材料力学笔记

最近买了台二手服务器,折腾了一些集群、容器、虚拟化之类的东西,比较偏操作也没啥好记的,就很长时间没更了。

这里大致记一下概念,捋一下思路。

绪论

材料力学的任务

使材料满足三个要求:强度刚度稳定性

变形固体的基本假设

三个假设:连续性均匀性各向同性

变形与应变

应变 和切应变 是度量一点处变形程度的两个基本量,量纲为一。

杆件变形的基本形式

拉伸或压缩、剪切、弯曲、扭转。

拉伸、压缩与剪切

直杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力

拉(压)杆的破坏并不总是沿横截面发生,有时沿斜截面发生。

设与横截面成 角的斜截面 的面积为 ,横截面的面积为 ,则

把应力 分解成垂直于斜截面的正应力 和沿斜截面的剪应力 ,则

时, 达到最大值,即

材料拉伸时的力学性能

低碳钢的力学性能大致如下:

  1. 弹性阶段:应力 与应变 成正比,即有 弹性模量。直线最高点对应的应力 称为比例极限,超过这个比例极限后,还有一个弹性极限,这两点间虽然不是直线,但松开后变形还是可以完全消失的,但两点非常接近,所以实际上不作严格区分。
  2. 屈服阶段:一段小锯齿,应变明显增加,应力先下降再小波动,先下降的那个最低点为屈服阶段或屈服强度,记作
  3. 强化阶段:恢复抵抗变形能力,最高点对应应力 强度极限
  4. 局部变形阶段:过强度极限后出现缩颈

铸铁在较小拉应力下就被拉断,没有屈服和缩颈现象,拉断前的应变也小,是典型的脆性材料。

材料压缩时的力学性能

什么?这不是饼干,这是一个压缩毛巾啊……(滑稽)

低碳钢压缩时的弹性模量 和屈服极限 都和拉伸时大致相同,之后越压越扁,也越来越难压,所以得不到压缩时的强度极限。

铸铁仍在较小变形下突然破坏,破坏断面法线与轴线大致成 45° - 55° 角。

失效、安全因数和强度计算

对塑性材料,;对脆性材料,。其中 称为安全系数,有

轴向拉伸或压缩时的变形

可以看出,对长度相同、受力相等的杆件, 越大变形 就越小,所以 越大的材料越强,称为杆件的抗拉(压)刚度

试验表明,应力不超过比例极限时横向应变 与轴向应变 之比是一个常数,即

称为横向变形因数或泊松比。之所以有个负号,是因为一般材料都是伸长时横向缩小,压缩时横向增大。

轴向拉伸或压缩时的应变能

杆件拉伸时,有 ,忽略动能、热能等变化,杆件就只存到了应变能 ,比能

能量法解题时需要计算应变能。

拉伸、压缩超静定问题

理论力学默认材料都是刚体,没法解决超静定问题,但实际上材料总是会变形的。

温度应力和装配应力

温度变化为 时,杆件变形为

式中 为材料的线胀系数

剪切和挤压的实用计算

扭转

外力偶矩的计算

得出计算外力偶矩 的公式为

纯剪切

对各向同性材料,三个弹性常数 之间存在下列关系:

圆轴扭转时的应力

最大切应力

式中 抗扭(twist)截面系数。 圆截面的抗扭截面系数为

空心圆截面的抗扭截面系数为

圆轴扭转时的变形

距离为 的两个横截面之间的相对转角

的变化率 单位长度扭转角,单位为 rad/m,即

式中 为横截面对圆心 点的极惯性矩,即

圆截面的 ,空心圆截面的

圆柱形密圈螺旋弹簧的应力和变形

弹簧最大切应力

式中 弹簧指数 为曲度系数。

刚度系数

代表弹簧抵抗变形的能力。 变形

非圆截面杆扭转的概念

弯曲内力

弯曲的概念和实例

弯曲变形为主的杆件习惯上称为

剪力和弯矩

符号规定:

  • 剪力:截面 的左段对右段向上相对错动时,截面 上的剪力规定为正;反之为负。
  • 弯矩:截面 处弯曲变形凸向下时,截面 上的弯矩规定为正;反之为负。

计算剪力和弯矩时注意考虑支座反力。 弯矩方程对距离求导为剪力方程。

平面曲杆的弯曲内力

分析时取圆心角为 的横截面 将曲杆分成两部分,然后列平衡方程。

符号规定:

  • 引起拉伸变形的轴力 为正
  • 使轴线曲率增加的弯矩 为正
  • 以剪力 对所考虑的一段曲杆内任一点取矩,若力矩为顺时针方向,则剪力 为正

弯曲应力

概述

弯矩 只与横截面上的正应力 有关,剪力 只与横截面上的切应力 有关。

梁中间段上剪力为零,弯矩为常量的情况称为纯弯曲

梁发生弯曲变形时长度不变的纤维层称为中性层,中性层与横截面的交线称为中性轴

横力弯曲时的正应力

工程实际中觉的弯曲问题多为横力弯曲,此时梁的横截面上不仅有正应力而且有切应力

一般情况下,最大正应力 发生于弯矩最大的截面上,且离中性轴最远处,即

引入记号

则有

称为抗弯截面系数,与截面的几何形状有关,单位为

若截面是高为 、宽为 的矩形,则

若截面是直径为 的圆形,则

类似地,空心圆形截面的抗弯截面系数为

弯曲正应力的强度条件为

弯曲切应力

是横截面的部分面积 对中性轴的静矩。

一般说,在剪力为最大值的截面的中性轴上,出现最大切应力,且

矩形截面梁的最大切应力

为平均切应力的 1.5 倍。

圆形截面梁的最大切应力

为平均切应力的 倍。

提高弯曲强度的措施

对抗拉和抗压强度相同的材料(如碳钢)宜采用中性轴对称的截面,对抗拉和抗压强度不相等的材料(如铸铁)宜采用中性轴偏向于受拉一侧的截面形状。 如能使 之比接近于下列关系:

式中 分别表示拉伸(Tension)和压缩(Compression)的许用应力,则最大拉应力和最大压应力可同时接近许用应力。 强度校核时超过百分之 以内都可接受(跟开车超速一点点不扣分差不多)。

弯曲变形

挠曲线的微分方程

发生弯曲变形时,变形前为直线的梁轴线,变形后成为一条连续且光滑的曲线,称为挠曲线

用积分法求弯曲变形

边界条件:在固定端,挠度和转角都为零,在铰支座上,挠度为零。

然后对 积分两次,代入边界条件和连续条件确定积分常数,得到挠曲线方程。 注意 即为

用叠加法求弯曲变形

弯曲变形很小且材料服从胡克定律时,挠曲线的微分方程是线性的。

应力和应变分析 强度理论

应力状态概述

切应力等于零的面称为主平面,主平面上的正应力称为主应力。

二向和三向应力状态的实例

圆筒的壁厚 远小于它的内径 时,称为薄壁圆筒。若封闭的薄壁圆筒所受内压为 ,则其横截面上应力

纵向截面上应力

在研究一点的应力状态时,通常用 代表该点的三个主应力,并以 代表代数值最大的主应力, 代表代数值最小的主应力,即

二向应力状态分析————解析法

法线与 轴平行的面上的正应力和切应力;法线与 轴平行的面上的正应力和切应力。 符号规定:正应力拉正压负,切应力对单元体内任意点的矩为顺时针转向时为正,反之为负,这里与平常不同。 取任意斜截面,其外法线 轴的夹角为 。规定:由 轴转到外法线 逆时针转向时,则 为正。

二向应力状态分析————图解法

上面两式两边平方然后相加可消去 ,得

均为已知量,可此式是一个以 为变量的圆方程,以横坐标表示 ,纵坐标表示 ,则圆心横坐标为 ,纵坐标为零,半径为 。这一圆周称为应力圆

作法:

  1. 在坐标系取点
  2. 连接 ,与横坐标交于 点,以 为圆心, 为半径画圆,得到应力圆。

在应力圆上,从 点(它代表以 轴为法线的面上的应力)也按逆时针方向沿圆周转到 点,且使 弧所对圆心角为 倍,则 点的坐标就代表以 为法线的斜面上的应力。

三向应力状态

就是一般就是垂直于 的应力。

广义胡克定律

四种常用强度理论

最大拉应力理论(第一强度理论)

最大伸长线应力理论(第二强度理论)

最大切应力理论(第三强度理论)

最大畸变能密度理论(第四强度理论)

莫尔强度理论

组合变形

扭转与弯曲的组合

按第三强度理论,有

按第四强度理论,有

压杆稳定

压杆稳定的概念

细长杆件受压时,设压力与轴线重合,压力小于某一极限值时,压杆一直保持直线形状的平衡,即便有微小的侧向干扰力使其暂时发生轻微弯曲,干扰力解除后,压杆也能恢复直线形状,这表明压杆直线形状的平衡是稳定的。但是如果压力大于某一极限值时,压杆的直线平衡变为不稳定,将转变为曲线形状的平衡。这时再用微小的侧向干扰力使其发生轻微弯曲,干扰力解除后,它将保持曲线形状的平衡,不能恢复到原有的直线形状。

上述压力的极限值称为临界压力或临界力,记为 。压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线平衡,称为丧失稳定性,简称失稳,也称为屈曲。

其他支座条件下细长压杆的临界压力

欧拉公式的普遍形式为

式中 表示把压杆折算成两端铰支杆的长度,称为相当长度, 称为长度因数,不同情况下的长度因数 列表如下:

| 压杆的约束条件 | 长度因数 | | :– | :– | | 两端铰支 | | | 一端固定,另一端自由 | | | 两端固定 | | | 一端固定,另一端铰支 | |

欧拉公式的适用范围 经验公式

称为临界应力。把横截面的惯性矩 写成

上式可以写成

引用记号

是一个量纲一的量,称为柔度或长细比,综合反映了压杆的长度、约束条件、截面尺寸和形状等因素对临界应力 的影响。计算临界应力的公式可以写成

这是欧拉公式的另一种表达形式,其适用范围为

压杆的稳定性校核

之比即为压杆的工作安全因数 ,它应大于规定的稳定安全因数 ,即

平面图形的几何性质

静矩和形心

在坐标 处,取微面积 ,遍及整个图形面积 的积分

分别定义为图形对 轴和 轴的静矩,也称为图形对 轴和 轴的一次矩。 这个坐标轴之所以只有 而没有 ,是因为我们一般分析的是横截面, 轴是杆的轴线方向。 可以看出,平面图形的静矩是对某一坐标轴而言的,也就是说,同一图形对不同的坐标轴的静矩通常是不同的。静矩的量纲是长度的三次方。

平面图形对 轴和 轴的静矩,分别等于图形面积 乘形心的坐标 ,即

惯性矩和惯性半径

在坐标 处,取微面积 ,遍及整个图形面积 的积分

分别定义为图形对 轴和 轴的惯性矩,也称为图形对 轴和 轴的二次矩。惯性矩的量纲是长度的四次方。 矩形的对形心轴的 。 力学计算中,有时把惯性矩写成图形面积 与某一长度的平方的乘积,即

或者改写为

式中的 分别称为图形对 轴和 轴的惯性半径。惯性半径的量纲就是长度的量纲。

表示微面积 到坐标原点 的距离,下列积分

定义为图形对坐标原点 极惯性矩。又 ,于是有

惯性积

在坐标 处,取微面积 ,遍及整个图形面积 的积分

定义为图形对 轴的惯性积。惯性积的量纲是长度的四次方。 坐标系的两根坐标轴中只要有一根为图形对称轴,则图形对这一坐标系的惯性积就等于零。

平行移轴公式

文章作者weyung
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