材料力学教学大纲 张少实.docx

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材料力学教学大纲张少实

材料力学教学大纲

第一部分大纲说明

一、本课和的性质

本课程为农业机械与自动化专业的专业必修课程之一。

二、本课程的教学目的

通过本课程学习，要求学生正确理解构件的强度、刚度、稳定性等基本概念以及平衡、几何、物理三类方程在求解力学问题时的重要作用。

能熟练地计算杆件的应力与变形以及分析其强度、刚度与稳定性的能力。

通过实验课教学，培养学生具有一定的创新性、综合性的实验能力。

三、本课程的课程内容与体系总体设计

总的指导思想是：

将教学思想与观念改革、课程内容与体系改革、教学手段与方法改革融为一体，统一进行。

用面向新世纪力学学科的新思想和新观点，来审视、精选、强化、浓缩和重新组织经典内容，更加满足机械原理、零件和力学等后续课程对于力学基础知识的需求；适当增加新内容，目的是为当代力学的先进成果和思想开辟窗口和开设接口。

与传统材料力学相比，课程内容与体系以及理论知识的表述手段上有如下改革：

1．将以变形为课程主线的传统体系改为以应力、应变分析为主线；引入取微元体的分析方法，从而加强应力、应变分析观点；引入平衡微分方程、应力和位移边界条件、几何方程、相容方程等弹性力学基本方程。

2．突出力学方程、几何方程、物理方程这三大方程在求解力学问题时的普遍意义和本质所在。

3．将研究对象从一维杆件扩充到三维弹形体。

同时阐述均匀与非均匀、连续与非连续、各向同性与各向异性、小变形与大变形、线性与非线性等关于研究对象的基本假设，从而恰当引入了弹性力学、塑性力学、复合材料力学等学科的新观点和新思想并为此开辟窗口或开设接口。

4．将传统的杆件拉、压、剪、扭、弯、组合变形等五个章节内容加以浓缩，突出平面假设，并揭示将这一问题作为三维问题的一个特例，再应用“平面假设”，从而得到问题解这一方法的本质所在。

5．彻底改变了书中插图是线框图形的传统面貌，代之而来的是运用计算机绘制的立体感与透明感很强的二维、三维图形与图像，这样更有助于对理论知识做形象直观描述；更能紧密联系工程实际。

四、课程考核方法与要求

本课程考核采用闭卷考试的形式。

期末考试成绩占70%，平时成绩占30%（包括期中测试、平时作业和课堂提问等）。

命题要求覆盖大纲，题型灵活，难易适中。

着重考查学生对基本概念的掌握和分析问题的能力，以及一定的计算能力。

五、本课程的学时分配

课程理论学时为64，周学时4，开课学期为第5学期。

实验课8学时。

大纲中带※号的内容不是必讲的，未计入学时之内。

第一章绪论2学时

第二章应力状态分析6学时

第三章应变状态分析4学时

第四章材料力学性质应力应变关系6学时

第五章轴向拉伸与压缩4学时

第六章扭转4学时

第七章弯曲10学时

第八章复杂内力时杆件应力计算4学时

第九章能量原理6学时

第十章静不定结构4学时

第十一章材料失效及强度理论2学时

第十二章杆件的强度与刚度计算6学时

第十五章疲劳2学时

第十六章压杆稳定4学时

六、本课程大纲编写的执笔人

执笔人：

张秀平

审核人：

大学物理教研室

第二部分教学内容与教学目标

一、教学内容及要点

第一章绪论（2学时）

1.教学目的

使学生了解本课程的任务，研究对象及范围；使学生认识到材料力学与工程实际的密切关系；通过我国古代材料力学简史，激发学生的民族精神和学习热情。

由工程实际问题启发讲授：

由常见的工程实例（如车床主轴，桥式吊车主梁和钢丝绳吊钩等）启发学生讨论提高承载能力问题。

由简单的劈木材问题，启发学生得出各向异性得结论。

2.教学重点

变形固体及其基本假设

3.教学难点

变形固体及其基本假设

4.课程的主要内容及学时安排

1.1构件的强度、刚度及稳定性（0.5学时）

1.2变形固体及其基本假设（0.5学时）

连续与非连续，均匀与非均匀，各向同性与各向异性

1.3外力及其分类（0.5学时）

静载荷与动载荷，体积力与表面力，分布力与集中力

1.4变形与位移（0.5学时）

弹性变形与塑性变形，大变形与小变形，变形与位移

我国古代材料力学史简介

第二章应力状态分析（6学时）

1.教学目的

通过本章学习，掌握应力状态的概念及其研究方法；会从受力杆件中截取单元体并标明单元体上的应力情况；会计算平面应力状态下斜截面上的应力；掌握平面应力状态和特殊空间应力状态下的主应力、主方向的计算，并会排列主应力的顺序。

2.教学重点

平面应力状态下斜截面上的应力计算，主应力及主方向的计算，最大剪应力的计算。

3.教学难点

（1）应力状态的概念，从具体受力杆件中截面单元体并标明单元体上的应力情况。

（2）斜截面上的应力计算公式中关于正负符号的约定。

（3）应力主平面、主应力的概念，主应力的大小、方向的确定。

4.课程的主要内容及学时安排

2.1内力（1学时）

内力的概念，内力的求法，内力的例题解析

2.2应力的概念正应力与切应力（0.5学时）

2.3一点的应力状态切应力互等定律（0.5学时）

单元体，一点的应力状态表示，切应力互等定律，三向、二向、单向、纯剪切应力状态。

2.4二向应力状态分析—解析法（2学时）

任意斜截面的应力，主应力、主方向，主切应力、主剪切面，二向应力状态分析解析法的例题解析

2.5二向应力状态分析—图解法（2学时）

应力圆，应力圆与单元体对应关系讨论，二向应力状态分析图解法典型例题的分析讨论。

2.6三向应力状态分析（简介）※

求一个主应力方向已知的三向应力状态的主应力例题。

三向应力状态的应力圆与主切应力

第三章应变状态分析（4学时）

1.教学目的

与应力类比来说明应变的概念。

推导演绎应变与位移的关系式。

使学生真正理解应变的概念，应变与位移的区别，能解决工程实际问题。

2.教学重点

平面应变分析的解析法。

3.教学难点

平面应变分析的解析法。

4.课程的主要内容及学时安排

3.1应变的概念（0.5学时）

应变的概念，线应变与切应变

3.2位移与应变的关系几何方程（1学时）

3.3应变协调条件相容方程（0.5学时）

3.4平面应变分析的解析法（2学时）

任意斜截面的应变，主应变主应变方向。

应变测量及工程应用。

第四章材料的力学性能应力应变关系（6学时）

1.教学目的

通过不同材料（如钢和木材）在相同应力作用下，破坏先后不同，启发学生得出构件得强度与材料性能有关的结论。

学生由各向异性材料自己简化推出各向同性材料的胡克定律。

掌握具有胡克定律，弹性模量与泊松比的概念；理解低碳钢和铸铁，作为两种典型的材料，在拉伸和压缩试验时的性质。

了解塑性材料和脆性材料的区别。

2.教学重点

胡克定律

3.教学难点

基本无难点

4.课程的主要内容及学时安排

4.1材料的力学性能与基本实验（0.5学时）

4.2轴向拉伸与压缩试验（1.5学时）

低碳钢拉伸、压缩试验（比例、弹性、屈服、强度极限，延伸率，断面收缩率，冷作硬化），铸铁拉伸、压缩试验。

4.3常见工程材料的应力-应变曲线介绍讨论（0.5学时）

4.4应力松弛与蠕变（0.5学时）

4.5各向同性材料的广义胡克定律（1学时）

单应力状态下虎克定律、泊松比，广义胡克定律，典型例题分析讨论及工程应用

4.6体积应变与形状应变、应变能（1.75学时）

4.7各向同性材料弹性常数间的关系（0.25学时）

4.8各向异性材料应力—应变关系※

第五章轴向拉压（4学时）

1.教学目的

（1）掌握轴向拉伸与压缩基本概念；

（2）熟练掌握用截面法求轴向内力及内力图的绘制；（3）熟练掌握横截面上的应力计算方法，掌握斜截面上的应力计算方法；（4）能熟练地计算轴向拉压情况下杆的变形；（5）了解静不定问题的定义，判断方法，掌握求解静不定问题的三类方程（条件）：

平衡方程，变形协调条件和胡克定律，会求解简单的拉压静不定问题；（6）了解温度应力和装配应力。

2.教学重点

（1）轴向拉伸与压缩的概念和工程实例；

（2）用截面法计算轴向力，轴向力图；（3）横截面和斜截面上的应力；（4）轴向拉伸和压缩是的变形；（5）许用应力、安全系数和强度条件，刚度条件；（6）材料在拉伸和压缩时的力学性能；（7）塑性材料和脆性材料性质的比较；（8）拉压静不定问题。

3.教学难点

拉压静不定问题中的变形协调条件。

通过讲解原理，多举例题，把变形协调条件的形式进行归类来解决。

讲解静定与静不定问题的判断方法。

4.课程的主要内容及学时安排

5.1轴向拉压杆的内力（0.75学时）

（1）内力的含义

（2）材料力学研究的内力——附加内力

5.2轴向拉压杆的应力（0.75学时）

变形观察及平面假设、应力公式。

5.3圣维南原理、应力集中（0.5学时）

圣维南原理、应力集中。

5.4轴抽拉压的杆的变形变形能（1学时）

轴向拉、压变形与变形能的计算，例题

5.5轴向拉压静不定问题（1学时）

轴向拉压静不定问题的一般解法；温度应力、装配应力，工程应用。

5.6构件受惯性力作用时的应力计算※

第六章扭转（4学时）

1.教学目的

（1）掌握扭转的概念；

（2）熟练掌握扭转杆件的内力（扭矩）计算和画扭矩图；（3）了解切应力互等定理及其应用，剪切胡克定律与剪切弹性模量；（4）熟练掌握扭转杆件横截面上的切应力计算方法和扭转强度计算方法；（5）熟练掌握扭转杆件变形（扭转角）计算方法和扭转刚度计算方法；（6）了解低碳钢和铸铁的扭转破坏现象并进行分析；（7）了解矩形截面杆和薄壁杆扭转计算方法。

2.教学重点

（1）扭转的概念和工程实例；

（2）扭转杆件的内力（扭矩）计算,扭矩图；（3）切应力互等定理,剪切胡克定律;（4）扭转杆件横截面上的切应力,扭转强度条件；（5）扭转杆件变形（扭转角）计算，刚度条件；（6）圆轴受扭破坏分析。

3.教学难点

切应力互等定理，横截面上切应力公式的推导，扭转变形与剪切变形的区别，扭转切应力连接件中切应力的区别。

通过讲解，多媒体的动画演示扭转与剪切的变形和破坏情况，以及讲解例题来解决。

4.课程的主要内容及学时安排

6.1扭转杆件的内力（0.5学时）

6.2圆轴扭转横截面上的切应力（0.5学时）

杆件横截面上的内力—扭矩、扭矩图，变形观察及平面假设。

圆轴扭转横截面上的切应力分布及公式，例题分析。

6.3圆轴扭转破坏模式的分析（1学时）

圆周扭转破坏模式分析

6.4圆轴扭转变形与变形能（0.5学时）

圆轴扭转变形与变形能的计算

6.5非圆截面杆扭转（0.75学时）

非圆截面杆扭转

6.6薄壁杆件的自由扭转剪力流（0.75学时）

第七章弯曲（10学时）

1.教学目的

（1）掌握弯曲变形与平面弯曲等基本概念；

（2）熟练掌握用截面法求弯曲内力；（3）熟练列出剪力方程和弯矩方程并绘制剪力图和弯矩图；（4）利用载荷集度、剪力和弯矩间的微分关系绘制剪力图和弯矩图；（5）掌握叠加法绘制剪力图和弯矩图。

（6）掌握梁纯弯曲时横截面上正应力计算公式的推导过程，理解推导中所作的基本假设。

（7）理解横力弯曲正应力计算仍用纯弯曲公式的条件和近似程度。

（8）掌握中性层、中性轴和翘曲等基本概念和含义。

（9）掌握各种形状截面梁（矩形、圆形、圆环形、工字形）横截面上切应力的分布和计算。

（10）熟练弯曲正应力和剪应力强度条件的建立和相应的计算。

（11）理解等强度梁的概念。

（12）确定薄壁杆件切应力流的方向。

（13）理解弯曲中心对开口薄壁杆件的重要性，掌握确定弯曲中心的方法。

（14）掌握求梁变形的两种方法：

积分法和叠加法，明确叠加原理的使用条件，掌握用变形比较法求解静不定梁。

2.教学重点

（1）平面弯曲的概念；

（2）剪力和弯矩，剪力和弯矩的正负符号规则；（3）剪力图和弯矩图；（4）剪力、弯矩和载荷集度的微分、积分关系；（5）叠加法绘制剪力图和弯矩图；（6）纯弯曲梁横截面上正应力公式的分析推导；（7）横力弯曲横截面上正应力的计算，最大拉应力和最大压应力的计算；（8）弯曲横截面上的剪应力；（9）梁的变形分析；（10）挠曲线近似微分方程；（11）积分法求梁的变形；（12）叠加法求梁的变形；（13）用变形比较法解简单超静定梁。

重点处理：

从弯曲变形的特点出发，让学生了解两个应力的分布规律，并对两个应力的分布进行对比，加强学生理解和记忆。

分析弯曲正应力、剪应力公式中各项的意义，计算方法，结合T型截面梁铸铁梁.这一典型问题分析，并在作业中进一步强化训练。

3.教学难点

（1）平面弯曲的概念；

（2）剪力和弯矩，剪力和弯矩的正负符号规则；（3）剪力图和弯矩图；（4）剪力、弯矩和载荷集度的微分、积分关系；（5）叠加法绘制剪力图和弯矩图；（6）弯曲正应力、剪应力推导过程和弯曲中心的概念。

（7）梁的变形分析；（8）挠曲线近似微分方程；（9）积分法求梁的变形；（10）叠加法求梁的变形；（11）用变形比较法解简单超静定梁。

难点处理：

结合梁弯曲变形的特点，推导两个应力公式，在推导中，充分利用前面的知识，发挥学生的主动性，让学生自己选择解决方法，加强学生对内容的掌握。

对照

的推导消化难点，以学生理解这一推导思路。

结合纯弯曲的条件和两个方向平面弯曲理解弯曲中心。

4.课程的主要内容及学时安排

7.1梁的内力—剪力与弯矩（1学时）

平面弯曲的内力—剪力与弯矩

7.2剪力图与弯矩图（1学时）

7.3载荷、剪力、弯矩间的微分关系（1学时）

载荷、剪力、弯矩间的微分关系，利用微分关系作图。

附录A截面的几何性

7.4纯弯曲梁横截面上的正应力（1学时）

变形观察及平面假设、纯弯曲梁横截面上的正应力分布及应力公式

7.5有关弯曲的讨论（0.5学时）

正应力公式及曲率公式的推广例题

7.6弯曲切应力（1.5学时）

矩形截面梁的基本假设、弯曲切应力公式，工字形、圆形、环形截面梁的切应力例题

7.8梁的弹性弯曲变形，弹性曲线微分方程（1学时）

平面弯曲梁的变形、挠度与转角，挠曲线近似微分方程

7.9直接积分法求变形（1学时）

7.10叠加法求变形（2学时）

叠加法求变形。

第八章组合内力时杆件的应力计算（4学时）

1.教学目的

（1）掌握组合变形的概念；

（2）掌握斜弯曲、弯扭、拉（压）弯、偏心拉伸（压缩）等组合变形形式的概念和区分、危险截面和危险点的确定、应力计算、强度计算、变形计算、中性轴的确定等；（3）正确区分斜弯曲和平面弯曲；（4）了解截面核心的概念、常见截面的截面核心计算。

2.教学重点

斜弯曲、弯扭、拉（压）弯、偏心拉伸（压缩）等组合变形形式的应力和强度计算。

3.教学难点

（1）解决组合变形问题最关键的一步是将组合变形分解为两种或两种以上的基本变形：

斜弯曲——分解为两个形心主惯性平面内的平面弯曲；

弯曲和扭转组合变形——分解为平面弯曲和扭转；

拉伸（压缩）和弯曲组合变形——分解为轴向拉伸（压缩）和平面弯曲（因剪力较小通常忽略不计）；

偏心拉伸（压缩）组合变形——单向偏心拉伸（压缩）时，分解为轴向拉伸（压缩）和一个平面弯曲，双向偏心拉伸（压缩）时，分解为轴向拉伸（压缩）和两个形心主惯性平面内的平面弯曲。

（2）组合变形的强度计算，可归纳为两类：

①危险点为单向应力状态：

斜弯曲、拉（压）弯、偏心拉伸（压缩）组合变形的强度计算时只需求出危险点的最大正应力并与材料的许用正应力比较即可；

②危险点为复杂应力状态：

弯扭组合变形的强度计算时，危险点处于复杂应力状态，必须考虑强度理论。

4.课程的主要内容及学时安排

8.1斜弯曲（1.5学时）

斜弯曲变形、斜弯曲的应力计算、斜弯曲的应力计算例题

8.2偏心拉压变形的应力计算（1.5学时）

截面核心

8.3弯曲与扭转的组合应力（1学时）

弯曲与扭转的组合应力例题分析

第九章能量原理（6学时）

1.教学目的

理解虚功、内力的虚功，掌握虚功原理和莫尔定理、形互乘法，并能应用其原理解相关力学问题。

理解功能原理，掌握杆件变形能的计算方法。

掌握用莫尔定理求结构位移的方法。

理解并掌握用能量法解超静定问题的方法。

2.教学重点

虚功原理和莫尔定理、图形互乘法。

3.教学难点

用虚功原理和莫尔定理、图形互乘法解相关力学问题。

4.课程的主要内容及学时安排

9.1虚功、内力的虚功（1学时）

9.2虚功原理（1学时）

9.3莫尔定理（2学时）

莫尔定理的应用

9.4图形互乘法（1.5学时）

图形互乘法例题分析

9.5虚功原理应用于不变形固体※

9.6构件受冲击时的应力与变形（0.5学时）

构件受冲击时的应力与变形例题分析

第十章超静定结构（4学时）

1.教学目的

理解超静定结构中的一些基本概念，即：

静定与超静定、超静定次数、多余约束、超静定系统（结构）、基本静定系以及相当系统等。

熟练掌握用力法求解超静定结构。

掌握对称与反对称性质并能熟练应用这些性质求解超静定结构。

了解连续梁的概念以及三弯矩方程。

2.教学重点

一次静不定结构的力法正则方程

3.教学难点

用力法求解超静定结构。

4.课程的主要内容及学时安排

10.1静不定结构的概念及其分析方法（1学时）

10.2用力法分析超静定问题（2学时）

一次静不定结构的力法正则方程。

10.3具有对称与反对称性的超静定结构（1学时）

10.4连续梁※

第十一章材料失效及强度理论（2学时）

1.教学目的

掌握强度理论的概念。

了解材料的两种破坏形式（按破坏现象区分）。

了解常用的四个强度理论的观点、破坏条件、强度条件。

掌握常用的四个强度理论的强度理论的观点、破坏条件、强度条件和相当应力。

了解莫尔强度理论的基本观点。

会用强度理论对一些简单的杆件结构进行强度计算。

2.教学重点

强度理论的概念、常用的四个强度理论的观点、强度条件及其强度计算。

3.教学难点

常用四个强度理论的理解；危险点的确定及其强度计算。

4.课程的主要内容及学时安排

11.1常用工程材料失效模式及强度理论概念（0.25学时）

11.2关于断裂的强度理论（0.5学时）

11.3关于屈服的强度理论（0.5学时）

11.4莫尔强度理论（0.25学时）

11.5强度条件与强度计算（0.5学时）

第十二章构件的强度与刚度设计（6学时）

1.教学目的

掌握强度计算与刚度计算，能够计算拉压杆、扭转杆和梁的强度和刚度的计算。

2.教学重点

拉压杆、扭转杆和梁的强度和刚度的计算

3.教学难点

梁的强度、刚度计算

4.课程的主要内容及学时安排

12.1强度计算与刚度计算（0.5学时）

12.2拉、压杆的强度计算，轴的强度、刚度计算（0.5学时）

12.3扭转杆件的强度计算，轴的强度、刚度计算（1学时）

12.4梁的强度、刚度计算（2学时）

12.5组合内力时杆件的强度与刚度的计算（1学时）

12.6提高杆件强度与刚度的一些具体措施（1学时）

第十五章疲劳与断裂（2学时）

1.教学目的

掌握杆件的疲劳失效；材料疲劳极限；构件疲劳极限和疲劳强度条件。

2.教学重点

疲劳的概念与材料的疲劳极限

3.教学难点

影响疲劳极限的主要因素

4.课程的主要内容及学时安排

15.1交变应力及其描述（0.5学时）

15.2疲劳的概念与材料的疲劳极限（0.5学时）

15.3影响疲劳极限的主要因素（0.5学时）

15.4疲劳强度计算（0.5学时）

第十六章压杆的稳定（4学时）

1.教学目的

深入理解弹性平衡稳定性的概念；熟练应用压杆的临界力公式，掌握杆端约束对临界力的影响；压杆的分类与临界应力曲线；掌握压杆稳定性计算的方法。

2.教学重点

稳定的概念，两端铰支细长压杆的欧拉临界力，杆端约束的影响，临界应力总图，压杆稳定性计算。

3.教学难点

欧拉临界力公式压杆的分类压杆稳定性计算

4.课程的主要内容及学时安排

16.1压杆稳定性的概念（1学时）

16.2欧拉公式（1学时）

不同杆端约束细长压杆的临界力，例题

16.3欧拉公式的适用范围（1学时）

经验公式，稳定条件。

16.4关于压杆稳定性的进一步讨论※

16.5中心加载压杆稳定性计算（1学时）

稳定性条件

二、复习思考题

见学生使用教材课后思考题

三、推荐教材和参考书

教材：

《新编材料力学》，张少实主编，机械工业出版社。

简称“教材1”

参考书：

1.刘锋，禹奇才主编，工程力学（材料力学部分），华南理工大学出版社，2002年8月。

2.刘鸿文主编，材料力学，高等教育出版社，1996年9月。

3.孙训方，方孝淑，关来泰编，材料力学，高等教育出版社，1998年2月。

4.武际可，力学史，重庆出版社，2000年1月。

5.范钦珊主编，工程力学教程（Ⅰ），高等教育出版社，1998年8月。

6.薛明德主编，力学与工程技术的进步，高等教育出版社，2001年7月。

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