静力学基本概念和受力.ppt

1 2 3）力系的简化：使力系变换成另一个作用效应相同的简单 力系（等效） 4）力系的平衡条件：物体保持平衡状态时，力系满足的条件 平衡力系 静力学：研究物体在力系作用下的平衡条件的科学，机械 运动的特例物体平衡 引 言 2）物体的平衡：物体相对于地面保持静止或匀速直线运动 1）力系 5）力学的基础： 静平衡受力 动力学问题 材料力学平衡 材料、结构尺寸选择 基本问题 3 3 静力学研究的问题： 1. 物体的受力分析 2. 力系的等效替换（或简化） 3. 建立各种力系的平衡条件 4 5 11 静力学的基本概念 12 静力学公理 13 约束与约束力 14 受力分析与受力图 第一章 静力学的基本公理与受力分析 6 单位： 国际单位制：牛顿(N) 千牛(kN) 1-1 静力学的基本概念 一 力的概念 1 定义：力：是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的 机械运动状态发生变化和物体的形状发生变化。 2 作用效应： 运动效应(外效应) 变形效应(内效应) 3 三要素：大小，方向，作用点 FA 工程单位制：公斤力 1 kgf=9.8 N 7 力可以用一个矢量表示。如图所示 1）矢量的模按一定的比例尺表示力的大小； 2）矢量的方位和指向表示力的方向； 3）矢量的起点（或终点）表示力的作用点。 4 表示方法： 定位矢量 8 2 依作用线分布情况分类：平面力系，空间力系 平面力系：平面汇交（共点）力系，平面平行力系， 平面力偶系，平面任意力系； 空间力系：空间汇交（共点）力系，空间平行力系， 空间力偶系，空间任意力系； 二 力系 1 定义：作用在物体上的一群力。 3 力系的等效与简化： 等效力系：两力系对同一物体作用效果相同 9 力系的等效：把一个力系用与之等效的另一个力系代替。 物体运动 状态不变 力系的简化：一个复杂力系用一个简单力系等效的过程 F1 F2 F3 F4 FR A 10 三 刚体的概念 3 刚体：任何情况下永不变形的物体，一种特殊的质点系。 特征：刚体内任意两点间距离永远保持不变(理想化的力学 模型) 4 刚体静力学：静力学研究对象刚体和刚体系统 理论力学 5 变形体：材料力学的研究对象 例子：研究飞机平衡、震颤 1 质点：用来代替物体的有质量而不考虑形状和大小的点 2 质点系：包含两个或两个以上互相有联系的的质点组成的力学系统 11 1-2 静力学基本公理 力系简化和平衡的理论基础 公理1 二力平衡公理 作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的充要条件： 这两个力 等值、反向、共线 F1 = F2 最简单的平衡力系 12 对刚体，条件是充要的 对变形体(或多体中) ，条件只是必要的 说明： 13 二力构件（杆）：力作用只在两个下平衡的物体 特点：作用于二力构件的两力必沿两作用点连线 二力杆 说明： 14 在已知力系上加上或减去任意一个平衡力系，并不改变原力系 对刚体的作用。力系简化条件 推论1：力的可传性 作用于刚体上的力可沿其作用线移到同一刚体内的任一点， 而不改变该力对刚体的效应。 对刚体来说，力作用三要素：大小，方向，作用线。 公理2 加减平衡力系公理 滑移矢量 F 15 公理3 力的平行四边形法则 作用于物体上同一点的两个力可合成一个 合力，此合力作用于该点，大小和方向由 以原两力矢为邻边所构成的平行四边形对 角线来表示。也成为力的平行四边形法则 。 三角形法则：二力首尾顺次相连，第三边为合力 1）大小由三角形关系求解 2）力的分解：无数个三角形，正交分解 力系简化基础 16 证 为平衡力系， 也为平衡力系。 又 二力平衡必等值、反向、共线， 三力 必汇交，且共面。 刚体受三力作用而平衡，若其中两力作用线 汇交于一点，则另一力的作用线必汇交于同 一点，且三力的作用线共面。 推论2：三力平衡汇交定理 不平行三力平衡必要条件 17 公理4 作用力和反作用力定律 两物体间的作用力：等值、反向、共线、异体、且同时存在。 例 吊灯 注意: 作用力与反作用力分别作用于两个不同的物体上 受力分析必遵循的原则 18 公理5 刚化原理 变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成刚体 （刚化），则平衡状态保持不变。 刚化 可以 柔化 不可 该公理建立了刚体力学与变形体力学的联系。 变形体平衡，可用刚体静力学的平衡理论。 19 约束（反）力：约束对物体运动的阻碍作用。 1-3 约束与约束力 一 基本概念 自由体：位移不受限制而可以自由运动的物体。 非自由体：位移受限制的物体。 约束：对非自由体预先施加的限制条件。 力学上对非自由体起限制作用的物体。 主动力(荷载)：非自由体上所有促使物体运动或有运动趋势的力。 一般已知 被动力：约束力是由主动力引起的，故是一种被动力。(未知) 20 大小由力系平衡条件确定； 方向与约束限制的物体运动方向相反； 作用点在物体与约束的接触点。 确定约束反力的原则： G G FN2 FN1 约束反力取决于约束本身的性质、主动力和物体的运动状态 21 约束反力：作用点：接触点或任意假象的截割处 方 向：沿柔性体轴向，背离物体（拉力） 二 理想约束类型 1 柔性体约束柔软的绳索、不计自重的链条或皮带 用 表示 拉力 22 约束反力：作用点：接触点处 方 向：沿通过接触点公法线，指向受力物体 2 光滑接触面约束 (光滑指摩擦不计) NB N FN 用 表示 N P 压力 23 3 光滑圆柱形铰链、光滑圆柱铰支座约束 可分为向心轴承、圆柱铰链、固定铰支座和可动铰支座。 圆柱体插入构件的圆柱孔构成 24 光滑圆柱铰（销钉） 约束特点：由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成 25 光滑圆柱铰（销钉、中间铰） A 26 光滑圆柱铰（销钉、中间铰）称铰链连接 C A FAx FAy A B C 约束反力：作用点：孔心 方 向：方向不确定，可预先假设，可预先假设，通常用两个通常用两个正交正交分量表示分量表示 27 光滑圆柱铰（销钉） C A FAx FAy A B C 其中有作用反作用关系 28 例：剪刀 光滑圆柱铰（销钉） 29 根据作用反作用关系 一般不必分析销钉受力，当要分析时 ，必须把销钉单独取出 30 固定铰支座 约束反力：孔心，用两个正交分量表示，方向可假设。 力 学 模 型 31 可动铰支座（辊轴支座） 约束反力：孔心，垂直支承面，方向可假设。 约束特点：在固定铰支座与光滑面之间装有光滑辊轴（滚珠） 力 学 模 型 32 F F RyRy F F RxRx 约束反力：孔心，用两个约束反力：孔心，用两个正交正交分量表示，分量表示，方向可假设方向可假设 。 向心轴承（滚珠轴承） FBx FBy B 剖面图 约束特点：轴在轴承孔内，轴承孔为约束。 33 球铰链 约束特点：构件可绕球心任意转动，与球心不能相对移动。 约束反力：通过球心, 可用三个正交分力表示，方向可假设 。 4 其它约束类型 34 止推轴承 约束特点：比径向轴承多一个轴向的位移限制。 约束反力：比径向轴承多一个轴向的约束反力，亦用三个 正交分力，即 链杆约束 链杆为二力杆，约束力沿链杆两端铰链 的连线，指向不能够预先确定，可假设 链杆受拉或压。 C A B 35 （1）柔性体约束拉力 球铰链和止推轴承空间三正交分力 链杆约束二力构件 （4）可动支座 接触面 （3）光滑铰链、固定铰支座、向心轴承约束 （2）光滑面约束法向约束压力 各类约束及其约束反力： （5）其它类型约束 方向确定 解除约束原理 36 一 受力分析 解决力学问题时，首先要选定研究的物体，即选择研究对象； 然后根据已知条件、约束类型并结合基本概念和公理分析其受 力情况(受哪些力作用、每个力的作用位置和作用方向)，这个 过程称为物体的受力分析。 作用在物体上的力有：一类:主动力,如重力,风力,气体 压力等。 二类：被动力，即约束（反）力。 1-4 物体的受力分析 受力图 37 1 分离体研究对象解除约束，从周围物体中分离出来， 画简图。 2 受力图将分离体所受的主动力、约束反力以力矢表示 在分离体上所得到的图。 38 *画物体受力图主要步骤： 研究对象； 取分离体：保持方位及轮廓； 先画主动力； 再画约束反力：根据约束类型。 二 受力分析步骤 *注 二力杆 三力汇交 内外力 作用力与反作用力 39 解：1.研究对象2.画出主动力3.画出约束力 例1 碾子重为 ，拉力为 ， 、 处光滑接触，画出碾子的受力图。 三 受力图例题 40 三力平衡 汇交 FNE FND 例2 画轮O、杆AB的受力图 FAx FAy FTB FNA FTB 41 解： 右拱CB二力构件 例3不计三铰拱桥的自重与摩擦，画出左拱AC、右拱CB与 整体受力图。 FB FB 42 考虑到左拱AC三个力作用下平衡，也可按三力平衡汇 交定理画出左拱AC的受力图，如图（e）所示 此时整体受力图如图（f）所示 三力平衡 汇交 三力平衡 汇交 43 讨论：若左、右两拱都考虑 自重，如何画出各受力图？ 如图（g） （h）（i） 44 例4 尖点问题 45 例4 尖点问题 46 例5 图示为简易起重架，分别画出重物连同轮、斜杆、横梁 AB、整体的受力图。 D C A D C B D A C B FT W FT W B W FT A B FD FD FC FAy FAX FAy FAX FBX FBX FBy FBy 47 例6 画出下列各构件的受力图 Q A O B C D E 48FNA FT FAC A O B C D E FC FT2 FNC FNA FB FB FBC FNC 49 练习题1 画出下列各构件的受力图 P A B C FRB FRA P FRB FCx FCy FRC P FRB 50 说明：三力平衡必汇交 当三力平行时，在无限 远处汇交，它是一种特 殊情况。 FA FB FND FE FB FND FC 练习题2 画出下列各构件的受力图（AB、DE、BD） 二力杆 51 练习题3 画出下列各构件的受力图 FTB FTH FBy FBx FD FC FD FTB FAy FAx FTH FAy FAx 52 练习题4 画出图示整体的受力图 P q P q A B FNBFRA FAx FAy 53 AB C D EF P FNB FNA P FTC A B D C P E FNB FTE A D C FTC FNA FTF FRD FRD B D E 三力平衡汇交点三力平衡汇交点 练习题练习题5 5 画各物体和整体受力图画各物体和整体受力图 54 练习题6 图示机构，各构件自重不计，画滑轮B、AB、 BC，销钉B及整个系统的受力图。 （选做） C B FBC FCB FAx FAy FCB B AC F FT P A B F FBx1 FBy1 FAx FAy P F A B C FBy2 FBx2 P FT FBy2 FBx1 FBy1 FBC FBx2 B 55 四 画受力图应注意的问题 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，要分清研究对象都与 周围哪些物体相接触，接触处必有力，力的 方向由约束类型而定。 2、不要多画力 要注意力是物体之间的相互机械作用。因此对 于受力体所受的每一个力，都应能明确地指出 它是哪一个施力体施加的。 1、不要漏画力 56 约束反力的方向必须严格地按照约束的类型来画；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，不要把箭头方向画错。 3、不要画错力的方向 4、受力图上不能再带约束 即受力图一定要画在分离体上。 57 一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同。 对于某一处的约束反力的方向一旦设定，在整体、局 部或单个物体的受力图上要与之保持一致。 5、受力图上只画外力，不画内力。 6 、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。 7 、正确判断二力构件。 8、必要时需用三力平衡汇交等条件确定某些反力的指向或 作用线的方位。 58 练习题练习题1 1：悬臂吊车的受力分析：悬臂吊车的受力分析 S Sc c S SB B S SB B X XA A Y YA A QQ 59 练习题练习题2 2：曲柄冲压机受力分析：曲柄冲压机受力分析 60 练习题练习题3 3：杆件系统的受力分析：杆件系统的受力分析 A B D C E F FB2 FD FA F FNEFB1 61 练习题练习题4 4：斜面球的受力分析：斜面球的受力分析 A B C W D E W FND FNE FRB FRC FND FRB FRA 62 练习题练习题5 5：梯子的受力分析：梯子的受力分析 63 1.下面各图所画的受力图是否正确?若不正确应如何改正? P FT P FNA FT FAx FAy FR C B A P (a) PP FRA FNB FRA FRB FBx FBy P (b) 64 2.画出下图所示结构中各构件的受力图。 W