哈工大材料力学I课程教学大纲.doc

材料力学 - I 课程教学大纲 课程中文名称：材料力学 课程英文名称： Mechanics of Materials 总学时： 98 讲课学时： 64 习题学时： 8 实验学时： 8 上机学时： 18 授课对象： 机械、建筑、交通、材料、动力、能源等专业本科生 先修课程：高等数学，理论力学 一、课程教学目的 通过本课程学习，要求学生正确理解构件的强度、刚度、稳定性等基本概念以及平衡、几何、物理三类方程在求解力学问题时的重要作用。能熟练地计算杆件的应力与变形以及分析其强度、刚度与稳定性的能力。通过实验课教学，培养学生具有一定的创新性、综合性的实验能力。 二、教学内容及基本要求 强度、刚度、稳定性 ； 变形固体及其理想化；外力及其分类；变形与位移。 应力状态分析： 内力；应力的概念，正应力与切应力；一点的应力状态；切应力互等定律；二向应力状态分析，解析法；二向应力状态分析，图解法；三向应力状态分析；微体平衡。 应变状态分析： 应变概念，线应变与切应变；位移与应变的关系； 几何方程；应变协调条件，相容方程；平面应变状态分析。 材料的力学性能、应力应变关系： 材料的力学性能与基本实验；轴向拉伸和压缩实验；常见工程材料的应力应变曲线； 应力松驰与蠕变； 各向同性材料的广义虎克定律；应变能；各向同性材料弹性常数间的关系；各向异性材料应力应变关系。 轴向拉压： 轴向拉压杆的内力；轴向拉压杆的应力；圣文南原理 ；应力集中；轴向拉压杆的变形，变形能； 轴向拉压静不定问题，温度应力，装配应力； 构件受慣性力作用时的应力计算。 扭转： 扭转杆件的内力；圆轴扭转横截面上切应力 ；圆轴扭转破坏模式的分析；圆轴扭转变形与变形能；薄壁杆的自由扭转，剪力流。 弯曲： 梁的内力，剪力与弯矩；剪力图与弯矩图 ；载荷、剪力及弯矩间的关系；纯弯曲梁的正应力；有关弯曲的讨论；弯曲切应力；开口薄壁非对称截面梁的弯曲，弯曲中心；梁的弹性弯曲变形，弹性曲线微分方程；直接积分求梁的变形；叠加原理与叠加法求变形；曲杆弯曲。 复杂内力时杆件应力计算： 斜弯曲；偏心拉伸与压缩；截面核心；弯曲与扭转 。 能量原理： 虚功，杆件内力的虚功；虚功原理及其对杆件的应用；莫尔定理；图形互乘法；虚功原理应用于小变形固体；冲击。 静不定结构： 静不定结构的概念及其分析方法；用力法分析静不定结构；具有对称与反对称性的静不定结构；连续梁。 材料失效及强度理论： 常用工程材料的失效模式及强度理论概念； 关于断裂的强度理论；关于屈服的强度理论；莫尔强度理论；强度条件与强度计算。 杆件的强度、刚度计算： 强度条件与刚度条件；轴向拉压杆件的强度计算；扭转杆件的强度、刚度计算；弯曲杆件的强度、刚度计算；复杂内力时杆件的强度、刚度计算；提高构件强度、刚度的一些措施。 联接： 工程中常见的联接结构；剪切实用计算；挤压实用计算；焊接缝与胶粘接缝的实用计算。 弹塑性变形与极限载荷分析： 弹塑性变形与极限载荷法概念；应力 -应变关系曲线的简化；静不定桁架的极限载荷；圆轴的弹塑性扭转， 残余应力；梁的弹塑性弯曲，塑性铰。 疲劳与断裂： 交变应力与对其描述；疲劳概念与材料的疲劳极限；影响疲劳极限的主要因素；疲劳强度计算；变幅交变应力下构件的疲劳强度计算；疲劳裂纹扩展与构件的疲劳寿命压杆稳定： 压杆稳定性概念；确定临界力的静力法，欧拉公式；超过比例极限压杆的临界力计算；关于压杆稳定性的进一步讨论；中心加载压杆稳定性设计。 三、课程负责人示范性教学设计 1教学内容设计与学时安排序号 学时 讲授 方式 讲授内容 1 2 讲课 第一章 绪论 构件强度、刚度、稳定性 连续与非连续；均匀与非均匀；各向同性与各向异性 静载荷与动载荷；体积力与表面力；分布力与集中力 弹性变形与塑性变形；大变形与小变形；变形与位移 2 2 讲课 第二章 应力状态分析 内力、应力概念，正应力与切应力 单元体，一点应力状态表示，切应力互等定理 三向、二向、单向、纯剪切应力状态 3 2 讲课 习题 二向应力状态分析 -解析法 任意斜截面的应力，主应力、主方向，主切应力、主剪切面 4 2 讲课 二向应力状态分析 -应力圆 三向应力状态，任意斜面应力，应力特征方程，应力不变量 内部微体平衡 平衡微分方程 边界微体平衡 应力边界条件 5 2 讲课 第三章 应变状态分析 应变概念，线应变与切应变 位移与应变关系，几何方程 应变协调条件，相容方程 6 2 讲课 习题 平面应变状态分析 -解析法 主应变及应变主方向；最大切应变及方向；应变圆 7 2 讲课 第四章 材料力学性质 应力应变关系 材料力学性能与基本实验 碳钢拉伸、压缩试验；比例、弹性、屈服、强度极限，延伸率，断面收缩率，冷作硬化 铸铁拉伸、压缩试验 8 2 讲课 1各向同性材料简单应力状态虎克定律 2各向异性材料广义胡克定律 3正交异性材料广义胡克定律 4各向同性材料广义胡克定律 9 2 讲课 体积变形与形状变形 应变能概念；单向、纯剪切、三向应力状态应变能 体变应变能与形变应变能密度 4各向同性材料弹性常数间关系，极限应力、许用应力、安全系数 10 2 试验课 低碳钢拉伸、压缩试验 铸铁拉伸、压缩试验 11 2 讲课 第五章 轴向拉伸与压缩 轴力、平面假设、应力公式 圣维南原理、应力集中 变形、变形能 12 2 讲课 习题 拉、压静不定、温度与装配应力 惯性力作用时杆件应力计算 13 2 讲课 扭转 内力、平面假设、切应力公式 圆周扭转破坏模式分析 14 2 讲课 习题 变形、应变能 非圆截面杆扭转 开口薄壁杆的自由扭转 15 2 讲课 第七章 弯曲 剪力与弯矩、剪力图与弯矩图、外力与内力间关系 平面假设、纯弯曲梁横截面应力公式 16 2 习题 作剪力图与弯矩图 17 2 讲课 剪力弯曲梁切应力 矩形截面梁、基本假设，弯曲切应力公式 工字形、圆形、环形截面梁的切应力 弯曲中心概念 18 2 讲课 习题 平面弯曲梁的变形、挠度与转角 挠曲线近似微分方程 直接积分法求变形 19 2 讲课 叠加法求变形 有限差分法求变形简介（为电算大作业做准备） 曲杆弯曲简介 20 2 讲课 第八章 复杂内力时杆件应力计算 1复杂内力时杆件内力计算 2斜弯曲变形、应力计算 3偏心拉压变形、应力计算 21 2 讲课 习题 截面核心 弯曲与扭转变形、应力计算 22 2 讲课 第九章 能量原理 虚功、杆剪内力的虚功 虚功原理机对杆件的应用 莫尔定理 23 2 讲课 习题 图乘法 互等定理 24 2 讲课 习题 冲击 25 2 讲课 静不定结构 静不定结构的概念及其分析方法 力法，力法正则方程 26 2 习题 有对称与反对称性的静不定结构 连续梁 静不定刚架 27 2 讲课 第十一章 材料失效及强度理论 1常用工程材料失效模式及强度理论概念 2关于断裂的强度理论 关于屈服的强度理论 强度条件与强度计算 28 2 讲课 习题 第十二章 杆件的强度与刚度计算 杆件失效概念与失效模式 轴向拉伸与压缩杆件强度计算 29 2 讲课 扭转杆件强度与刚度计算 弯曲杆件强度与刚度计算 斜弯曲、偏心拉压杆件强度计算 30 2 讲课 习题 弯扭杆件强度计算 31 2 讲课 第十三章 联接 1工程中常见的联接结构 剪切的实用计算 挤压的实用计算 32 6 试验课 1电测法（开放试验，内容任选） 33 2 讲课 第十四章 弹塑性变形与极限载荷分析 1弹塑性变形与极限载荷概念 2应力-应变曲线的简化 3经不定桁架的极限载荷 圆周弹塑性扭转 梁的弹塑性扭转 34 2 试验课 光弹性测量 35 2 讲课 第十五章 疲劳 1交变应力，疲劳概念 交变应力循环特征 材料疲劳极限 36 2 讲课 1构件的疲劳极限 2对称循环下杆件疲劳计算 37 2 讲课 第十六章 压杆稳定 压杆稳定平衡与不稳定平衡 两端铰支细长压杆临界力、欧拉公式一般形式 平衡路径，分支点 经验公式 38 2 讲课 习题 压杆稳定性计算 41 18 上机 电算大作业 合计 98 2 参考教材 1）新编材料力学，张少实主编，机械工业出版社。简称“ 教材1 ”。 2）材料力学计算机辅助课堂教学多媒体系统（MMCAI）， 张少实 主编。简称“ 教材 2 ”。 该参考教材突出了应力分析与应变分析难点和重点内容，用视频、音频、动画、图像、超文本等超媒体技术，不仅仿真了构件变形动态过程、变形最终结果、应力场等，而且还透视到构件内部，仿真内部点、线、面的位移或变形。 3）基于Internet的材料力学电子教材与教学图形库，张少实主编。简称“ 教材 3 ”。 4） 基于 Internet的材料力学网络教学系统，张少实主编。简称“ 教材 4 ”。 5）材料力学多媒体电子教程，张少实主编。简称“ 教材 5 ”。 3课程内容与体系总体设计 总的指导思想是：将教学思想与观念改革、课程内容与体系改革、教学手段与方法改革融为一体，统一进行。用面向新世纪力学学科的新思想和新观点，来审视、精选、强化、浓缩和重新组织经典内容，更加满足机械原理、零件和力学等后续课程对于力学基础知识的需求；适当增加新内容，目的是为当代力学的先进成果和思想开辟窗口和开设接口。与传统材料力学相比，课程内容与体系以及理论知识的表述手段上有如下改革： 1） 将以变形为课程主线的传统体系改为以应力、应变分析为主线；引入取微元体的分析方法，从而加强应力、应变分析观点；引入平衡微分方程、应力和位移边界条件、几何方程、相容方程等弹性力学基本方程。 2）突出力学方程、几何方程、物理方程这三大方程在求解力学问题时的普遍意义和本质所在。 3）将研究对象从一维杆件扩充到三维弹形体。同时阐述均匀与非均匀、连续与非连续、各向同性与各向异性、小变形与大变形、线性与非线性等关于研究对象的基本假设，从而恰当引入了弹性力学、塑性力学、 复合材料力学等学科的新观点和新思想并为此开辟窗口或开设接口。 4）将传统的杆件拉、压、剪、扭、弯、组合变形等五个章节内容加以浓缩，突出平面假设，并揭示将这一问题作为三维问题的一个特例，再应用“平面假设”，从而得到问题解这一方法的本质所在。 5）彻底改变了书中插图是线框图形的传统面貌，代之而来的是运用计算机绘制的立体感与透明感很强的二维、三维图形与图像，这样更有助于对理论知识做形象直观描述；更能紧密联系工程实际。 4作业量： 90-100题。 5成绩考核 1）作业：5分 2）实验：10分 以开放试验为重点，将实验课的教学目的从以往只是验证理论改为在验证理论的同时，引导学生初步了解和掌握当代科学技术和工程实际中 最先进的 实验应力分析（如电测和光测等）的原理和方法；变原来课堂封闭式实验为开放性试验，适当增加具有综合性、设计和研究性内容的实验，在培养学生动手能力和创新观念上下功夫。重点考核学生动手能力和创新思维能力。 3）电算大作业：10分 以梁的弯曲变形知识为基础，以差分法为基本方法，重点在于用计算机解大规模线性方程组。要求学生独立建模、设计算法、编程、调试程序和计算出最终结果。考核学生综合运用材料力学基础知识和运用计算机的解题能力。 4）期中考试 25分, 期末考试50分。 考试以考核学生对基本知识理解程度和综合运用能力为主，期末考试还增设一道综合性较强，难度系数较大的附加题（ 10分）。答对加分，答错不扣分，鼓励学生创造性思维。 6分章教学实施 章节 教学目的 难点内容与讲授重点 讲授方式 参考教材 第 1章 材料力学的任务、研究对象和范围 强度、刚度和稳定性概念； 变形固体 讲课 演示 CAI课件 教材 1 教材 2 教材 4 教材 5 第 2章 应力、应力状态概念和应力分析 变形体内部和边界处所取微体的平衡 应力概念 一点应力状态概念 二向应力状态分析 -解析法 主应力、主方向、主切应力、主剪切面 平衡微分方程 应力边界条件 讲课 演示 CAI课件 网上自学 教材 1 教材 2 教材 4 第 3章 微体变形、应变及应变分析 应变与位移关系 变形的协调 应变概念 平面应变分析 -解析法 几何方程 平面应变的相容方程 讲课 1教材1 2教材3 3教材4 第 4章 各向异性、正交异性、各向同性线弹型材料应力应变关系 应变能 材料力学性质 各向同性线弹型材料广义虎克定律 体变与形变应变能 低碳钢与铸铁的拉伸与压缩试验 极限应力、许用应力、安全系数 1讲课 2实验 教材 1 教材 3 教材 5 第 5章 轴向拉伸与压缩应力与变形 平面假设 应变能 静不定 1讲课 2演示CAI课件 3讨论 上网自学 1教材1 教材 2 教材 4 教材 5 第 6章 扭转应力与变形 平面假设 扭转轴应力与变形 扭转破坏现象分析 讲课 演示 CAI课件 教材 1 教材 2 教材 4 第 7章 1弯曲应力与变形 平面假设 弯曲梁正应力 剪力弯曲梁切应力 弯曲中心 讲课 讨论 演示 CAI课件 1教材1 2教材2 教材 3 教材 4 教材 5 第 8章 1 复杂内力时杆件应力计算 叠加法求应力 弯扭 讨论 演示 CAI课件 上网自学 教材 1 教材 2 教材 4 第 9章 1能量原理 杆件变形能 莫尔积分 互等定理 1讲课 2上网自学 1教材1 2教材4 第 10章 静不定系统及其解法 静不定次数 力法、力法正则方程 对称性问题 讲课 讨论 教材 1 教材 4 第 11章 1材料失效模式 强度理论 1强度理论概念 2常用的强度理论 1讲课 讨论 上网自学 1教材1 2教材4 第 12章 1杆件强度与刚度计算 1强度与刚度条件 2基本变形时杆件强度与刚度计算 1讲课 讨论 习题 1教材1 2教材2 教材 3 教材 5 第 13章 1联接 1剪切与挤压的概念 剪切与挤压的实用计 算 1讨论 2演示CAI课件 1教材1 2教材2 教材 5 第 14章 1弹塑性变形 2极限载荷法 1弹塑性变形 极限载荷 残余应力 1讲课 讨论 上网自学 1教材1 2教材4 第 15章 1疲劳 疲劳失效 材料疲劳极限 构件疲劳极限 疲劳强度条件 讲课 演示 CAI课件 教材 1 教材 2 教材 4 第 16章 1压杆稳定 变形体稳定平衡与不稳定平衡 欧拉公式 稳定性计算 讲课 讨论 示 CAI课件 上网自学 1教材1 2教材2 3教材4 教材 5 改变传统的“一本教材一支笔，一块黑板一张口”的教学模式，应用多媒体技术，通过 演示课件，开展启发式教学。教学过程中，要以学生为主体，改变过去那种喋喋不休的说教方法，让学生多观察、多思考，多分析，从而引导学生自己得出某些结论。开展课堂讨论式授课方式，采取教师讲解与师生共同讨论相结合方式