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三、材料力学的基本任务
机械与工程结构通常是由若干个零部件构成的,我们把构成它们的每一个组成部分统称为构件。如机械的轴,房屋的梁、柱子等。在机械或工程结构工作时,有关构件将受到力的作用,因而会产生几何形状和尺寸的改变,称为变形。若这种变形在外力撤除后能完全消除,则称之为弹性变形;若这种变形在外力撤除后不能消除,则称之为塑性变形(或永久变形)。为了保证机械或工程结构能正常工作,则要求每一个构件都具有足够的承受载荷的能力,简称承载能力。构件的承载能力通常由以下3个方面来衡量:
(1) 强度:构件抵抗破坏(断裂或产生显著塑性变形)的能力称为强度。构件具有足够的强度是保证其正常工作最基本的要求。例如,构件工作时发生意外断裂或产生显著塑性变形是不容许的。
(2) 刚度:构件抵抗弹性变形的能力称为刚度。为了保证构件在载荷作用下所产生的变形不超过许可的限度,必须要求构件具有足够的刚度。例如,如果机床主轴或床身的变形过大,将影响加工精度;齿轮轴的变形过大,将影响齿与齿间的正常啮合等。
(3) 稳定性:构件保持原有平衡形式的能力称为稳定性。在一定外力作用下,构件突然发生不能保持其原有平衡形式的现象,称为失稳。构件工作时产生失稳一般也是不容许的。例如,桥梁结构的受压杆件失稳将可能导致桥梁结构的整体或局部塌毁。因此,构件必须具有足够的稳定性。
构件的设计,必须符合安全、实用和经济的原则。材料力学的任务是:在保证满足强度、刚度和稳定性要求(安全、实用)的前提下,以最经济的代价,为构件选择适宜的材料,确定合理的形状和尺寸,并提供必要的理论基础和计算方法。
一般说来,强度要求是基本的,只是在某些情况下才提出刚度要求。至于稳定性问题只是在特定受力情况下的某些构件中才会出现。
材料的强度、刚度和稳定性与材料的力学性能有关,而材料的力学性能主要由实验来测定;材料力学的理论分析结果也应由实验来检验;还有一些尚无理论分析结果的问题,也必须借助于实验的手段来解决。所以,实验研究和理论分析同样是材料力学解决问题的重要手段。