材料力學(xué)是研究工程材料力學(xué)行為及構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計算理論的科學(xué),是工科專業(yè)本科教育中重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程的知識及理論既可直接應(yīng)用于工程,又為后繼相關(guān)課程奠定了必需的理論基礎(chǔ),因而對學(xué)生的工程應(yīng)用能力及科學(xué)創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有極其重要的作用。進(jìn)入21世紀(jì),科技發(fā)展日新月異,要求人才必須具備寬厚的基礎(chǔ),靈活的知識運用能力及創(chuàng)新素質(zhì),為此各高等學(xué)校都本著學(xué)時要少、內(nèi)容要新、水平要高、效果要好、授之以漁的總體目標(biāo),進(jìn)行了各類教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革的研究。我們結(jié)合多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗,吸收目前最新教學(xué)成果的精華,通過精煉課程內(nèi)容、重組課程體系,采取模塊式編法、啟發(fā)式教法,著重培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力及創(chuàng)新思維能力,力求使學(xué)生具有寬厚堅實的力學(xué)基礎(chǔ)和獨立靈活的分析問題、解決問題的能力及學(xué)習(xí)能力,此為本教材編寫的指導(dǎo)思想。
基于此,本教材編寫中從以下幾點著手:
1.整合基本內(nèi)容與方法,打破原課程體系,重組課程新體系,不采用傳統(tǒng)的拉、壓、剪、扭、彎的羅列敘述,避免內(nèi)容與方法的重復(fù)和雜亂;而根據(jù)工程綜合問題的設(shè)計思路,按內(nèi)力一應(yīng)力與強(qiáng)度一變形與剛度的順序形成新體系;針對農(nóng)林院校學(xué)時少、工科基礎(chǔ)弱的具體情況,在基本內(nèi)容編排上,將同一方法、原理集中講透教活,減少重復(fù),一方面達(dá)到既精簡內(nèi)容及學(xué)時,又加強(qiáng)雙基教學(xué)的目的;另一方面通過對該方法、原理在各類問題中的靈活運用,舉一反三,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力的目的。例如加強(qiáng)應(yīng)力計算及超靜定的問題求解中常用的幾何、物理、平衡三位一體法的建立和應(yīng)用,既突出了工程力學(xué)中這一最重要最基本的分析方法,又強(qiáng)化了力學(xué)求解能力及思維方法的培養(yǎng)。
2.將教學(xué)內(nèi)容分為兩大模塊——基礎(chǔ)、專題。其中,“基礎(chǔ)篇”是課程基本內(nèi)容,適應(yīng)于中少學(xué)時教學(xué)基本要求;“專題篇”主要包括能量法、動荷載、超靜定問題,;期望通過這些內(nèi)容的學(xué)習(xí),使學(xué)生既牢固地掌握基本理論,又了解工程實踐及學(xué)科前沿,拓寬知識面,激發(fā)學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣。
3.在每一章內(nèi)容編排上,先介紹工程背景及問題提出,次介紹模型簡化,再介紹求解問題的基本原理及方法,之后是綜合應(yīng)用,最后是研究結(jié)論及討論。這樣既能加強(qiáng)基礎(chǔ),又能強(qiáng)化綜合運用能力培養(yǎng),同時這種撰寫方式本身就對學(xué)生科研素質(zhì)的培養(yǎng)有很大教益,特別是結(jié)論討論及推論這種開放式表達(dá)方式為學(xué)生創(chuàng)新思維留出較大的空間。
4.力求加強(qiáng)材料力學(xué)與相關(guān)課程問的聯(lián)系,在內(nèi)容取舍及選材上結(jié)合土木水利類專業(yè)特點,避免課程之間重復(fù)與矛盾。例如對超靜定問題,只主要介紹清有關(guān)重要概念及基本方法,更多內(nèi)容并人能量法的應(yīng)用中進(jìn)行介紹,更復(fù)雜詳細(xì)的問題留給結(jié)構(gòu)力學(xué)去介紹。又如內(nèi)力計算以較小篇幅,主要介紹理論力學(xué)中靜力平衡方程及截面法的靈活運用,著中介紹有關(guān)規(guī)律性結(jié)論;不必細(xì)講連接實用計算方法,避免與后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)課的重復(fù)與矛盾。
5.力求言簡意賅,內(nèi)容完整,重點突出,寬厚基礎(chǔ),特別注意吸收國內(nèi)外材料力學(xué)及力學(xué)結(jié)構(gòu)系列課程教改新成果;針對工科學(xué)生以“應(yīng)用為主”的特點,盡量減少不必要的數(shù)理論證(可留給學(xué)生),加強(qiáng)分析方法及思路介紹;力求使學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)及創(chuàng)新能力在潛移默化中得到提高,著重于學(xué)生應(yīng)用及創(chuàng)新能力培養(yǎng)以及學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)方法的培養(yǎng)。
材料力學(xué)是研究工程材料力學(xué)行為及構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計算理論的科學(xué),是工科專業(yè)本科教育中重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程的知識及理論既可直接應(yīng)用于工程,又為后繼相關(guān)課程奠定了必需的理論基礎(chǔ),因而對學(xué)生的工程應(yīng)用能力及科學(xué)創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有極其重要的作用。進(jìn)入21世紀(jì),科技發(fā)展日新月異,要求人才必須具備寬厚的基礎(chǔ),靈活的知識運用能力及創(chuàng)新素質(zhì),為此各高等學(xué)校都本著學(xué)時要少、內(nèi)容要新、水平要高、效果要好、授之以漁的總體目標(biāo),進(jìn)行了各類教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革的研究。我們結(jié)合多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗,吸收目前最新教學(xué)成果的精華,通過精煉課程內(nèi)容、重組課程體系,采取模塊式編法、啟發(fā)式教法,著重培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力及創(chuàng)新思維能力,力求使學(xué)生具有寬厚堅實的力學(xué)基礎(chǔ)和獨立靈活的分析問題、解決問題的能力及學(xué)習(xí)能力,此為本教材編寫的指導(dǎo)思想。
基于此,本教材編寫中從以下幾點著手:
1.整合基本內(nèi)容與方法,打破原課程體系,重組課程新體系,不采用傳統(tǒng)的拉、壓、剪、扭、彎的羅列敘述,避免內(nèi)容與方法的重復(fù)和雜亂;而根據(jù)工程綜合問題的設(shè)計思路,按內(nèi)力一應(yīng)力與強(qiáng)度一變形與剛度的順序形成新體系;針對農(nóng)林院校學(xué)時少、工科基礎(chǔ)弱的具體情況,在基本內(nèi)容編排上,將同一方法、原理集中講透教活,減少重復(fù),一方面達(dá)到既精簡內(nèi)容及學(xué)時,又加強(qiáng)雙基教學(xué)的目的;另一方面通過對該方法、原理在各類問題中的靈活運用,舉一反三,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力的目的。例如加強(qiáng)應(yīng)力計算及超靜定的問題求解中常用的幾何、物理、平衡三位一體法的建立和應(yīng)用,既突出了工程力學(xué)中這一最重要最基本的分析方法,又強(qiáng)化了力學(xué)求解能力及思維方法的培養(yǎng)。
2.將教學(xué)內(nèi)容分為兩大模塊——基礎(chǔ)、專題。其中,“基礎(chǔ)篇”是課程基本內(nèi)容,適應(yīng)于中少學(xué)時教學(xué)基本要求;“專題篇”主要包括能量法、動荷載、超靜定問題;期望通過這些內(nèi)容的學(xué)習(xí),使學(xué)生既牢固地掌握基本理論,又了解工程實踐及學(xué)科前沿,拓寬知識面,激發(fā)學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣。
3.在每一章內(nèi)容編排上,先介紹工程背景及問題提出,次介紹模型簡化,再介紹求解問題的基本原理及方法,之后是綜合應(yīng)用,最后是研究結(jié)論及討論。這樣既能加強(qiáng)基礎(chǔ),又能強(qiáng)化綜合運用能力培養(yǎng),同時這種撰寫方式本身就對學(xué)生科研素質(zhì)的培養(yǎng)有很大教益,特別是結(jié)論討論及推論這種開放式表達(dá)方式為學(xué)生創(chuàng)新思維留出較大的空間。
4.力求加強(qiáng)材料力學(xué)與相關(guān)課程間的聯(lián)系,在內(nèi)容取舍及選材上結(jié)合土木水利類專業(yè)特點,避免課程之間重復(fù)與矛盾。例如對超靜定問題,只主要介紹清有關(guān)重要概念及基本方法,更多內(nèi)容并人能量法的應(yīng)用中進(jìn)行介紹,更復(fù)雜詳細(xì)的問題留給結(jié)構(gòu)力學(xué)去介紹。又如內(nèi)力計算以較小篇幅,主要介紹理論力學(xué)中靜力平衡方程及截面法的靈活運用,著中介紹有關(guān)規(guī)律性結(jié)論;不必細(xì)講連接實用計算方法,避免與后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)課的重復(fù)與矛盾。
1 緒論
1.1 材料力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法
1.2 基本桿件的簡化
1.3 變形固體的基本假設(shè)
1.4 桿件的基本變形
1.5 材料力學(xué)系統(tǒng)表
2 知識準(zhǔn)備
2.1 力學(xué)知識
2.2 材料的力學(xué)性質(zhì)
2.3 截面的幾何性質(zhì)
2.4 疊加原理
2.5 圣維南原理
習(xí)題
3 桿件的內(nèi)力分析
3.1 內(nèi)力分量
3.2 內(nèi)力方程和內(nèi)力圖
3.3 荷載與內(nèi)力的微分關(guān)系
3.4 簡捷法繪內(nèi)力圖
3.5 桿件的組合內(nèi)力
結(jié)論與討論
思考題
習(xí)題
4 桿件橫截面上的正應(yīng)力分析
4.1 軸向拉(壓)桿的正應(yīng)力
4.2 梁的彎曲正應(yīng)力
4.3 斜彎曲時的正應(yīng)力
4.4 拉(壓)與彎曲組合的正應(yīng)力
4.5 偏心拉伸(壓縮)的正應(yīng)力
結(jié)論與討論
思考題
習(xí)題
5 桿件橫截面上的切應(yīng)力
5.1 圓軸扭轉(zhuǎn)時橫截面上的切應(yīng)力
5.2 非圓截面扭轉(zhuǎn)桿的切應(yīng)力
5.3 梁橫截面上的切應(yīng)力
結(jié)論與討論
思考題
習(xí)題
6 變形計算
6.1 桿件的基本變形
6.2 疊加法求變形
結(jié)論與討論
思考題
習(xí)題
7 壓桿穩(wěn)定
7.1 穩(wěn)定性的概念
7.2 臨界力的確定方法
7.3 臨界應(yīng)力總圖
7.4 提高壓桿承載力的途徑
結(jié)論與討論
思考題
習(xí)題
8 應(yīng)力狀態(tài)及強(qiáng)度理論
8.1 一點處的應(yīng)力狀態(tài)
8.2 平面應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力分析——解析法
8.3 平面應(yīng)力狀態(tài)分析——應(yīng)力圓法
8.4 主應(yīng)力與極值切應(yīng)力
8.5 三向應(yīng)力狀態(tài)分析
8.6 一般應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系
8.7 一般應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變比能
8.8 強(qiáng)度理論的概念
8.9 4種基本強(qiáng)度理論
8.10 莫爾強(qiáng)度理論及雙剪強(qiáng)度理論
8.11 各種強(qiáng)度理論的適用范圍
結(jié)論與討論
思考題
習(xí)題
9 桿件承載能力設(shè)計
9.1 設(shè)計準(zhǔn)則
9.2 拉壓桿的設(shè)計
9.3 梁的設(shè)計
9.4 軸的設(shè)計
結(jié)論與討論
思考題
習(xí)題
思考題
習(xí)題
10 能量法
10.1 概述
10.2 彈性體應(yīng)變能的計算
10.3 虛力原理
10.4 卡氏定理
10.5 莫爾定理
思考題
習(xí)題
11 動荷問題
11.1 概述
11.2 勻加速運動構(gòu)件的應(yīng)力和變形
11.3 沖擊應(yīng)力和變形
11.4 交變應(yīng)力下材料的疲勞破壞一疲勞極限
習(xí)題
12 簡單超靜定問題的解法
12.1 超靜定的基本概念
12.2 拉伸(壓縮)超靜定問題
12.3 扭轉(zhuǎn)超靜定問題
12.4 彎曲超靜定問題
12.5 用力法解超靜定問題
習(xí)題
習(xí)題答案
參考文獻(xiàn)
附錄Ⅰ 型鋼規(guī)格表
附錄Ⅱ 梁在簡單荷載作用下的撓度、轉(zhuǎn)角
1 緒論
1.1 材料力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法
1.1.1 研究對象
各種機(jī)械、設(shè)備和建筑物都是由許多構(gòu)件或零件通過一定的連接方式組裝而成的。建筑物工作時要受到各種外力的作用,加工零件時機(jī)床的主軸受到齒輪嚙合力和切削力的作用。建筑物的梁和柱要承擔(dān)相關(guān)物體傳遞給它們的各種外力,主動作用的外力稱為荷載,被動平衡荷載的外力稱為支座反力。機(jī)械和建筑物的單個組成部分稱為構(gòu)件,承受荷載的骨架部分稱為結(jié)構(gòu)。
構(gòu)件按其幾何特征分為桿、板、殼、體等。
桿又稱為桿件,其特征是一個方向的尺度遠(yuǎn)大于另外兩個方向的。
板的特征是一個方向的尺度遠(yuǎn)小于另外兩個方向的尺度,且各處的曲率都為零。
殼指一個方向的尺度遠(yuǎn)小于其他兩個方向的尺度,且至少有一個方向的曲率不為零的結(jié)構(gòu)。
體的特征是在3個方向上具有相同量級的尺度,這種彈性體稱為體。
材料力學(xué)以桿件為研究對象。桿件有兩個基本的幾何要素——橫截面和軸線,前者是指桿沿垂直于其長度方向的截面,后者則是所有橫截面形心的連線。根據(jù)軸線形狀桿分為直桿和曲桿,不論直桿還是曲桿,它們的橫截面和軸線都是相互垂直的,如圖1—1所示。材料力學(xué)研究的多數(shù)是等截面直桿。等截面直桿的計算原理也可近似地用于曲率很小的曲桿和橫截面變化不大的變截面桿。