体,其力学性能都能代表整个固体的力学性能。 对于实际的工程材料而言,其组成部分的力学性能往往存在不同程度的差异。例如,就使用*多的金属来说,它是由无数微小晶粒组成的,各晶粒的力学性能并不完全相同。又如混凝土材料由石子、砂和水泥组成,它们的性质更是各不相同。但由于这些晶粒或组成物质的大小与构件的整体尺寸相比很小,而且排列也是随机的,因此,从宏观上来看,可以将固体的力学性质看成是各组成部分力学性能的统计平均值,可认为各部分的力学性能是均匀的。这样,如果从固体中取出一部分,无论大小,也无论从何处取出,力学性能总是相同的。 3)各向同性假设 假设材料沿各个方向的力学性能是完全相同的,即认为是各向同性的。 就金属的单一晶粒而言,沿不同的方向的力学性能并不完全一样,属于各向异性体,但由于构件包含数量极多的晶粒,而且这些晶粒又杂乱无章地排列,这样沿各个方向的力学性质就接近相同。具有这种属性的材料称为各向同性材料。金属材料如铸钢、铸铁、铸铜等均可认为是各向同性材料,像玻璃、混凝土、塑料等非金属材料也可认为是各向同性材料。 沿不同方向力学性能不同的材料,称为各向异性材料。如经过碾压的钢材、纤维整齐的木材以及玻璃纤维、碳纤维等复合材料、某些人工合成的材料等,则属于各向异性材料,应按各向异性问题处理。材料力学中主要研究各向同性的材料,如上所述,在材料力学的理论分析中,以均匀、连续、各向同性的可变形固体作为构件材料的力学模型。这种理想化了的力学模型抓住了各种工程材料的基本属性,从而使理论研究成为可行。而且,用这种力学模型进行计算所得的结果,在大多情况下是满足工程计算的精度要求的。 材料力学除了采用以上假设外,主要研究以下范围的变形固体: 1)小变形体 物体在承受荷载作用后将产生变形,如果变形的大小与物体的原始尺寸相比小得多,可以忽略不计,这样的物体称为小变形体。在小变形情况下,研究构件平衡和运动以及内部受力和变形时,均可按构件的原始尺寸和形状来计算。这种变形微小及按原始尺寸和形状进行计算的概念,在材料力学中经常用到。 有些构件在受力变形后,必须按变形后的形状来计算,如第9章的压杆稳定问题就属于这类问题。而对于大变形问题,则超出了本书所讨论的范围,可参阅后继相关课程。 2)线弹性体 工程材料在荷载作用下将发生变形。当荷载不超过一定的范围时,绝大多数材料在荷载卸除后均可以恢复原状。但当荷载过大时,则在荷载卸除后只能部分地复原,而残留下一部分变形而不能消失。在卸除荷载后能够完全消失的那一部分变形,称为弹性变形,不能消失而残留下来的那~部分变形,则称为塑性变形。对于某一种材料,当荷载不超过某个限度时,其变形是完全弹性的。材料在弹性变形范围内,变形与荷载呈线性关系的物体称为线弹性体。大多数构件在正常工作时均要求其材料只发生弹性变形。所以,材料力学中所研究的大部分问题都限于弹性变形范围内,即研究的是线弹性体。 总之,在材料力学中是把实际材料看做均匀、连续、各向同性的变形固体,且在大多数场合下局限在线弹性变形范围内和小变形条件下进行研究。 1.3 外力、内力及截面法 1.3.1 外力 材料力学的研究对象是构件。假想地把这一构件从周围物体中单独取出,并用力来代替周围各物体对于构件的作用,这些来自构件外部的力就是外力。因此,构件或物体上的外力包括荷载与约束反力。 外力按其作用方式可分为体积力和表面力。体积力是分布作用在杆件整个体积内各质点上的力,如杆的自重、杆件加速运动时的惯性力等。表面力是分布作用在杆件表面的力。若分布力的作用范围远小于构件的表面面积,或沿杆件轴线的分布范围远小于杆件长度,则可将分布力简化为作用于一点处的力,称为集中力;若作用面积较大,则称为面分布力。若分布集度均匀,称为均布荷载;若分布集度是变化的,则称为非均布荷载。如作用于油缸内壁上的油压力属于均布荷载,作用于大坝上游面的水压力属于非均布荷载,火车轮对于钢轨的压力、滚珠轴承对于轴的反作用力可近似看成是集中力。 外力按其作用时随时间变化的情况可分为静荷载和动荷载。随时间变化极缓慢或不变化的荷载,称为静荷载。其特征是在加载过程中,构件的加速度很小可以忽略不计。例如,把机器缓慢放置于基础之上,机器的重力对于基础的作用不随时间变化,属于静荷载。随时间显著变化或使构件各质点产生明显加速度的荷载,称为动荷载。再按其随时间变化的方式,动荷载又可分为冲击荷载和交变荷载。冲击荷载是指物体的运动在瞬时发生突然变化所引起的荷载。例如,锻造时汽锤的锤杆、急刹车时飞轮的轮轴会受到冲击荷载的作用。此部分内容将在第12章中讲述。交变荷载是随时间做周期性变化的荷载。例如,齿轮啮合传动时,轮齿所受到的力就是随时间做周期性变化的。此部分内容将在第13章中讨论。 材料在静荷载与动荷载作用下的力学性能很不相同,分析方法也不完全相同。但前者是后者的基础。 1.3.2 内力 当物体受外力作用而发生变形时,其内部各质点间的相对位置将发生变化。物体内部各部分之间因相对位置改变而引起的相互作用即为内力。大家知道,即使没有外力作用,物体各质点之间也存在着相互作用力。材料力学中的内力,是指在外力的作用下,各质点之间的相互作用力的改变量,即附加内力——仅由外力作用而引起的附加相互作用力。这样的内力随着外力的增大而增大,当达到某一限度时就会引起构件的破坏。构件的强度、刚度及稳定性,与内力的大小及其在构件内的分布情况密切相关。因此,内力分析是解决构件强度、刚度与稳定性问题的基础。 1.3.3 截面法 由刚体静力学可知,为了分析两物体之间
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