西南石油大学研究生课件：材料力学导论（李德恒老师）．

材料力学导论欢迎参加西南石油大学研究生经典课程《材料力学导论》，本课程由石油与天然气工程学院李德恒教授主讲作为石油工程专业的核心基础课程，材料力学为学生提供了理解材料在外力作用下力学行为的基本理论框架本课程将系统介绍材料力学的基本概念、分析方法和工程应用，特别注重在石油工程领域的实际应用通过理论学习、案例分析和实践训练相结合的方式，培养学生分析和解决复杂工程力学问题的能力课程概述材料力学重要性1材料力学是机械、土木、石油等工程学科的重要基础课程，为工程设计和安全评估提供理论支撑教学目标设定2掌握材料力学基本理论，培养分析工程实际问题的能力，为专业课程学习奠定坚实基础考核方式安排3采用平时作业、期中考试、期末考试和课程设计相结合的综合评价模式学习要求期望4要求学生具备扎实的数学物理基础，积极参与课堂讨论，注重理论与实践的结合第一部分材料力学基础力学基本概念材料性质分类分析方法体系应力应变基础建立对力、力矩、约束等基了解不同材料的力学特性，掌握材料力学分析的基本方理解应力和应变的基本概本力学概念的清晰认识，为包括弹性、塑性、脆性等基法，包括静力学平衡、几何念，建立材料受力变形的基后续学习打下理论基础本性质变形协调等本认知框架材料力学的历史发展古代工程实践1从古代建筑、桥梁工程中体现的朴素材料力学思想，为现代理论发展提供了丰富的实践基础近代理论形成218-19世纪欧洲工业革命推动了材料力学理论的系统化发展，建立了经典的理论体系现代研究进展320世纪以来，随着新材料和计算技术的发展，材料力学研究进入了多尺度、多物理场耦合的新阶段石油工程应用4石油工业的发展推动了材料力学在深井钻探、高压管道、海洋工程等特殊环境下的应用研究材料力学的研究对象固体材料力学性质工程材料力学行为研究各种固体材料在外力作用下针对工程实际应用中的材料，研的变形、破坏规律，建立材料本究其在复杂应力状态下的力学响构关系模型包括金属、非金应特征重点关注材料的强度、属、复合材料等不同类型材料的刚度、稳定性等工程设计关键参力学特性分析数外力作用下响应分析材料在静载、动载、冲击载荷等不同加载条件下的变形和破坏机理研究应力集中、疲劳、蠕变等复杂力学现象材料力学与相关学科的关系理论力学基础材料科学交叉静力学和动力学原理为材料力学提供了基本材料微观结构与宏观力学性能的关系研究促的力学分析框架进了学科交叉发展石油工程结合结构力学拓展在钻井、完井、采油等石油工程实践中的具从杆件力学扩展到复杂结构系统的力学分析体应用和发展和设计应力的基本概念应力定义应力分量正应力与切应力应力是单位面积上在三维坐标系中，的内力，反映了材应力包括三个正应正应力垂直于截料内部的受力强力分量和六个切应面，产生拉伸或压度，是材料力学分力分量，构成完整缩变形；切应力平析的基本物理量的应力状态描述行于截面，产生剪切变形主应力理论主应力是特殊方向上只有正应力的应力状态，主应力不变量是材料破坏判断的重要依据应力状态分析平面应力一个方向应力为零的简化分析情况三维应力完整的空间应力状态数学表达莫尔圆应用图解法求解主应力和最大切应力数学描述应力张量的矩阵表示和坐标变换应变的基本概念应变测量技术应变分量分析现代工程中采用应变片、光学测量、数字应变定义理解在三维空间中，应变包括三个线应变分量图像相关等先进技术测量应变准确的应应变是材料变形程度的量度，反映了材料和三个角应变分量通过应变分量的组变测量是验证理论分析和指导工程设计的在外力作用下的几何变化线应变表示长合，可以完整描述材料任意点的变形状重要手段度变化，角应变表示角度变化，是描述材态料变形的基本参数应变状态分析平面应变一个方向应变为零的简化情况1体应变分析2材料体积变化的定量描述协调方程3应变分量间的几何约束关系变换关系4不同坐标系下应变分量转换胡克定律νE弹性模量泊松比材料抵抗弹性变形的能力指标横向应变与纵向应变的比值G剪切模量材料抵抗剪切变形的刚度参数胡克定律建立了弹性材料应力与应变之间的线性关系，是材料力学分析的基础对于各向同性材料，只需要两个独立的弹性常数就能完全描述其弹性性质这一规律在小变形范围内具有很好的适用性，为工程设计提供了简洁而有效的分析工具应力应变关系-弹性阶段1应力应变呈线性关系屈服塑性2材料开始产生永久变形强化软化3塑性变形过程中的力学特性破坏失效4材料最终失去承载能力应力-应变曲线是材料力学性能的重要表征，反映了材料从弹性变形到塑性变形直至破坏的全过程不同材料具有不同的曲线特征，工程设计中需要根据材料的应力-应变关系选择合适的设计准则和安全系数第二部分简单受力构件分析轴向拉压扭转变形构件沿轴线方向受力的基本情况，是最构件绕轴线扭转时产生的切应力和角变简单的受力状态形分析组合变形弯曲构件多种基本变形同时作用的复杂受力情况梁在横向力作用下的弯曲正应力和挠度分析计算轴向拉压构件拉伸压缩特征轴向拉压是最基本的受力形式，构件沿轴线方向受到拉伸或压缩力作用，产生均匀的正应力分布应力应变计算正应力等于轴力除以截面面积，轴向应变等于伸长量除以原长，计算方法简洁明确变形刚度分析轴向变形与材料弹性模量、构件几何尺寸密切相关，刚度分析为结构设计提供重要依据石油管柱应用钻杆、套管等石油管柱在自重和井内压力作用下的轴向受力分析是石油工程的重要应用轴向拉压中的应力分析均匀截面应力变截面应力集中原理工程安全系数St.Venant对于等截面直杆，轴向拉压当构件截面发生突变时，在载荷作用方式的局部效应只考虑材料性能的分散性、载时正应力在截面上均匀分截面变化处会产生应力集中在载荷作用区域附近产生影荷的不确定性以及计算模型布，应力值等于轴力与截面现象应力集中系数的确定响，距离载荷作用点较远处的近似性，工程设计中需要面积的比值这种理想化的对于准确评估构件的实际应的应力分布主要取决于载荷采用适当的安全系数确保结应力分布为工程计算提供了力水平具有重要意义的合力和合力矩构安全简化模型轴向拉压构件的强度设计许用应力确定基于材料的屈服强度或抗拉强度，考虑安全系数确定许用应力值，为强度设计提供判断标准截面尺寸设计根据承受的轴向载荷和许用应力，计算所需的最小截面面积，确定构件的几何尺寸安全系数选择石油工程中考虑复杂的工作环境和载荷条件，安全系数的选择需要综合考虑多种不确定因素优化设计方法在满足强度要求的前提下，通过优化截面形状和尺寸，实现材料用量最少的经济设计扭转构件的力学分析圆轴扭转特点切应力分布规律圆形截面轴在扭矩作用下发生扭扭转时切应力沿半径方向线性变转变形，截面保持平面且绕轴线化，轴心处为零，最外表面达到旋转扭转变形主要表现为切应最大值切应力方向垂直于半变，不同半径处的切应变呈线性径，形成圆形应力分布模式分布扭转角计算扭转角与扭矩、材料剪切模量、截面极惯性矩和构件长度相关扭转刚度是评估构件抗扭能力的重要指标扭转构件的应力分析纯扭转状态理想纯扭转下，截面上只存在切应力，且切应力方向与半径垂直最大切应力发生在截面边缘，等于扭矩与抗扭截面系数的比值临界应力材料开始屈服时的临界切应力值，是扭转强度设计的重要参数疲劳失效循环扭转载荷下的疲劳破坏机理和寿命预测方法扭转构件的强度设计扭矩传递能力尺寸设计计算钻具强度设计根据材料的许用切应力和基于工作扭矩和强度条石油钻具在钻井过程中承截面抗扭截面系数，确定件，计算所需的截面尺受复杂的扭转载荷，强度构件能够安全传递的最大寸空心轴相比实心轴具设计需要考虑钻压、转扭矩扭矩传递能力是旋有更好的抗扭性能重量速、井况等多种因素的影转机械设计的核心参数比，在工程中应用广泛响复合材料特性复合材料钻杆具有高强度、轻质量的优点，但其扭转特性与传统钢材存在差异，需要专门的设计方法弯曲构件的力学分析正应力分布纯弯曲特征弯曲正应力沿截面高度线性分布，中性轴处为零梁在弯矩作用下发生弯曲变形，平面截面保持平面的假设中性层概念弯曲时不发生伸缩变形的纤维层，确定正应力分布的基准横向剪应力曲率半径剪力作用下产生的切应力，在截面上呈抛物线分布弯曲变形程度的几何量度，与弯矩和截面刚度相关弯曲构件的应力分析弯曲应力公式推导基于平面截面假设和材料的线弹性关系，推导出弯曲正应力计算公式正应力与弯矩成正比，与惯性矩成反比，与距中性轴距离成正比截面特性参数计算截面惯性矩、抗弯截面系数等几何特性参数的计算方法不同截面形状具有不同的抗弯能力，工字形截面抗弯效率最高横向剪力效应分析剪力作用下的切应力分布规律，矩形截面剪应力呈抛物线分布，最大值出现在中性轴处剪应力对短粗梁的影响不可忽略弯曲构件的变形计算挠度转角描述梁弯曲变形的基本参数微分方程弯曲变形的数学描述方法叠加法复杂载荷下的变形计算技巧能量法基于能量原理的变形计算工程应用石油设备支撑结构的计算组合变形构件等效应力多向应力的综合评价指标1强度理论2材料破坏准则的理论基础叠加原理3线性系统中各效应的独立叠加钻井立管4石油钻井中的典型组合受力分析案例组合变形是工程中最常见的受力情况，构件同时承受轴力、弯矩、扭矩等多种载荷分析时需要运用叠加原理，分别计算各种基本变形产生的应力，然后根据强度理论进行综合评价钻井立管作为典型例子，需要考虑自重、风载、波浪力等多种载荷的组合作用第三部分复杂受力构件分析压杆稳定性细长压杆在轴向压力作用下可能发生失稳破坏，稳定性分析是结构设计的重要内容疲劳强度构件在循环载荷作用下的疲劳破坏机理和寿命预测方法冲击载荷动态载荷对构件的冲击效应和动力响应分析接触应力两个物体相互接触时的应力分布和接触疲劳问题压杆稳定性分析临界载荷概念压杆保持稳定平衡的最大轴向压力欧拉公式应用理想压杆临界载荷的理论计算公式边界条件影响不同约束条件下压杆的失稳模态钻柱屈曲分析石油钻柱在井下复杂环境中的稳定性评价压杆稳定性是结构力学中的经典问题，欧拉在18世纪就给出了理想压杆的临界载荷公式在石油工程中，钻柱作为典型的细长压杆，在井下受到轴向压力、侧向接触力等复杂载荷作用，稳定性分析对于防止钻柱屈曲具有重要意义非线性稳定性问题大变形分析方法初始缺陷影响非线性材料稳定性深海管线评价当压杆发生大变形时，线性实际压杆总是存在初始几何当材料进入塑性阶段时，材深海石油管线在海底复杂环理论不再适用，需要考虑几缺陷或载荷偏心，这些缺陷料非线性与几何非线性耦境中的稳定性评价，需要考何非线性效应大变形分析会显著降低压杆的承载能合，稳定性问题变得更加复虑海流、温度、压力等多种通常采用增量法或迭代法求力缺陷敏感性分析是工程杂需要采用弹塑性理论进因素的综合影响解非线性方程组设计中的重要考虑因素行分析疲劳强度分析疲劳破坏机理曲线S-N循环载荷下材料内部微裂纹的萌生、扩应力幅值与疲劳寿命关系的试验曲线，展和最终断裂过程是疲劳设计的基础钻具寿命评估应力集中效应石油钻具在复杂循环载荷下的疲劳寿命几何不连续处的应力集中对疲劳强度的3预测方法显著影响疲劳设计方法安全寿命设计基于S-N曲线和安全系数的传统疲劳设计方法，适用于对安全性要求极高的关键构件损伤容限设计假设构件存在初始缺陷，基于断裂力学分析裂纹扩展规律，确定检查间隔和维修策略石油装备设计要点石油装备工作环境恶劣，载荷复杂多变，疲劳设计需要充分考虑腐蚀、高温、高压等因素钻具连接设计钻具接头是疲劳破坏的薄弱环节，连接结构的疲劳设计对保证钻具整体寿命至关重要冲击载荷分析μ2-3s动力系数响应时间冲击载荷与静载荷效应的比值结构对冲击载荷的响应特征时间50%能量吸收冲击吸收设计的能量转换效率冲击载荷是指在极短时间内施加的动态载荷，其效应往往比相同大小的静载荷大2-3倍钻井过程中的钻具跳跃、卡钻、顿钻等现象都会产生冲击载荷分析冲击效应需要考虑载荷的时间历程、结构的动力特性以及材料的应变率效应合理的冲击吸收设计可以有效减小冲击载荷的危害接触应力问题赫兹接触理论接触应力计算经典的弹性接触力学理论，给出接触区域内的应力分布呈椭圆或了两个弹性体相互接触时的应力圆形，最大应力出现在接触中分布解析解该理论适用于光滑心接触应力的大小与法向载表面的弹性接触，是现代接触力荷、接触体的几何形状和材料性学的基础质相关接触疲劳磨损循环接触载荷下的表面疲劳和磨损是机械零件失效的主要原因接触疲劳寿命预测需要综合考虑材料特性、载荷历程和润滑条件第四部分石油工程中的材料力学应用钻井工程钻柱设计、井壁稳定性、钻头选型等力学问题完井工程完井管柱、封隔器、砾石充填等力学分析采油工程压裂力学、生产管柱、举升设备力学设计油气集输管道应力分析、稳定性评价、疲劳寿命预测钻井工程中的材料力学问题钻柱受力分析套管固井力学井壁稳定性钻柱在井下承受自重、套管在地层压力、井筒地层应力状态、岩石力钻压、扭矩、侧向力等压力作用下的应力状态学参数、钻井液性能等复杂载荷，需要进行全分析，水泥环的力学性因素对井壁稳定性的综面的力学分析以确保钻能对套管完整性具有重合影响分析井安全和效率要影响钻头破岩机理钻头与岩石相互作用的力学过程，包括切削、压碎、剪切等不同破岩机理的力学分析钻柱力学分析扭转转矩弯曲侧向力转盘扭矩向钻头的传递过程井眼轨迹变化引起的钻柱弯曲轴向力分析振动失稳钻柱自重、浮力、钻压的分布规律钻柱的纵向、横向、扭转振动套管与固井力学水泥环应力分析外挤内爆压力计算水泥环在套管和地层之间起到支撑和密封作套管柱设计原理套管外壁受地层压力作用可能发生外挤变用，其力学性能直接影响固井质量需要分套管柱在井筒中承受内压、外压、轴向拉力形，内壁受井筒压力作用可能发生内爆破析水泥环在温度变化、地层变形等条件下的和温度载荷等多种复杂载荷设计时需要考坏通过弹性力学理论计算临界压力，确保应力分布和破坏模式虑不同井深处的地层压力、流体密度和温度套管在服役期间的结构完整性分布，确定合适的套管规格和钢级完井工程中的材料力学问题完井管柱力学完井管柱在生产过程中承受流体压力、温度载荷和腐蚀环境的作用，力学分析需要考虑材料性能的时变特性封隔器受力特性封隔器胶筒在坐封过程中的变形机理，密封性能与接触压力的关系分析砾石充填力学砂砾在环空中的充填过程，充填密度对支撑强度和渗透性的影响完井工具性能各类完井工具在井下复杂环境中的材料力学性能要求和设计准则采油工程中的材料力学应用油层压裂力学基础生产管柱力学设计采油设备材料选择地面设施结构力学水力压裂过程中裂缝的起生产管柱在油气开采过程中抽油机、电潜泵等采油设备油气处理装置、储罐、管汇裂、扩展机理基于断裂力学承受内压、温度变化、腐蚀在含硫、含二氧化碳等腐蚀等地面设施的结构力学设理论地应力状态、岩石力介质等多种载荷作用管柱性环境中工作，材料选择需计，需要满足压力容器标准学参数和压裂液性质共同决设计需要考虑材料选择、壁要综合考虑强度、耐腐蚀性和抗震设防要求定裂缝的几何形态和延伸方厚确定和连接强度等关键参和经济性向数油气集输中的材料力学问题安全系数确定考虑多种不确定因素的综合安全评价1疲劳寿命预测2循环载荷下管道的疲劳损伤累积稳定性评价3管道在复杂地质条件下的稳定性分析管道应力分析4内压、温度、地基变形等载荷的综合作用油气管道作为能源输送的重要基础设施，其安全运行直接关系到国家能源安全管道力学分析需要综合考虑设计压力、操作温度、地质条件、环境载荷等多种因素现代管道设计广泛采用基于可靠性的设计方法，通过概率分析确定合理的安全系数第五部分材料力学的高级专题复合材料力学各向异性材料的力学特性分析弹塑性力学材料非线性行为的理论描述断裂力学含裂纹结构的强度评价方法计算力学数值方法在力学分析中的应用复合材料力学石油工程复合材料应用各向异性力学特性碳纤维钻杆、玻璃钢管道、复合复合材料的力学性能在不同方向材料压力容器等在石油工程中得上差异显著，需要用正交各向异到广泛应用复合材料具有高比性理论描述其本构关系弹性常强度、耐腐蚀、可设计性强等优数矩阵包含多个独立参数，材料点，在恶劣环境下表现优异设计时需要优化纤维取向层合板理论基础层合板是复合材料的典型结构形式，通过不同角度的单层叠合获得理想的力学性能层合板理论基于经典板理论发展而来，考虑了层间效应和失效模式弹塑性力学基础塑性变形机理屈服准则金属材料在载荷作用下发生塑性变形的判断材料从弹性状态进入塑性状态的准微观机理，包括位错运动、晶界滑移等则，常用的有Tresca和von Mises准则残余应力弹塑性分析构件在外载荷移除后仍然存在的内应考虑材料非线性的应力应变分析方法，力，对结构疲劳和稳定性有重要影响需要采用增量理论或全量理论断裂力学基础线弹性断裂力学基于线弹性理论研究含裂纹结构的断裂行为，适用于脆性材料和小范围屈服情况应力强度因子表征裂纹尖端应力场强度的参数，是断裂力学分析的核心概念断裂韧性测试材料抵抗裂纹扩展能力的量化指标，通过标准试验方法测定疲劳裂纹扩展循环载荷下裂纹的亚临界扩展规律，Paris公式描述了扩展速率与应力强度因子幅值的关系计算力学方法有限元方法原理有限差分边界元数值分析模拟将连续介质离散为有限个有限差分法适用于规则几利用计算机进行复杂工程单元，通过单元分析和整何和简单边界条件，边界问题的数值求解，包括非体组装求解力学问题有元法将体积分转化为面积线性、多物理场耦合等高限元法是现代工程分析最分，适合无限域问题级分析功能重要的数值方法石油工程计算钻井、完井、采油等石油工程中典型力学问题的计算分析案例，展示数值方法的工程应用价值材料力学实验方法静态试验技术动态冲击试验疲劳蠕变试验无损检测技术拉伸、压缩、弯曲、扭转等冲击试验用于评价材料的韧疲劳试验研究材料在循环载超声波、射线、磁粉、渗透静态力学性能测试是获取材性和抗冲击能力，高应变率荷下的损伤累积，蠕变试验等无损检测方法可以发现材料基本力学参数的标准方试验可以研究材料的动态响研究材料在恒载荷下的时间料内部缺陷，为结构完整性法现代试验机具有高精度应特性和应变率效应相关变形行为评价提供重要信息载荷和变形测量系统。