材料力学在工程实际中的应用[谷风教学]

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1、材料力学在工程实际中的应用 材料力学是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、稳定和导致各种材料破坏的极限。而研究材料力学在工程实际中的应用，将会直接给我们在进一步的学习中提供一个现实的模型。 材料力学在生活中的应用十分广泛。大到机械中的各种机器建筑中的各个结构小到生活中的塑料食品包装很小的日用品。各种物件都要符合它的强度、刚度、稳定性要求才能够安全、正常工作所以材料力学就显得尤为重要。生活中机械常用的连接件如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形在设计时应主要考虑其剪切应力。汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的变形属于扭转变形。火车轴、起重机大梁的变形均属于弯曲变形。有些杆件

2、在设计时必须同时考虑几个方面的变形如车床主轴工作时同时发生扭转，弯曲及压缩三种基本变形钻穿立柱同时发生拉伸与弯曲两张变形。 说到材料力学，我们首先应该了解它的属性。材料力学在工程中常用的属性主要有： 1.密度：密度与结构自重和地震荷载有关。 2.弹性模量E：指的是材料在在单位长度、单位截面面积下受到单位轴向力时的轴向变形量。 3.强度f：材料的承受能力。 4.泊松比v：指的是材料在受轴向力时，材料的横向变形或材料的轴向变形。 5.剪切模量G：指的是材料在单位长度、单位截面面积下受到单位剪切力时的侧向变形量。 材料力学研究的主要问题是杆件的强度、刚度和稳定性问题，因此，制成杆件的物体就应该是变性

3、固体，而不能像理论力学中那样认为是钢体。变形固体中的变形就成为它的主要基本性质之一，必须予以重视。 例如，在土建、水利工程中，组成水闸闸门或桥梁的个别杆件的变形会影响到整个闸门或桥梁的稳固，基础的刚度会影响到大型坝体内的应力分布；在机电设备中，机床主轴的变形过大就不能保证机床对工作的加工精度，电机轴的变形过大就会使电机的转子与定子相撞，使电机不能正常运转，甚至损坏等等。因此，在材料力学中我们必须把组成杆件的各种固体看做是变性固体，固体之所以发生变形，是由于在外力作用下，组成固体的各微粒的相对位置会发生改变的缘故。在材料力学中，我们要着重研究这种外力和变形之间的关系。大多数变形固体具有在外力作用

4、下发生变形，但在外力除去后又能立刻恢复其原有形状和尺寸大小的特性，我们把变形固体的这种基本性质成为弹性，把具有这种弹性性质的变形固体成为完全弹性体。若变性固体的变形在外力除去后只能恢复其中一部分，这样的固体成为部分弹性体，部分弹性体的形变可分为两部分；一部分是随着外力除去而消失的变形，成为弹性变形；而另一部分是在外力除去后仍不能消失的变形成为塑性变形。严格的说，自然界中并没有完全弹性体，一般的变性固体在外力作用下，总会是既有弹性变形也有塑性变形。不过，实验指出，像金属、木材等常用建筑材料，当所受的外力不超过某一限度时，可看成是完全弹性体。为了能采用理论的方法对变形固体进行分析和研究，从而得到比

5、较通用的结论。 总而言之，杆件要能正常工作，必须同时满足以下三方面的要求： （1）不会发生破坏，即杆件必须具有足够的强度。 （2）不产生过大变形，发生的变形能限制在正常工作许可的范围以内。即杆件必须具有足够的强度 （3）不失稳，杆件在其原有形状下的平衡应保持为稳定的平衡，即杆件必须具有足够的稳定性。 这三方面的要求统称为构件的承载能力。一般来说，在设计每一杆件时，应同时考虑到以上三方面的要求，但对某些具体的杆件来说，有事往往只需考虑其中的某一主要方面的要求（例如稳定性为主），当这些主要方面的要求满足了，其它两个次要方面的要求也就自动地得到满足。当设计的杆件能满足上述三方面的要求时，就可认为设计

6、是安全的，杆件能够正常工作。 其次，材料力学在工程实际中的应用时非常多的，例如在铁路和桥梁等等上。 1976年7月28日发生在中国唐山，震级为M7.8级的地震，造成了大面积公路、铁路、桥梁普遍倒塌或者严重损坏，据有关部门专家对这次地震的分析，桥梁破坏主要集中在新进建造的桥梁，主要原因有岸坡滑移、地基失效、桥墩断裂桥墩损伤积累、支座破坏、梁体相撞、相邻墩发生过太相对位移或错位，与之相比较，位于震中的许多单孔石拱桥、双曲拱桥却具有良好的抗震能力，大多基本完好或仅有轻微的损失，从而暴露出了近代桥梁设计中的薄弱环节，上述事实及工程实践推动了力学在材料工程中的应用。 中国数千年来一直有着木构建筑的传统，

7、我国著名建筑学家梁思成、林徽因夫妇，在山西五台山地区发现了中国现存最早的木结构大殿。木结构建筑的应用和推广，对于我国低碳减排、城市环境可持续发展有着重要的意义。目前，木结构建筑在中国适用于各种建筑形式。 不仅仅在房屋铁路和桥梁上材料力学发挥了很大的作用，在我国火箭上面也少不了它。 由以上例子可以看出，在工程实际中材料力学起了很大的作用，万万少不了它，因为它很多事情东西才可以如此完善甚至完美。选取合适节省材料的结构方式完成工程很重要，尤其要考虑到安全因素，从整体的静力分析种种，从材料的性能可以分析出使用那种材料合适，节约安全甚至完美，从受力方面可以让工程更加完善和安全，一个都不能少，例如火箭，火

8、箭的材料是独一无二的，不是什么都能代替，它既要承受的了高压还要能承受高温，不能变形。发射火箭时，火箭向下喷出气体，因为力的作用是相互的，气体又给火箭施加向上的作用力，使火箭升空，所以它运用了力的作用是相互的。 材料力学让我们明白了很多以前生活不能明白的问题，我们受益匪浅，而它也是学习机械方面的基础，是关键的一门学科，以后学习工作的一种工具。现实生活中结构体的应用无处不存在像建筑、桥梁、汽车、日常的用具都是由不同的结构组成让他们的设计都离不开材料力学理论，材料力学的应用不管是在安全和保护环境上还是在经济效益和稳固上往往能给我们带来意想不到的效果。 材料力学在工程实际中的应用还有许多方面，以上只介绍了一小部分。我想随着我对这门课的继续学习，我一定会了解更多的知识，我也会更感兴趣，这也是我学习的一个很重要的动力。 5教育a