材料力学概念

材料力学

材料力学研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度和导致各种材料破坏的极限。材料力学是所有工科学生必修的学科，是设计工业设施必须掌握的知识。学习材料力学一般要求学生先修高等数学和理论力学。

材料力学(mechanics of materials)是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。材料力学是所有工科学生必修的学科，是设计工业设施必须掌握的知识。学习材料力学一般要求学生先修高等数学和理论力学。材料力学与理论力学、结构力学并称三大力学。

材料力学（mechanics of materials）主要研究杆件的应力、变形以及材料的宏观力学性能的学科。材料力学是固体力学的一个基础分支。它是研究结构构件和机械零件承载能力的基础学科。其基本任务是：将工程结构和机械中的简单构件简化为一维杆件，计算杆中的应力、变形并研究杆的稳定性，以保证结构能承受预定的载荷；选择适当的材料、截面形状和尺寸，以便设计出既安全又经济的结构构件和机械零件。

材料力学是工程设计的基础之一，即结构构件或机器零件的强度、刚度和稳定性分析的基础。在工程设计中，要求构件或零件在给定外力作用下，具有足够的强度、刚度和稳定性。构件或零件在外力作用下，不发生破坏，也不发生塑性变形，则称其具有足够的强度；若弹性变形不超过一定限度，则称其具有足够的刚度；若在特定外力（如细长杆承受轴向压力）作用下，其平衡和变形形式无突然转变，则称其具有足够的稳定性。

在结构承受载荷或机械传递运动时，为保证各构件或机械零件能正常工作，构件和零件必须符合如下要求：不发生断裂，即具有足够的强度；弹性变形应不超出允许的范围，即具有足够的刚度；在原有形状下的平衡应是稳定平衡，也就是构件不会失去稳定性。对强度、刚度和稳定性这三方面的要求，有时统称为“强度要求”，而材料力学在这三方面对构件所进行的计算和试验，统称为强度计算和强度试验。

在人们运用材料进行建筑、工业生产的过程中，需要对材料的实际承受能力和内部变化进行研究，这就催生了材料力学。运用材料力学知识可以分析材料的强度、刚度和稳定性。材料力学还用于机械设计使材料在相同的强度下可以减少材料用量，优化机构设计，以达到降低成本、减轻重量等目的。

在材料力学中，将研究对象被看作均匀、连续且具有各向同性的线性弹性物体。但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料，所以须要各种理论与实际方法对材料进行实验比较。

材料在机构中会受到拉伸、压缩、弯曲、扭转及其组合等变形。根据胡克定律（Hooke's law），在弹性限度内，物体的应力与应变成线性关系。

典型的实验包括：

简单拉伸压缩实验

冲击破坏实验

稳定性

微小形变测量

材料弹性测量

材料力学的任务

1. 研究材料在外力作用下破坏的规律；

2. 为受力构件提供强度，刚度和稳定性计算的理论基础条件；

3. 解决结构设计安全可靠与经济合理的矛盾。

材料力学基本假设

1、连续性假设——组成固体的物质内毫无空隙地充满了固体的体积：

2、均匀性假设－－在固体内任何部分力学性能完全一样：

3、各向同性假设——材料沿各个不同方向力学性能均相同：

4、小变形假设——变形远小于构件尺寸，便于用变形前的尺寸和几何形状进行计算研究。

在人们运用材料进行建筑、工业生产的过程中，需要对材料的实际承受能力和内部变化进行研究，这就催生了材料力学。运用材料力学知识可以分析材料的强度、刚度和稳定性。材料力学还用于机械设计使材料在相同的强度下可以减少材料用量，优化机构设计，以达到降低成本、减轻重量等目的。在材料力学中，将研究对象被看作均匀、连续且具有各向同性的线性弹性物体，但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料，所以须要各种理论与实际方法对材料进行实验比较。材料在机构中会受到拉伸或压缩、弯曲、剪切、扭转及其组合等变形。根据胡克定律(Hooke's law)，在弹性限度内，材料的应力与应变成线性关系。

材料力学- 研究内容

材料力学

材料力学的研究通常包括两大部分：一部分是材料的力学性能(或称机械性能)的研究，材料的力学性能参量不仅可用于材料力学的计算，而且也是固体力学其他分支的计算中必不可少的依据；另一部分是对杆件进行力学分析。杆件按受力和变形可分为拉杆、压杆受弯曲(有时还应考虑剪切)的粱和受扭转的轴等几大类。杆中的内力有轴力、剪力、弯矩和扭矩。杆的变形可分为伸长、缩短、挠曲和扭转。在处理具体的杆件问题时，根据材料性质和变形情况的不同，可将问题分为线弹性问题、几何非线性问题、物理非线性问题三类。

线弹性问题是指在杆变形很小，而且材料服从胡克定律的前提下，对杆列出的所有方程都是线性方程，相应的问题就称为线性问题。对这类问题可使用叠加原理，即为求杆件在多种外力共同作用下的变形(或内力)，可先分别求出各外力单独作用下杆件的变形(或内力)，然后将这些变形(或内力)叠加，从而得到最终结果。几何非线性问题是指杆件变形较大，就不能在原有几何形状的基础上分析力的平衡，而应在变形后的几何形状的基础上进行分析。这样，力和变形之间就会出现非线性关系，这类问题称为几何非线性问题。物理非线性问题是指材料内的变形和内力之间(如应变和应力之间)不满足线性关系，即材料不服从胡克定律。解决这类问题可利用卡氏第一定理、克罗蒂—恩盖塞定理或采用单位载荷法等。

材料力学- 研究方法

示意图

简化计算方法材料力学处理一维问题的基本方法。包括载荷简化、物性关系简化以及结构形状简化等。

平衡方法杆件整体若是平衡的，则其上任何局部都一定是平衡的，这是分析材料力学中各类平衡问题的基础。确定内力分量及其相互关系、确定梁的剪应力、分析一点的应力状态等均以此为依据。

变形协调分析方法对结构而言，各构件变形间必须满足协调条件。据此，并利用物性关系即可建立求解静不