第1讲 绪论一力学与材料

是各技术工程学科的重要理论基础， 是沟通自然科学基础理论与工程实践的桥梁。
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工程力学（或者应用力学）是:
将力学原理应用实际工程系统的科学。
其目的是：
了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则。
机械、结构等 受力如何？ 如何运动？ 如何变形？破坏？ 如何控制设计？
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性态 规则
三、力学与工程
以力学与航空航天工程为例简单回顾。
结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，
结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照 、抗腐蚀、抗氧化等。
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按成分 和特性
按应用 对象
金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料 纳米材料 …… 信息材料 能源材料建筑材料 生物材料 航空航天材料 ……
复合材料
由两种或两种以上的组份材料组成的新材料。
独立完成，书写工整，实验报告分析 12% 正确 书写工整，答题正确 40%
教师风采
2016级材料控制专业 1班 ：

王 康 博士
金属材料工程专业
本科
广东工业大学

硕博连读
华南理工大学
材料加工工程

研究方向：轻金属材料成型、金属基复合 材料、镁铝熔体流动性。
教师风采
2016级材料控制专业 2班 邓世春
舒适
振动 噪声；稳定性
力学与工程紧密结合。是一门既古老又年轻的学科， 34 它对于近、现代科学技术的进步，有重要的影响。
结构的破坏例：
大型汽轮机 转子
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轴
叶轮
疲劳断裂破坏
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转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
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叶片击穿厂房 38
2000年７月25日，法航协和式客机坠毁，113人死亡。
地面铁条使 轮胎爆裂， 碎片侵入发 动机。
建 筑 物 控 制 爆 破
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上海 东方电视塔 高300m 球径45m
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抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）
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20世纪的主要机械产品
1． 新材料---钢、铝、塑料(聚合材料)、钢筋混凝土、合成材料
2． 大型建筑---摩天大楼、悬索桥、水下隧道、大坝 3． 运输系统(陆海)---汽车、高速铁路、电动火车及内燃机火车、油轮、 潜水艇、深水交通工具、 航空母舰 4． 运输系统(空)---飞机推进器、飞船、喷气式飞机、直升飞机、超声 速飞机 5． 热机和推进器---内燃机、蒸汽涡轮、气轮机、射流发动机、火箭
一九七八年在湖北隋县的战国曾侯乙墓出土了公元前443年的编
钟，一套共65件，总重2500余斤，总音域跨五个八度，12个半音齐
全，音色优美，效果极佳，充分显示了我国古代音乐、冶金和乐器 制造水平之高超。
7B 312
6C 304
成绩评定方法及标准
考核形式
作业 习题 编程实践(matlab) 结构设计制作
评价标准
独立完成，书写工整，答题正确 独立完成，程序功能完善
权重
20% 8%
团队独立完成，满足设计要求，有新 10% 意且有创新性
实验 小论文 实践
实验报告 期末集中考试
独立完成，有新意且有创新性
10%
材料性能及应用与力学有什么关系呢？ 强度（Strength）
硬度（Hardness)
摩擦和磨损(Friction and Wear)
疲劳(Fatigue） 蠕变( Creep)
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材料力学性能
材料力学性能研究工作主要研究各种工程结构材料 (金属、高分子聚合物、陶瓷、复合材料等)在各种常规 和极端条件下的弹性、塑性、粘性、流变特性等力学性 能及其破坏规律，要求从宏观、细观、微观各个层次进 行理论和实验研究，深入了解材料的物质结构、结构与 力学性能间的关系等，为按预定力学性能设计新材料和 使用新材料提供理论依据。
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汽车碰撞试验
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塔科马大桥的破坏
美国华盛顿州的塔科马海峡大桥建于1940年7月建成， 主跨853米，是当时世界上最长的悬索大桥。在建造最后 阶段，人们就发现大桥在微风的吹拂下会出现晃动甚至 扭曲变形的情况，司机在桥上驾车时可以见到另一端的 汽车随着桥面的扭动一会儿消失一会儿又出现的奇观。
1940年11月7日，大桥在远低于设计风速的19m/s（相当于 八级大风）风速下1940年发生强烈的风致振动，桥面经历 了70min振幅不断增大的反对称扭转振动，最终导致桥面折 断坠落到峡谷中。
使用好材料需要力学 设计好材料需要力学 发明新材料需要力学
力学课程是材料专业的基础核心课程
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二、什么是力学?
墨子： “力，形之所以奋也”。（公元前4世纪）
力是物体为什么改变其状态的原因。
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力学是研究物质机械运动规律的科学。
所阐述的规律带有普遍性，是一门基础科学。
直接服务于工程,又是一门技术科学。
教学参考资料： 刘鸿文主编，《材料力学》，高等教育出版社； 范钦珊主编，《工程力学》（静力学和材料力学）高等教育出版社； (德)K· 马格努斯,H· H· 缪勒著，《工程力学基础》，北京理工大学出版社 R.C. Hibbeler, Engineering Mechanics Statics Tenth Edition, 高等教育 出版社


航空宇航科学与技术

一直属于力学专业，目前从事多体系统动
力学、展开机构、软体机器人的研究

教师风采
2016级材料控制专业 4班：武静 博士
本科 山东师范大学 数学与应用数学专业 硕士 博士 太原科技大学 暨南大学 固体力学 工程力学
研究方向：结构损伤检测、 机械故障诊断 及信号处理。
第一章 绪论
33 目标：更轻、更快、更安全（自监测、自诊断）
问题四、如何更加舒适？
振动、噪声控制；稳定性和可操纵性
流体力学
气球、飞艇
安全
实验 如何 理论力学 飞起来? 力学 飞？ 飞行力学
空气动力学 快速 双、单翼机
喷气机、后掠翼、复合材料
材料力学 弹性力学 计算力学 结构力学 疲劳力学 断裂力学
跨、超音速空气动力学
空气动力试验---风洞实验
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问题二 如何飞？
飞行力学 作为刚体， 研究运动规律和控制。
问题三 如何保证结构的安全？
研究对象
研究内容
无缺陷均匀材料， 变形体。
材料力学性能、 结构应力分析、 失效判据、设计规范。 材料力学、结构力学、弹性力学、
相应学科
计算力学等。 属于静强度设计。 30
飞 机 整 机 结 31构 强 度 实 验 机翼破坏实验
材料
零件/构件 机械/结构 成分决定组织
组织决定性能
性能决定使用
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材料学： 成分 逆向思维： 成分
组织 组织
如何使用？ 使用条件？
性能 性能
使用 使用
按预定力学性能设计新材料和使用新材料
力学分析
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结构的强度与什么有关
1.结构的几何组成（简化的受力模型） 2.材料的力学性能
3.材料量
材料学和力学相互依赖、密不可分
一、谈谈材料学和力学的关系
二、什么是力学？ 三、力学与工程 四、力学的发展及其特点
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一、谈谈材料学和力学的关系
材 料人类能用来制作有用物件的物质。
新材料：指最近发展或正在发展之中的具有
比传统材料性能更为优异的一类材料。
历史分期： 新石器时代 青铜器时代 铁器时代 ﹝硅时代﹞ 复合材料时代
以人类使用工具的材料划分
复合效应： 保持原材料的特点 组份间取长补短 协同形成优于原材料的特性
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现代复合材料是近30年来随着航空航天等尖端技术发展起 来的新型结构材料，它由两种或两种以上具有不同物理和力学 性能的材料经人工复合而成。它可以按人们对材料性能的特殊 要求，选择合适的几种组成材料，按一定的方式组合，从而克 服单一材料的某些弱点，发挥各组成材料的优点，达到高性能 的要求。
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问题一、如何飞起来？
实验探索： 风筝、火箭、模拟鸟类滑翔等。
达芬奇研究鸟类飞行原理 的草图 26
空气静力飞行：（气球、飞艇）
1783年6月，法蒙高兄弟布袋式热气球飞行。 1875年，氢气球载人飞行到万米高空。 19世纪后，出现了飞艇。 充填氢、氦、热空气等产生升力， 用动力装置辅助控制, 可以向任意方向飞行。
6． 空间技术---人造卫星、航天飞机、太空平台、多级火箭
7． 核能系统---核反应堆、核燃料、核电站
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四、力学的发展及其特点
古代中国力学的发展 西方力学的发展
乐器制作与乐律理论
中国古代音乐是世界文明中的一个宝库。河南舞阳县贾湖 村的骨笛，是公元前5000～前6000年新石器时代的遗物，这是 迄今发现的世界上最早的乐器。西周时期，见于《诗经》记载 的乐器就有29种，其中频率固定的打击乐器有鼓、馨、钟、铃 、（革兆）（摇鼓）等，调频弹拨乐器有琴、瑟，管类乐器有 箫、管、埙、笙等。
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碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制 成结构材料。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要 求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复 合材料都颇具优势。
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先进复合材料与传统金属材料相比有三个显著的不同之处： 1. 结构设计已从各项同性的金属材料设计转入正交异性的铺层优化设计。 2. 结构件成形与材料成形同时完成，制造起着重要作用。 3. 材料性能受环境因素(湿/热，冲击 )影响显著，破坏模式多样化。 16
课程安排
授课形式
大班理论授 课(42课时)
授课教师
材控1-4班 马宏伟教授 材控1班 王康 材控2班 邓世春 材控3班 彭云 材控4班 武静 节
上课时间
周二第9-10节 周 四 第 3-4 周四 第3-4节
地点
6B 101 6C 204 7B 312
小班实践讨 论(30课时)
周四 第1-2节
周四 第1--2节
碳纤维复合材料
碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于 90%的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的新材料，具有碳 材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工型，是新一 代增强纤维。
1、高强度（是钢铁的5倍） 2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温) 3、出色的抗热冲击性 4、低热膨胀系数(变形量小) 5、热容量小（节能） 6、比重小（钢的1/5） 7、优秀的抗腐蚀与辐射性能
本科 硕士 博士 中国科学技术大学 华中科技大学 华中科技大学
博士
理论与应用力学 工程力学 工程力学
研究方向：计算力学及有限元仿真，主要包括： （一）结构静力学仿真。
（二）动力学仿真。
教师风采
2016级材料控制专业 3班 ：

彭 云 博士
工程力学 力学
本科 哈尔滨工程大学 硕士 博士 清华大学 清华大学
机 身 结 构 强 度 实 验
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材料缺陷的影响如何？载荷变化的影响如何？ 断裂力学--考虑材料缺陷和裂纹
60年代末，美国空军 F-111飞机连续发生灾难性事 故，是由含裂纹构件的脆性断裂引起的，断裂力学 方法也从此引入飞机设计中。
疲劳力学--考虑载荷变化和重复作用的影响
1952年，“Comet”试飞300多小时后投入使用。 1954年元月突然发生空中爆炸，坠落于地中海。残 骸研究后表明，起源于机身开口拐角处的裂纹，在 扰动载荷作用下扩展导致破坏。 近代，复合材料，智能结构的研究。
课程简介
工程力学是工科学生分析解决工程中的力学问题的重要基础工具，是由基础理论过 渡到专业基础的一门技术基础课程。 通过本课程的学习，掌握力、力偶、约束等基本概念和力系的简化 /平衡等刚体静力 学的基本理论与方法;了解材料的基本力学性能；掌握应力、应变等基本概念；具有杆件 强度、刚度问题和稳定性问题的基本分析和计算能力。 在培养理论分析和实践能力的同时，以课程为载体，应努力注重培养学生的力学分析 思维和力学建模思维，为建立学生的批判性思维和研究型思维打下良好的基础，进而促 进学生的创新能力的提高。 使用教材：单辉祖，谢传锋合编，《工程力学》高等教育出版社
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材料的分类:
使用性能—力学性能 硬度 强度 延展性结构材料 用于机械制造 工程建设 交通运输 能源-
使用性能 — 光、 电、热、磁、声性能
功能材料
用于：激光 通信 能源 生物工程-
功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定
功能的材料。作为功能材料，除了结构本身之外，还有特殊的功能， 比如磁性材料，是一块东西，但是同时又具有磁性，又比如发光材料 ，液晶材料等等。
到19世纪末，经典流体力学基础已经形成。
空气动力飞行：
到 20 世纪， 人们从理论和实践二方面研究 飞 行器与空气相对运动时作用力 ( 升力，阻力 ) 的产 生及其规律。空气动力学 发展并形成新分枝。
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1903年，莱特兄弟（美国）的木制机身、双 层帆布机翼螺旋桨飞机第一次飞行。
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1949年，第一架喷气式客机 “彗星号”, 可载客80名， 最大起飞重量达70吨，跨音 速。