材料力学(Ⅰ第3版十二五普通高等教育本科规划教材)

作者简介

苟文选，1953年生于陕西礼泉，在经历了六年多中学教书生涯后，1978年考入西北工业大学基础课部材料力学师资班学习，毕业后留校在材料力学教研室任教，并攻读固体力学专业研究生。现为西北工业大学教授、博士生导师。 曾任中国力学学会实验力学专业委员会第六、七届专业委员会委员，西北工业大学工程力学系副主任，西北工业大学国家工科力学基础课程教学基地建设领导小组副组长，西北工业大学图书馆馆长、 第三届高等学校图书馆工作指导委员会委员。被首批遴选为西北工业大学跨世纪教学带头人、双百优秀人才、西北工业大学翱翔名师。 长期从事材料力学、工程力学、实验力学等专业的教学和研究工作，编著出版了《材料力学（Ⅰ、Ⅱ）》《材料力学教与学》《材料力学概要及试题讲练》《材料力学重点、难点、考点辅导与精解》《材料力学典型题解析及自测试题》《材料力学导教、导学、导考》（上、下）及《光弹性实验原理和方法》《现代光测力学》《西北工业大学图书馆馆史》等多部教材和专著，主持完成了原国家教委“面向21世纪力学系列课程教学内容与体系改革的研究与实践”西北工业大学子项目和“陕西省高等教育面向21世纪教改项目——工程力学类课程体系与教学内容改革与实践”项目。发表教学论文二十余篇，1998年被评为全国优秀力学教师，获国家级优秀教学成果一等奖，陕西省优秀教学成果特等奖、二等奖，陕西省优秀教材一等奖等。 曾参加和主持多项国家自然科学基金、航空科学基金项目，发表科研论文六十余篇，其中多篇被三大索引收录，获航空基金项目优秀成果二等奖、陕西省教委科技进步三等奖等多项奖励。

内容简介

第1章绪论*
　　1.1材料力学简史
　　工程实际中广泛地使用各种机械和结构物。组成这些机械和结构物的零件，统称为构件。为确保机械和工程结构的工作性能，一般不允许构件在工作时发生破坏。
　　我国古代许多伟大的工程饱经沧桑至今仍巍然屹立，其中蕴含有丰富的材料力学知识。据考证，我国在殷商时代(公元前14世纪)，房屋建筑就采用了柱、梁、檩、椽的屋架结构，人们逐渐知道了立柱和横梁应采用圆形和矩形截面，积累了合理运用木结构的经验。在以后的生产活动中，人们对各种材料，特别是木材的性能作了仔细的研究，木架结构也随之发展得更加科学、更加完善，成为我国建筑体系的主要特征。所谓木结构，是指用木架作为骨干，下为立柱，上为梁、枋、檩子构成的骨架，其承载着房屋的全部重量。墙壁仅起隔离作用，可以随意开设门窗，这与现代的钢结构和钢混结构相类似。同时，这种梁架结构为简单的静定梁，横梁一层比一层短，使载荷集中地加在靠近支点的地方，大大减小了梁在两荷重间的很大一段长度中的弯曲应力，使梁中切应力仅仅限制在两端很小的范围内，巧妙地运用了静力学和材料力学的原理。特别是用方形木块和前后左右挑出的臂形横木组成的斗拱，作为立柱和梁的过渡部分，将建筑物上面部分的分散重量集中到底部的柱头上，成功地解决了木架结构的横梁与立柱衔接处的切应力集中问题。斗拱结构逐渐发展成尺寸精密、制度完备的结构。建于唐末(公元857年左右)的山西五台山佛光寺大殿*，所用斗拱已相当完备。建于辽代(公元1056年)的山西应县佛宫寺释迦塔(亦称为应县木塔)*，是我国现存最古老最完整的一座木塔，木塔建在方形及八角形的两层砖台基础上，底径30m，塔高67.31m，呈平面八角形，共九层，其中四层为暗层，外观五层六檐，用木材约7400t，全塔重量由32根木柱承受，采用不同规模的斗拱形式多达54种。其结构精密，体量宏伟，反映了我国古代木构建筑的杰出成就。近千年来该塔历经多次地震，其中公元1631年在灵邱一带的地震，震中烈度达9度，该塔却安然无恙。随着人们对砖石等材料耐压性能好这一特性的认识，出现了越来越多的砖石结构建筑。在公元200年左右，我国就有了石拱桥的历史记载。拱桥在材料使用上最经济，尤其当载荷均匀，每块拱石都受压力时更是如此。因为耐压正是石料等脆性材料的特性。我国现存最古老的石拱桥——小商桥，位于河南漯河市郾城县与临颍县交界的颍河上，为敞开式石拱桥，建于隋文帝开皇四年(公元584年)是一座在主拱两端各有一对称腹拱的三桥洞石拱桥，全长计20.87m，桥面宽6.67m，其结构与著名的赵州桥相似。赵州桥*修建于公元605年左右，距今已有1400多年，系隋代工匠李春所建，施工技术巧妙绝伦，用石块砌成拱形，材料只受压缩，不受拉伸。该桥长50.82m，两端宽9.6m，中部宽9m，主孔跨度37.37m，其大拱为小于半圆的一段圆弧，拱高仅有7m，与跨高之比为1∶5.3(而不是通常的高度和跨度比为1∶2)。同时在大拱上还叠加了四个小拱，形成了拱上加拱的敞肩拱桥，既节省材料又可泄洪，减小水流平推力，正如唐玄宗开元年间宰相张嘉贞所言“制造奇特，人不知其所以为”。由于采用了上述方法，可以增加流水面积16.5%，减轻桥身净重15.3%，增加了桥梁安全系数约11.4%，大大增加了桥的寿命。而欧洲出现类似的桥，比赵州桥则晚了700多年。合理利用抗拉材料的例子也有很多。2200多年前，李冰父子在四川灌县兴造水利工程都江堰，横跨岷江的竹索桥*长达320m，它以木为桩，以竹为揽，上铺木板，旁设翼栏，分8孔横跨都江堰鱼嘴和内外两江，是运用竹材抗拉性能优良的实例。船舶制造也是很早就有了发展。早在汉朝(公元前140年)已造成了能容千人的大船，6世纪末隋代就建造了高100余尺，能容800人的五层大战船。唐代的船舶特别以船身大、容积广，抵抗波涛能力强而闻名。明朝郑和7次下西洋，带了长44丈①，宽18丈的船47艘，共载兵士2.7万多人到达波斯湾、红海等亚非30多个国家和地区。当时是公元1405年至1433年，比欧洲航海家的远航早了半个多世纪。公元1103年出版的宋代杰出建筑师李诚所著《营造法式》，总结了我国2000多年间木结构建筑方面的经验，系统地给出了房屋各部分的尺寸经验公式，如“凡梁之大小，若随其广分为三分，以二分为厚”。即把矩形梁截面尺寸高和宽的比例规定为3∶2，这是由圆木加工成矩形梁的最合理比值(理论上应为2∶1)。使用这样的比值既提高了木梁抗弯性能，又保证了木梁一定的稳定性。意大利的达 芬奇(1452-1519年)也提出了梁的强度与长度成反比、与宽度成正比，但没有提到高度对梁的影响，在时间上也比李诚晚400多年。早在东汉时期，经学家郑玄(公元127-200年)通过定量测量得出“假令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺”。清楚地表达了力与变形的关系。1500多年后英国科学家胡克②把它总结成被人们普遍认知的胡克定律。
　　1662年，胡克在皇家协会负责实验工作。经过长期的实验研究，于1678年发表了著名论文《弹簧》。文 叙述到“取一根长20，30或40英尺③的弹簧，上端用钉子钉牢，另一端系一秤盘，用一个双脚规来测量秤盘底到地面间的距离，把该距离记为F，然后把重量放入上述秤盘中，测得弹簧的若干次伸长，记下各次数据并加以比较，就会发现每次弹簧的伸长与所加重量成同一比例”。他还用螺旋弹簧、发条、木头等做过实验，从而得出：所有弹性体在变形后恢复至原来位置所具有的力常与所移动的距离或空间成正比。这篇论文还被认为是第一篇讨论材料弹性性质的文献。胡克定律的发现，沟通了力与变形间的关系，从而可以通过测量外部载荷来确定变形和应力的大小，同时也可以通过测量局部变形来推算作用力的大小。
　　中国、古希腊、罗马、埃及以及其他早期文明国家，都曾建造了许多宏伟而耐久的结构，人们都掌握了关于材料力学方面的知识，但大多数都因缺少记述而流失了。“材料力学”作为一门科学，一般认为是以意大利科学家伽利略于1638年发表的《关于两种新科学的叙述及其证明》为标志。该书就悬臂梁的应力分布、简支梁受集中载荷的最大弯矩，等强度梁的截面形状和空、实心圆柱的抗弯强度比较进行了阐述。尽管关于悬臂梁的应力分布公式受当时测试手段限制是错误的，但他的这些工作仍有很大的意义，开创了由实验的总结来发展理论的阶段。从此，设计工作有了理论的指导。
　　17世纪以后，随着技术革命的发展，新兴的工业、海运、土建、桥梁等大型工程提出了很多构件破坏和强度计算的问题。此时，单靠经验和简单模拟已不能解决问题。科学家们采用了数学解析与试验研究相结合的方法进行研究，走出了经验积累阶段，取得了科学成果，为工程设计提供了计算方法和理论基础，大大地推动了生产的发展。随着生产的发展，工程规模的进一步扩大，在结构形式、设计方法、材料性能等方面，又提出更新、更复杂的问题，反过来又推动了科学研究的发展，这样交替促进，逐渐发展成系统的材料力学学科。
　　18世纪时对材料力学贡献最大的科学家当首推法国科学家库仑(1736—1806年)。他在材料力学方面的主要成就是通过实验修正了伽利略关于悬臂梁抗力问题的错误，同时提出了最大切应力强度理论。依照这一理论，梁的危险状态的到达起主要作用的是切应力。从此，梁的平面弯曲问题得到了相当完善的解决。同时，库仑也是在扭转方面取得较大成绩的第一人。到了1826年，由法国著名科学家纳维所著的第一部《材料力学》著作问世。
　　实践经验的积累，是力学理论发展的重要基础。我国古代在材料力学方面积累了丰富的经验和知识，中国人“在许多重要方面有一些科学技术发明，走在那些创造出著名的‘希腊奇迹’的传奇式人物的前面，和拥有古代西方世界全部文化财富的阿拉伯人并驾齐驱，并在公元3世纪到13世纪保持一个西方所望尘莫及的科学知识水平”。①
　　19世纪30年代以后，人们大规模兴建铁路，桥梁建设也随之高速发展，这样又出现了各种各样的新问题。如铁轨的冲击载荷、振动载荷、疲劳强度，桥梁的振动，桁架受压杆件的稳定性等问题。起初这些问题未能得到很好的关注，因而造成了重大损失，也引起了人们对它的研究。
　　19世纪中叶，由于国际贸易的迅速发展，特别是远洋贸易的发展，使得造船材料及强度计算成为一个重要问题。1870年，出现了用铁替代木材，以蒸汽动力替代风帆的轮船；1890年开始用钢来制造船舶的某些关键部分，从而提高了船速，增加了船的运载能力。还解决了诸如船舶的振动、各种薄板的计算等强度问题。
　　第一次世界大战期间和战后，航空工业由于其自身优势及国防意义而得到迅速发展，这就大大促进了薄壁及薄壳的强度计算、稳定性、疲劳等理论的发展。
　　随着工业的蓬勃发展，新材料的不断出现，开展材料性质的实验研究也显得更加迫切。19世纪末，各国先后建立了材料力学性质研究的实验室，并于1895年成立了国际材料实验协会。20世纪以来，实验研究更加广泛，出现了许多重要的实验方法，如以电测和光测为基础的各种实验技术不断创新。新方法和新技术研究解决了许多实际问题，并推动了理论的发展。
　　另外，不断发生的重大事故，也向科学家提出一个个新的命题，促使材料科学及力学领域不断发展*。例如：1912年4月14日，英制4600t被称为“不沉之船”的“泰坦尼克号”游轮，在从南安普敦港驶向纽约的处女航中连同它的1513位乘客，仅在3小时内就被格陵兰冰冷的海水吞没了。这其中除了水手的操作因素外，另一个重要原因则是造船工程师只考虑到要增加钢的强度，而忽略了要增加其韧度。
　　1986年4月26日，苏联1973年动工修建、1977年投入运行的切尔诺贝利核电站，在一系列操作失误后，反应堆不断工作产生蒸汽却将其输向已经关闭的涡轮机，反应堆外壳承受的压力和温度远远超出了设计的要求，一条30多米高的火柱掀开了反应堆的外壳，爆炸释放的能量相当于500颗广岛原子弹，放射性污染遍及苏联694.5万人居住的1.5×105km2地区。严重的灾难性事故促使新的设计理念和新材料的不断诞生。
　　20 纪特别是近50年来，科学技术有了突飞猛进的发展，工业技术高度发展，特别是航空航天工业的崛起，计算机的出现与不断更新换代，各种新型材料的不断问世并应用于工程实际，实验设备日趋完善，实验技术不断提高，这些都使得材料力学所涉及的领域更加广阔，知识更加丰富。这表明这门学科仍处在不断发展和更新之中。新材料、新概念、新理论和新技术必将给这门古老的学科注入新的活力。国际空间站的建立使航天飞机穿梭于地面与太空之间；我国载人航天工程、嫦娥奔月工程取得了巨大成功；2008年6月30日正式通车的苏通大桥，创造了最大主跨(1088m)、最深基础(120m)、最高桥塔(300.4m)、最长拉索(577m)四项世界纪录。这些例子无不体现科技创新和材料力学进展的巨大成果。
　　1.2材料力学的任务
　　构件的种类和用途虽然各不相同，但在机械或结构物工作时，每个构件都将受到从相邻构件或其他物体传来的外力作用。为保证构件能正常工作，一般需要满足以下三个方面的要求。
　　1.构件应有足够的强度
　　构件在一定外力的作用下首先应不发生断裂，如提升重物的钢丝绳不应被重物拉断。其次，有些构件，如机床主轴受外力后出现了过大的永久变形，即卸除外力后不可恢复的变形，即使轴没有断裂，机床也不能正常工作。可见，构件应具有足够的强度，即在一定外力作用下的构件要求不发生破坏。这里所指的破坏，不仅指受外力作用后构件的断裂，还指卸除外力后构件产生过大的永久变形。
　　2.构件应有足够的刚度
　　构件在一定外力的作用下，即使不出现永久变形，也要产生卸除外力后可以恢复的弹性变形。这里的变形是指构件的形状和尺寸的改变。对某些构件的弹性变形有时需要加以限制，如机床的主轴受外力后产生过大的弹性变形，会影响工件的加工精度。可见，在一定外力的作用下，构件的弹性变形应在工程上允许的范围以内，也就要求构件有足够的刚度。
　　3.构