工程力学的基本概念.ppt

,工业设计机械基础,多媒体教学课件,江西理工大学 机电学院,工业设计机械基础,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第 2 版,机 械 工 业 出 版 社,主编 阮宝湘,工程力学的基本概念,产品与构件的静力分析,构件的刚度、压杆稳定和动载荷问题,总 目 录,构件与产品的强度分析,工 程 力 学 基 础,机 械 设 计 基 础,机械设计概述,机械零件基础,机械传动基础,常用机构,第一节 工程力学与工业设计 第二节 工程力学的研究对象与基本内容 第三节 工程力学的基本概念 第四节 静力学公理 第五节 约束与约束反力 第六节 分离体与受力图,第一篇 工程力学基础,第一章 工程力学的基本概念,第一篇 工程力学基础,第一章 工程力学的基本概念,第一节 工程力学与工业设计,一、工程力学在产品设计中的作用,1.产品设计与静力学、动力学,图1-1 各种椅子， 使用中必须稳定不会倾倒,a） b） 图1-2 部件运动会引起整体中心移动的产品,a） b） 图1-3 设计公共设施也需要进行力学计算,图1-4 产品中 其他静力学、 动力学问题举例,2. 产品设计与材料力学,材料力学中的强度问题。,图1-5 几乎 所有的产品都 存在强度问题,材料力学中的刚度问题。,图1-6 塑料日用品：力学上是否合理，关系使用功能，也关系造型美观,二、工程力学与产品的形态美,1.均衡与稳定是造型美的形式法则之一，他们来源于力学中的概念,图1-7 飞马踏燕,图1-8 夏普BH-351 型半导体收音机,图1-9 中国古老的 石拱桥赵州桥,图1-11 合理的 力学结构与造型美,图1-10 棚架的立柱与挑梁 a）力学上合理，富有美感 b）不利于承载，视觉不佳,2.形态的视觉心理感受，与它强度、刚度上的合理性有深刻的潜在联系,第二节 工程力学的研究对象与基本内容,工程力学一般包括理论力学和材料力学两个部分。 一、理论力学的基本内容 理论力学研究物体由于受力引起的机械运动的规律。 理论力学一般包含静力学、运动学和动力学三部分内容。 本书主要讲述其中的静力学部分。 静力学研究物体受力分析的方法和物体在外力作用下处于平衡状态的条件。,二、材料力学的基本内容 材料力学研究构件由于受力引起的变形和发生破坏的规律。 材料力学研究构件的强度、刚度和稳定性三类问题。 构件的强度，指构件受力中抵抗破坏的能力。 构件的刚度，指构件受力中抵抗变形的能力。 构件的稳定性，指构件受力中保持其原有平衡形式的能力。,第二节 工程力学的研究对象与基本内容,试分析：图1-12中的产品或设施存在哪些工程力学方面的问题？,a） b） c） d ） 图1-12 这些产品或设施的设计中存在哪些工程力学问题？,第二节 工程力学的研究对象与基本内容,第三节 工程力学的基本概念,一、刚体与变形固体,静力学中，把构件理想化为不变形（也不会破坏）的 “刚体” 。,材料力学中，把构件视为（可）“变形固体”。,图1-13 撬杠，看成刚体、或看成变形固体,1.力与力的表示,力的大小、力的方向、力的作用点，称为力的三要素。,二、力与力系,F,第三节 工程力学的基本概念,力的度量单位是牛顿（N，简称牛）或千牛顿（kN，简称千牛）。 牛顿和公斤力的换算关系是： 1kgf=9.8N,力是矢量。通常用一段带箭头的线段来表示。,用黑体斜体字母F、P、T、R、N、X、Y等表示力； 明体斜体字母F、P、T、R、N、X、Y等表示力的数值大小。,图1-14 力的图示法,第三节 工程力学的基本概念,2.集中力与分布力,集中力或集中载荷,分布力或分布载荷,均布载荷,载荷集度。 线载荷集度的单位：牛/米（N/m），或千牛/米kN/m） 面载荷集度（压强）的单位：帕斯卡（Pa），即牛/平方米（N/），或兆帕（MPa），即牛/平方毫米（106Pa106N/106N/m）。,3.力系（指作用于同一物体上的一组力）,等效力系 合力 分力 平衡力系 平面力系 空间力系 汇交力系 平行力系 任意力系,第四节 静力学公理,公理1 二力平衡公理 作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的必要与充分条件是：这两个力大小相等，方向相反，且作用在同一直线上（简称：等值、反向、共线）。,不计自重、只在两点受力而处于平衡状态的构件，称为二力构件（二力杆）。,A,FAB,B,FBA,FAB,FBA,公理2 加减平衡力系公理 在作用着已知力系的刚体上，加上或减去任意的平衡力系，不会改变原力系对该刚体的作用效应。 推论1 力的可传性原理 作用于刚体上某点的力，可以沿其作用线移到刚体上任意一点，而不会改变该力对刚体的作用效应。,图1-16 力的可传性原理,第四节 静力学公理,推论证明,A,B,F1,设力F作用于刚体上A点。,在力F的作用线上任选一点B，并在B点加一组沿AB的平衡力F1和F2，且使F2FF1。,F2,F1,F,除去F与F1所组成的一对平衡力，刚体上只剩F2，显然F2F。,公理3 作用与反作用公理 当甲物体给乙物体一作用力时，甲物体必同时受到乙物体的反作用力，且两个作用力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。,图1-17 作用力与反作用力,第四节 静力学公理,公理4 力的平行四边形公理 作用在物体上同一点的两个力，可以合成一个合力；合力也作用在该点上，合力的大小和方向用这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线确定。,R,F2,F1,A,B,C,D,R,F2,C,D,B,第四节 静力学公理,力的三角形法则应用更简便。,第四节 静力学公理,力的合成关系“F1 、F2 两力相加得到合力R ”，其矢量表示式为：,合力 R 的数值和方向：,（1-2）,（1-3）,图1-19 分力与合力的关系,F1 + F2 R （1-1）,第四节 静力学公理,图1-20力的正交分解,推论2 三力平衡汇交定理 刚体受不平行三力作用 而平衡时，这三个力的作用 线必汇交于一点。,图1-21 三力平衡汇交定理的应用,将力沿两个互相垂 直（正交）的方向分解 为两个分力，称为力的 正交分解。,第五节 约束与约束反力,图1-22 约束与约束反力,一、约束与约束反力的概念 约束 物系 约束反力，简称反力 实例见图1-22,二、常见的约束类型和约束反力特性 1.柔索约束 柔索约束反力的特性是：作用点为柔索与物体的连接点，作 用线与柔索中 心线一致，作用力的指向为背离物体的方向。,2.光滑面约束 光滑面约束反力的特性是：作用点为接触点，作用线与接触面的法线方向一致，作用力指向被约束物体。光滑面约束反力也常称为法向反力。 光滑平面、曲面和棱角的约束反力实例见图1-23,ND,NA,G,NB,G,ND,NA,NB,上一页,第五节 约束与约束反力,图1-23 光滑平面的约束反力,图1-25 光滑棱角的约束反力,第五节 约束与约束反力,图1-24 光滑曲面的约束反力,第五节 约束与约束反力,3.光滑圆柱形铰链约束（铰链约束） 图1-26a为铰链约束三个构件的 常见形状。,图1-26 光滑圆柱形铰链约束,铰链约束反力的特性是：作用点在销轴与圆孔的接触点K，作用线通过销轴及圆孔的圆心，如RC 所表示。但铰链约束反力RC 的方位角和指向根据实际情况才能分析确定。 分析中常用的方法是：求出RC 在x、y两互垂方向上的正交分力XC、YC来 。求出了X C、YC，则它们的合力RC 的大小、方位角和指向也就完全确定了。,第五节 约束与约束反力,固定铰支座约束反力特性： 作用线通铰支座的中心， 方位角和指向取决于外载 荷等具体条件。 也常用两个正交分力RX 、 RY 来表示，如图1-28e所示。,图1-28 固定铰支座约束,4.固定与活动铰链支座约束 简称固定与活动铰支座,第五节 约束与约束反力,活动铰支座约束反力特性：作用点在铰链中， 作用线垂直于支承面，指向为背离支承面。,图1-29 活动铰支座约束,第五节 约束与约束反力,5.固定端约束,固定端约束反力的特性：可能在该端受有任意方向的反力及反转动力矩的作用，须根据构件所受外载荷分析确定。 其反力可用两个法向分力Rx 、 Ry表示，反力矩用MA表示 ，见图1-30。,图1-28 固定端约束,第五节 约束与约束反力,第六节 分离体与受力图,静力学求解问题的一般步骤如下： 1.确定研究对象，画出该研究对象的分离体。,2.作出受力图 即解除掉研究对象的约束，代之以相应的约束反力，再画上外载荷。,3. 对于静力学问题，一般是根据平衡条件，列出平衡方程求解未知量。,例1-1 画图中小球的受力图。,解 解除斜面和绳子对小球的约束，画出小球分离体。 画上小球受的重力G。 画出所有约束反力 光滑斜面约束的反力作用于B，垂直斜面、指向小球，通过球心O 。绳子的柔索约束力作用在点C，沿绳子方向、背离小球。 画得小球受力图图1-31b。,图1-31 例2-1图,O,B,NB,G,C,T,例1-2 两根绳子系住两小球，画受力图。,解 小球O1受外力有重力G1 ；柔索约束力作用在A ，沿绳子方向、背离小球；小球、大球互为光滑面约束，反力在点C ，作用线沿法线方向、指向小球。据此画出小球O1的受力图图1-32b。 同样方法画出球O2 的受力图。,图1-32 例1-2图,G1,NC,C,A,TA,O1,O2,TB,NC,C,G2,B,例1-3 AB、BC两杆用铰链联接成三角吊架， A、 C为铰链， B处挂重G，如图1-3