Mechanics of Materials（材料力學）

引用

Hibbeler, R. C. (2023). Mechanics of Materials (11th ed.). Pearson.

章節概要

第十一版共14章，後面的附錄有面積的幾何性質、結構型材的幾何性質、梁的轉角與撓度，以及基本題的部分解答和部分習題答案。目錄中用星號標出含有較深入內容的小節。Pearson 稱本書講解方法直觀、步驟清楚，特點是分步的分析步驟，以及來自多個工程領域的實際應用。

第1—2章：Stress（應力）；Strain（應變）

第1章引入變形體的平衡和應力的概念，然後講軸向受力杆中的平均正應力和平均剪應力。最後兩節提出兩種設計思路：許用應力設計和極限狀態設計。第2章很短，只有變形和應變兩節。

第3章：Mechanical Properties of Materials（材料的力學性質）

拉伸與壓縮試驗、應力—應變圖、延性與脆性材料的行為、應變能、泊松比和剪切應力—應變圖。蠕變與疲勞引起的材料失效是帶星號的小節。

第4章：Axial Load（軸向負載）

聖維南原理、軸向受力構件的彈性變形、疊加原理、超靜定軸向受力構件與力法分析、熱應力和應力集中。非彈性軸向變形和殘餘應力帶星號。

第5章：Torsion（扭轉）

扭轉公式、功率傳遞、扭轉角和超靜定的受扭構件，以及應力集中。實心非圓截面軸、閉口薄壁管、非彈性扭轉和殘餘應力帶星號。

第6章：Bending（彎曲）

剪力圖和彎矩圖（包括作圖的圖解法），然後是直構件的彎曲變形、彎曲公式和非對稱彎曲。組合梁、鋼筋混凝土梁、曲梁和非彈性彎曲帶星號，應力集中則不帶星號。

第7—8章：Transverse Shear（橫向剪切）；Combined Loadings（組合負載）

第7章講直構件中的剪切、剪應力公式以及組合構件和薄壁構件中的剪流，開口薄壁構件的剪切中心為帶星號的小節。第8章講薄壁壓力容器和組合負載引起的應力狀態。

第9—10章：Stress Transformation（應力變換）；Strain Transformation（應變變換）

第9章講平面應力變換、主應力與面內最大剪應力、平面應力莫爾圓和絕對最大剪應力。第10章對平面應變作類似處理，包括應變花和材料性質之間的關係，而應變莫爾圓、絕對最大剪應變和失效理論帶星號。

第11章：Design of Beams and Shafts（梁與軸的設計）

梁設計的基礎和等截面梁的設計。等強度梁和軸的設計帶星號。

第12章：Deflection of Beams and Shafts（梁與軸的撓度）

彈性曲線、用積分求轉角和位移，以及疊加法，並應用於超靜定梁和軸。不連續函式和力矩面積法（包括超靜定情形）帶星號。

第13章：Buckling of Columns（柱的屈曲）

臨界負載、兩端鉸支的理想柱和其他支承條件的柱。正割公式、非彈性屈曲以及中心負載和偏心負載下的柱設計帶星號。

第14章：Energy Methods（能量法）

外力功與應變能、各種負載下的彈性應變能、能量守恆和衝擊負載。虛功原理、用於桁架和梁的虛力法以及卡氏定理（桁架和梁）帶星號。

核心概念

第1—4章：應力、應變與軸向負載

• 許用應力設計與極限狀態設計：把設計與材料強度聯絡起來的兩種方法，在第1章中都有介紹。
• 聖維南原理：軸向負載一章的第一個主題。
• 力法分析：第4章引入的求解超靜定軸向受力構件的方法。

第5—8章：扭轉、彎曲與剪切

• 扭轉公式與彎曲公式：第5章和第6章的核心結果。
• 剪流：第7章把剪應力公式推廣到組合構件和薄壁構件。
• 組合負載：第8章分析多個負載同時作用時的應力狀態。

第9—14章：變換、設計、撓度與能量

• 莫爾圓：第9章用於平面應力，第10章用於平面應變。
• 彈性曲線：第12章各種撓度方法的基礎。
• 臨界負載：第13章的屈曲概念。
• 虛功與卡氏定理：第14章帶星號的能量法。

評析

優點

• 劃分細緻、循序漸進。 14章把各個主題分開：應力和應變分屬不同的章，橫向剪切、組合負載、應力變換和應變變換也是如此。每章又分成帶編號的小節。
• 較深入的內容有標記。 蠕變與疲勞、非彈性行為、殘餘應力、非圓截面扭轉、曲梁、失效理論、不連續函式、力矩面積法和虛功都帶星號，課程可以自行選擇深度。
• 分析步驟。 Pearson 強調 Hibbeler 的分步分析步驟和直觀的方法，目的是養成設計課程所期望具備的解題能力。它還提到來自多個工程領域的實際應用。
• 點明瞭兩種設計思路。 第1章以許用應力設計和極限狀態設計結束，第11章分別用小節講梁的設計和軸的設計。

局限

• 星號很多。 第3—14章中很大一部分小節帶星號，哪些算核心內容，要由教師或讀者自己決定。
• 章節劃分很細。 第2章講應變只有兩節，超靜定梁分散在第12章的四個小節和多種方法之中，因此相關的概念分處不同位置。
• 範圍較窄。 目錄中沒有關於厚壁圓筒、疲勞設計或斷裂的章；蠕變與疲勞只在第3章的一個帶星號小節中出現，失效理論則在第10章的一個帶星號小節中。
• 版本細節。 Pearson 列出的出版日期為2022年7月7日，版權年份為2023年，所列精裝本ISBN被標註為2022年更新。

在課程中的定位

Hibbeler 是這份書單中材料力學兩本標準的第一門課程教材之一，另一本是 Beer、Johnston、DeWolf 和 Mazurek 的 Mechanics of Materials。兩者涵蓋的主題大體相同，從應力和應變到扭轉、彎曲、變換、撓度、屈曲和能量法。Hibbeler 把主題分成14章，Beer 和 Johnston 則是11章，任何一本都可以作主教材，另一本用來補充講解和習題。

下一步，Ugural 和 Fenster 的 Advanced Mechanics of Materials and Applied Elasticity 把初等材料力學擴充套件到彈性理論、板、殼和接觸應力，Sadd 的 Elasticity: Theory, Applications, and Numerics 則是研究生教材。J. E. Gordon 的 The New Science of Strong Materials 和 Blockley 的 Structural Engineering: A Very Short Introduction 是非技術性的書，可以並行閱讀以獲得直觀認識。

如何使用本書

本書適合學過靜力學的二年級工程專業學生，第1章從變形體的平衡開始。一個切實可行的讀法如下：

• 核心： 依次讀第1—14章，初讀時跳過帶星號的小節。
• 按課程需要補充： 關於非彈性行為、組合梁和曲梁、剪切中心、不連續函式和力矩面積法的帶星號小節。
• 後面的章節： 第9章和第10章建立在前八章的應力概念之上，講梁設計的第11章自然接在第6、7章之後，第12章從彈性曲線開始。
• 練習： 先做書後附有部分解答的基本題，再做指定的習題，並用所選答案核對結果。