1、1教 案20182019 学年第一学期学院(系、部 ) 机电工程学院课 程 名 称 材料力学授 课 班 级 16 级机械设计制造及自动化本科班主 讲 教 师 XXX职 称 XXX使 用 教 材 材料力学北航出版社 2014 版机电工程学院2课 程 概 况课程编号 课程名称 材料力学 学 分 类别 必修课（ ） 选修课（） 理论课（ ） 实验课（ ）任课教师 XXX 职称 XXX总计：48 学时讲课： 44 学时实验：4 学时上机：学时授课对象专业班级：16 级机械设计制造及自动化、材料、汽服本科 共 个班基本教材和主要参考资料1、基本教材：基本教材：北航出版社 2014 版材料力学2、主要参考
2、资料：主要参考资料：刘鸿文编材料力学教学目的要求通过材料力学的学习，要求学生对杆件的强度、刚度和稳定性问题具有明确的基本概念，必要的基础知识，比较熟练的计算能力，一定的分析能力和初步的实验能力。同时为机械设计 、 机械制造等专业课的学习打下必要的基础。教学重点难点重点：（1）内力，应力的概念，求内力的基本方法-截面法。（2）内力方程及内力图的绘制。（3）材料力学的一般分析方法，即综合考虑构件静力平衡关系，变形几何关系和物理这三个方面的方法。（4）明确胡克定律的内容及适用范围。（5）正确建立强度条件进行强度计算。（6）掌握压杆稳定的概念，欧拉公式的建立及其适用范围，并对压杆进行稳定校核。难点：（
3、1）对超静定问题的分析及解法；（2）应力状态与应变状态分析；（3）强度理论的概念，如何正确选择和运用强度理论。3课程教案授课时间 第 1 周 周 第 节 课次 1 授课方式（请打） 理论课( ) 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排 2 授课题目（教学章、节或主题）：绪论主要教学方法与手段本课次教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：了解课程的主要内容和学习任务，理解变形固体的基本假设，分析构件的基本变形。教学重点及难点：重点：构件强度、刚度和稳定性的概念难点：应力、位移和应变 教学基本内容及过程4一材料力学研究的主要内容：研究构件的强度、刚度和稳定性。1构件：工程结构或机械的各组成部分
4、（如建筑物的梁和柱，机床的轴等）统称为构件。当工程结构或机械工作时，构件一般都承受一定的外力或重物的重量（如建筑物的梁受自身重力和其它物体（楼板）的重力作用，机床主轴受传动力和切削力的作用）这些外力和重量称为载荷（或荷载） 。为保证工程结构或机械安全、正常地工作，构件应有足够的能力负担起应当承受的载荷（又简称承载能力） ，因此应当满足下列要求：（1）强度要求 构件的强度是指构件抵抗破坏的能力。 （在规定的载荷作用下，构件当然不应破坏）（2）刚度要求 构件的刚度是指构件抵抗变形的能力。 （在载荷作用下，构件即使有足够的强度，但变形过大，仍不能正常。 （如房屋的楼板梁、机床主轴等书例）（3）稳定性
5、要求 构件的稳定性是指构件保持其原有平衡形态的能力。 （本书以压杆为例）一般说来，构件满足上述三方面要求，构件就能安全、正常地工作， （但对具体构件又往往有所侧重，如储气罐强度，车床主轴刚度，受压直杆稳定性。 ） （此外还有相反的要求：防超载安全销先破坏，缓冲作用车辆的缓冲弹簧应较大变形。 ）二构件的力学模型及基本假设(变形固体的基本假设)工程构件一般由固体材料制成，如金属与合金、工业陶瓷、聚合物等。 （材料的四大家族：金属、陶瓷、塑料、 （高分子材料）结合已学过的机械工程材料课讲授。）在载荷作用下，一切构件都将发生变形，所以构件一般都是变形固体。而变形体在外力作用下产生的变形分为弹性变形与塑
6、性变形。弹性变形是指作用在变形体上的外力去掉后可完全消失的变形，如果外力去掉后，变形不能全部消失而留存残余变形，此残余变形称为塑性变形。固体有多方面的属性，研究角度不同侧重面各不一样，在静力学中将固体抽象为刚体。在材料力学中研究对象是变形固体，在研究构件的强度、刚度和稳定性时，同样为为抽象出力学模型 ，掌握与问题有关的主要属性，略去一些次要因素，对变形体作如5下的基本假设：1）连续、均匀性假设连续是指构件材料内部没有空隙， （物质毫无空隙地充满了固体的体积，空隙与构件尺寸相比极其微小）均匀性是指材料的力学性质各处都一样， （金属晶粒位向、数量极多且无规则排列统计平均值）2）各向同性假设认为材料
7、沿不同方向具有相同的力学性质。 （单个晶粒不同，极多且无规则排列沿各个方向接近相同）总之，研究构件受力后其内部的力学响应时，除非有特别提示（如非均匀介质材料、各向异性材料、含宏观缺陷及裂纹材料等）一般将材料看成是由连续、均匀、各向同性的介质组成。因此，从构件中任意取出一小部分（单元体）时，它的力学性质（力学性能）和力学行为可以代表此构件内任何部分的力学性质和力学行为。附加：小变形假设：工程中大多数构件在载荷作用下其几何尺寸的改变量（变形量）与构件本身的尺寸相比通常是很微小的，这类变形称为小变形，材料力学研究的问题限于小变形的情况，假设构件的变形与其原始尺寸相比很小，由于变形很小，因而在分析构件
8、的平衡关系时，可以不考虑外力作用点由于构件变形所产生的位移而按构件的原有形状和尺寸计算，这种方法称为“原始尺寸原理” ，其结果一般都能与实验结果较好地吻合。（例：悬臂梁自由端作用一集中力，求固定端反力偶时可不考虑梁弯曲时引起的力矩计算时力臂的改变，仍按直梁计算原始尺寸原理。 ）三，应力1）外力和内力 外力：主动力+反力=载荷 内力：物体因外力作用而变形，其内部各部分之间因相对位置改变而引起的相互作用力就是内力，它与构件所受的外力密切相关，随着外力变化而变化，即随外力增大而增大， （随外力消失而消失）当达到某一极限值时，就会引起构件破坏，因而它与构件的强度密切相关的。为了进行构件的强度计算，必须
9、由已知的外力确定未知的内力，而内力对整体而言为作用力和反作用力不出现，为此，用一平面（常用横截面）假想地把构件截开分成两部分，取其中一部分，以显示并确定内力，这种方法称为截面法，它是求内力的方法也是材料力学中的基本方法之一，在材料力学中占有非常重要的地位。（结合教材图 2-1 讲授截面法的步骤：一截二代三平衡）结论：（1）根据连续性假设，截面上应是分布（内）力系，截面上的内力是该分布力系的合力或合力偶。（2）杆件原是平衡的，截开后的分离体也应保持平衡，据此，截面上的内力总是和截面一侧的外力平衡的，可列平衡方程确定内力类型和内力的大小。2）应力：受力构件内一点处分部内力的集度（P3） 。 （密集
10、程度）应用截面法，可求得杆件的内力，但还不能判断杆件的强度，例如相同材料的两根杆，一根较粗，一根较细，在相同拉力的作用下细杆先被拉断，显然，具有相同内力的两杆，它们抵抗破坏的能力并不相同，这表明杆件的强度不仅与内力有关，而且与杆件横截面尺寸有关，即杆的强度取决于内力在横截面上分布的密集程度。 （集度）作图 1-1，演示应力的数学意义。得式（1-1） （极限-微积分） （总应力）分解为两个分量：正应力 ；切应力 。国际单位；帕斯卡 常用兆帕列出帕与牛/面积关系。四位移和应变 变形点的位移（线位移） ，面的位移（角位移）6应变 线应变 切应变 描述物体内一点处变形的两个基本量。五杆件变形的基本形式
11、构件的几何模型（了解和熟悉）工程中的实际构件的形状多种多样，按其三维尺寸的比例，大致可简化归纳为杆件、板壳类和块体。（1）杆（件）：长度远大于横向尺寸的构件“长” 。工程中很多构件可简化为杆（包括典型的常见杆、可简化为杆的齿轮轮齿、曲轴的轴颈等）所以杆是工程中最基本的构件，材料力学研究的主要对象是杆件。杆件的几何要素是其“横截面”与“轴线” 。轴线截面形心的连线。 （截剖） （直杆、曲杆等按轴线形状定义）横截面和轴线垂直的平面。 （等截面杆，变截面杆）本课程重点研究等直杆。（2）板、壳：厚度方向尺寸远小于其它两个方向尺寸的构件，包括板和壳。说明并图示： 板（平面，如课桌面） ，壳（曲面，如家见
12、锅盖）（1） 块体：长、宽、高三个方向尺寸为同一量级的构件见“方” 。杆件变形的基本形式（结合教材图 1-4 简介）轴向拉伸或压缩， （剪切） ，扭转，弯曲及组合变形学习基本思路提示：作业和思考题：习题 1-11-6 课堂解析 1-97课后小结：课程教案授课时间 第 1 周 周 第 节 课次 2 授课方式（请打） 理论课（） 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排 2 授课题目（教学章、节或主题）：轴向拉伸和压缩的强度计算（第 2 章第 1 节第 5节）主要教学方法与手段本课次教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：掌握直杆在拉伸或压缩时的受力和变形特点，内力及截面法、应力和强度计算。教学
13、重点及难点：重点：内力及其求法、内力图难点：应力和强度计算教学基本内容及过程8一，基本概念轴向拉压 外力：作用线与杆轴线重合。 （轴向力）变形：杆件沿杆轴伸长或缩短，同时横向尺寸缩小或增大二，内力和应力1）内力 轴力（图 2-2）正负规定：拉正压负（背向截面正，指向截面负。 ）（大小等于截面一侧轴向外力的代数和，拉正压负。 ）用轴力图表示轴力与截面位置关系的曲线。 （例 2-1）2）应力 （一）横截面（三关系法）几何关系平面假设（图 2-4）物理关系静力学关系 得计算公式（2-1）公式应用条件及圣维南原理 解析例 2-2、2-3（二）斜截面 公式（2-3） 、 （2-4）及结论三 （2。4）材
14、料在拉伸、压缩时的力学性质应力应变曲线分析重要的几个力学性能指标胡克定律塑性材料与脆性材料的力学特性四，强度计算（2。5）1） 极限应力（实验测得） 、工作应力（计算所得） 、许用应力（安全因数）的概念。2） 强度条件 式（2-9） ， （2-10）及解决的三类强度问题。解析本小节强度计算例题。布置本课作业题：2-19、2-129作业和思考题： 课后小结：课程教案授课时间 第 2 周 周 第 节 课次 3 授课方式（请打） 理论课（ ） 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排 2 授课题目（教学章、节或主题）：轴向拉压杆的变形，胡克定律（2.6-2.8）主要教学方法与手段本课次教学目的、要求（分
15、掌握、熟悉、了解三个层次）：掌握胡克定律，掌握线应变、横向变形系数等概念，熟练地计算轴向拉压杆的变形教学重点及难点：重点：应变、杆件的抗拉刚度、弹性模量、胡克定律难点： 位移、变形、应变的概念及计算方法，静不定问题的解法10教学基本内容及过程一基本概念及变形计算（作 P26 图 222、23）1）变形的几何关系变形形式及其度量：轴向变形：L=L1-L 横向变形 B=1-B（绝对变形）轴向线应变 =L/L 横向线应变 =B/B （相对变形） （无量纲量，变形程度的度量，正负总是相反） 横向变形系数 v=|/| 泊松比2) 变形与力的物理关系 胡克定律 =E（由实验表明：当拉压杆的正应力不超过某一
16、极限（即比例极限）时，其应力与应变成正比 =E，这就是著名的胡克定律，是变形体力学中的重要定律，是材料力学的理论基础和计算原理的重要基础）（其中 E 是材料的弹性模量，与 同单位，实验测定，可查手册，见表 2-3 它表征材料抵抗拉压变形的能力。 （刚度指标） ）3）变形计算 （将应力、应变计算式代入胡克定律可得式（2-11） ，其中 EA 称为杆件的抗拉（压）刚度，它表示杆件抵抗拉伸（压缩）变形的能力。 （联想：设计时不仅要正确选材，还要设计合理的截面形状和尺寸）当直杆受多个轴向外力作用时杆的总变形等于各分段变形量的代数和解题时须画轴力图，各段变形量的正负号取决于该段轴力的正负号，以便代数计算
17、选例解析（杆件的变形导致结构的特征点的位移）二，拉压杆内的应变能 弹性体在外力作用下，因变形而储存的能量称为变形能三，拉伸、压缩的超静定问题（三关系法） 1）列静力平衡方程（静力关系）2）列变形协调方程（变形几何关系） 补充方程3）列物理方程（物理关系） （胡克定律）补充方程联立求解 例 2-9布置作业：习题 2-12课程教案授课时间 第 3 周 周 第 节 课次 4 授课方式（请打） 理论课（）讨论课 实验课 习题课 其他课时安排 2 授课题目（教学章、节或主题）：拉压杆联接件的强度计算（剪切） （2。9-2。11）主要教学方法与手段本课次教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：掌握剪切、挤压的概念及其强度计算了解应力集中的概念，理解温度应力和装配应力
