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1、材料力學 - I 課程教學大綱 課程中文名稱：材料力學 課程英文名稱： Mechanics of Materials 總學時： 98 講課學時： 64 習題學時： 8 實驗學時： 8 上機學時： 18 授課對象： 機械、建筑、交通、材料、動力、能源等專業(yè)本科生 先修課程：高等數(shù)學，理論力學 一、課程教學目的 通過本課程學習，要求學生正確理解構件的強度、剛度、穩(wěn)定性等基本概念以及平衡、幾何、物理三類方程在求解力學問題時的重要作用。能熟練地計算桿件的應力與變形以及分析其強度、剛度與穩(wěn)定性的能力。通過實驗課教學，培養(yǎng)學生具有一定的創(chuàng)新性、綜合性的實驗能力。 二、教學內容及基本要求 強度、剛度、穩(wěn)定性

2、 ； 變形固體及其理想化；外力及其分類；變形與位移。 應力狀態(tài)分析： 內力；應力的概念，正應力與切應力；一點的應力狀態(tài)；切應力互等定律；二向應力狀態(tài)分析，解析法；二向應力狀態(tài)分析，圖解法；三向應力狀態(tài)分析；微體平衡。 應變狀態(tài)分析： 應變概念，線應變與切應變；位移與應變的關系； 幾何方程；應變協(xié)調條件，相容方程；平面應變狀態(tài)分析。 材料的力學性能、應力應變關系： 材料的力學性能與基本實驗；軸向拉伸和壓縮實驗；常見工程材料的應力應變曲線； 應力松馳與蠕變； 各向同性材料的廣義虎克定律；應變能；各向同性材料彈性常數(shù)間的關系；各向異性材料應力應變關系。 軸向拉壓： 軸向拉壓桿的內力；軸向拉壓桿的應力

3、；圣文南原理 ；應力集中；軸向拉壓桿的變形，變形能； 軸向拉壓靜不定問題，溫度應力，裝配應力； 構件受慣性力作用時的應力計算。 扭轉： 扭轉桿件的內力；圓軸扭轉橫截面上切應力 ；圓軸扭轉破壞模式的分析；圓軸扭轉變形與變形能；薄壁桿的自由扭轉，剪力流。 彎曲： 梁的內力，剪力與彎矩；剪力圖與彎矩圖 ；載荷、剪力及彎矩間的關系；純彎曲梁的正應力；有關彎曲的討論；彎曲切應力；開口薄壁非對稱截面梁的彎曲，彎曲中心；梁的彈性彎曲變形，彈性曲線微分方程；直接積分求梁的變形；疊加原理與疊加法求變形；曲桿彎曲。 復雜內力時桿件應力計算： 斜彎曲；偏心拉伸與壓縮；截面核心；彎曲與扭轉 。 能量原理： 虛功，桿件

4、內力的虛功；虛功原理及其對桿件的應用；莫爾定理；圖形互乘法；虛功原理應用于小變形固體；沖擊。 靜不定結構： 靜不定結構的概念及其分析方法；用力法分析靜不定結構；具有對稱與反對稱性的靜不定結構；連續(xù)梁。 材料失效及強度理論： 常用工程材料的失效模式及強度理論概念； 關于斷裂的強度理論；關于屈服的強度理論；莫爾強度理論；強度條件與強度計算。 桿件的強度、剛度計算： 強度條件與剛度條件；軸向拉壓桿件的強度計算；扭轉桿件的強度、剛度計算；彎曲桿件的強度、剛度計算；復雜內力時桿件的強度、剛度計算；提高構件強度、剛度的一些措施。 聯(lián)接： 工程中常見的聯(lián)接結構；剪切實用計算；擠壓實用計算；焊接縫與膠粘接縫的

5、實用計算。 彈塑性變形與極限載荷分析： 彈塑性變形與極限載荷法概念；應力 -應變關系曲線的簡化；靜不定桁架的極限載荷；圓軸的彈塑性扭轉， 殘余應力；梁的彈塑性彎曲，塑性鉸。 疲勞與斷裂： 交變應力與對其描述；疲勞概念與材料的疲勞極限；影響疲勞極限的主要因素；疲勞強度計算；變幅交變應力下構件的疲勞強度計算；疲勞裂紋擴展與構件的疲勞壽命壓桿穩(wěn)定： 壓桿穩(wěn)定性概念；確定臨界力的靜力法，歐拉公式；超過比例極限壓桿的臨界力計算；關于壓桿穩(wěn)定性的進一步討論；中心加載壓桿穩(wěn)定性設計。 三、課程負責人示范性教學設計 1教學內容設計與學時安排序號 學時 講授 方式 講授內容 1 2 講課 第一章 緒論 構件強度

6、、剛度、穩(wěn)定性 連續(xù)與非連續(xù)；均勻與非均勻；各向同性與各向異性 靜載荷與動載荷；體積力與表面力；分布力與集中力 彈性變形與塑性變形；大變形與小變形；變形與位移 2 2 講課 第二章 應力狀態(tài)分析 內力、應力概念，正應力與切應力 單元體，一點應力狀態(tài)表示，切應力互等定理 三向、二向、單向、純剪切應力狀態(tài) 3 2 講課 習題 二向應力狀態(tài)分析 -解析法 任意斜截面的應力，主應力、主方向，主切應力、主剪切面 4 2 講課 二向應力狀態(tài)分析 -應力圓 三向應力狀態(tài)，任意斜面應力，應力特征方程，應力不變量 內部微體平衡 平衡微分方程 邊界微體平衡 應力邊界條件 5 2 講課 第三章 應變狀態(tài)分析 應變概

7、念，線應變與切應變 位移與應變關系，幾何方程 應變協(xié)調條件，相容方程 6 2 講課 習題 平面應變狀態(tài)分析 -解析法 主應變及應變主方向；最大切應變及方向；應變圓 7 2 講課 第四章 材料力學性質 應力應變關系 材料力學性能與基本實驗 碳鋼拉伸、壓縮試驗；比例、彈性、屈服、強度極限，延伸率，斷面收縮率，冷作硬化 鑄鐵拉伸、壓縮試驗 8 2 講課 1各向同性材料簡單應力狀態(tài)虎克定律 2各向異性材料廣義胡克定律 3正交異性材料廣義胡克定律 4各向同性材料廣義胡克定律 9 2 講課 體積變形與形狀變形 應變能概念；單向、純剪切、三向應力狀態(tài)應變能 體變應變能與形變應變能密度 4各向同性材料彈性常數(shù)

8、間關系，極限應力、許用應力、安全系數(shù) 10 2 試驗課 低碳鋼拉伸、壓縮試驗 鑄鐵拉伸、壓縮試驗 11 2 講課 第五章 軸向拉伸與壓縮 軸力、平面假設、應力公式 圣維南原理、應力集中 變形、變形能 12 2 講課 習題 拉、壓靜不定、溫度與裝配應力 慣性力作用時桿件應力計算 13 2 講課 扭轉 內力、平面假設、切應力公式 圓周扭轉破壞模式分析 14 2 講課 習題 變形、應變能 非圓截面桿扭轉 開口薄壁桿的自由扭轉 15 2 講課 第七章 彎曲 剪力與彎矩、剪力圖與彎矩圖、外力與內力間關系 平面假設、純彎曲梁橫截面應力公式 16 2 習題 作剪力圖與彎矩圖 17 2 講課 剪力彎曲梁切應力

9、 矩形截面梁、基本假設，彎曲切應力公式 工字形、圓形、環(huán)形截面梁的切應力 彎曲中心概念 18 2 講課 習題 平面彎曲梁的變形、撓度與轉角 撓曲線近似微分方程 直接積分法求變形 19 2 講課 疊加法求變形 有限差分法求變形簡介（為電算大作業(yè)做準備） 曲桿彎曲簡介 20 2 講課 第八章 復雜內力時桿件應力計算 1復雜內力時桿件內力計算 2斜彎曲變形、應力計算 3偏心拉壓變形、應力計算 21 2 講課 習題 截面核心 彎曲與扭轉變形、應力計算 22 2 講課 第九章 能量原理 虛功、桿剪內力的虛功 虛功原理機對桿件的應用 莫爾定理 23 2 講課 習題 圖乘法 互等定理 24 2 講課 習題

10、沖擊 25 2 講課 靜不定結構 靜不定結構的概念及其分析方法 力法，力法正則方程 26 2 習題 有對稱與反對稱性的靜不定結構 連續(xù)梁 靜不定剛架 27 2 講課 第十一章 材料失效及強度理論 1常用工程材料失效模式及強度理論概念 2關于斷裂的強度理論 關于屈服的強度理論 強度條件與強度計算 28 2 講課 習題 第十二章 桿件的強度與剛度計算 桿件失效概念與失效模式 軸向拉伸與壓縮桿件強度計算 29 2 講課 扭轉桿件強度與剛度計算 彎曲桿件強度與剛度計算 斜彎曲、偏心拉壓桿件強度計算 30 2 講課 習題 彎扭桿件強度計算 31 2 講課 第十三章 聯(lián)接 1工程中常見的聯(lián)接結構 剪切的實

11、用計算 擠壓的實用計算 32 6 試驗課 1電測法（開放試驗，內容任選） 33 2 講課 第十四章 彈塑性變形與極限載荷分析 1彈塑性變形與極限載荷概念 2應力-應變曲線的簡化 3經(jīng)不定桁架的極限載荷 圓周彈塑性扭轉 梁的彈塑性扭轉 34 2 試驗課 光彈性測量 35 2 講課 第十五章 疲勞 1交變應力，疲勞概念 交變應力循環(huán)特征 材料疲勞極限 36 2 講課 1構件的疲勞極限 2對稱循環(huán)下桿件疲勞計算 37 2 講課 第十六章 壓桿穩(wěn)定 壓桿穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡 兩端鉸支細長壓桿臨界力、歐拉公式一般形式 平衡路徑，分支點 經(jīng)驗公式 38 2 講課 習題 壓桿穩(wěn)定性計算 41 18 上機 電

12、算大作業(yè) 合計 98 2 參考教材 1）新編材料力學，張少實主編，機械工業(yè)出版社。簡稱“ 教材1 ”。 2）材料力學計算機輔助課堂教學多媒體系統(tǒng)（MMCAI）， 張少實 主編。簡稱“ 教材 2 ”。 該參考教材突出了應力分析與應變分析難點和重點內容，用視頻、音頻、動畫、圖像、超文本等超媒體技術，不僅仿真了構件變形動態(tài)過程、變形最終結果、應力場等，而且還透視到構件內部，仿真內部點、線、面的位移或變形。 3）基于Internet的材料力學電子教材與教學圖形庫，張少實主編。簡稱“ 教材 3 ”。 4） 基于 Internet的材料力學網(wǎng)絡教學系統(tǒng)，張少實主編。簡稱“ 教材 4 ”。 5）材料力學多媒

13、體電子教程，張少實主編。簡稱“ 教材 5 ”。 3課程內容與體系總體設計 總的指導思想是：將教學思想與觀念改革、課程內容與體系改革、教學手段與方法改革融為一體，統(tǒng)一進行。用面向新世紀力學學科的新思想和新觀點，來審視、精選、強化、濃縮和重新組織經(jīng)典內容，更加滿足機械原理、零件和力學等后續(xù)課程對于力學基礎知識的需求；適當增加新內容，目的是為當代力學的先進成果和思想開辟窗口和開設接口。與傳統(tǒng)材料力學相比，課程內容與體系以及理論知識的表述手段上有如下改革： 1） 將以變形為課程主線的傳統(tǒng)體系改為以應力、應變分析為主線；引入取微元體的分析方法，從而加強應力、應變分析觀點；引入平衡微分方程、應力和位移邊界

14、條件、幾何方程、相容方程等彈性力學基本方程。 2）突出力學方程、幾何方程、物理方程這三大方程在求解力學問題時的普遍意義和本質所在。 3）將研究對象從一維桿件擴充到三維彈形體。同時闡述均勻與非均勻、連續(xù)與非連續(xù)、各向同性與各向異性、小變形與大變形、線性與非線性等關于研究對象的基本假設，從而恰當引入了彈性力學、塑性力學、 復合材料力學等學科的新觀點和新思想并為此開辟窗口或開設接口。 4）將傳統(tǒng)的桿件拉、壓、剪、扭、彎、組合變形等五個章節(jié)內容加以濃縮，突出平面假設，并揭示將這一問題作為三維問題的一個特例，再應用“平面假設”，從而得到問題解這一方法的本質所在。 5）徹底改變了書中插圖是線框圖形的傳統(tǒng)面

15、貌，代之而來的是運用計算機繪制的立體感與透明感很強的二維、三維圖形與圖像，這樣更有助于對理論知識做形象直觀描述；更能緊密聯(lián)系工程實際。 4作業(yè)量： 90-100題。 5成績考核 1）作業(yè)：5分 2）實驗：10分 以開放試驗為重點，將實驗課的教學目的從以往只是驗證理論改為在驗證理論的同時，引導學生初步了解和掌握當代科學技術和工程實際中 最先進的 實驗應力分析（如電測和光測等）的原理和方法；變原來課堂封閉式實驗為開放性試驗，適當增加具有綜合性、設計和研究性內容的實驗，在培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新觀念上下功夫。重點考核學生動手能力和創(chuàng)新思維能力。 3）電算大作業(yè)：10分 以梁的彎曲變形知識為基礎，以差分

16、法為基本方法，重點在于用計算機解大規(guī)模線性方程組。要求學生獨立建模、設計算法、編程、調試程序和計算出最終結果?？己藢W生綜合運用材料力學基礎知識和運用計算機的解題能力。 4）期中考試 25分, 期末考試50分。 考試以考核學生對基本知識理解程度和綜合運用能力為主，期末考試還增設一道綜合性較強，難度系數(shù)較大的附加題（ 10分）。答對加分，答錯不扣分，鼓勵學生創(chuàng)造性思維。 6分章教學實施 章節(jié) 教學目的 難點內容與講授重點 講授方式 參考教材 第 1章 材料力學的任務、研究對象和范圍 強度、剛度和穩(wěn)定性概念； 變形固體 講課 演示 CAI課件 教材 1 教材 2 教材 4 教材 5 第 2章 應力、

17、應力狀態(tài)概念和應力分析 變形體內部和邊界處所取微體的平衡 應力概念 一點應力狀態(tài)概念 二向應力狀態(tài)分析 -解析法 主應力、主方向、主切應力、主剪切面 平衡微分方程 應力邊界條件 講課 演示 CAI課件 網(wǎng)上自學 教材 1 教材 2 教材 4 第 3章 微體變形、應變及應變分析 應變與位移關系 變形的協(xié)調 應變概念 平面應變分析 -解析法 幾何方程 平面應變的相容方程 講課 1教材1 2教材3 3教材4 第 4章 各向異性、正交異性、各向同性線彈型材料應力應變關系 應變能 材料力學性質 各向同性線彈型材料廣義虎克定律 體變與形變應變能 低碳鋼與鑄鐵的拉伸與壓縮試驗 極限應力、許用應力、安全系數(shù)

18、1講課 2實驗 教材 1 教材 3 教材 5 第 5章 軸向拉伸與壓縮應力與變形 平面假設 應變能 靜不定 1講課 2演示CAI課件 3討論 上網(wǎng)自學 1教材1 教材 2 教材 4 教材 5 第 6章 扭轉應力與變形 平面假設 扭轉軸應力與變形 扭轉破壞現(xiàn)象分析 講課 演示 CAI課件 教材 1 教材 2 教材 4 第 7章 1彎曲應力與變形 平面假設 彎曲梁正應力 剪力彎曲梁切應力 彎曲中心 講課 討論 演示 CAI課件 1教材1 2教材2 教材 3 教材 4 教材 5 第 8章 1 復雜內力時桿件應力計算 疊加法求應力 彎扭 討論 演示 CAI課件 上網(wǎng)自學 教材 1 教材 2 教材 4

19、第 9章 1能量原理 桿件變形能 莫爾積分 互等定理 1講課 2上網(wǎng)自學 1教材1 2教材4 第 10章 靜不定系統(tǒng)及其解法 靜不定次數(shù) 力法、力法正則方程 對稱性問題 講課 討論 教材 1 教材 4 第 11章 1材料失效模式 強度理論 1強度理論概念 2常用的強度理論 1講課 討論 上網(wǎng)自學 1教材1 2教材4 第 12章 1桿件強度與剛度計算 1強度與剛度條件 2基本變形時桿件強度與剛度計算 1講課 討論 習題 1教材1 2教材2 教材 3 教材 5 第 13章 1聯(lián)接 1剪切與擠壓的概念 剪切與擠壓的實用計 算 1討論 2演示CAI課件 1教材1 2教材2 教材 5 第 14章 1彈塑

20、性變形 2極限載荷法 1彈塑性變形 極限載荷 殘余應力 1講課 討論 上網(wǎng)自學 1教材1 2教材4 第 15章 1疲勞 疲勞失效 材料疲勞極限 構件疲勞極限 疲勞強度條件 講課 演示 CAI課件 教材 1 教材 2 教材 4 第 16章 1壓桿穩(wěn)定 變形體穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡 歐拉公式 穩(wěn)定性計算 講課 討論 示 CAI課件 上網(wǎng)自學 1教材1 2教材2 3教材4 教材 5 改變傳統(tǒng)的“一本教材一支筆，一塊黑板一張口”的教學模式，應用多媒體技術，通過 演示課件，開展啟發(fā)式教學。教學過程中，要以學生為主體，改變過去那種喋喋不休的說教方法，讓學生多觀察、多思考，多分析，從而引導學生自己得出某些結論。開展課堂討論式授課方式，采取教師講解與師生共同討論相結合方式