工 程 材 料 力 学 性 能 论 文
11042102 2014
化学与化ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ工程系 2011 级金属材料工程 1 班
焦通
年 06 月 18 日
材料力学在非工程方面的应用
一、材料力学知识简介 材料力学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。材料力学与理论力学、结构力学并称三大力学。 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材料力学基本假设； a) 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 b) 均匀性假设——在固体内任何部分力学性能完全一样 c) 各向同性假设——材料沿各个不同方向力学性能均相同 d) 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
就要发生振动； 若传动轴的弯曲变形过大， 不仅会使齿轮很好地啮合， 还会使轴 颈与轴承产生不均匀的磨损； 输送管道的弯曲变形过大， 会影响管道内物料的正 常输送，还会出现积液、沉淀和法兰结合不密等现象；造纸机的轧辊，若弯曲变 形过大， 会生产出来的纸张薄厚不均匀， 称为废品。 另一类是要求构件能产生足 够大的变形。 例如车辆钢板弹簧， 变形大可减缓车辆所受到的冲击； 又如继电器 中的簧片， 为了有效地接通和断开电源， 在电磁力作用下必须保证触电处有足够 大的位移。 三、材料力学在生活建筑学的运用
随着高层建筑在我国的迅速发展 , 建筑高度的不断增加 , 建筑类型与功能愈 来愈复杂 , 结构体系更加多样化 , 高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设 计工作的重点和难点之所在。 多层和高层建筑结构都要抵抗竖向及水平荷载作用 , 但是在高层建筑中 , 要使用更多的材料来抵抗水平作用 , 抗侧力成为高层建筑结 构设计的主要问题。 在地震区 , 地震作用对高层建筑的威胁更大 , 地震灾害将会给 人民的生命财产造成巨大损失 , 所以抗震设计必须更加重视。在高层建筑结构抗 震理论和设计方法的发展过程中 , 存在着结构刚与柔的争议 , 有的认为结构柔性 一些好 , 因为场地确定后 , 结构愈柔性 , 自振周期愈长 , 地震影响系数越小 , 结构所 受到的地震作用就愈小 , 因此在结构抗震设计时 , 可将结构设计得柔性一些 , 以减 小作用于结构上的地震力 , 从而可以用较少的材料 , 抗御较强的地震 , 既合理又经 济。但有的则认为地震区的高层建筑结构应该刚性一些 , 使结构具有较大的承载 能力 , 可以抵抗较强的地震 , 而且非结构部件的连接构造简单 , 又不易破坏。从过 去的地震经验也可以看出 , 对于一般构造的高层建筑结构 , 刚性比柔性好 , 刚性结 构破坏较轻 , 而且由于地震时的结构变形小 , 隔墙、围护墙及装饰等非结构部件将 得到保护 , 破坏也会减轻。对于柔性结构 , 由于地震时将产生较大的层间侧移 , 不 但主体结构破坏较重 , 非结构部件也将大量遭到破坏 , 造成很大经济损失 , 甚至有 时还会危及人身安全 , 所以高层建筑结构应采用刚度较大的。 四、材料力学在生活桥梁学的运用
在实际生活中，有许多地方都要用到材料力学。生活中机械常用的连接件， 如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形，在设计时应主要考虑其剪切应 力。汽车的传动轴、 转向轴、水轮机的主轴等发生的变形属于扭转变形。 火车轴、 起重机大梁的变形均属于弯曲变形。 有些杆件在设计时必须同时考虑几个方面的 变形，如车床主轴工作时同时发生扭转、 弯曲及压缩三种基本变形； 钻床立柱同 时发生拉伸与弯曲两种变形。 在生活中我们用的很多包装袋上都会剪出一个小口， 其原理就用到了材料力学的应力集中， 使里面的食品便于撕开。 生活中很多结构 或构件在工作时， 对于弯曲变形都有一定的要求。 一类是要求构件的位移不得超 过一定的数值。 例如行车大量在起吊重物时， 若其弯曲变形过大， 则小车行驶时
一件好的力学作品， 它的背后都有美学的特性， 力学与美学的结合， 才能创 造出传世的佳作。 从古至今， 有力学与美学巧妙结合的奇迹， 从举世闻名的赵州 桥，到震惊国人的南京长江大桥 ; 从巍峨高崇的天宁寺凌霄塔， 到自然独特的“鸟
巢”，我们知道， 人类不仅要生存， 更要生活， 不仅要吃饱穿暖， 更要懂得享受。 马克思说：“人还按照美的规律来创造。 ”美学，它应该就是指导人们按照美的规 律来改造客观世界与主观世界的科学， 历史上的人们正是按照美的规律来处理许 多力学问题的。
行计算。 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体。 但在实际研究中不可 能会有符合这些条件的材料， 所以需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。 二、材料力学知识在实际生活中的运用
我国古代就有优秀的范例。 以举世闻名的河北省赵县的赵州桥作为例子。 该 桥为李春创建于隋大业初年 （公元 605 年左右），是一座空腹式的圆弧形石拱桥， 净跨 37.02 米，宽 9 米，拱矢高度 7.23 米。在拱圈两肩各设有两个跨度不等 的腹拱，这样既能减轻桥身自重，节省材料，又便于排洪和增加美观。它的设计 构思和艺术造型可说是达到了力学和美学高度的和谐统一。 拱桥的结构可说是充 分考虑了美而又符合力学的要求， 例如选用圆弧或二次抛物线这类优美的曲作为 合理拱轴， 它既美而又满足 “在竖向均布荷载作用下拱轴线各截面的弯矩和剪力 均为零，即只有轴向压力”的要求。拱桥是桥梁中最能体现美的一种桥型。拱桥 态似彩虹，以主拱圈优美的弧线显示了其固有的曲线美， 使拱桥具有活泼、 优美、 流畅的特点， 同时又不失力度感。 多孔连拱桥由于主拱圈的重复出现或按一定规 律变化，可呈现出连续或渐变的韵律和节奏感， 使美丽的桥梁看上去如无声而美 妙的音乐。 拱桥的这种曲线结构形式同时也获得了良好的力学效果。 在竖向力作 用下，主拱的曲线形式使拱桥产生了区别于梁式结构的拱脚水平推力。 正是这个 水平推力， 使拱内产生了轴向压力， 从而大大减小了拱圈截面的弯矩。 与受弯梁 相比，截面上的应力分布将更为均匀。 故拱桥结构可充分利用主拱的材料抗压强 度，使跨越能力增大。另外，主拱及腹拱的曲线造型还可以有效排泄水流，减轻 洪水对桥梁的破坏作用； 腹拱的设置又可进一步减轻结构自重， 增强桥梁跨越能 力。