作為材料力學課程模塊化教材的基礎模塊,《材料力學1(第2版)》包括緒論、拉伸與壓縮、剪切、扭轉、彎曲內力、彎曲應力、彎曲變形、應力狀態及應變狀態分析、強度理論、組合變形時的強度計算、壓桿穩定、動載荷、平面圖形的幾何性質等內容。各章后均配有適量的思考題及習題,書后附有參考答案。《材料力學1(第2版)》配有電子課件,可贈送給任課教師。
《材料力學1(第2版)》可作為高等工科院校力學、機械及土建類專業的教材,也可作為上述各類專業函授、電大和網絡教育的教材及科技工作者的參考書。
普通高等教育“十一五”國家級規劃教材 歷經20年打造的國家級精品課程主干教材 本課程榮獲2005年國家級優秀教學成果一等獎 博采眾長,啟迪學生進行主動、科學的思維訓練 注重培養學生分析問題、解決工程實際問題的能力 編排合理,模塊組合,分基礎模塊(Ⅰ)和拓展模塊(Ⅱ) 例題豐富,解法多樣,思考題富有哲理,習題新穎并附有答案 配有輔助教材《材料力學解題方法與技巧》及電子課件
根據教育部教高函字(2008)3號文件,本書被列為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。
《材料力學》(Ⅰ、Ⅱ)自2005年由科學出版社出版以來,經過多次重印,在廣大師生教與學的使用過程中,得到了廣泛的好評。但是也發現了一些編排上不盡合理、文字敘述不太準確的地方。本次再版,在內容上主要作了以下的調整:
(1)為了滿足中學時教學的需要,同時保證教材內容的完整性,將“動載荷”一章由《材料力學》(Ⅱ)中調整到《材料力學》(Ⅰ)中,使基礎模塊內容更加完整。
(2)將《材料力學》(Ⅰ)“彎曲應力”一章中組合梁的內容調整到《材料力學》(Ⅱ)中“扭轉及彎曲問題的進一步研究”一章中,這樣更利于組織教學。
(3)在《材料力學》(Ⅰ)“彎曲變形”一章中增加了“梁彎曲變形后撓曲線大致形狀確定”的內容,并就接觸問題以例題形式進行了闡述;考慮到中、少學時對拓展模塊《材料力學》(Ⅱ)一般不講授,對變形比較法解超靜定問題的內容有所加強。
(4)刪減了驗證性例題,增加了有工程背景的例題及習題,以利于培養學生分析問題和解決問題的能力。
(5)為了尊重知識產權,對主要理論出處及著者做了腳注,并在書后列有參考文獻。
(6)將書中的文字錯誤進行了更正,習題答案又一次進行了校對。
《材料力學》(Ⅰ)(第二版)中第5~7章由高雅麗負責改寫,第8~10章由王安強負責改寫,第11章和《材料力學》(Ⅱ)(第二版)中第3章由王鋒會負責改寫,《材料力學》(Ⅱ)(第二版)中第6章由矯桂瓊負責改寫,其余各章由茍文選負責改寫。茍文選負責全書的統稿工作并擔任主編,王安強負責部分統稿和全書插圖工作并任副主編。
本書經膠印試用、大學出版社多次印刷、科學出版社再版,前后已近二十年,其間雖經多次修訂,但限于編者水平,疏漏之處仍在所難免,望讀者批評指正,使本書內容日臻完善,質量進一步提高。
茍文選,男,1953年生于陜西省禮泉縣,在經歷了六年多中學教書生涯后,1978年考入西北工業大學材料力學師資班學習,畢業后留校在材料力學教研室從教,并攻讀固體力學專業碩士研究生。現為西北工業大學教授、中國力學學會實驗力學專業委員會第六、第七屆委員。曾任西北工業大學工程力學系黨總支書記兼副主任、西北工業大學國家工科力學基礎課程教學基地建設領導小組副組長;1999年11月起任西北工業大學圖書館館長,并任教學委員會、教材建議委員會委員,學校圖書館工作委員會副主任。首批遴選為西北工業大學跨世紀教學帶頭人和雙百優秀人才。
作者長期從事材料力學、工程力學、實驗力學等專業的教學和研究工作,編著出版了《材料力學》(Ⅰ、Ⅱ),《材料力學教與學》,《材料力學解題方法與技巧》,《材料力學典型題解析及自測試題》,《材料力學導教、導學、導考》(上、下)及《光彈性實驗原理和方法》,《現代光測力學》等教材專著7部共9冊,并任原國家教委“面向21世紀力學系列課程教學內容與體系改革的研究與實踐”西北工業大學子項目主持人,主持完成了“陜西省高等教育面向21世紀教改項目——工程力學類課程體系與教學內容改革與實踐”。發表教學論文20余篇,1998年被評為全國優秀力學教師,獲國家級教學成果一等獎,陜西省優秀教學成果特等獎、二等獎等。
作者曾參加和主持了多項國家自然科學基金、航空科學基金項目,發表科研論文40余篇,多篇被SCI、EI等收錄,獲航空基金項目優秀成果二等獎、陜西省科技進步三等獎等多項獎勵。
第二版前言
第一版前言
主要使用的量和單位
第1章 緒論
1.1 材料力學簡史
1.2 材料力學的任務
1.3 變形固體的基本假設
1.4 外力、內力及應力的概念
1.5 位移、變形及應變的概念
1.6 構件的分類桿件的基本變形
思考題
習題
第2章 拉伸與壓縮
2.1 概述
2.2 軸力和軸力圖
2.3 截面上的應力
2.4 材料拉伸時的力學性質
2.5 材料壓縮時的力學性質
2.6 拉(壓)桿的強度條件
2.7 拉(壓)桿的變形胡克定律
2.8 拉(壓)超靜定問題
2.9 裝配應力和溫度應力
2.10 拉伸(壓縮)時的應變能
2.11 應力集中的概念
思考題
習題
第3章 剪切
3.1 連接件的強度計算
3.2 純剪切切應力互等定理剪切胡克定律
3.3 剪切應變能
思考題
習題
第4章 扭轉
4.1 概述
4.2 外力偶矩扭矩和扭矩圖
4.3 圓軸扭轉時截面上的應力計算
4.4 圓軸扭轉時的變形計算
4.5 圓軸扭轉時的強度條件剛度條件圓軸的設計計算
4.6 材料扭轉時的力學性質
4.7 網柱形密圈螺旋彈簧的應力和變形
4.8 矩形截面桿自由扭轉理論的主要結果
4.9 扭轉超靜定問題
思考題
習題
第5章 彎曲內力
5.1 彎曲的概念
5.2 梁的載荷與支座的簡化
5.3 平面彎曲的內力方程及內力圖
5.4 載荷集度、剪力和彎矩間的微分關系
5.5 用疊加法作彎矩圖
5.6 平面剛架與曲桿的內力
思考題
習題
第6章 彎曲應力
6.1 純彎曲時梁的正應力
6.2 正應力公式的推廣強度條件
6.3 矩形截面梁的彎曲切應力
6.4 常見截面梁的最大彎曲切應力
6.5 彎曲切應力的強度校核
6.6 變截面梁和等強度梁的計算
6.7 提高梁強度的主要措施
思考題
習題
第7章 彎曲變形
7.1 概述
7.2 撓曲線的近似微分方程
7.3 用積分法求梁的變形
7.4 用疊加法求梁的變形
7.5 梁的剛度條件及提高梁剛度的措施
7.6 用變形比較法解簡單超靜定梁
思考題
習題
第8章 應力狀態及應變狀態分析
8.1 概述
8.2 用解析法分析二向應力狀態
8.3 用圖解法分析二向應力狀態
8.4 主應力跡線
8.5 三向應力狀態
8.6 平面應變狀態分析
8.7 廣義胡克定律
8.8 三向應力狀態下的應變能密度
8.9 彈性常數E,G,μ的關系
思考題
習題
第9章 強度理論
9.1 概述
9.2 經典強度理論
9.3 經典強度理論的試驗研究
9.4 近代強度理論
9.5 統一強度理論
9.6 強度理論的應用
思考題
習題
第10章 組合變形時的強度計算
10.1 概述
10.2 斜彎曲
10.3 拉伸(壓縮)與彎曲的組合
10.4 彎曲與扭轉的組合
10.5 組合變形的普遍情形
思考題
習題
第1l章 壓桿穩定
11.1 基本概念
11.2 細長壓桿的臨界壓力
11.3 壓桿的臨界應力
11.4 壓桿的穩定計算
11.5 穩定系數法
11.6 提高壓桿穩定性的措施
11.7 縱橫彎曲的概念
思考題
習題
第12章 動載荷
12.1 概述
12.2 等加速直線運動及勻速轉動時構件的動應力計算
12.3 沖擊問題
12.4 沖擊韌度
12.5 提高構件抗沖擊能力的措施
12.6 考慮被沖擊構件質量的沖擊應力
思考題
習題
附錄A 平面圖形的幾何性質
A.1 靜矩和形心
A.2 慣性矩慣性積慣性半徑
A.3 平行移軸公式
A.4 轉軸公式主慣性矩
A.5 慣性矩的莫爾圓法
思考題
習題
附錄B 簡單截面圖形的幾何性質
附錄C 簡單載荷下梁的彎矩、剪力、撓度和轉角
附錄D 型鋼表
附錄E 3號鋼各類截面受壓直桿的穩定系數9
附錄F 中英文名詞對照
習題答案
參考文獻
科學研究的發展,這樣交替促進,逐漸發展成系統的材料力學學科。
18世紀時對材料力學貢獻最大的科學家當首推法國科學家庫侖(1736~1806年)。他在材料力學方面的主要成就是通過實驗修正了伽利略關于懸臂梁抗力問題的錯誤,同時提出了最大切應力強度理論。依照這一理論,梁的危險狀態的到達起主要作用的是切應力。從此,梁的平面彎曲問題得到了相當完善的解決。同時,庫侖也是在扭轉方面取得較大成績的第一人。到了1826年,由法國著名科學家納維所著的第一部《材料力學》著作問世。
實踐經驗的積累,是力學理論發展的重要基礎。我國古代在材料力學方面積累了豐富的經驗和知識,中國人“在許多重要方面有一些科學技術發明,走在那些創造出著名的‘希臘奇跡’的傳奇式人物的前面,和擁有古代西方世界全部文化財富的阿拉伯人并駕齊驅,并在公元3世紀到13世紀保持一個西方所望塵莫及的科學知識水平”。①
19世紀30年代以后,人們大規模興建鐵路,橋梁建設也隨之高速發展,這樣又出現了各種各樣的新問題。如鐵軌的沖擊載荷、振動載荷、疲勞強度,橋梁的振動,桁架受壓桿件的穩定性等問題。起初這些問題未能得到很好的關注,因而造成了重大損失,這也引起了人們對它的研究。
19世紀中葉,由于國際貿易的迅速發展,特別是遠洋貿易的發展,使得造船材料及強度計算成為一個重要問題。1870年,出現了用鐵替代木材,以蒸汽動力替代風帆的輪船;1890年開始用鋼來制造船舶的某些關鍵部分,從而提高了船速,增加了船的運載能力。還解決了諸如船舶的振動、各種薄板的計算等強度問題。
第一次世界大戰期間和戰后,航空工業由于其自身優勢及國防意義而得到迅速發展,這大大促進了薄壁及薄殼的強度計算、穩定性、疲勞等理論的發展。
隨著工業的蓬勃發展,新材料的不斷出現,開展材料性質的實驗研究也顯得更加迫切。19世紀末,各國先后建立了材料力學性質研究的實驗室,并于1895年成立了國際材料實驗協會。20世紀以來,實驗研究更加廣泛,出現了許多重要的實驗方法,如以電測和光測為基礎的各種實驗技術不斷創新。新方法和新技術研究解決了許多實際問題,并推動了理論的發展。
另外,不斷發生的重大事故,也向科學家提出一個個新的命題,促使材料科學及力學領域不斷發展。例如,1912年4月14日,英制4600t被稱為“不沉之船”的“泰坦尼克號”游輪,在從南安普敦港駛向紐約的處女航中連同它的1513位乘客,僅在3小時內就被格陵蘭冰冷的海水吞沒了。這其中除了水手的操作因素外,另一個重要原因則是造船工程師只考慮到要增加鋼的強度,而忽略了要增加其韌度。
1986年4月26日,蘇聯1973年動工修建、1977年投入運行的切爾諾貝利核電站,在一系列操作失誤后,反應堆不斷工作產生蒸汽卻將其輸向已經關閉的渦輪機,反應堆外殼承受的壓力和溫度遠遠超出了設計的要求,一條30多米高的火柱掀開了反應堆的外殼,爆炸釋放的能量相當于500顆廣島原子彈,放射性污染遍及前蘇聯694.5萬人居住的1.5×105km2地區。嚴重的災難性事故促使新的設計理念和新材料的不斷誕生。
20世紀特別是近50年來,科學技術有了突飛猛進的發展,工業技術高度發展,特別是航空航天工業的崛起,計算機的出現與不斷更新換代,各種新型材料的不斷問世并應用于工程實際,實驗設備日趨完善,實驗技術不斷提高,這些都使得材料力學所涉獵的領域更加廣闊,知識更加豐富。這表明這門學科仍處在不斷的發展和更新之中。新材料、新概念、新理論和新技術必將給這門古老的學科注入新的活力。