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理論上,每個(gè)學(xué)科都應(yīng)該有它的任務(wù)。區(qū)別在于,有的學(xué)科的任務(wù)有時(shí)候難以說(shuō)清楚;而有的學(xué)科有明確的任務(wù),實(shí)用學(xué)科通常就是這樣。一般來(lái)說(shuō),力學(xué)學(xué)科都有明顯的實(shí)用背景,所以說(shuō),力學(xué)學(xué)科的任務(wù)通常也是很明確的。材料力學(xué)的任務(wù)的關(guān)鍵詞有三個(gè):強(qiáng)度,剛度,穩(wěn)定性。 對(duì)于強(qiáng)度,目前主流的強(qiáng)度理論還是材料強(qiáng)度理論,也就是說(shuō),結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是以結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度特性來(lái)評(píng)價(jià)的,而材料強(qiáng)度特性通常是用應(yīng)力來(lái)描述的。所以,分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,實(shí)質(zhì)就是求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平,并且將這個(gè)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)材料允許應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,最簡(jiǎn)單的對(duì)比方式,就是安全系數(shù)法,這也是材料力學(xué)的主流方法。 分析結(jié)構(gòu)的剛度,實(shí)質(zhì)就是求解結(jié)構(gòu)的變形。對(duì)于變形,有兩個(gè)尺度,或者稱為兩個(gè)視角,一個(gè)是微觀視角,稱為應(yīng)變,即正應(yīng)變(線應(yīng)變)和切應(yīng)變(角應(yīng)變),描述對(duì)象是微元體,適用范圍不限于材料力學(xué);還有一個(gè)是宏觀視角,在材料力學(xué)中,桿件的變形有四個(gè)基本形式,拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)以及彎曲。對(duì)于材料力學(xué)的剛度問題,評(píng)價(jià)對(duì)象顯然是宏觀變形。 關(guān)于微觀和宏觀視角,可以再補(bǔ)充幾句。宏觀視角下,有外力(可以分為集中力、分布力以及體積力,也可以分為拉壓力和剪力,扭矩和彎矩),有內(nèi)力(可以分為拉壓力和剪力,扭矩和彎矩)。微觀視角下,內(nèi)力可以分為正應(yīng)力和切應(yīng)力,應(yīng)力是二階張量,既和位置有關(guān),也和截面方向有關(guān)。宏觀外力很直觀,微觀應(yīng)力雖然不直觀,但通過宏觀外力可以比較容易的理解和把握微觀應(yīng)力。宏觀變形很直觀,微觀應(yīng)變并不直觀,通過宏觀變形也可以理解好微觀應(yīng)變,尤其切應(yīng)變的理解值得一提,想象截面(切應(yīng)力截面)上有兩條斜線構(gòu)成一個(gè)角度(可以是直角也可以不是),角度的一條斜線在該截面上,另一條斜線在對(duì)應(yīng)截面上,兩個(gè)截面有相對(duì)運(yùn)動(dòng),斜角大小也隨之發(fā)生變化。大家可以用這個(gè)方法來(lái)想象扭轉(zhuǎn)變形和剪切變形。 拉壓和剪切的強(qiáng)度和剛度問題,求解方法簡(jiǎn)單,故略。 扭轉(zhuǎn)工況(一般為圓軸),切應(yīng)力: 式中,Wt 稱為抗扭截面系數(shù)。 式中,Ip 稱為極慣性矩。 扭轉(zhuǎn)角: 式中,GIp 稱為抗扭剛度。 彎曲工況,彎曲應(yīng)力(正應(yīng)力): 式中,W 稱為抗彎截面系數(shù)。 式中,Iz 稱為慣性矩。 彎曲變形(撓度和轉(zhuǎn)角),用積分法、疊加法求解。撓度是指橫向位移,轉(zhuǎn)角是指該處切線與縱向夾角。 |
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