本书是适用于土木工程和水利工程专业以及其他相关专业的材料力学教材。全书分为基础篇和专题篇,共14章。基础篇(第1-10章)包括反映材料力学基本要求的材料力学概论、拉伸与压缩杆件的应力变形分析与强度计算、连接件强度的工程假定计算、圆轴扭转时的强度与刚度计算、梁的弯曲问题(包括:剪力图和弯矩图、截面的几何性质、应力分析与强度计算、位移分析与刚度计算)、应力状态与强度理论及其工程应用、压杆的稳定问题等教学内容;专题篇(第11-14章)包括材料力学中的能量法、简单的静不定系统以及动荷载与疲劳强度、新材料的材料力学等概述性的内容,供不同院校选用。本书注重基本概念,而不追求冗长的理论推导与繁琐的数字运算。与以往的同类教材相比,难度有所下降,工程概念有所加强,引入了大量涉及广泛领域的工程实例以及与工程有关的例题和习题。根据不同院校的实际情况,基础篇所需教学时数约为48学时左右(不含实验教学时数);专题篇所需教学时数约为16-24学时。
“普通高等院校基础力学系列教材”自2004年出版以来受到很多教学第一线的教师和同学以及业余读者的厚爱,其中《材料力学》一书在1年的时间内连续印刷了5次。同时,广大读者也提出了一些宝贵的修改要求和具体意见。
著者最近两年在全国7个大区(东北:哈尔滨工业大学;西北:西北工业大学;华北:北京交通大学;中南:华中科技大学;西南:重庆大学;华南:华南理工大学;华东:南京航空航天大学)讲学的同时,对我国高等学校“材料力学”的教学状况和对“材料力学”教材的需求进行了大量调研,与全国500多名基础力学教师以及近2000名同学交换了关于“材料力学”教材使用和修改的意见。
通过上述调研,我们进一步认识到,当初我们编写“普通高等院校基础力学系列教材”的理念基本上是正确的,这就是:在面向21世纪课程教学内容与体系改革的基础上,进一步对教学内容加以精选,下大力气压缩教材篇幅,同时进行包括主教材、教学参考书——教师用书和学生用书,电子教材——电子教案与电子书等在内的教学资源一体化的设计,努力为教学第一线的教师和同学提供高水平、全方位的服务。
调研过程中,广大教学第一线的教师和同学普遍反映,根据新的培养计划,很需要一部土木和水利工程类专业的“材料力学”教材,以适应课程学时大幅度减少的要求。大家普遍认为现行的土木和水利工程类专业的“材料力学”教材大都是上、下两册,篇幅过大。有的教师反映:上册的内容讲不完,下册的内容又要讲一点,不仅造成资源浪费,而且也造成学生不必要的经济负担。还有的教师认为,现行的土木和水利工程类专业的“材料力学”教材,成书时间已经很久,没有反映最近10年来材料力学课程教学改革成果,大多数作者长期不在教学第一线从事教学工作,因而缺乏教学第一线的新鲜经验。
本书是在上述调研的基础上,根据新的培养计划和教学基本要求,从一般院校的实际情况出发,删去大部分院校不需要的教学内容。在面向21世纪课程教学内容与体系改革的基础上,对于传统内容进一步加以精选,大大压缩教材篇幅,以满足60~80学时左右“材料力学”课程教学要求。
在教学体系上,我们根据土木和水利工程等专业的特点,同时贯穿两条主要线索:一条是用杆、轴、梁、柱以及连接件等基本构件贯穿的线索;另一条是以构件的拉、压、剪、扭、弯等基本受力与变形形式的线索。这样的体系不仅保持了“材料力学”理论体系的完整性,而且具有很强的工程应用意义。
在内容的处理上,我们将梁的弯曲问题作为重点,分成4章,内容包括:剪力图与弯矩图;截面的几何性质;应力分析与强度计算;位移分析与刚度计算。这一部分应该说是课程的重点,同时也是课程的精华所在。
为了压缩教材的篇幅,适应教学时数减少的要求,一般“材料力学”中常见的“组合受力与变形”的内容没有单独成章。“斜弯曲”的内容放在弯曲问题中是很自然的事情;“偏心荷载”的内容,对于土木和水利工程专业而言,除了应力计算外,还有“截面核心”这样的特殊问题,而“截面核心”的计算与中性轴有关,所以将这部分内容放在“弯曲问题”中作为梁的弯曲问题的延伸,不仅可以使读者通过中性轴的概念比较好地掌握与“截面核心”有关的内容,而且还将使读者加深对“中性轴”这个基本概念的认识。关于“弯曲与扭转组合受力与变形”则作为“应力状态与强度理论”的工程应用放在第9章中,凸现了应力状态与强度理论的工程应用价值。
此外,关于“梁强度的全面校核”以及“圆柱形薄壁容器的应力状态与强度计算”部分放在第9章中,也是基于同样的考虑。
“材料力学”与很多领域的工程密切相关。材料力学教学不仅可以培养学生的力学素质,而且可以加强学生的工程概念。这对于他们向其他学科或其他工程领域扩展是很有利的。基于此,本书与以往的同类教材相比,难度有所下降,工程概念有所加强,引入了大量涉及广泛领域的工程实例以及与工程有关的例题和习题。
为了让学生更快地掌握最基本的知识,在概念、原理的叙述方面作了一些改进。一方面从提出问题、分析问题和解决问题等方面作了比较详尽的论述与讨论;另一方面通过较多的例题分析,特别是新增加了关于一些重要概念的例题分析,著者相信这将有助于读者加深对于基本内容的了解和掌握。
全书分为基础篇和专题篇,共14章。基础篇共10章,包括反映材料力学基本要求的材料力学概论、拉伸与压缩杆件的应力变形分析与强度计算、连接件强度的工程假定计算、圆轴扭转时的强度与刚度计算、梁的弯曲问题(共4章)、应力状态与强度理论及其工程应用、压杆的稳定问题等教学内容;专题篇包括材料力学中的能量法、简单的静不定系统、动荷载与疲劳强度概述、新材料的材料力学概述共4章,供不同院校选用。书中带*号的内容及习题供各院校选用。根据不同院校的实际情况,基础篇所需教学时数约为48学时左右;专题篇所需教学时数约为16~24学时。
本书由范钦珊、蔡新主编,范钦珊、祝瑛、梁小燕、蔡新编著。
本书于2005年10月在南京完成初稿,2006年1月在美国加州定稿。定稿期间,得到清华大学校友吴擎虹、范心洋的大力支持和协助,在本书出版之际,著者谨表诚挚谢意。
承蒙河海大学吴胜兴教授、北京交通大学黄海明教授对本书稿进行了详细的审阅,提出了宝贵的修改意见,谨致谢忱。
书中的缺点和错误,恳请读者批评指正。
基础篇
第1章概论3
1.1“材料力学”的研究内容3
1.2杆件的受力与变形形式4
1.3工程构件静力学设计的主要内容5
1.4关于材料的基本假定7
1.5弹性体受力与变形特征7
1.6材料力学的分析方法9
1.7应力、应变及其相互关系10
1.8结论与讨论12
习题13
第2章拉伸与压缩杆件的应力变形分析与强度计算17
2.1轴力与轴力图17
2.2拉伸与压缩杆件横截面上的应力19
2.3最简单的强度问题22
2.4拉伸与压缩杆件的变形分析30
2.5材料的力学性能35
2.6结论与讨论40
习题44
第3章连接件强度的工程假定计算49
3.1铆接件的强度失效形式及相应的强度计算方法49
3.2焊缝强度的剪切假定计算53
3.3结论与讨论57
习题57
第4章圆轴扭转时的强度与刚度计算61
4.1外加扭力矩、扭矩与扭矩图61
4.2剪应力互等定理 剪切胡克定律63
4.3圆轴扭转时横截面上的剪应力分析与强度计算64
4.4圆轴扭转时的变形分析及刚度条件72
4.5结论与讨论75
习题79
第5章梁的弯曲问题(1)——剪力图与弯矩图83
5.1工程中的弯曲构件83
5.2梁的内力及其与外力的相互关系84
5.3剪力方程与弯矩方程87
5.4剪力图与弯矩图90
5.5荷载集度、剪力、弯矩之间的微分关系及其应用93
5.6刚架的内力与内力图99
5.7结论与讨论104
习题106
第6章梁的弯曲问题(2)——截面的几何性质111
6.1为什么要研究截面的几何性质111
6.2静矩、形心及其相互关系112
6.3惯性矩、惯性积、惯性半径114
6.4惯性矩与惯性积的移轴定理116
6.5惯性矩与惯性积的转轴定理118
6.6主轴与形心主轴、主惯性矩与形心主惯性矩的概念119
6.7组合图形的形心主轴与形心主惯性矩121
6.8结论与讨论123
习题124
第7章梁的弯曲问题(3)——应力分析与强度计算127
7.1平面弯曲时梁横截面上的正应力127
7.2斜弯曲的应力计算137
7.3弯矩与轴力同时作用时横截面上的正应力140
7.4弯曲剪应力分析143
7.5弯曲强度计算151
7.6结论与讨论164
习题174
第8章梁的弯曲问题(4)——位移分析与刚度计算185
8.1梁的变形与梁的位移185
8.2梁的小挠度微分方程及其积分187
8.3叠加法确定梁的挠度与转角192
8.4梁的刚度计算200
8.5简单的静不定梁204
8.6结论与讨论208
习题213
第9章应力状态与强度理论及其工程应用217
9.1应力状态的基本概念217
9.2平面应力状态任意方向面上的应力219
9.3应力状态中的主应力与最大剪应力222
9.4应力圆及其应用226
9.5广义胡克定律230
9.6应变能与应变能密度231
9.7强度理论概述233
9.8关于脆性断裂的强度理论233
9.9关于屈服的强度理论235
9.10工程应用之一——组合截面梁的强度全面校核238
9.11工程应用之二——圆轴承受弯曲与扭转共同作用时的强度计算241
9.12工程应用之三——圆柱形薄壁容器的应力状态与强度计算246
9.13结论与讨论248
习题252
第10章压杆的稳定问题257
10.1压杆稳定的基本概念257
10.2两端铰支压杆的临界荷载 欧拉公式259
10.3不同刚性支承对压杆临界荷载的影响261
10.4临界应力与临界应力总图262
10.5压杆稳定性设计268
10.6其他形式的屈曲问题 275
10.7结论与讨论276
习题280
专题篇
第11章材料力学中的能量法289
11.1基本概念289
11.2互等定理292
11.3应用于弹性杆件的虚位移原理296
11.4计算位移的莫尔积分298
11.5计算莫尔积分的图乘法301
11.6卡氏定理305
11.7结论与讨论309
习题310
第12章简单的静不定系统315
12.1静不定系统的几个基本概念315
12.2力法与正则方程317
12.3对称性与反对称性在求解静不定问题中的应用 319
12.4空间静不定结构的特殊情形322
12.5能量法在求解静不定问题中的应用323
12.6结论与讨论332
习题333
第13章动荷载与疲劳强度概述337
13.1等加速度直线运动时构件上的惯性力与动应力337
13.2旋转构件的受力分析与动应力计算339
13.3构件上的冲击荷载与冲击应力计算342
13.4疲劳强度概述346
13.5疲劳极限与应力寿命曲线351
13.6影响疲劳寿命的因素352
13.7基于无限寿命设计方法的疲劳强度354
13.8结论与讨论356
习题358
第14章新材料的材料力学概述361
14.1复合材料概述361
14.2单层纤维复合材料的弹性模量363
14.3纤维增强效应366
14.4高分子材料概述368
14.5聚合物的粘弹性行为369
14.6非线性粘弹性构件设计的工程方法374
14.7结论与讨论376
习题378
附录381
附录A型钢规格表383
附录B习题答案397
附录C索引407
参考文献415