材料力学的基本概念和公式

第一章绪论第一节材料力学的任务1、组成机械与结构的各组成部分，统称为构件。2、 保证构件正常或安全工作的基本要求：a）强度，即抵抗破坏的能力；b）刚度，即抵 抗变形的能力；c）稳定性，即保持原有平衡状态的能力。3、材料力学的任务：研究构件在外力作用下的变形与破坏的规律，为合理设计构件提 供强度、刚度和稳定性分析的基本理论与计算方法。第二节材料力学的基本假设1、连续性假设：材料无空隙地充满整个构件。2、均匀性假设：构件内每一处的力学性能都相同3、各向同性假设：构件某一处材料沿各个方向的力学性能相同。 木材是各向异性材料。第三节内力1、内力：构件内部各部分之间因受力后变形而引起的相互作用力。2、截面法：用假想的截面把构件分成两部分，以显示并确定内力的方法。3、截面法求内力的步骤：用假想截面将杆件切开，一分为二；取一部分，得到分 离体；对分离体建立平衡方程，求得内力。4、内力的分类：轴力Fn ；剪力Fs ；扭矩T;弯矩M第四节应力1、一点的应力： 一点处内力的集（中程）度。全应力plAmo A;正应力;切应力T； p222、应力单位：Pa (1Pa=1N/m 2，1MPa=1 X106 Pa，1GPa=1 X109 Pa)第五节变形与应变1、变形：构件尺寸与形状的变化称为变形。除特别声明的以外，材料力学所研究的对 象均为变形体。2、弹性变形：外力解除后能消失的变形成为弹性变形。3、塑性变形：外力解除后不能消失的变形，称为塑性变形或残余变形。4、小变形条件：材料力学研究的问题限于小变形的情况，其变形和位移远小于构件的 最小尺寸。对构件进行受力分析时可忽略其变形。5、 线应变：1。线应变是无量纲量，在同一点不同方向线应变一般不同。6、切应变：tan。切应变为无量纲量，切应变单位为rad。第六节杆件变形的基本形式1、材料力学的研究对象：等截面直杆。2、杆件变形的基本形式：拉伸（压缩）、扭转、弯曲第二章拉伸、压缩与剪切第一节轴向拉伸（压缩）的特点1、受力特点：外力合力的作用线与杆件轴线重合2、变形特点：沿杆件的轴线伸长和缩短。第二节 拉压杆的内力和应力1、内力：拉压时杆横截面上的为轴力Fn2、轴力正负号规定：拉为正、压为负。3、轴力图三个要求：上下对齐，标出大小，标出正负。4、横截面上应力：应力在横截面上均匀分布FnA第三节材料拉伸和压缩时的力学性能低碳钢拉伸时的应力-应变曲线：（见图）低碳钢拉伸应力-应变曲线2、低碳钢拉伸时经过的四个阶段：弹性阶段，屈服阶段，强化阶段，局部变形阶段3、 胡克定律：应力小于比例极限p时，应力与应变成正比，材料服从胡克定律：E ,E为（杨氏）弹性模量，是材料常数，单位与应力相同。钢的弹性模量E=210GPa。4、 低碳钢拉伸时四个强度指标：弹性极限e ；比例极限p ；屈服极限s ；强度极 限b o5、 低碳钢拉伸时两个塑性指标：伸长率：100% ;断面收缩率AA 100%lA6、 材料分类：V 5 %为脆性材料， 5 %为塑性材料。7、卸载定律和冷作硬化：在卸载过程中，应力和应变按直线规律变化。预加塑性变形 使材料的比例极限或弹性极限提高，但塑性变形和延伸率有所降低。8、名义屈服极限0.2 :对于没有明显屈服阶段的材料，工程上常以卸载后产生残余应变为0.2%的应力作为屈服强度，称为名义屈服极限0.29、材料压缩时的力学性能：塑性材料的拉压性能相同。脆性材料在压缩时的强度极限远高于拉伸强度极限，脆性材料抗拉性能差，抗压性能好。（如图）铸铁第四节失效、许用应力与强度条件1、失效：塑性材料制成的构件出现塑性变形，脆性材料制成的构件出现断裂。2、许用应力： 才称为许用应力，构件工作时允许的最大应力值，其中 n 为安全因数，U为极限应力3、极限应力U :构件失效时的应力，塑性材料取屈服极限s （或0.2 ）；脆性材料取强度极限 b （或 bc）04、拉压时强度条件：FN 5、强度计算：根据强度条件，可进行强度校核、截面设计和确定许可载荷等强度计算 在工程中，如果工作应力C略大于司，其超出部分小于司的5%，一般还是允许的。第五节杆件轴向拉压时的变形1、轴向变形：厶1 Fa丄,ea为拉压刚度。公式只适用于应力小于比例极限（线 弹性范围）。2、 横向变形：，p称为泊松比，材料常数，对于各向同性材料，00.53、计算变形的叠加原理：分段叠加：分段求轴力分段求变形求代数和F Ni 1 iEjAi分载荷叠加：几组载荷同时作用的总效果，等于各组载荷单独作用产生效果的总和4、叠加原理适用范围：材料线弹性（应力与应变成线性关系）小变形。5、用切线代替圆弧求节点位移。第五节杆件轴向拉压时的应变能1、应变能：构件在外载荷作用下发生变形，载荷在相应位移上作了功，因变形而储存 的能量称为应变能。忽略动能、热能等能量的变化，在数量上等于外力作功。2、轴向拉压杆应变能：V WI 丄 昱 此公式只适用于线弹性范围。2 2EA 2EA3、应变能密度：单位体积应变能。4、轴向拉压杆应变能密度：v 第六节 拉伸、压缩超静定问题1、静定与超静定的概念：由静力学平衡方程即可求出全部未知力的问题称为静定问题。 只凭静力学平衡方程不能求出全部未知力的问题称为超静定问题。2、 超静定次数：超静定次数=未知力数一独立平衡方程数。3、超静定问题的解法：通过变形协调方程（几何方程）和物理方程来建立补充方程。4、变形协调方程：也称为变形几何相容方程。结构受力变形后，结构各部分变形必须 满足相互协调的关系。可以通过结构的变形图来建立结构各部分变形之间的关系。5、结构变形图的画法：若能直接判断出真实变形趋势，则按真实变形趋势画变形图； 若不能直接判断出真实变形趋势，则画出任意可能变形图即可；对于不能判断出真实变 形趋势的情况，应设杆子受拉，即内力为正（设正法），若计算结果为负，则说明真实方向 与所设方向相反；杆子受力与变形要一致，设杆子受拉则应该伸长，设杆子受压则应该缩 短；刚性杆不发生变形。6、超静定结构内力特征：在超静定结构中各杆的内力与各杆刚度的比值有关。刚度越 大内力越大。7、温度应力和装配应力：超静定结构在温度变化时构件内部产生的应力称为温度应力。 由于加工误差使实际杆长与设计尺寸不同， 超静定结构组装后还没有受外力时已经存在的应 力称为装配应力。温度应力和装配应力问题的解法：与超静定问题解法相同，在建立变形协 调方程和物理方程时要考虑温度和加工误差的影响。第七节应力集中的概念1、 应力集中：因杆件外形突然变化而引起的局部应力急剧增大的现象，称为应力集中2、理论应力集中因数：max其中：max为应力集中截面上最大应力，C为同截面上平均应力。3、圣维南原理：用与原力系等效的力系来代替原力系，则除在原力系作用区域内有明显差别外，在离外力作用区域略远处，应力分布与大小不受外载荷作用方式的影响。（杆端作用力的分布方式，只影响杆端局部范围的应力分布，影响区的轴向范围约离杆端1 2个杆的横向尺寸。）第八节 剪切和挤压的实用计算1、剪切的实用计算：FsA2、挤压的实用计算：bs A，Abs称为计算挤压面，受压面为圆柱面时，取圆柱Abs面的投影面积计算，Abs td。第三章 扭转第一节 圆轴扭转时横截面上的内力和应力1、扭转时的内力：扭矩T,2、扭矩的正负规定：以右手螺旋法则，沿截面外法线方向为正，反之为负。3、切应力互等定理：在两个相互垂直的面上，切应力必然成对出现，且数值相等，两 者都垂直于两平面的交线，其方向为共同指向或共同背离该交线。4、剪切胡克定律：G 其中：G为剪切弹性模量，材料常数5、材料常数间的关系：E 2(1 )6、圆轴扭转时横截面上的应力:Ip其中：lp为极惯性矩，|p A 2dA，是距轴线的径向距离7、圆轴扭转时横截面上切应力分布规律：横截面上任意一点切应力大小与该点到圆心 的距离成正比（按线性规律分布），最大切应力发生在圆截面边缘上。8、最大扭转切应力：最大切应力发生在圆截面边缘上。Tmax Wt其中：wt半称为抗扭截面系数。9、圆和空心圆截面的极惯性矩和抗扭截面系数:IPd432Wtd316IP4)Wt舟(1 4)第二节圆轴扭转时强度条件1、圆轴扭转的强度条件：TmaxmaxWt2、许用切应力:称为极限切应力，塑性材料取剪切屈服极限，脆性材料取强度极限。u3、许用切应力与许用正应力间关系：塑性材料：(0.50.6)脆性材料：第三节圆轴扭转变形与刚度条件1、圆轴扭转变形：扭转角TIGl p其中：Glp称为圆轴的抗扭刚度2、单位长度扭转角：_工I Gl P3、刚度条件：T 180 .G7 其中：称为许用单位长度扭转角以上所有公式适用范围：因推导公式时用到了剪切胡克定律，故材料必须在比例极 限范围内；只能用于圆截面轴，因为别的形状刚性平面假设不成立。第四章 弯曲内力第一节弯曲的概念1、平面弯曲的概念：梁的横截面至少有一根对称轴，外载荷作用在纵向对称面内，杆件发生弯曲变形后，轴线仍然在纵向对称面内，是一条平面曲线，此为平面弯曲（对称弯曲）2、梁的三种基本形式：简支梁、外伸梁和悬臂梁。第二节弯曲内力1、弯曲内力：杆件弯曲时有两个内力，剪力 Fs,弯矩M。2、弯曲内力的正负规定：剪力Fs:左上右下为正；反之为负。弯矩M :左顺右逆为正；使梁变成上凹下凸（可以装水）的为正弯矩。3、指定截面上弯曲内力的求法：剪力=截面左侧所有外力在y轴上投影代数之和，向上为正。弯矩=截面左侧所有外力对该截面之矩的代数和，顺时针为正。也可以取截面右侧，正负号相反。第三节剪力图和弯矩图特征1、在集中力作用的地方，剪力图有突变，外力 F向下，剪力图向下变，变化值=F值; 弯矩图有折角。2、 在集中力偶作用的地方，剪力图无突变；弯矩图有突变，Me顺时针转，弯矩图向 上变（朝增加方向），变化值=Me值。3、在均布力作用的梁段上，剪力图为斜直线；弯矩图为二次抛物线，均布力向下作用， 抛物线开口向下。抛物线的极值在剪力为零的截面上。4、载荷集度、剪力和弯矩间的关系：dFs(x)dxq(x)dM (x)dxFs(x)d2M(x)dx2q(x)无外力段沟布我荷段集中力MIL 川川厂川90集川力偶叫厂J C耳图特征斜直线向卜突变无变化降臥数増函数Mhl特征lA/V/增数%E降向11突变.VtJ_J5、冈I架的内力图规定：剪力图及轴力图可画在刚架轴线的任一侧（通常正值画在刚架 的外侧），但须注明正、负号。弯矩图通常（机械类）正值画在刚架的外侧，负值画在刚架 的内侧，不注明正负号。静矩:形心:附录ISzAYdAA组合截面的静矩与形心:平面图形的几何性质Sz AySzASzAi Yi-AiYi y k图形有对称轴时，形心在对称轴上。 惯性矩：SzZ轴过形心。AdA矩形：Ihb312圆:空心圆：4齧（14）平行移轴定理： IZ组合截面的惯性矩：IzI zCa2 AI zi形心主惯性轴和形心主惯性矩：使惯性积为零的坐标轴称为主惯性轴。图形对主惯性轴的惯性矩称为主惯性矩。 主惯性轴过形心时，称其为形心主惯性轴。图形对形心主惯性 轴的惯性矩，称为形心主惯性矩。 如果图形有对称轴，则对称轴就是形心主惯性轴。10、惯性半径：Iz if Aiz称为图形对z轴的惯性半径。第五章弯曲应力第一节弯曲正应力1、中性层和中性轴的概念：梁内既不伸长也不缩短的一层纤维，此层纤维称中性层。 中性层与横截面的交线称为中性轴。中性轴通过截面形心。2、横截面上弯曲正应力：横截面上弯曲正应力沿截面高度直线变化，与该点到中性轴 的距离成正比，中性轴上为零。正应力公式：My3、最大正应力：最大正应力发生在离中性轴最远的梁上缘(或下缘)maxMy maxIz I%/ y maxMmaxwz式中:WzI；ymax称为抗弯截面系数4、矩形：Wz粤圆：wzd3323空心圆：Wz刍(14)5、梁的弯曲正应力强度条件:max第二节弯曲切应力1、矩形截面梁弯曲切应力:FsS；Izb矩形截面梁弯曲切应力沿截面高度按抛物线分布，最大切应力在中性轴上，是平均值的1.5 倍。15Fsmaxa2、工字形截面梁的弯曲切应力：在腹板上切应力也是沿截面高度按抛物线分布，中性轴上最大，计算公式:FsSIzb3、梁的弯曲切应力强度条件:maxFSmax SzmaxI zb第三节 提高弯曲强度的措施1、合理安排梁的受力情况。2、合理选取截面形状。对于抗拉、压能力不同的材料 (如铸铁、混凝土等脆性材料)， 宜采用中性轴偏于受拉一侧的截面形状，充分利用材料抗拉能力差、抗压能力好的特性。3、等强度梁。第六章弯曲变形第一节挠曲线近似微分方程1、挠度和转角：梁的横截面形心沿竖直方向的位移 w称为挠度。变形后的轴线称为挠 曲线。梁横截面对其原来位置转过的角度 B称为转角。在工程问题中，梁的转角一般很小， 挠曲线是一条非常平坦的曲线，所以：dw dx2、挠曲线近似微分方程:M (x)El其中：El称为梁的抗弯刚度。公式的使用条件：小变形和材料线弹性。第二节 积分法求梁的弯曲变形1、求梁变形的积分公式：Elw MEl w M dx CElw ( Mdx)dx Cx D其中：C、D为积分常数，可根据位移边界条件和连续光滑条件确定。2、积分法解题步骤：建立坐标，x轴原点在梁最左边，取向右为正；列弯矩方程；建立挠曲线近似微分方程；积两次分；写出位移边界条件和连续光滑条件； 确定积 精彩文案分常数；得挠曲线方程和转角方程。3、位移边界与连续光滑条件：固定铰支和可动铰支处，挠度为零；固定端处，挠度和转角均为零； 连续光滑条件：即分段处挠曲轴应该满足连续和光滑，即W左=w右，B左=B右。第三节 叠加法求梁的弯曲变形1、叠加原理:多个载荷同时作用于结构而引起的变形等于每个载荷单独作用于结构而引 起的变形的代数和。叠加法的适用范围：应力不超过比例极限；小变形。2、叠加法解题步骤：分解载荷，画出每个载荷单独作用下的结构受力图；画出结 构变形后挠曲线大致形状；求出每个载荷单独作用下结构的位移；将所有位移代数相加。第四节简单超静定梁1、比较变形法解简单超静定梁：解除多余约束，代之以多余约束力；分析相当系统和 原系统的变形，建立变形协调方程。2、解题步骤：判断超静定次数；解除多余约束，建立相当系统；列变形协调方 程；求变形；求多余约束力。第五节梁的刚度条件1、刚度条件：Wmax Wmax 第七章 应力状态分析和强度理论第一节应力状态的概念1、应力状态：构件内一点的受力状态，称为该点处的应力状态2、应力状态的表达方式：（a）应力单元体；（b）应力分量（9个分量）3、主平面与主应力：切应力为零的面称为主平面，主平面上的正应力称为主应力 般情况下，一点有三个互相垂直主平面，对应三个主应力，按代数排列,4、应力状态分类：对应主应力不为零的个数，分别有单向应力状态，二向应力状态和 三向应力状态。第二节平面应力状态分析1、斜截面上正应力公式：xsin2x y2x轴为开始位置，逆其中，正应力以拉为正，切应力以使单元体顺时针转为正, 时针转为正。2、最大正应力和最小正应力:maxx y2min3、最大正应力和最小正应力所在的方位:tan 2 0xy4、主应力：最大和最小正应力就是主应力，另一个主应力为零。5、应力圆：应力单元体与应力圆的对应关系：点面对应，转向相同,6、纯剪切应力状态分析：转角两倍。1 ，1，主平面在45方向第三节三向应力状态1、三向应力圆：三组特殊的平面应力对应于三个应力圆，可以由c 得到。任意斜截面的应力值位于阴影区内。2、最大正应力和最大切应力：1、02、03 两两画圆max 1max第四节广义胡克定律1、广义胡克定律：复杂应力状态下应力与应变的关系吉(y z)xyxy Gx)yzyz Gz E1z(xy)zzx G2、主应变1 r(3)1E1222(31)33(12)第五节复杂应力状态下的应变能1、畸变能密度：体积不变、形状改变而储存的应变能密度。Vd /（ 12）2 （ 2 3）2 （31）2第六节强度理论1、强度理论的概念：强度理论是关于“构件发生强度失效起因”的假说，利用简单应 力状态实验结果，建立复杂应力状态强度条件。2、两类破坏形式：脆性断裂和塑性屈服，因此有两类强度理论，断裂强度理论和屈服 强度理论。3、四种常用强度理论：最大拉应力理论（第一强度理论）最大伸长线应变理论（第二强度理论）最大切应力理论（第三强度理论）畸变能密度理论（第四强度理论）4、强度理论的适用条件：第一、二强度理论适用于脆性材料的脆性断裂， 第三、四强度理论适用于塑性材料的塑 性屈服。5、相当应力：r1 1r21（23）r313r42）2 （ 23）2 （ 31）26、复杂应力状态下的强度条件：7、典型二向应力状态的相当应力:r3第八章组合变形第一节拉伸（压缩）与弯曲的组合1、拉伸（压缩）与弯曲组合时强度条件:maxFnAM max第二节偏心压缩与截面核心1、偏心压缩：偏心压缩可以通过作用力平移后成为压缩与弯曲的组合2、截面核心：当压力作用在环绕截面形心的一个封闭区域内时，截面上只有压应力, 这个封闭区域称为截面核心。第三节弯扭组合1、弯扭组合时强度条件:第三强度理论:M2 T2W第四强度理论： M 2 0.75T2W其中w为抗弯截面系数。上式的分子称为相当弯矩2、合成弯矩：对于圆轴，可以将两个平面内的弯矩按矢量合成得到合成弯矩Mm Jm： m2第九章压杆稳定第一节 细长压杆的临界压力1、稳定性：构件保持原有平衡状态的能力2、临界载荷：由稳定平衡转化为不稳定平衡时所受轴向压力的界限值，称为临界压力3、失稳：压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线平衡，称为丧失稳定，简称失稳2EI(I)24、细长压杆临界压力的欧拉公式:其中：I为相当长度，为长度因数。cr5、压杆的长度因数：两端铰支 =1 ； 一端自由一端固定=2 ； 一端固定一端铰支 =0.7 ；两端固定 =0.5第二节欧拉公式的适用范围 经验公式1、细长压杆的临界应力（欧拉公式）：2ecr 22、柔度（长细比）：（i . A惯性半径）柔度 集中地反映了压杆的长度、约束条件、横截面尺寸和形状等因素对临界应力的 影响。3、临界应力总图，使用欧4、 欧拉公式的适用范围：当压杆的柔度1时，称为细长杆（大柔度杆） 拉公式。5、经验公式：当压杆的柔度 2 1时，称为中柔度杆，使用经验公式cr6、小柔度杆（粗短杆）：当压杆的柔度 2时，称为小柔度杆（粗短杆）按强度计算其临界应力。塑性材料cr第三节压杆的稳定校核1、压杆的工作安全因数n :FcrF2、压杆的稳定性条件：n nst第十章自由落体冲击1、自由落体冲击的动荷系数：Kd 1 .1 42、动响应与静响应的关系：d Kd std K d st第十一章交变应力1、1、影响构件疲劳极限的主要因素：构件外形、构件截面尺寸、表面加工质量循环应力作用下，构件产生可见裂纹或完全断裂的现象，称为疲劳破坏，简称疲劳 循环应力及其类型max和最小应力在一个应力循环中，应力的极大值与极小值，分别称为最大应力和最小应力，最大应力min的平均值称为平均应力,max min2最大应力与最小应力的代数差之半，称为应力幅,max min2应力变化的特点可用最小应力与最大应力的比值r表示，称为应力比或循环特征，r1，称为对称循环应力；r 0，称为脉动循环应力S N曲线与材料的疲劳极限min疲劳实验中，由计数器记下试样断裂时所旋转的总圈数获所经历的循环应力循环数N，即试样的疲劳寿命以最大应力 为纵坐标，疲劳寿命的对数值lg N为横坐标，根据实验数据所绘制的最大应力与疲劳寿命 关系的曲线，称为 S N曲线作用应力越大，疲劳寿命越短，对于寿命N 104 （或105）的疲劳问题，一般称为低周疲劳，反之，称为高周疲劳S N曲线中渐近线的纵坐标所对应的应力，称为材料的持久极限，用r表示对于不存在水平渐近线的材料，常根据构件的使用要求，指定某一寿命N。对应的应力作为极限应力，并称为材料的疲劳极限或条件疲劳极限影响构件疲劳极限的主要因素合理设计构件外形合理选择构件截面尺寸，大试样疲劳极限更低提高表面加工质量疲劳破坏：在交变应力的作用下，构件产生可见裂纹或完全断裂的现象应力集中与材料疲劳疲劳破坏：在交变应力的作用下，构件产生可见裂纹或完全断裂的现象