《材料力学(第3版)》分为基础篇和专题篇,共17章。基础篇包括反映材料力学基本要求的轴向载荷杆件、材料的力学性能、连接件强度的工程假定计算、圆轴扭转、弯曲强度与刚度、应力状态与应变状态、强度设计准则、压杆稳定等教学内容,共13章;专题篇包括能量法、简单静不定系统、动载荷与动应力、疲劳强度与构件寿命等内容,共4章,供不同院校选用。根据不同院校的实际情况,基础篇所需教学时数为32~48课时;专题篇所需教学时数16~24课时。
本书注重基本概念,而不追求冗长的理论推导与烦琐的数字运算,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。本教材可作为高等院校理工科各专业材料力学课程的教材。
本书第2版自2008年问世至今已经走过6个年头,承蒙很多高校材料力学教学第一线的老师和同学以及业余读者的关爱和支持,已经连续印刷了10次。 2012年获得清华大学优秀教材特等奖;同年,相应的教学成果获得北京市高等学校优秀教学成果一等奖。2012年本书第3版被列入 “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材;2013年被批准为清华大学“985”三期名优教材建设项目立项。
最近的6年里,著者秉承不断提高课程重量、着力培养学生创新思维能力的教育与教学理念,先后在清华大学、南京航空航天大学、北京工业大学以及北京邮电大学从事“材料力学”研究型教学的研究与实践,坚持全过程讲授这门课程,授课对象每年约200名。在同事和同学们的支持与帮助下,对于教育和教学改革又有了一些新的体会和收获。材料力学(第3版)将着重反映6年来我们在研究型教学方面所取得的成果。主要有: 怎样在基于普遍提高教学质量的基础上,培养学生的创新思维能力;怎样提高课程的吸引力,增强课程教学的学术性;怎样挖掘基本教学内容的深度;怎样对传统内容中的某些概念、理论和方法加以改革和更新,突出挑战性。基于此,本书第3版修订的主要内容有以下几方面。
第一,调整了部分章节,将材料的力学性能从“第2章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题”中独立出来,形成“第3章 常温静载下材料的力学性能”; 重写了“剪力图与弯矩图”作为第6章;将原来的第6章分为3章: “第7章 平面弯曲正应力分析与强度计算”和“第8章 弯曲剪应力分析与弯曲中心”以及“第9章 斜弯曲、弯曲与拉伸或压缩同时作用时的正应力计算与强度设计”;将原来的第8章分为: “ 应力状态与应变状态分析”和“一般应力状态下的强度设计准则及其工程应用”,分别列为第11章和12章;将原来的12章也分为两章: “动载荷与动应力概述”和“疲劳强度与构件寿命估算概述”,分别列为第16章和第17章。
第二,增加了部分教学内容,主要有: 部分非金属材料的力学性能;梁的位移叠加法中的逐段刚化法;应变分析;细长压杆实验结果;线性累积损伤与疲劳寿命估算等。
第三,将力系简化的方法引入横截面的内力分析,改革传统剪力图与弯矩图的画法。
第四,正确处理变形与位移概念的联系与区别,将确定梁的转角和挠度的章节名改为“梁的位移分析与刚度设计”。
第五,在部分章节引入“反问题”: 相对于正问题,反问题的解答不是唯一的,通过对于反问题的思考,一方面可以加深对于正问题的理解;另一方面可以激励创新思维。
第六,在部分章节设计了“开放式思维案例”作为学生课外的学习和研究的资源。最近几年的教学实践表明,这对于刺激思维鼓励创新是一种有效的措施。材料力学(第3版)第七,增加了若干工程案例以及灾难性工程事故的力学解析。
第八,增加和改变了部分例题和习题。
随着课程研究型教学在更多高校开展、深入和发展,材料力学的课程教学以及教材建设还会遇到一些新问题,我们将一如既往地坚持“在教学中研究,在研究中教学”,以不断提高人才培养质量为己任,在教学实践的基础上,不断提高材料力学教材的质量。
这一版的初稿于2012年下半年—2013年上半年在国内完成;2013年7~8月在加拿大多伦多定稿。定稿期间,得到旅加的赵渊先生和范心明女士的大力支持和协助,在本书出版之际,著者谨表诚挚谢意。
诚挚地感谢广大读者对本书的关爱,希望大家对本书的缺点和不足提出宝贵意见。
范钦珊2014.1.11
第1章 导论3
1.1“材料力学”的研究内容3
1.2工程设计中的材料力学问题3
1.3杆件的受力与变形形式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应力与应变及其相互关系10
1.7杆件横截面上的内力与内力分量12
1.8应力与内力分量之间的关系13
1.9材料力学的分析方法14
1.10结论与讨论15
习题16
第2章轴向载荷作用下杆件的材料力学问题18
2.1工程中承受拉伸与压缩的杆件18
2.2轴力与轴力图20
2.3拉伸与压缩时杆件的应力与变形分析22
2.4拉伸与压缩杆件的强度设计27
2.5简单的拉压静不定问题30
2.6结论与讨论33
习题37
第3章常温静载下材料的力学性能42
3.1两种典型材料拉伸时的力学性能42
3.2两种典型材料压缩时的应力应变曲线与力学性能47
3.3混凝土拉伸与压缩时的应力应变全曲线48
3.4结论与讨论48
习题49材料力学
第4章连接件强度的工程假定计算51
4.1铆接件的强度失效形式及相应的强度计算方法51
4.2连接件的剪切破坏及剪切假定计算51
4.3连接件的挤压破坏及挤压强度计算52
4.4连接板的拉伸强度计算53
4.5连接件后面的连接板的剪切计算53
4.6机械与建筑结构连接件的剪切强度计算54
4.7结论与讨论55
习题56
第5章圆轴扭转时的强度与刚度设计58
5.1圆轴在工程中的应用58
5.2外加扭力矩、扭矩与扭矩图59
5.3剪应力互等定理61
5.4圆轴扭转时横截面上的剪应力分析62
5.5圆轴扭转时的强度设计66
5.6相对扭转角计算与刚度设计69
5.7结论与讨论71
习题76
第6章剪力图与弯矩图79
6.1承弯构件的力学模型与工程中的承弯构件79
6.2梁的内力及其与外力的相依关系82
6.3应用力系简化方法确定梁横截面上的剪力与弯矩83
6.4剪力方程与弯矩方程86
6.5剪力、弯矩与载荷集度之间的微分关系88
6.6梁的剪力图与弯矩图90
6.7刚架的内力与内力图93
6.8结论与讨论96
习题98
第7章平面弯曲正应力分析与强度设计103
7.1与应力分析相关的截面图形几何性质103
7.2平面弯曲时梁横截面上的正应力112
7.3梁的强度计算120
7.4结论与讨论125
习题132
第8章弯曲剪应力分析与弯曲中心的概念138
8.1弯曲剪应力分析方法138
8.2开口薄壁梁的弯曲剪应力分析140
8.3开口薄壁截面梁弯曲时横截面上的剪应力流142
8.4实心截面梁的弯曲剪应力公式146
8.5薄壁截面梁弯曲时的特有现象148
8.6结论与讨论151
习题153
第9章斜弯曲、弯曲与拉伸或压缩同时作用时的应力计算与强度设计156
9.1斜弯曲的应力计算与强度设计156
9.2弯曲与拉伸或压缩同时作用时的应力计算与强度计算161
9.3结论与讨论164
习题167
第10章梁的位移分析与刚度设计171
10.1基本概念171
10.2小挠度微分方程及其积分174
10.3工程中的叠加法177
10.4梁的刚度设计184
10.5简单的静不定梁187
10.6结论与讨论191
习题194
第11章应力状态与应变状态分析198
11.1基本概念与分析方法198
11.2平面应力状态分析——任意方向面上应力的确定200
11.3一点应力状态中的主应力与最大剪应力202
11.4分析应力状态的应力圆方法206
11.5三向应力状态的特例分析210
11.6复杂应力状态下的应力应变关系应变能密度212
11.7平面应变状态分析216
11.8承受内压薄壁容器的应力分析224
11.9结论与讨论226
习题228
第12章一般应力状态下的强度设计准则及其工程应用232
12.1强度设计的新问题232
12.2关于脆性断裂的设计准则233
12.3关于屈服的设计准则235
12.4圆轴承受弯曲与扭转共同作用时的强度设计238
12.5圆柱形薄壁容器强度设计简述243
12.6结论与讨论244
习题246
第13章压杆(柱)的稳定性分析与稳定性设计250
13.1工程结构中的压杆(柱)250
13.2基本概念252
13.3两端铰支压杆的临界载荷欧拉公式254
13.4不同刚性支承对压杆临界载荷的影响256
13.5临界应力与临界应力总图257
13.6压杆稳定性设计的安全因数法262
13.7结论与讨论264
习题269
专题篇
第14章材料力学中的能量方法275
14.1基本概念275
14.2互等定理278
14.3莫尔方法281
14.4计算直杆莫尔积分的图乘法286
14.5卡氏定理291
14.6结论与讨论295
习题298
第15章简单的静不定系统302
15.1静不定问题的概念与方法302
15.2力法与正则方程306
15.3对称性与反对称性在求解静不定问题中的应用315
15.4空间静不定结构的特殊情形321
15.5结论与讨论322
习题326
第16章动载荷与动应力概述330
16.1达朗贝尔原理(动静法)330
16.2等加速度直线运动时构件上的惯性力与动应力331
16.3旋转构件的受力分析与动应力计算332
16.4构件上的冲击载荷与冲击应力计算335
16.5结论与讨论339
习题341
第17章疲劳强度与构件寿命估算概述344
17.1疲劳强度概述344
17.2疲劳失效特征347
17.3疲劳极限与应力寿命曲线349
17.4影响疲劳寿命的因素350
17.5基于无限寿命的疲劳强度设计方法351
17.6基于累积损伤概念的有限寿命估算353
17.7结论与讨论357
习题358
附录A型钢规格表360
附录B习题答案371
附录C索引378
主要参考书目382