南安普顿大学材料和结构课程

该课程涵盖了力学，静力学，动力学和材料的基础知识。在以后的部分中为这些领域中的所有后续课程提供坚实的基础，并为工程学的进一步发展打下基础。该课程在一定程度上包括五个相互依存的部分，涵盖了静力学，动力学和材料内容。

学习成果

①学科特定的实践技能

整理实验数据。

处理实验数据以得出具体结论。

进行有关结构行为和结构构件强度的计算。

在实验室中尝试理想化的结构形式。

②专业知识和研究技能

动力学1：

-开发粒子和刚体的轨迹方程。

-编写粒子和刚体的运动方程。

-将工作原理和能量原理应用于2D中的粒子和刚体。

-将冲量和动量原理应用于2D中的粒子和刚体。

静态2：

-在2D中执行应力和应变转换。

-应用莫尔圆解决应力和应变转换问题，并得出主应变/应力。

-解释使用应变片玫瑰花结的测量。

动力学2：

-开发简单的粒子和刚体轨迹方程。

-编写粒子和刚体的运动方程。

-将工作原理和能量原理应用于2D中的粒子和刚体。

-将线性脉冲和动量原理应用于粒子。

-确定单个自由度系统的自由振动和（协调）强迫振动。

-分析两个自由度系统的自由振动。

静态1：

-确定结构是静态确定的，不确定的还是机制。

-构造自由的车身图并使用它们来解决力学问题。

-计算在静态确定结构的支撑下的反应。

-计算由于弯曲和扭转引起的应力和应变。

-解决静态确定的平面桁架。

-计算并确定静力梁的内部作用图。

-计算由于梁的不同点弯曲而引起的挠度。

-计算弹性支柱的临界屈曲载荷。

-解释实验数据以推断结构或材料行为。

-评估理论假设是否得到实验室观察的支持。

材料：

-演示原子结构中的缺陷如何影响机械性能。

-将许多明显不同的材料过程的动力学与相同的基础过程（扩散）联系起来。

-解释强化机制如何在微观结构上发生，以及这与我们在工程结构中所需的整体机械性能有何关系。

-使用相图来解释微观结构的发展，从而解释合金的设计方式。

-分析故障问题并采用正确的断裂力学方法。

-展示非金属粘接如何导致非常不同的特性（例如陶瓷和聚合物）。

③知识和理解

动力学2：

-粒子运动学和动力学的基本概念。

-平面运动学和刚体动力学的基本概念。

-动能/势能（对于2D中的粒子和刚体）和冲动/动量（对于粒子）。

-能量守恒（对于2D中的粒子和刚体）和动量守恒（对于粒子）。

-集总参数质量，刚度和阻尼器模型的基本假设。

-1和2自由度系统的自由振动。

-使用频率响应函数来表示单个自由度系统的稳态振动。

静态1：

-内力和外力之间的区别，以及静态确定的结构，静态确定的结构和机制之间的差异。

-粒子和刚体的平衡条件，以及如何使用它们来计算静定结构支撑物上的反应。

-如何计算静定梁的内力和弯矩并绘制其图表。

-工程师的弯曲理论，以及如何使用该理论来确定由于弯曲引起的光束偏转。

-如何计算弯曲引起的剪切应力及其在梁中的分布。

-扭转构件的行为，以及如何计算扭转圆形截面中的应力。

-如何解决静态确定的平面桁架。

动力学1：

-粒子的运动学和动力学。

-刚体的平面运动学和动力学。

-部队完成的工作。

-2D中粒子和刚体的动能/势能和冲量/动量。

-二维中的粒子和刚体的能量和动量守恒。-质量可变的系统的运动。

-3D刚体动力学的基本概念。

静态2：

-2D / 3D中的应力和应变。自由边缘条件。

-应力和应变在2D中转换的方式。

-原理应力和应变的概念。

材料：

-材料特性及其控制的物理起源。

-在工程应用中，材料的属性决定其选择的方式。

该课程各部分的教学大纲如下。

静力学1（S1）：

基本概念：概念，单位，标量和矢量

修改静力（增加/分辨力，力矩），载荷/支撑的类型。

刚体的平衡。自由的身体图。静态确定性。

桁架：静态确定性，节点方法和截面方法。

应力，应变，弹性常数，胡克定律

梁：剪切力和弯矩图，微分关系

工程师的弯曲理论。区域的第一和第二时刻。

由于弯曲而引起的梁挠度，弯矩-曲率关系。

挠曲曲线的微分方程。集成解决方案。

梁的剪应力。剪切公式。实际部分中的剪应力分布。

圆形截面轴的扭转，极矩的面积。

弹性支柱的屈曲。不稳定的概念。欧拉公式，有效长度。

静力学2（S2）：

应力，应变，弹性常数，热应变，胡克定律（2D / 3D）

薄壁圆筒中的应力会受到内部压力的影响。

应力的二维分析。

使用莫尔圆进行应力转换。

主应力和应变

动力学1（D1）：

粒子动力学：直线运动和曲线运动；弹丸的运动；依赖和相对运动；牛顿定律；自由的身体图；运动方程。

粒子的功和能量：功和能量的原理；节能减排; 动力与效率

粒子的线性/角冲量和动量原理

质量可变系统的运动方程

二维刚体动力学：运动学关系，质心，质量惯性矩和运动方程，

刚体的功和能原理

刚体的线性/角冲量和动量原理

3D刚体运动简介

动力学2（D2）：

粒子动力学：直线运动和曲线运动；牛顿定律；自由的身体图；运动方程。

粒子的功和能量：功和能量的原理；节能减排。

粒子的线性冲量和动量原理

二维刚体动力学：运动学关系，质心，质量惯性矩和运动方程，

刚体的功和能原理

集总参数机械系统的基本假设以及等效质量，刚度和阻尼的概念

单自由度机械系统的自由振动分析，以土木和机械工程为例

单自由度系统的稳态强迫振动分析

频率响应函数（FRF）的定义

质量，刚度和阻尼控制行为

介绍多自由度系统，运动方程的推导以及它们的矩阵表示。随后的自由振动解决方案的模式和相应的固有频率。

材料（M）：

工程材料：金属，陶瓷，聚合物和复合材料。

基本原理：原子结构和原子间键合；电子，原子和分子；元素周期表；结合力和原子间力；结晶固体的结构；基本结构，晶胞；孔和格子；固体缺陷；点缺陷，线性缺陷，平面缺陷和体积缺陷；扩散。

机械性能：应力和应变；弹性; 拉伸性能 硬度; 加强机制；恢复，重结晶和晶粒长大。

微观结构及其控制：相图；热处理；沉淀硬化

金属失效：失效；断裂，脆性和韧性破坏；冲击和断裂韧性；疲劳; 蠕变。

非金属材料及其性能：陶瓷和玻璃；主要类别，性质和用途；聚合物 基本结构和键合；聚合；交叉链接；热塑性塑料和热固性塑料；复合材料 主要类别，属性和用途。

工程应用中的材料：案例研究