本書是適用于土木工程和水利工程專業(yè)以及其他相關專業(yè)的材料力學教材。全書分為基礎篇和專題篇,共14章�;A篇(第1-10章)包括反映材料力學基本要求的材料力學概論、拉伸與壓縮桿件的應力變形分析與強度計算、連接件強度的工程假定計算、圓軸扭轉時的強度與剛度計算、梁的彎曲問題(包括:剪力圖和彎矩圖、截面的幾何性質、應力分析與強度計算、位移分析與剛度計算)、應力狀態(tài)與強度理論及其工程應用、壓桿的穩(wěn)定問題等教學內容;專題篇(第11-14章)包括材料力學中的能量法、簡單的靜不定系統(tǒng)以及動荷載與疲勞強度、新材料的材料力學等概述性的內容,供不同院校選用。本書注重基本概念,而不追求冗長的理論推導與繁瑣的數(shù)字運算。與以往的同類教材相比,難度有所下降,工程概念有所加強,引入了大量涉及廣泛領域的工程實例以及與工程有關的例題和習題。根據(jù)不同院校的實際情況,基礎篇所需教學時數(shù)約為48學時左右(不含實驗教學時數(shù));專題篇所需教學時數(shù)約為16-24學時。
“普通高等院校基礎力學系列教材”自2004年出版以來受到很多教學第一線的教師和同學以及業(yè)余讀者的厚愛,其中《材料力學》一書在1年的時間內連續(xù)印刷了5次。同時,廣大讀者也提出了一些寶貴的修改要求和具體意見。
著者最近兩年在全國7個大區(qū)(東北:哈爾濱工業(yè)大學;西北:西北工業(yè)大學;華北:北京交通大學;中南:華中科技大學;西南:重慶大學;華南:華南理工大學;華東:南京航空航天大學)講學的同時,對我國高等學校“材料力學”的教學狀況和對“材料力學”教材的需求進行了大量調研,與全國500多名基礎力學教師以及近2000名同學交換了關于“材料力學”教材使用和修改的意見。
通過上述調研,我們進一步認識到,當初我們編寫“普通高等院校基礎力學系列教材”的理念基本上是正確的,這就是:在面向21世紀課程教學內容與體系改革的基礎上,進一步對教學內容加以精選,下大力氣壓縮教材篇幅,同時進行包括主教材、教學參考書——教師用書和學生用書,電子教材——電子教案與電子書等在內的教學資源一體化的設計,努力為教學第一線的教師和同學提供高水平、全方位的服務。
調研過程中,廣大教學第一線的教師和同學普遍反映,根據(jù)新的培養(yǎng)計劃,很需要一部土木和水利工程類專業(yè)的“材料力學”教材,以適應課程學時大幅度減少的要求。大家普遍認為現(xiàn)行的土木和水利工程類專業(yè)的“材料力學”教材大都是上、下兩冊,篇幅過大。有的教師反映:上冊的內容講不完,下冊的內容又要講一點,不僅造成資源浪費,而且也造成學生不必要的經(jīng)濟負擔。還有的教師認為,現(xiàn)行的土木和水利工程類專業(yè)的“材料力學”教材,成書時間已經(jīng)很久,沒有反映最近10年來材料力學課程教學改革成果,大多數(shù)作者長期不在教學第一線從事教學工作,因而缺乏教學第一線的新鮮經(jīng)驗。
本書是在上述調研的基礎上,根據(jù)新的培養(yǎng)計劃和教學基本要求,從一般院校的實際情況出發(fā),刪去大部分院校不需要的教學內容。在面向21世紀課程教學內容與體系改革的基礎上,對于傳統(tǒng)內容進一步加以精選,大大壓縮教材篇幅,以滿足60~80學時左右“材料力學”課程教學要求。
在教學體系上,我們根據(jù)土木和水利工程等專業(yè)的特點,同時貫穿兩條主要線索:一條是用桿、軸、梁、柱以及連接件等基本構件貫穿的線索;另一條是以構件的拉、壓、剪、扭、彎等基本受力與變形形式的線索。這樣的體系不僅保持了“材料力學”理論體系的完整性,而且具有很強的工程應用意義。
在內容的處理上,我們將梁的彎曲問題作為重點,分成4章,內容包括:剪力圖與彎矩圖;截面的幾何性質;應力分析與強度計算;位移分析與剛度計算。這一部分應該說是課程的重點,同時也是課程的精華所在。
為了壓縮教材的篇幅,適應教學時數(shù)減少的要求,一般“材料力學”中常見的“組合受力與變形”的內容沒有單獨成章。“斜彎曲”的內容放在彎曲問題中是很自然的事情;“偏心荷載”的內容,對于土木和水利工程專業(yè)而言,除了應力計算外,還有“截面核心”這樣的特殊問題,而“截面核心”的計算與中性軸有關,所以將這部分內容放在“彎曲問題”中作為梁的彎曲問題的延伸,不僅可以使讀者通過中性軸的概念比較好地掌握與“截面核心”有關的內容,而且還將使讀者加深對“中性軸”這個基本概念的認識。關于“彎曲與扭轉組合受力與變形”則作為“應力狀態(tài)與強度理論”的工程應用放在第9章中,凸現(xiàn)了應力狀態(tài)與強度理論的工程應用價值。
此外,關于“梁強度的全面校核”以及“圓柱形薄壁容器的應力狀態(tài)與強度計算”部分放在第9章中,也是基于同樣的考慮。
“材料力學”與很多領域的工程密切相關。材料力學教學不僅可以培養(yǎng)學生的力學素質,而且可以加強學生的工程概念。這對于他們向其他學科或其他工程領域擴展是很有利的�;诖耍緯c以往的同類教材相比,難度有所下降,工程概念有所加強,引入了大量涉及廣泛領域的工程實例以及與工程有關的例題和習題。
為了讓學生更快地掌握最基本的知識,在概念、原理的敘述方面作了一些改進。一方面從提出問題、分析問題和解決問題等方面作了比較詳盡的論述與討論;另一方面通過較多的例題分析,特別是新增加了關于一些重要概念的例題分析,著者相信這將有助于讀者加深對于基本內容的了解和掌握。
全書分為基礎篇和專題篇,共14章�;A篇共10章,包括反映材料力學基本要求的材料力學概論、拉伸與壓縮桿件的應力變形分析與強度計算、連接件強度的工程假定計算、圓軸扭轉時的強度與剛度計算、梁的彎曲問題(共4章)、應力狀態(tài)與強度理論及其工程應用、壓桿的穩(wěn)定問題等教學內容;專題篇包括材料力學中的能量法、簡單的靜不定系統(tǒng)、動荷載與疲勞強度概述、新材料的材料力學概述共4章,供不同院校選用。書中帶*號的內容及習題供各院校選用。根據(jù)不同院校的實際情況,基礎篇所需教學時數(shù)約為48學時左右;專題篇所需教學時數(shù)約為16~24學時。
本書由范欽珊、蔡新主編,范欽珊、祝瑛、梁小燕、蔡新編著。
本書于2005年10月在南京完成初稿,2006年1月在美國加州定稿。定稿期間,得到清華大學校友吳擎虹、范心洋的大力支持和協(xié)助,在本書出版之際,著者謹表誠摯謝意。
承蒙河海大學吳勝興教授、北京交通大學黃海明教授對本書稿進行了詳細的審閱,提出了寶貴的修改意見,謹致謝忱。
書中的缺點和錯誤,懇請讀者批評指正。
基礎篇
第1章概論3
1.1“材料力學”的研究內容3
1.2桿件的受力與變形形式4
1.3工程構件靜力學設計的主要內容5
1.4關于材料的基本假定7
1.5彈性體受力與變形特征7
1.6材料力學的分析方法9
1.7應力、應變及其相互關系10
1.8結論與討論12
習題13
第2章拉伸與壓縮桿件的應力變形分析與強度計算17
2.1軸力與軸力圖17
2.2拉伸與壓縮桿件橫截面上的應力19
2.3最簡單的強度問題22
2.4拉伸與壓縮桿件的變形分析30
2.5材料的力學性能35
2.6結論與討論40
習題44
第3章連接件強度的工程假定計算49
3.1鉚接件的強度失效形式及相應的強度計算方法49
3.2焊縫強度的剪切假定計算53
3.3結論與討論57
習題57
第4章圓軸扭轉時的強度與剛度計算61
4.1外加扭力矩、扭矩與扭矩圖61
4.2剪應力互等定理 剪切胡克定律63
4.3圓軸扭轉時橫截面上的剪應力分析與強度計算64
4.4圓軸扭轉時的變形分析及剛度條件72
4.5結論與討論75
習題79
第5章梁的彎曲問題(1)——剪力圖與彎矩圖83
5.1工程中的彎曲構件83
5.2梁的內力及其與外力的相互關系84
5.3剪力方程與彎矩方程87
5.4剪力圖與彎矩圖90
5.5荷載集度、剪力、彎矩之間的微分關系及其應用93
5.6剛架的內力與內力圖99
5.7結論與討論104
習題106
第6章梁的彎曲問題(2)——截面的幾何性質111
6.1為什么要研究截面的幾何性質111
6.2靜矩、形心及其相互關系112
6.3慣性矩、慣性積、慣性半徑114
6.4慣性矩與慣性積的移軸定理116
6.5慣性矩與慣性積的轉軸定理118
6.6主軸與形心主軸、主慣性矩與形心主慣性矩的概念119
6.7組合圖形的形心主軸與形心主慣性矩121
6.8結論與討論123
習題124
第7章梁的彎曲問題(3)——應力分析與強度計算127
7.1平面彎曲時梁橫截面上的正應力127
7.2斜彎曲的應力計算137
7.3彎矩與軸力同時作用時橫截面上的正應力140
7.4彎曲剪應力分析143
7.5彎曲強度計算151
7.6結論與討論164
習題174
第8章梁的彎曲問題(4)——位移分析與剛度計算185
8.1梁的變形與梁的位移185
8.2梁的小撓度微分方程及其積分187
8.3疊加法確定梁的撓度與轉角192
8.4梁的剛度計算200
8.5簡單的靜不定梁204
8.6結論與討論208
習題213
第9章應力狀態(tài)與強度理論及其工程應用217
9.1應力狀態(tài)的基本概念217
9.2平面應力狀態(tài)任意方向面上的應力219
9.3應力狀態(tài)中的主應力與最大剪應力222
9.4應力圓及其應用226
9.5廣義胡克定律230
9.6應變能與應變能密度231
9.7強度理論概述233
9.8關于脆性斷裂的強度理論233
9.9關于屈服的強度理論235
9.10工程應用之一——組合截面梁的強度全面校核238
9.11工程應用之二——圓軸承受彎曲與扭轉共同作用時的強度計算241
9.12工程應用之三——圓柱形薄壁容器的應力狀態(tài)與強度計算246
9.13結論與討論248
習題252
第10章壓桿的穩(wěn)定問題257
10.1壓桿穩(wěn)定的基本概念257
10.2兩端鉸支壓桿的臨界荷載 歐拉公式259
10.3不同剛性支承對壓桿臨界荷載的影響261
10.4臨界應力與臨界應力總圖262
10.5壓桿穩(wěn)定性設計268
10.6其他形式的屈曲問題 275
10.7結論與討論276
習題280
專題篇
第11章材料力學中的能量法289
11.1基本概念289
11.2互等定理292
11.3應用于彈性桿件的虛位移原理296
11.4計算位移的莫爾積分298
11.5計算莫爾積分的圖乘法301
11.6卡氏定理305
11.7結論與討論309
習題310
第12章簡單的靜不定系統(tǒng)315
12.1靜不定系統(tǒng)的幾個基本概念315
12.2力法與正則方程317
12.3對稱性與反對稱性在求解靜不定問題中的應用 319
12.4空間靜不定結構的特殊情形322
12.5能量法在求解靜不定問題中的應用323
12.6結論與討論332
習題333
第13章動荷載與疲勞強度概述337
13.1等加速度直線運動時構件上的慣性力與動應力337
13.2旋轉構件的受力分析與動應力計算339
13.3構件上的沖擊荷載與沖擊應力計算342
13.4疲勞強度概述346
13.5疲勞極限與應力壽命曲線351
13.6影響疲勞壽命的因素352
13.7基于無限壽命設計方法的疲勞強度354
13.8結論與討論356
習題358
第14章新材料的材料力學概述361
14.1復合材料概述361
14.2單層纖維復合材料的彈性模量363
14.3纖維增強效應366
14.4高分子材料概述368
14.5聚合物的粘彈性行為369
14.6非線性粘彈性構件設計的工程方法374
14.7結論與討論376
習題378
附錄381
附錄A型鋼規(guī)格表383
附錄B習題答案397
附錄C索引407
參考文獻415