材料力学清华大学学习笔记Word格式文档下载.docx
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为材料的极限应力或危险应力criticalstress，n为安全因数，对于不同的机器或结构，在相应的设计规范中都有不同的规定。
3.应用强度设计准则，可以解决3类强度问题：
a）强度校核
b）尺寸设计
c）确定杆件或结构所能承受的许用载荷allowableload
4.Q235槽钢、等边角钢用于吊车时，其许用应力
5.弹性范围内杆件承受轴向载荷时力与变形的关系：
，即胡克定律Hookelaw。
EA称为杆件的拉伸（或压缩）刚度tensileorcompressionrigidity。
6.无论变形均匀还是不均匀，正应力与正应变之间的关系都为：
7.在弹性范围内加载，轴向应变
与横向应变
之间存在下列关系：
，
为材料的另一个弹性常数，称为泊松比Poissonratio，为无量纲量。
8.如果杆端两种外加力静力学等效，则距离加力点稍远处，静力学等效对应力分布的影响很小，可以忽略不计，称之为圣维南原理Saint-Venantprinciple。
（也有不适用情形）
9.加力点的附近区域，以及构件的几何形状不连续discontinuity处，都会产生很高的局部应力localizedstresses。
几何形状不连续处应力局部增大的现象，称为应力集中stressconcentration。
10.实验结果表明，应力集中与杆件的尺寸和所用的材料无关，仅取决于截面突变处几何参数的比值。
11.应力集中的程度用应力集中因数factorofstressconcentration（应力集中处横截面上的应力最大值与不考虑应力集中时的应力值，亦即名义应力之比）描述，用
表示。
第三章轴向载荷作用下材料的力学性能
1.应力-应变曲线上直线的斜率即应力与应变的比值成为材料的弹性模量（杨氏模量）modulusofelasticityorYoungmodulus.
2.对于应力-应变曲线初始阶段的非直线段，工程上通常定义两种模量：
切线模量tangentmodulus，割线模量secantmodulus，二者统称为工程模量。
3.应力-应变曲线上线弹性区的最高应力值称为比例极限proportionallimit。
4.材料的恢复到未受载荷的初始状态的特性，称为弹性elasticity。
其间的变形称为弹性变形elasticdeformation。
弹性变形区的最高应力值称为弹性极限elasticlimit。
5.不能恢复的部分变形称为永久变形permanentdeformation或塑性变形plasticdeformation。
6.应力不增加而应变继续增加的现象称为材料的屈服yield，此时的应力称为屈服应力yieldstress或屈服强度。
7.对于没有明显屈服平台的材料，工程上通常规定产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为屈服应力，称为条件屈服应力conditionalyieldstress。
8.具有明显屈服阶段或破断时有明显的塑性变形的材料称为韧性材料ductilematerials，发生断裂前没有明显的塑性变形的材料称为脆性材料brittlematerials。
9.使材料完全丧失承载能力的最大应力称为强度极限strengthlimit。
10.颈缩necking现象
11.延伸率percentageelongation是度量材料韧性的重要指标。
工程上一般认为
的材料为韧性材料，
的材料为脆性材料。
12.截面收缩率percentagereductioninareaofcross-section是度量材料韧性的一种指标。
第四章圆轴扭转时的强度与刚度计算
1.杆的两端承受大小相等、方向相反、作用平面垂直于杆件轴线的两个力偶，杆的任意两横截面将绕轴线相对转动，这种受力与变形形式称为扭转torsion。
2.圆轴两端受外加扭力矩Me作用时，横截面上将产生分布剪应力，这些剪应力将组成对横截面中心的合力矩，称为扭矩twistmoment。
3.在两个互相垂直的平面上，剪应力必然成对存在，且数值相等，两者都垂直于两个平面的交线，方向则共同指向或共同背离这一交线，这就是剪应力成对定理pairingprincipleofshearstresses。
4.微元体的上下左右四个侧面上，只有剪应力而没有正应力，这种受力状况的微元体称为纯剪切应力状态，简称纯剪应力状态stressstateofthepureshear。
5.
这一关系称为剪切胡克定律Hookelaw，其中G为材料的弹性常数，称为剪切弹性模量或切变模量shearmodulus。
6.各向同性材料的三个弹性常数杨氏模量E、泊松比v以及切变模量G之间存在以下关系：
7.
是与截面形状和尺寸有关的几何量，称为截面对形心O的极惯性矩polarmomentofinertiaforcrosssection。
8.圆轴扭转时横截面上剪应力表达式：
，式中
为横截面上的扭矩，
为所求应力点到截面形心的距离，
为横截面的极惯性矩。
9.直径为
的圆截面极惯性矩
为
；
对于内、外径分别是D和d的圆管截面或圆环截面，极惯性矩
10.最大剪应力应由下式计算：
，其中
称为扭转截面模量sectionmodulusintorsion。
对实心轴和空心轴，扭转截面模量分别为
和
11.受扭圆轴的强度设计准则
。
12.对于静荷载作用的情形，可以证明扭转许用剪应力与许用拉应力之间有如下关系：
钢
铸铁
13.如果轴的长度相同，在具有相同强度的情形下，实心圆轴所用材料要比空心轴多。
但空心轴的外径比实心圆轴的外径大。
14.对于两端承受集中扭矩的等截面圆轴，两端面的相对扭转角为
称为圆轴的扭转刚度torsionalrigidity。
15.在很多情形下，两端面的相对扭转角不能反映圆轴扭转变形的程度，因而更多采用单位长度扭转角表示圆轴的扭转变形，单位长度扭转角即扭转角的变化率。
单位长度扭转角：
16.扭转刚度设计是将单位长度上的相对扭转角限制在允许的范围内，即必须使构件满足刚度设计准则：
或
（对于两端承受集中扭矩的等截面圆轴）。
17.圆轴强度设计和刚度设计的一般过程如下：
（1）根据轴传递的功率以及轴每分钟的转数，确定作用在轴上的外加力偶的力偶矩。
（2）应用截面法确定轴的横截面上的扭矩，当轴上同时作用有两个以上的绕轴线转动的外加扭力矩时，需要画出扭矩图。
（3）根据轴的扭矩图，确定可能的危险面以及危险面上的扭矩数值。
（4）计算危险截面上的最大剪应力或单位长度上的相对扭转角。
（5）根据需要，应用强度设计准则与刚度设计准则对圆轴进行强度与刚度校核、设计轴的直径以及确定许用载荷。
需要指出的是，工程结构与机械中有些传动轴都是通过与之连接的零件或部件承受外力作用的。
这时需要首先将作用在零件或部件上的力向轴线简化，得到轴的受力图。
这种情形下，圆轴将同时承受扭转与弯曲，而且弯曲可能是主要的。
这一类圆轴的强度设计比较复杂。
此外，还有一些圆轴所受的外力（大小或方向）随着时间的改变而变化。
18.非圆截面杆扭转时，横截面外周线将改变原来的形状，并且不再位于同一平面内，这种现象称为翘曲warping。
19.对于翘曲，有以下结论：
（1）非圆截面杆扭转时，横截面上周边各点的剪应力沿着周边切线方向。
（2）对于有凸角的多边形截面杆，横截面上凸角点处的剪应力等于零。
20.矩形截面构件扭转时，最大剪应力发生在矩形截面的长边中点处，其值为
，在短边中点处，剪应力为
式中
、
为与长、短边尺寸之比
有关的因数。
第五章梁的强度问题
1.杆件承受垂直于其轴线的外力或位于其轴线所在平面内的力偶作用时，其轴线将弯曲成曲线，这种受力与变形形式称为弯曲bending。
主要承受弯曲的杆件称为梁beam。
2.所谓外力突变，是指有集中力、集中力偶作用，以及分布载荷间断或分布载荷集度发生突变的情形。
3.在一段梁上，剪力和弯矩按一种函数规律变化，这一段梁的两个端截面称为控制面controlcross-section。
控制面也就是函数定义域的两个端截面。
据此，下列截面均可能为控制面：
●集中力作用点两侧截面
●集中力偶作用点两侧截面
●集度相同的均不载荷起点和终点处截面
4.一端固定另一端自由的梁，称为悬臂梁cantileverbeam。
5.一般受力情形下，梁内剪力和弯矩将随横截面位置的改变而发生变化。
描述梁的剪力和弯矩沿长度方向变化的代数方程，分别称为剪力方程equationofshearingforce和弯矩方程equationofbendingmoment。
6.一端为固定铰链支座、另一端为辊轴支座的梁，称为简支梁simplesupportedbeam。
7.作用在梁上的平面载荷，如果不包含纵向力，这时梁的横截面上将只有弯矩和剪力。
表示剪力和弯矩沿梁轴线方向变化的图线，分别称为剪力图diagramofshearingforce和弯矩图diagramofbendingforce。
8.在集中力作用点两侧截面上的剪力是不相等的，而在集中力偶作用处两侧截面上的弯矩也是不相等的，其差值分别为集中力与集中力偶的数值。
9.剪力图和弯矩图图线的几何形状与作用在梁上的载荷集度有关：
1）剪力图的斜率等于作用在梁上的均布载荷集度；
弯矩图在某一点处斜率等于对应截面处剪力的数值。
2）如果一段梁上没有分布载荷作用，即q=0，这一段梁上剪力的一阶导数等于零，弯矩的一阶导数等于常数，因此，这一段梁的剪力图为平行于x轴的水平直线；
弯矩图为斜直线。
3）如果一段梁上作用有均布载荷，即q=常数，这一段梁上剪力的一阶导数等于常数，弯矩的一阶导数为x的线型函数，因此，这一段梁的剪力图为斜直线；
弯矩图为二次抛物线。
4）弯矩图二次抛物线的凸凹性与载荷集度q的正负有关：
当q为正（向上）时，抛物线为凹曲线，凹的方向与M坐标正方向一致；
当q为负（向下）时，抛物线为凸曲线，凸的方向与M坐标正方向一致。
10.由一个固定铰链支座和一个辊轴支座所支撑，但是梁的一端向外伸出，这种梁称为外伸梁overhandingbeam。
11.积分
、
分别称为图形对于y轴和z轴的截面一次矩firstmomentofanarea或静矩staticmoment。
静矩的单位为m3或mm3。
12.图形几何形状的中心称为形心centroidofanarea。
13.由静矩的定义以及静矩与形心之间的关系可以看出：
1）静矩与坐标轴有关，同一平面图形对于不同的坐标轴有不同的静矩。
对某些坐标轴静矩为正；
对另外一些坐标轴静矩则可能为负；
对于通过形心的坐标轴，图形对其静矩等于零。
2）如果某一坐标轴通过截面形心，这时，截面形心的一个坐标为零，则截面对于该轴的静矩等于零；
反之，如果截面对于某一坐标轴的静矩等于零，则该轴通过截面形心。
例如，z轴通过截面形心，yc=0，这时Sz=0；
反之，如果Sz=0，则yc=0，z轴一定通过截面形心。
3）如果已经计算出静矩，就可以确定形心的位置；
反之，如果已知形心在某一坐标系中的位置，则可计算图形对于这一坐标系中坐标轴的静矩。
14.积分
分别称为图形对于y轴和z轴的截面二次轴距secondmomentofanarea或惯性矩momentofinertia。
15.定义积分
为图形对于点O的截面二次极矩或极惯性矩secondpolarmomentofanarea。
16.定义积分
为图形对于通过点O的一对坐标轴y、z的惯性积productofinertia。
17.定义
分别为图形对于y轴和z轴的惯性半径radiusofgyration。
18.根据14~17的定义可知：
1）惯性矩和极惯性矩恒为正；
而惯性积则由于坐标轴位置的不同，可能为正，也可能为负。
三者的单位均为m4或mm4。
2）因为r2=x2+y2，所以由上述定义不难得到惯性矩与极惯性矩之间的关系：
根据上述关系以及上一章所得到的圆截面的极惯性矩表达式
注意到圆形对于通过其中心的任意两根轴具有相同的惯性矩，便可得到圆截面对于通过其中心的任意轴的惯性矩为
类似地，根据圆环截面对于圆环中心的极惯性矩
得到圆环截面的惯性矩表达式
3）根据惯性矩的定义，注意微面积的取法，不难求得矩形截面对于通过其形心、平行于矩形周边轴（y,z）的惯性矩
19.如果图形对于过一点的一对坐标轴的惯性积等于零，则称这一对坐标轴为过这一点的主轴principalaxis。
图形对于主轴的惯性矩称为主惯性矩principalmomentofinertiaofanarea。
因为惯性积是对一对坐标轴而言的，所以，主轴总是成对出现的。
可以证明，图形对于过一点不同坐标轴的惯性矩各不相同，而对于主轴的惯性矩是这些惯性矩的极大值或极小值。
20.主轴的方向角以及主惯性矩可以通过初始坐标轴的惯性矩和惯性积确定：
图形对于任意一点（图形内或图形外）都有主轴，而通过形心的主轴称为形心主轴，图形对形心主轴的惯性矩称为形心主惯性矩，简称为形心主矩。
21.梁的横截面具有对称轴，所有相同的对称轴组成的平面，称为梁的对称面symmetricplane。
22.梁的横截面没有对称轴，但是都有通过横截面形心的形心主轴，所有相同的形心主轴组成的平面，称为梁的主轴平面planeincludingprincipalaxis。
由于对称轴也是主轴，所以对称面也是主轴平面。
23.所有外力（包括力偶）都作用于梁的同一主轴平面内时，梁的轴线弯曲后将弯曲成平面曲线，这一曲线位于外力作用平面内，这种弯曲称为平面弯曲planebending。
24.一般情形下，平面弯曲时，梁的横截面上一般将有两个内力分量：
剪力和弯矩。
如果梁的横截面上只有弯矩一个内力分量，这种平面弯曲称为纯弯曲purebending。
25.梁在垂直梁轴线的横向力作用下，其横截面上将同时产生剪力和弯矩。
这时，梁的横截面上不仅有正应力，还有剪应力。
这种弯曲称为横向弯曲，简称横弯曲transversebending。
26.梁弯曲后，一些层发生伸长变形，另一些则会发生缩短变形，在伸长层与缩短层的交界处那一层，既不发生伸长变形，也不发生缩短变形，称为梁的中性层或中性面neutralsurface。
中性层与梁的横截面的交线，称为截面的中性轴neutralaxis。
27.中性轴垂直于加载方向，对于具有对称轴的横截面梁，中性轴垂直于横截面的对称轴。
横截面中性轴两侧材料分别受拉应力与压应力。
28.梁弯曲时，正应变沿横截面高度方向分布表达式：
（
为中性层弯曲后的曲率半径，亦即梁的轴线弯曲后的曲率半径。
）
29.应用胡克定律，得到梁弯曲时横截面上正应力沿横截面高度分布的表达式为：
30.纯弯曲时，横截面上只能有弯矩一个内力分量，轴力等于零。
于是，应用积分的方法有：
（由该式可以确定z轴与梁横截面上的中性轴重合），
（弯矩矢量方向与坐标轴正向一致者为正）。
将正应力
分布的表达式
代入上式，得到
又梁的横截面对于z轴的惯性矩
从而求得
最后得到弯曲梁横截面上的正应力为
31.受弯梁横截面上的最大正应力
，称为弯曲截面系数，单位是mm3或m3。
对于宽度为b、高度为h的矩形截面（加载沿着横截面高度方向）
对于直径为d的圆截面：
对于外径为D，内径为d的圆环截面：
32.梁弯曲后中性层曲率的数学表达式：
称为梁的弯曲刚度。
33.工程设计中最大正应力可以允许超过许用应力5%，但对于安全性要求很高的构件，最大正应力不允许超过许用应力。
34.由两根或两根以上的杆件组成并在连接处采用刚性连接的结构，称为刚架rigidframe或框架frame。
当杆件变形时，两杆连接处保持刚性，即两杆轴线的夹角保持不变。
刚架中的横杆一般称横梁，竖杆称为立柱，二者连接处称为刚节点。
35.在平面载荷作用下，组成刚架的杆件横截面上一般存在轴力、剪力和弯矩三个内力分量。
36.载荷作用线垂直于杆件的轴线，这种载荷称为横向载荷transverseload。
37.当外力施加在梁的对称面（或主轴平面）内时，梁产生平面弯曲。
所有外力都作用在同一平面内，但是这一平面不是对称面（或主轴平面），梁也将会产生弯曲，但不是平面弯曲，这种弯曲称为斜弯曲skewbending。
38.斜弯曲情形下，横截面依然存在中性轴，而且中性轴一定通过横截面的形心，但不垂直于加载方向，这是斜弯曲与平面弯曲的重要区别。
39.载荷偏离对称轴一很小的角度，最大正应力就会有很大的增加（有时88%以上），这对于梁的强度是一种很大的威胁，实际工程中应当尽量避免这种现象的发生。
这就是为什么吊车起吊重物时只能在吊车大梁垂直下方起吊，而不允许在大梁的侧面斜方向起吊的原因。
40.平面弯曲中，根据横截面上轴力等于零的条件，由静力学方程
得到“中性轴通过截面形心”的结论。
41.提高梁强度的措施：
1）选择合理的截面形状
2）采用变截面梁或等强度梁
3）改善受力状况
第六章梁的变形分析与刚度问题
1.在平面弯曲的情形下，梁上的任意微段的两横截面绕中性轴相互转过一角度，从而使梁的轴线弯曲成平面曲线，这一曲线称为梁的挠度曲线deflectioncurve。
2.由于梁的轴线是其横截面形心的连线，所以弯曲后的挠度曲线也描述了梁的横截面在梁变形前后位置的改变，这种位置改变称为位移displacement。
3.垂直于梁轴线方向的位移称为挠度deflection，用
表示，横截面绕中性轴的转动称为转角slopeofcrosssection，用
4.如果外加载荷使梁的变形保持在弹性范围内，梁的挠度情形则是一连续、光滑的曲线。
这一曲线用
的函数
描述，
称为挠度曲线方程，简称挠度方程deflectionequation。
5.挠度曲线方程
确定后，将其对
求一次导数即可得到转角方程
6.小挠度微分方程
，这一微分方程称为小挠度微分方程，其中的正负号与
坐标轴取向有关。
7.在材料服从胡克定律和小挠度的条件下，挠度和转角均与外加载荷呈线型关系。
因此，当梁上作用两个或两个以上的外载荷作用时，梁上任意截面处的挠度与转角分别等于各个载荷在同一截面处引起的挠度和转角的代数和。
8.用平衡方程可以解出作用在梁上的全部未知力的梁被称为静定梁。
9.当在静定梁上增加约束，使得作用在梁上的未知力的个数多余独立平衡方程数目，仅仅根据平衡方程无法求得全部未知力，这种梁称为静不定梁或超静定梁。
10.未知力的个数与平衡方程数目之差，及多余约束的数目，称为静不定次数。
11.在简支梁的两端支座中间增加一个支座，就是一次静不定梁；
增加几个支座就是几次静不定梁。
在悬臂梁自由端增加一个滚轴支座，变为一次静不定梁；
增加固定铰支座变为二次静不定梁；
使自由端也变成固定端，则悬臂梁就变成了三次静不定梁。
12.求解静不定梁，除了平衡方程外，还需要根据多余约束对位移或变形的限制，建立各部分位移或变形之间的几何关系，即建立几何方程，称为变形协调方程compatibilityequation，并建立力与位移或变形之间的物理关系，即物理方程或称本构方程。
13.关于变形和位移的相依关系：
1）位移是杆件各部分变形累加的结果；
2）有变形不一定有位移，但有位移一定有变形；
14.静定结构中各构件受力只需满足平衡要求，变形协调的条件便会自然满足，而在静不定结构中，满足平衡要求的受力，不一定满足变形协调条件；
静定结构中各构件的变形相互独立，静不定结构中各构件的变形却是相互牵制的。
正是由于这种差别，在静不定结构中，若其中的某一构件存在制造误差，装配后即使不加载，各构件也将产生内力和应力，这种应力称为装配应力assemblestress。
此外，温度的变化也会在静不定结构中产生内力和应力，这种应力称为热应力thermalstress。
15.对于集中力作用的情形，挠度与梁长的三次方量级成比例；
转角则与梁长的二次方量级成比例。
第七章应力状态与强度理论及其工程应用
1.所谓应力状态stress-state，是指过一点的不同方向面上的应力的总称。
2.低碳钢试样拉伸至屈服时，表面会出现与轴线成45°
角的滑移线；
铸铁圆试样扭转时，沿45°
螺旋面断开；
铸铁压缩试样的破坏面不像铸铁扭转试样破坏面那样呈颗粒状，而是呈错动光滑状。
3.由于构件受力的不同，应力状态多种多样。
只受一个方向正应力作用的应力状态，称为单向应力状态onedimensionalstateofstress。
只受剪应力作用的应力状态，称为纯剪应力状态shearingstateofstress。
所有应力作用线都处于同一平面内的应力状态，称为平面应力状态。
单向应力状态与纯剪应力状态都是平面应力状态的特例。
4.计算平面应力状态中任意方向面上正应力与剪应力的表达式：
5.低碳钢拉伸时沿45°
方向发生屈服是由最大剪应力引起的。
6.铸铁圆试样扭转时，沿-45°
螺旋面断开，这种脆性破坏是由最大拉应力引起的。
7.根据应力状态任意方向面上的应力表达式，不同方向面上的正应力与剪应力与方向面的取向有关。
因而有可能存在某种方向面，其上的剪应力为零，这种方向面称为主平面principalplane。
主平面上的正应力称为主应力principalstress。
主平面法线方向即主应力作用线方向，称为主方向pr
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