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工程力學(Ⅱ) 版權信息
- ISBN:9787030726582
- 條形碼:9787030726582 ; 978-7-03-072658-2
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
工程力學(Ⅱ) 內容簡介
本書是繼《工程力學I》《工程力學實驗指導》后,編寫的配套力學教材。在內容編寫上,本書以實用為原則,簡明、易懂;突出理論與應用結合的特點,便于學生理論聯系實際。本書內容是在宏觀物系平衡系統的基礎上,利用材料力學基本知識建立宏觀受力與微觀材料力學性能改變的關系。本書共10章,包含緒論,拉伸、壓縮與剪切,扭轉,彎曲內力,彎曲應力,彎曲變形,應力和應變分析、強度理論,組合變形的強度計算,壓桿穩定,電測法,附錄。其中除第1章、第10章,第2章~第9章均由“基礎知識+專題+習題”構成,專題介紹所對應的理論知識在工程實際中的應用以及相關的背景知識;第1章重點介紹測試材料常用的物理方法;附錄介紹平面圖形的幾何性質、型鋼表及梁的撓度和轉角。 本書適用于農業工程、土木工程、機械工程等工科專業的基礎力學課程教學,同時可以作為科研人員的參考資料。
工程力學(Ⅱ) 目錄
第1章 緒論 1
1.1 材料力學的任務 1
1.2 變形固體的基本假設 2
1.3 外力及其分類 2
1.4 內力、截面法和應力的概念 3
1.5 變形與應變 4
1.6 桿件變形的基本形式 5
習題 7
第2章 拉伸、壓縮與剪切 10
2.1 軸向拉伸與壓縮的概念和實例 10
2.2 直桿軸向拉伸或壓縮時橫截面上的內力和應力 10
2.2.1 軸向拉伸與壓縮的內力 10
2.2.2 截面上的應力 12
2.3 圣維南原理 15
2.4 材料拉壓時的力學性能 17
2.5 失效、安全因數和強度條件 22
2.6 節點小位移 24
2.7 桿件軸向拉壓變形 26
2.8 拉伸、壓縮的超靜定問題 27
2.9 應力集中的概念 30
2.10 剪切和擠壓的實用計算 31
專題1 溫度、時間等因素對材料力學性能的影響 35
專題2 軸向拉壓應變能 36
專題3 溫度應力、裝配應力 38
習題 40
第3章 扭轉 45
3.1 扭轉的概念和實例 45
3.2 外力偶矩的計算—扭矩和扭矩圖 45
3.3 圓軸扭轉時的應力及強度條件 47
3.3.1 純剪力 47
3.3.2 圓軸扭轉時的應力 48
3.3.3 扭轉強度條件 52
3.4 圓軸扭轉時的變形及剛度條件 56
3.5 簡單超靜定軸 57
3.6 圓柱形密圈螺旋彈簧的應力和變形 58
專題4 非圓截面桿扭轉的概述 60
專題5 薄壁桿件的自由扭轉 62
習題 66
第4章 彎曲內力 70
4.1 彎曲的概念和實例 70
4.2 受彎桿件的簡化 71
4.3 剪力方程、彎矩方程與剪力圖、彎矩圖 73
4.4 載荷集度、剪力和彎矩間的關系 78
專題6 平面曲桿的彎曲內力 81
習題 81
第5章 彎曲應力 86
5.1 關于彎曲理論的基本假設 86
5.2 彎曲正應力 87
5.2.1 純彎曲時的正應力 87
5.2.2 橫力彎曲時的正應力 89
5.3 彎曲切應力 90
5.4 彎曲的強度條件 95
專題7 提高彎曲強度的措施 98
習題 100
第6章 彎曲變形 105
6.1 工程中的彎曲變形問題 105
6.2 撓曲線的微分方程 106
6.3 彎曲變形的求解 107
6.4 梁的剛度條件與合理剛度設計 109
6.4.1 梁的剛度條件 109
6.4.2 梁的合理剛度設計 110
6.5 簡單超靜定梁 110
專題8 工程中減小彎曲變形的一些措施 112
習題 113
第7章 應力和應變分析、強度理論 117
7.1 應力狀態概述 117
7.1.1 應力狀態的概念 117
7.1.2 應力狀態的分類 117
7.2 二向和三向應力狀態的實例 118
7.3 二向應力狀態分析 120
7.3.1 解析法 120
7.3.2 圖解法 121
7.4 三向應力圓 123
7.5 平面應變狀態分析 124
7.6 廣義胡克定律 125
7.7 強度理論 127
7.7.1 強度理論概述 127
7.7.2 4種常用的強度理論 127
專題9 復雜應力狀態下的應變能密度 130
習題 131
第8章 組合變形的強度計算 135
8.1 彎扭組合與彎拉(壓)組合 135
8.1.1 彎扭組合 135
8.1.2 彎拉(壓)組合 137
8.2 薄壁圓筒的強度計算 139
專題10 組合變形的計算和失效分析 141
專題11 莫爾強度理論 142
習題 144
第9章 壓桿穩定 149
9.1 壓桿穩定的概念 149
9.2 兩端鉸支細長壓桿的臨界力 150
9.3 其他支座條件下細長壓桿的臨界力 152
9.4 歐拉公式的適用范圍與經驗公式 154
9.4.1 細長壓桿臨界力的歐拉公式 154
9.4.2 以柔度λ將壓桿分類 154
9.5 壓桿的穩定條件 156
9.6 提高壓桿穩定性的措施 158
專題12 工程中壓桿穩定問題實例 159
習題 161
第10章 電測法簡介 165
10.1 電測法的基本原理 165
10.1.1 敏感元件 165
10.1.2 電橋工作原理 167
10.2 電測法的簡單應用 170
參考文獻 173
附錄Ⅰ 平面圖形的幾何性質 174
Ⅰ.1 靜矩和形心 174
Ⅰ.2 慣性矩和極慣性矩 175
Ⅰ.2.1 慣性矩 175
Ⅰ.2.2 極慣性矩 176
Ⅰ.3 慣性積 176
Ⅰ.4 平行移軸公式 177
Ⅰ.5 轉軸公式與主慣性軸 178
Ⅰ.5.1 慣性矩和慣性積的轉軸公式 178
Ⅰ.5.2 截面的主慣性軸和主慣性矩 179
習題 181
附錄Ⅱ 型鋼表 183
附錄Ⅲ 梁的撓度和轉角 195
工程力學(Ⅱ) 節選
第1章緒論 1.1材料力學的任務 工程結構或機械的各組成部分,如建筑物的梁和柱、機床的軸等,統稱為構件。當工程結構或機械工作時,構件將受到載荷的作用,如車床主軸受齒輪嚙合力和切削力的作用、建筑物的梁受自身重力和其他物體的作用力。構件一般由固體制成,在外力作用下,固體有抵抗破壞的能力,但這種能力又是有限的,而且在外力作用下,固體的尺寸和形狀還將發生變化,稱為變形。 實踐表明:作用力越大,構件的變形越大;而當作用力過大時,構件將發生斷裂或顯著塑性變形。顯然,構件工作時發生意外斷裂或顯著塑性變形是不容許的。對于許多構件,工作時產生過大變形一般也是不容許的。例如,如果機床主軸或床身變形過大,將影響加工精度;如果齒輪軸的變形過大,勢必影響齒與齒間的正常嚙合。實踐中還發現,有些構件在某種外力作用下,將發生不能保持其原有平衡形式的現象。如軸向受壓的細長連桿,當所加壓力達到或超過一定數值時(其值因桿而異),連桿將從直線形狀突然變彎,且往往是顯著的彎曲變形。 在一定外力作用下,構件突然發生不能保持其原有平衡形式的現象,稱為失穩。構件工作時產生失穩一般也是不容許的。例如,橋梁結構的受壓桿件失穩將可能導致橋梁結構的整體或局部塌毀。針對上述情況,對構件設計提出如下要求。 (1)構件應具備足夠的強度(即抵抗破壞的能力),以保證在規定的使用條件下不發生意外斷裂或顯著塑性變形; (2)構件應具備足夠剛度(即抵抗變形的能力),以保證在規定的使用條件下不產生過大變形; (3)構件應具備足夠的穩定性(即保持原有平衡形式的能力),以保證在規定的使用條件下不失穩。 以上三項是保證構件正常或安全工作的基本要求。 若構件橫截面尺寸不足或形狀不合理,或材料選用不當,將不能滿足上述要求,從而不能保證工程結構或機械的安全工作。相反,也不應不恰當地加大橫截面尺寸或選用優質材料,這樣雖滿足了上述要求,卻多使用了材料和增加了成本,造成浪費。材料力學的任務就是在滿足強度、剛度和穩定性的要求下,為設計既經濟又安全的構件,提供必要的理論基礎和計算方法。 在工程問題中,一般來說,構件都應有足夠的強度、剛度和穩定性,但對具體構件又往往有所側重。例如,儲氣罐主要是要保證強度,車床主軸主要是要具有一定的剛度,而受壓的細長桿則應保持穩定性。此外,對某些特殊構件還可能有相反的要求。例如,為防止超載,當載荷超出某一極限時,安全銷子應立即破壞;又如,為發揮緩沖作用,車輛的緩沖彈簧應有較大的變形。 研究構件的強度、剛度和穩定性時,應了解材料在外力作用下表現出的變形和破壞等方面的性能,即材料的力學性能,而力學性能要由試驗來測定。此外,經過簡化得出的理論是否可信,也要由試驗來驗證。還有一些尚無理論結果的問題,須借助試驗方法來解決。所以,試驗分析和理論研究同是材料力學解決問題的方法。 1.2變形固體的基本假設 固體因外力作用而變形,故稱為變形固體或可變形固體。固體有多方面的屬性,研究的角度不同,側重面各不一樣。研究構件的強度、剛度和穩定性時,為抽象出力學模型,掌握與問題有關的主要屬性,略去一些次要屬性,對變形固體做下列假設。 (1)連續性假設:認為組成固體的物質不留空隙地充滿了固體的體積。實際上,組成固體的粒子之間存在著空隙,并不連續,但這種空隙的大小與構件的尺寸相比極其微小,可以不計,于是就認為固體在其整個體積內是連續的。這樣,當把某些力學量看作面體的點的坐標的函數時,對這些量就可以進行坐標增量為無限小的極限分析。 (2)均勻性假設:認為在固體內到處有相同的力學性能。就金屬來說,組成金屬的各晶粒的力學性能并不完全相同,但因構成構件的任一部分中都包含無數的晶粒,而且無規則地排列,固體的力學性能是各晶粒力學性能的統計平均值,所以可以認為各部分的力學性能是均勻的。這樣,若從固體中取出一部分,無論大小,也無論從何處取出,力學性能總是相同的。 材料力學研究構件受力后的強度、剛度和穩定性,把它抽象為均勻連續的模型,可以得出滿足工程要求的理論。對發生晶粒大小的范圍內的現象,就不宜再用均勻連續假設。 (3)各向同性假設:認為無論沿著任何方向,固體的力學性能都是相同的。就金屬的單一晶粒來說,沿不同的方向,力學性能并不一樣。但金屬構件包含數量極多的晶粒,且它們又雜亂無章地排列,這樣,沿各個方向的力學性能就接近相同了。具有這種屬性的材料稱為各向同性材料,如鋼、銅、玻璃等。 沿不同方向力學性能不同的材料,稱為各向異性材料,如木材、膠合板和某些人工合成材料等。 1.3外力及其分類 當研究某一構件時,可以設想把這一構件從周圍物體中單獨取出,并用力來代替周圍各物體對構件的作用。這些來自構件外部的力就是外力。按外力的作用方式可分為表面力和體積力。表面力是作用于物體表面的力,又可分為分布力和集中力。分布力是連續作用于物體表面的力,如作用于油缸內壁上的油壓力、作用于船體上的水壓力等。有些分布力是沿桿件的軸線作用的,如樓板對屋梁的作用力。若外力分布面積遠小于物體的表面尺寸,或沿桿件軸線的分布范圍遠小于軸線長度,就可將其看作作用于一點的集中力,如火車輪對鋼軌的壓力、滾珠軸承對軸的反作用力等。體積力是連續分布于物體內部各點的力,如物體的自重和慣性力等。 按載荷隨時間變化的情況,又可分成靜載荷和動載荷。若載荷緩慢地由零增加到某一定值,以后即保持不變,或變動很不顯著,即為靜載荷。例如,把機器緩慢地放置在基礎上時,機器的重量對基礎的作用便是靜載荷。若載荷隨時間而變化,則為動載荷。隨時間做周期性變化的動載荷稱為交變載荷,例如,齒輪轉動時,作用于每一個齒上的力都是隨時間做周期性變化的。沖擊載荷則是物體的運動在瞬時內發生突然變化所引起的動載荷,例如,緊急制動時飛輪的輪軸、鍛造時汽錘的錘桿等都受到沖擊載荷的作用。 材料在靜載荷下和在動載荷下的性能頗不相同,分析方法也頗有差異。因為靜載荷問題比較簡單,所建立的理論和分析方法又可作為解決動載荷問題的基礎,所以首先研究靜載荷問題。 1.4內力、截面法和應力的概念 1.內力 變形固體在沒有受到外力作用之前,內部質點與質點之間就已經存在著相互作用力以使固體保持一定的形狀。當固體受到外力作用而發生變形時,各點之間產生附加的相互作用力,稱為附加內力,簡稱內力。也就是說,材料力學所研究的內力是由外力引起的,內力將隨外力的變化而變化,外力增大,內力也增大,外力去掉后,內力也將隨之消失。內力的分析與計算是材料力學解決構件的強度、剛度、穩定性問題的基礎。 2.截面法 內力是由外力引起并與變形同時產生的,它隨著外力的增大而增大,當超過某一限度時,構件就發生破壞。所以,要研究構件的承載能力,必須研究和計算內力。根據變形固體的連續性假設,彈性體內各部分的內力是連續分布的,可將構件假想地沿某一截面切開,確定截面上的內力,這就是求解內力的普遍方法,即截面法。下面介紹截面法。 用一平面m-m假想地在欲求內力處將構件分為I、n兩部分。任取其中一部分(如左半部分I)作為研究對象,棄去另一部分(如右半部分H),見圖1-1(a)。在I部分,除原有作用的外力Fa、Fb,截面上還應作用有內力(即部分H對部分I的作用力),這樣才能與I部分所受外力平衡,如圖1-1(b)所示。根據作用力與反作用力可知,H部分也受到I部分內部構件的反作用力,兩者大小相等且方向相反。 對研究對象I部分而言,該部分所受外力與m-m截面上的內力組成平衡力系,見圖1-1(c),根據平衡方程即可求出m-m截面上所作用的內力。上述顯示并確定內力的方法,稱為截面法。概括而言,截面法可歸納為以下3個步驟。 (1)截開。用假想截面將構件沿待求內力截面處截開,將構件一分為二。 (2)代替。任取一部分分析,畫出作用在該部分上的所有外力和內力。 (3)平衡。根據研究部分的平衡條件建立平衡方程,由已知外力求出未知內力。 3.應力 確定截面內力后,還不能判斷構件在外力作用下是否會因強度不足而破壞,為說明分布內力系在截面內某一點處的強弱程度和方向,下面引入內力集度的概念。要了解物體的某一截面m-m上任意一點C處分布內力的情況,可設想在m-m截面上圍繞C點取一微小面積(圖1-2),設該截面面積上分布內力的合力為AF,AF與AA的比值可度量C點周 當AA趨近于零時,平均應力Pm的極限值稱為截面m-m上C點的應力,用p表示,即 (11) (1-1) 應力p的方向為AF的極限方向,如圖1-2(b)所示,通常,將應力p沿截面的法向與切向分解為兩個分量。沿截面法向的應力分量稱為正應力,用c表示;沿截面切向的應力分量稱為切應力,用t表示。 應力的國際單位為帕斯卡(Pascal),簡稱帕(Pa),1Pa=1N/m2。在實際工程中,應力的常用單位為MPa、GPa,1MPa=106Pa=1N/mm2,1GPa=109Pa。 1.5變形與應變 構件在載荷作用下,其形狀和尺寸都將發生改變,即產生變形。構件發生變形時,內部任意一點將產生移動,這種移動稱為線位移。同時,構件上的線段(或平面)將發生轉動,這種轉動稱為角位移。由于構件的剛體運動也可產生線位移和角位移,因此構件的變形要用線段長度的改變和角度的改變來描述。線段長度的改變稱為線變形,線段角度的改變稱圍內力系的平均集度,稱為平均應力,為角變形。線變形和角變形分別用線應變和切應變來度量。如圖1-3所示,在構件中取出一微小六面體,現取其中一棱邊研究,設棱邊AB原長為Ax,構件在載荷作用下發生變形,A點沿x軸方向的位移為u,B點沿x軸方向的位移為w+Au即長度改變量為,棱邊AB的平均應變為 通常情況下,AB邊上各點變形程度不同,則 (1-2) (1-3) 稱為A點沿x軸方向的線應變或簡稱為應變。 線應變的物理意義是構件上一點沿某一方向變形量的大小。線應變無量綱,無單位。棱邊長度發生改變時,相鄰棱邊的夾角一般也相應發生改變。如圖1-3(b)所示,AD邊與AB邊原交角為直角,若變形后兩線段的夾角為ZDW'B',當AB邊與AD邊的兩邊長趨于無限小時,變形后原直角發生微小角度改變,即 (1-4) Y稱為A點在xy平面內的切應變或剪應變,切應變單位為弧度。線應變8和切應變y是度量一點處變形程度的基本量。 1.6桿件變形的基本形式 構件可以有各種幾何形狀,材料力學主要研究長度遠大于橫截面尺寸的構件,稱為桿件或簡稱為桿。桿件有兩個主要的幾何因素,即軸線和橫截面。軸線是桿件各個截面形心的連線,軸線為直線的桿稱為直桿,見圖1-4(a),否則稱為曲桿,見圖1-4(b)橫截面是與軸線垂直的截面,橫截面的形狀和面積大小不變的桿件稱為等截面桿,見圖1-4(a)否則稱為變截面桿,見圖1-4(b)。軸線為直線且橫截面沿軸線不發生變化的桿件稱為等直桿,見圖1-4(a)。等直桿是材料力學研究的主要對象,在一定條件下,等直桿的計算原理也可近似地用于曲率很小的曲桿和橫截面變化不大的變截面桿。 作用在桿件上的外力是多種多樣的,因此桿件的變形也是各種各樣的,但這些變形的基本形式不外乎以下四種。 (1)軸向拉伸和軸向壓縮。桿的變形是由大小相等、方向相反、作用線與桿件軸線重合的一對外力引起的,表現為桿件的長度發生伸長(圖1-5(a))或縮短(圖1-5(b))。起吊重物的鋼索、桁架中的桿件、液壓缸的活塞桿等的變形,都屬于軸向拉伸和壓縮變形。 (2)剪切。桿的變形是由大小相等、指向相反、作用線相互平行且相距很近的一對橫向外力引起的,表現為橫截面沿外力作用方向發生相對錯動(圖1-6)。工程中常用的連接件,
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