《工程力学》大学课件-(1).ppt

1、工程力学引言构件：工程中对组成机械与结构的零件、构件的总称力的概念：物体间的相互机械作用。外效应：使物体的运动状态发生改变（理论力学）内效应：使物体的形状发生改变（材料力学）变形：构件尺寸与形状的变化，分为两类，一类为外力解除后可消失的变形，称为弹性变形；一类为外力解除后不能消失的变形，称为塑性变形或残余变形。和和 H 大型桥梁的强度大型桥梁的强度 刚度刚度 稳定问题稳定问题对构件设计的要求1.具备足够的强度（即抵抗破坏的能力），以保证构件在规定的使用条件下不发生意外断裂或显著塑性变形。2.具备足够的刚度（即抵抗变形的能力），以保证构件在规定的使用条件下不产生过大变形。3.具备足够的稳定性（即

2、保持原有平衡形式的能力），以保证构件在规定的使用条件下不失稳。第一篇 静力学 第二篇 材料力学 静力学是学习材料力学的基础，二者有助于学习土木，机械，航空，交通，成型，材料，工程，仪表，勘查等其它工程，亦可在今后工作中直接受益，解决一些简单的工程实际问题。还对一些课程如弹性力学、有限元方法等有奠基作用学习要求学习要求1 上课要集中精力，认真听，上课要集中精力，认真听，“重点重点”的记笔记的记笔记2 先读书，后做作业，按时交作业先读书，后做作业，按时交作业 步骤清晰，作图规范，书写工整，解答正确步骤清晰，作图规范，书写工整，解答正确3 认真做实验，完成实验报告认真做实验，完成实验报告4 课前要预

3、习，上课要带书，讲授、自学和讨论课前要预习，上课要带书，讲授、自学和讨论 相结合相结合5 平时成绩不及格者不许参加期末考试平时成绩不及格者不许参加期末考试6 手机关机或调成静音手机关机或调成静音学习方法学习方法1 弄清弄清基本概念基本概念思考再思考，观察生活实例思考再思考，观察生活实例 适当读参考书适当读参考书 认真做好实验认真做好实验2 注意注意知识发生过程知识发生过程公式推导：基本假设公式推导：基本假设 基本思路基本思路 基本要点基本要点3 认真完成认真完成作业作业理解、体验，举一反三理解、体验，举一反三 培养解决问题的能力培养解决问题的能力4 养成写养成写总结和体会总结和体会的习惯的习惯

4、5 写写小论文小论文 答疑时间：周二下午 地点：1109 电话：13931037471 第一篇 静 力 学 物理：万物根本原理 力学：力的作用下，研究物体的机械运动的规律 机械运动：物体在空间的位置随时间的变化，包括变形和流动 静力学：研究物体在力系作用下的平衡问题静力学是研究物体的受力分析、力系的等效替换静力学是研究物体的受力分析、力系的等效替换（或简化）、建立各种力系的平衡条件的科学。（或简化）、建立各种力系的平衡条件的科学。1、物体的受力分析、物体的受力分析：分析物体（包括物体系）受：分析物体（包括物体系）受哪些力，每个力的作用位置和方向，并画出物体的哪些力，每个力的作用位置和方向，并画

5、出物体的受力图。受力图。2、力系的等效替换（或简化）：、力系的等效替换（或简化）：用一个简单力系用一个简单力系等效代替一个复杂力系。等效代替一个复杂力系。3、建立各种力系的平衡条件：、建立各种力系的平衡条件：建立各种力系的建立各种力系的平衡条件，并应用这些条件解决静力学实际问题平衡条件，并应用这些条件解决静力学实际问题。第一章第一章 静力学基本概念和物体受力分析静力学基本概念和物体受力分析 本章重点、难点本章重点、难点 重点重点 力、刚体、平衡和约束等概念。力、刚体、平衡和约束等概念。静力学公理静力学公理。柔性体约束、光滑接触面约束、光滑铰链约柔性体约束、光滑接触面约束、光滑铰链约 束的特征及

6、约束反力的画法。束的特征及约束反力的画法。单个物体及物体系的受力分析。单个物体及物体系的受力分析。难点难点 约束的概念，光滑铰链约束的特征。约束的概念，光滑铰链约束的特征。体系的受力分析。体系的受力分析。1-1 静力学基本概念一 刚体:绝对不变形的物体，或物体内任意两点间的距绝对不变形的物体，或物体内任意两点间的距离不改变的物体离不改变的物体.(刚体静力学刚体静力学)二平衡：物体相对惯性参考系（如地面）静止或作匀速二平衡：物体相对惯性参考系（如地面）静止或作匀速直线运动直线运动.三力三力:物体间的相互机械作用物体间的相互机械作用.(三要素三要素?单位单位?)集中力集中力F,分布力分布力 载荷集

7、度载荷集度q 力是矢量力是矢量,力是定位矢量力是定位矢量.力矢是自由矢量力矢是自由矢量 力系力系:作用在物体上的一群力作用在物体上的一群力.(F1 F2 F3 Fn)平衡力系平衡力系:满足平衡条件的力系满足平衡条件的力系等效力系等效力系:两个力系作用于同一物体其效应相同两个力系作用于同一物体其效应相同力系的分类力系的分类按作用线所在位置分为：平面力系按作用线所在位置分为：平面力系 空间力系空间力系按作用线相互关系分为按作用线相互关系分为:共线力系、共线力系、平行力系、平行力系、汇交力系、汇交力系、任意力系任意力系一个力和一个力系等效一个力和一个力系等效,称这个力是这个力系的合力称这个力是这个力

8、系的合力,而该力系中的各力是合力的分力而该力系中的各力是合力的分力1-2 静力学公理公理公理1 力的平行四边形法则力的平行四边形法则公理公理2 二力平衡条件二力平衡条件 使刚体平衡的充分必要条件使刚体平衡的充分必要条件最简单力系的平衡条件最简单力系的平衡条件合力（合力的大小与方向）合力（合力的大小与方向）(矢量和矢量和)此公理表明了最简单力系的简化规律，是复杂力此公理表明了最简单力系的简化规律，是复杂力系简化的基础。系简化的基础。公理公理3 加减平衡力系原理加减平衡力系原理推理推理1 力的可传性力的可传性作用在刚体上的力是滑动矢量，力的三要素为作用在刚体上的力是滑动矢量，力的三要素为大小、方向

9、和作用线。大小、方向和作用线。在已知力系上加上或减去任意的平衡力系，在已知力系上加上或减去任意的平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。并不改变原力系对刚体的作用。推理推理 2 三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理平衡时平衡时 必与必与 共线则三力必汇交共线则三力必汇交O 点，且共面。点，且共面。公理公理4 作用和反作用定律作用和反作用定律作用力和反作用力总是同时存在，同时消失，作用力和反作用力总是同时存在，同时消失，等值、反向、共线，作用在相互作用的两个物等值、反向、共线，作用在相互作用的两个物体上。体上。在画物体受力图时要注意此公理的应用。在画物体受力图时要注意此公理的应用。公理公理5 刚化原理

10、刚化原理柔性体（受拉力平衡）柔性体（受拉力平衡）刚化为刚体（仍平衡）刚化为刚体（仍平衡）反之不一定成立，因对刚体平衡的充分必要条反之不一定成立，因对刚体平衡的充分必要条件，对变形体是必要的但非充分的。件，对变形体是必要的但非充分的。刚体（受压平衡）刚体（受压平衡）柔性体（受压不能平衡）柔性体（受压不能平衡）约束：对非自由体的位移起限制作用的物体。约束：对非自由体的位移起限制作用的物体。约束力：约束对非自由体的作用力。约束力：约束对非自由体的作用力。约束力约束力大小大小待定待定方向方向与该约束所能阻碍的位移方向相反与该约束所能阻碍的位移方向相反作用点作用点接触处接触处1-3 约束和约束力约束和约

11、束力自由体：可以在空间自由运动的物体。自由体：可以在空间自由运动的物体。非自由体：因受到周围物体的阻碍，限制而不能做非自由体：因受到周围物体的阻碍，限制而不能做 任意运动的物体任意运动的物体工程常见的约束工程常见的约束1、具有光滑接触面（线、点）的约束（光滑接触约束）、具有光滑接触面（线、点）的约束（光滑接触约束）光滑支承接触对非自由体的约束力，作用在接触光滑支承接触对非自由体的约束力，作用在接触处；方向沿接触处的公法线并指向受力物体，故处；方向沿接触处的公法线并指向受力物体，故称为法向约束力，用称为法向约束力，用 表示。表示。2 、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束、由柔软的绳索、胶带或链

12、条等构成的约束柔索只能受拉力，又称张力。用柔索只能受拉力，又称张力。用 表示。表示。柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体。柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体。胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向，为拉力。胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向，为拉力。3 3、光滑铰链约束（径向轴承、圆柱铰链、固、光滑铰链约束（径向轴承、圆柱铰链、固定铰链支座等）定铰链支座等）（1 1）径向轴承（向心轴承）径向轴承（向心轴承）约束特点：约束特点：轴在轴承孔内，轴为非自由体、轴在轴承孔内，轴为非自由体、轴承孔为约束轴承孔为约束 约束力：约束力：当不计摩擦时，轴与孔在接触处当不计摩擦时，轴与孔在接触处为光滑接触约束

13、为光滑接触约束法向约束力约束力作用在法向约束力约束力作用在接触处，沿径向指向轴心接触处，沿径向指向轴心 当外界载荷不同时，接触点会变，则约束力的大小与方向均有改变可用二个通过轴心的正交分力可用二个通过轴心的正交分力 表示。表示。（2 2）光滑圆柱铰链）光滑圆柱铰链 约束特点：由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组约束特点：由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成，如剪刀成，如剪刀约束力：约束力：光滑圆柱铰链：亦为孔与轴的配合问题，与轴光滑圆柱铰链：亦为孔与轴的配合问题，与轴承一样，可用两个正交分力表示承一样，可用两个正交分力表示其中其中 一般不必分析销钉受力，一般不必分析销钉受力，当要分析时，必须把销钉当要分

14、析时，必须把销钉单独取出单独取出（3 3）固定铰链支座固定铰链支座 约束特点：约束特点：由上面构件由上面构件1 1或或2 2 之一与地面或机架固定而成之一与地面或机架固定而成 约束力：与圆柱铰链相同约束力：与圆柱铰链相同 以上三种约束（径向轴承、光滑圆柱铰链、以上三种约束（径向轴承、光滑圆柱铰链、固定铰链支座）其约束特性相同，均为轴与孔的固定铰链支座）其约束特性相同，均为轴与孔的配合问题，都可称作光滑圆柱铰链配合问题，都可称作光滑圆柱铰链4、其它类型约束、其它类型约束（1）、滚动支座）、滚动支座约束特点：约束特点：在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光滑在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有

15、光滑辊轴而成。辊轴而成。约束力：约束力：构件受到构件受到光滑面的约束力。光滑面的约束力。(2)、球铰链、球铰链约束特点：通过球与球壳将构件连接，构件可以绕球约束特点：通过球与球壳将构件连接，构件可以绕球心任意转动，但构件与球心不能有任何移动。心任意转动，但构件与球心不能有任何移动。约束力：当忽略摩擦时，球与球座亦是光滑约束问题。约束力：当忽略摩擦时，球与球座亦是光滑约束问题。约束力通过接触点，并指向球心，是一个不能预先确约束力通过接触点，并指向球心，是一个不能预先确定的空间力。可用三个正交分力表示。定的空间力。可用三个正交分力表示。（3）、止推轴承）、止推轴承约束特点：约束特点：止推轴承比径向

16、轴承多一个止推轴承比径向轴承多一个轴向的位移限制。轴向的位移限制。约束力：比径向轴承多一个轴向的约束反力，亦有三约束力：比径向轴承多一个轴向的约束反力，亦有三个正交分力个正交分力 。（1）光滑面约束）光滑面约束法向约束力法向约束力（2）柔索约束）柔索约束张力张力（3）光滑铰链）光滑铰链球铰链球铰链空间三正交分力空间三正交分力止推轴承止推轴承空间三正交分力空间三正交分力（4）滚动支座）滚动支座 光滑面光滑面1-4 物体的受力分析和受力图物体的受力分析和受力图在受力图上应画出所有力，主动力和约束力（被动在受力图上应画出所有力，主动力和约束力（被动力）力）画受力图步骤：画受力图步骤：3、按约束性质画

17、出所有约束（被动）力、按约束性质画出所有约束（被动）力1、取所要研究物体为研究对象（隔离体）画出其简图、取所要研究物体为研究对象（隔离体）画出其简图2、画出所有主动力、画出所有主动力例例碾子重为碾子重为 ，拉力为，拉力为 ，处光处光滑接触，画出碾子的受力图。滑接触，画出碾子的受力图。解：画出简图解：画出简图画出主动力画出主动力画出约束力画出约束力例例屋架受均布风力屋架受均布风力（N/m），屋架重为），屋架重为 ，画出屋架的受力图。画出屋架的受力图。解：取屋架解：取屋架画出主动力画出主动力画出约束力画出约束力画出简图画出简图例例水平均质梁水平均质梁 重为重为 ，电动，电动机重为机重为 ，不计杆，

18、不计杆 的自的自重，画出杆重，画出杆 和梁和梁 的受的受力图。图力图。图(a)解：解：取取 杆，其为二力构件，简杆，其为二力构件，简称二力杆，其受力图如图称二力杆，其受力图如图(b)取取 梁，其受力图如图梁，其受力图如图(c)若这样画，梁若这样画，梁 的受的受力图又如何改动力图又如何改动?杆的受力图能否杆的受力图能否画为图（画为图（d）所示？）所示？例例不计三铰拱桥的自重与摩不计三铰拱桥的自重与摩擦，画出左、右拱擦，画出左、右拱 的受的受力图与系统整体受力图。力图与系统整体受力图。解：解：右拱右拱 为二力构件，其受为二力构件，其受力图如图（力图如图（b）所示）所示取左拱取左拱AC,其受力图其受

19、力图如图（如图（c）所示）所示系统整体受力图如系统整体受力图如图（图（d）所示）所示考虑到左拱考虑到左拱 在三个力在三个力作用下平衡，也可按三力作用下平衡，也可按三力平衡汇交定理画出左拱平衡汇交定理画出左拱 的受力图，如图（的受力图，如图（e）所）所示示此时整体受力图如图此时整体受力图如图（f）所示）所示讨论：若左、右两拱都讨论：若左、右两拱都考虑自重，如何画出各考虑自重，如何画出各受力图？受力图？如图如图（g）（h）（i）例例不计自重的梯子放在光不计自重的梯子放在光滑水平地面上，画出绳滑水平地面上，画出绳子、梯子左右两部分与子、梯子左右两部分与整个系统受力图。图整个系统受力图。图(a)解：解

20、：绳子受力图如图（绳子受力图如图（b）所示）所示梯子左边部分受力梯子左边部分受力图如图（图如图（c）所示）所示梯子右边部分受力梯子右边部分受力图如图（图如图（d）所示）所示整体受力图如图（整体受力图如图（e e）所示）所示提问：左右两部分梯子在提问：左右两部分梯子在A处，绳子对左右两部分处，绳子对左右两部分梯子均有力作用，为什么在整体受力图没有画出？梯子均有力作用，为什么在整体受力图没有画出？例例例例 画出下列各构件的受力图QAOBCDEQAOBCDEQAOBCDE例例 画出下列各构件的受力图说明：三力平衡必汇交说明：三力平衡必汇交当三力平行时，在无限当三力平行时，在无限远处汇交，它是一种特远

21、处汇交，它是一种特殊情况。殊情况。例例 尖点问题应去掉约束应去掉约束应去掉约束应去掉约束例例 画出下列各构件的受力图画受力图应注意的问题画受力图应注意的问题接触处必有力，力的方向由约束类型而定。不要多画力不要多画力对于受力体所受的每一个力，都应能明确地 不要漏画力不要漏画力除重力、电磁力外，物体之间只有通过接触才有相互机械作用力，要分清研究对象（受力体）都与周围哪些物体（施力体）相接触，指出它是哪一个施力体施加的。要注意力是物体之间的相互机械作用。因此不要把箭头方向画错。不要画错力的方向不要画错力的方向 受力图上不能再带约束。受力图上不能再带约束。即受力图一定要画在分离体上。约束力的方向必须严

22、格地按照约束的类型来画，不能单凭直观或根据主动力的方向来简单推想。在分析两物体之间的作用力与反作用力时，要注意，作用力的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反，内力，就成为新研究对象的外力。部或单个物体的受力图上要与之保持一致。受力图上只画外力，不画内力。受力图上只画外力，不画内力。同一系统各研究对象的受力图必须整体与局部一致，相同一系统各研究对象的受力图必须整体与局部一致，相 互协调，不能相互矛盾。互协调，不能相互矛盾。正确判断二力构件。正确判断二力构件。一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有可能不同。当物体系统拆开来分析时，原系统的部分对于某一处的约束反力的方向一旦设定，在整体、局