工程结构或者机械中的单个组成部分称为构件,如房屋建筑中的梁、机器中的轴等。

当结构或机械工作时,构件将会受到载荷作用。在设计构件时,首先就要分析构件受哪些外力并计算其大小和方向。第一篇静力学的知识可以解决这类问题。

在载荷作用下,构件有抵抗破坏的能力,但这种能力是有限度的。另外,在载荷作用下,构件的尺寸和形状也会发生变化,称为变形。构件的变形可分为两类:一类是随着外力的解除可以恢复的变形,称为弹性变形;另一类为即便外力解除后也不能恢复从而残留下来的变形,称为塑性变形或残余变形。当构件受到的作用力过大时,构件会产生断裂或者产生显著的塑性变形。通常,这些在工程中是不被允许的。实践中还发现,有的构件在外力作用下会发生不能保持其原有平衡形式的现象。例如,一根细长的直杆,当所受的压力超过某个值时会突然变弯,而且是比较显著的弯曲变形。

针对以上情况,为了保证结构及机械的正常工作,构件应有足够的能力承担其设计载荷。因此,构件承载能力应当满足以下要求。

(1)强度要求　强度是指构件抵抗破坏的能力。构件在规定的设计载荷作用下要具备不被破坏的能力。例如,房屋的梁不可被压断。

(2)刚度要求　刚度是指构件抵抗变形的能力。构件在规定的设计载荷作用下不可产生过大的变形。例如,齿轮轴如果变形过大,齿轮和轴承的磨损会不均匀,从而引起噪声;机床主轴变形过大,会影响加工精度。(www.daowen.com)

(3)稳定性要求　稳定性就是构件保持原有平衡形式的能力。构件在规定的设计载荷作用下要有足够的保持原有平衡形式的能力。例如,内燃机的挺杆是受压力作用的细长杆,应始终保持原有的直线平衡形式,保证不被压弯。

安全与经济在工程设计中往往是一对矛盾。一方面,如果设计的构件横截面尺寸小、形状不合理,或者选材不当,那它就无法满足上述要求,从而也就不能保证构件安全工作;另一方面,也不能随意加大横截面尺寸或者选用优质材料,这样虽能够满足上述要求,却增加了成本,经济性差。材料力学通过研究构件在外力作用下变形与破坏(包括失效)的规律,为设计既经济又安全的构件提供有关强度、刚度与稳定性分析的理论基础和计算方法。

思政提示

构件工作时,必须满足强度要求、刚度要求和稳定性要求。合格的工程师不仅要具备出色的专业技能,能够按照岗位和责任要求完成任务,更要具备朴实纯粹的爱国爱家品格,为国家和社会发展作贡献。