理论力学经典-第一章--力系的简化PPT课件

绪论,一、力学、土木工程力学与理论力学,经典力学绝对时空v光速,一般力学固体力学流体力学交缘力学,量子力学,宏观,绪论,研究杆状构件的强度，刚度和稳定性。,研究杆系结构的强度，刚度和稳定性。,流体力学：,弹性力学：,固体力学,材料力学：,结构力学：,研究非杆结构在弹性阶段的强度、刚度和稳定性。,研究流体受力与运动规律。,理论力学：(属于一般力学)包括：,研究质点系机械运动一般规律。,静力学、运动学和动力学,绪论,拱形建筑：充分利用砖石抗压性，提高承载能力,二、土木工程力学研究对象和内容,绪论,湖南耒阳电厂72m124m大型煤棚,绪论,2000年4月14日12点10分使用近五年大型煤棚发生突然整体倒塌。,拱形建筑平衡失稳的例子,绪论,早期建筑的特点:,早期筒体结构建筑,高度低，跨度小，承载能力低，材料为砖石和木材。,绪论,北京朝阳体育馆,绪论,预应力混凝土双塔斜拉桥,绪论,都江堰,绪论,海洋平台,绪论,格拉加尼亚修道院教堂-薄壳结构,绪论,土木工程系统各构件力的内、外效应。达到既安全又经济。,a.强度抵抗破坏能力b.刚度抵抗变形能力c.稳定性维持原态能力,保障安全。用材最少，造价最低。,理力结力,研究整体与各部分之间的相互作用力，包括各杆件内力。,各杆件的应力与变形，强度与刚度计算。,1、研究对象:,安全:,经济:,材力,绪论,2、研究内容,包括几何静力学、分析静力学(第八章介绍),应用:,变形固体,块、板、壳.,杆与杆结构.,三大关系,(1)静力学:,研究物体所受力系的简化平衡规律及其应用。,质点系、刚体、流体,平衡、几何、物理,绪论,(2)运动学:,(与力无关、也是变形体运动基础),(3)动力学:,包括质点系、刚体，变形体的动力效应。,研究点与刚体运动的几何性质,研究物体所受力与运动间的关系,包括位移、轨迹、速度、加速度。,绪论,三、(工程系统的)力学模型,1、基本模型:,2、一般模型:,理想流体(无粘性)。,质点系基本理论(包括一切模型),质点:,具有质量的几何点。,刚体:,任何两点距离不变的几何体。,变形固体:,连续、均匀、各向同性或各向异性假设。,分为宏、细、微三层次。,流体:,绪论,1.横梁如图所示，外力和内力视为刚体，求变形和内力分布。,求外效应,求内效应,合理选择,求外力Fy,刚体，不影响精度。,变形固体，由三大关系联合求解。,视为变形体。,绪论,地震学中视为多相变形固体。,土木工程中视为弹性半空间。,2.地球:,天文学中视为质点或刚体。,绪论,3、特殊模型:,温度变化、电磁效应、支座移动，加工误差等。,工程系统的计算简图(结构与机构),形状,联结,铰接:限制平移、可转动刚结:限制平移与转动弹性:可变形,荷载,恒载与活载静载与动载表面力与体积力分布力与集中力,其它外因:,绪论,四、研究途径与方法,1、途径:,分理论体系与工程应用两条。,绪论,2、方法:,抽象化:,梁上电机,振动模型,屋架,桁架,绪论,分析力学：从两个基本原理出发.,公理化:,静力学：从5条公理出发.,动力学：从牛顿三大定律出发.,数学方法:,矢量分析、代数方程、微分方程。,计算机方法:,数值计算、过程仿真。,实验方法:,机械测试、电测、光测等。,开拓新方法:,校核,优化设计,响应,参数识别,(系统几何物理特性),逆问题,五、学习目的,建筑力学是结构工程师的看家本事。,土木专业:,机械专业:,1、直接解决工程问题。,涉及广泛工程领域:,新领域:,2、后续课程基础其它力学课程的基础.,土、水、机、航、材、地。,生物技术、能源、材料(纳米)、电子技术工程领域的创新离不开力学。,砼结构、钢结构、土力学与地基、流体力学、弹性力学.,材力、结力、弹塑性力学、机械零件、机械原理、机械动力学,绪论,3、培养能力:,抽象与逻辑思维；运动、变形与受力分析；计算模型与方法的选择。,a、具体结构的计算与技能(编程与应用软件)b、经典结构力学求解问题c、力学过程的仿真,都需要定性分析,经典方法分析能力,计算机分析能力,定性分析能力,工程中的概念设计、(“结构概念与体系”)估算判断、模型建立。,形成“定性结构力学”新课程。,绪论,寻找新问题与新途径。,创新能力,创造新思想、新方法、新产品的能力。,发散性:,开放性:,探索性:,想象性:,多向性,创新思维特点:,一题多解、多问、多变,主动索取,想象力比知识更重要。,由被动接收,绪论,直觉性:,又如:,如:,1.失重状态、火焰形状如何？,不需逐步分析、迅速作出合理猜测与判断,质点受力如图试求v=?,绪论,4、考研,土木、力学、机械、航天研究生必考课程之一.科技创新，需要高级力学人才。,六、教学计划与要求(见实施细则),绪论,第一篇静力学基础,几何静力学:,用矢量方法研究物体的平衡规律。,一群力：空间(一般、平行、汇交)平面,作用在平衡物体上的全部外力,平衡力系满足的条件,力系的简化(理论基础)与力系的平衡,公理化体系,各类力系:,基本任务:,平衡力系:,平衡条件:,第一章力系的简化,第一章力系的简化,静力学基础,寻求平衡条件的途径,受力分析的依据,动力学受力分析基础(力向质心简化),1.1静力学公理,经长期实践与反复验证的真理。通向公理，无逻辑之路，全靠人的直觉与经验。,力的多边形法则:,效应:,汇交力系、任何物体(刚体、变形体),力系简化规则,适应:,第一章力系的简化,效应:,适应:,不计重力，确定B，C两点受力方位。,若无摩擦，能否平衡?,不平衡,否则,最基本平衡条件,同一刚体,公理二,1.1静力学公理,第一章力系的简化,二力构件仅在两点受力平衡,两个重球由无重杆连结，为二力构件。,公理三(加减平衡力系原理),在已知力系上加上或减去任意平衡力系，不改变原力系对刚体的效应。,1.1静力学公理,第一章力系的简化,力系等效替换与简化,同一刚体,效应:,适应:,若为变形体，上图中物体变形不同。,图(a)和(b)受力等效吗?,改了A、B、C处约束力,1.1静力学公理,第一章力系的简化,力对刚体的可传性,推论1,同一刚体,1.如图，力F滑移，,不改变B处外力，却改变AC段内力与变形。,适用:,1.1静力学公理,第一章力系的简化,2.力F滑移改变外力吗?,滑移后，改变了杆端A、B处的外力。,推论2(三力平衡汇交定理),刚体受三力平衡，若其中二力相交，则三力共面，且汇交于一点。,证：,1.1静力学公理,第一章力系的简化,推论2(三力平衡汇交定理),刚体受三力平衡，若其中二力相交，则三力共面，且汇交于一点。,判断重杆对圆轮作用力及杆端B处作用力方向。,证：,1.1静力学公理,第一章力系的简化,n个力平衡，其中n-1个汇交于一点则第n个力必过此点。,D处相互作用力必过C点。,推广:,1.1静力学公理,第一章力系的简化,与二力平衡区别，作用于两个物体上。,物系受力分析基础,一切物体(静力与动力),效应:,适应:,公理四(作用与反作用定律),两物体间的作用力与反作用力等值，反向，共线。,相互作用力水平,两杆对称，分析顶点C处相互作用力。,1.1静力学公理,第一章力系的简化,公理五(刚化原理),变形体平衡，刚化后仍平衡。其逆不成立。,提供用刚体模型研究变形体平衡的依据。,刚体平衡条件对变形体是必要而非充分。,2.如何寻求质点系平衡的充要条件?,虚功原理。,1.如绳,效应:,1.1静力学公理,第一章力系的简化,在小变形下，求外力均在原形上刚化。,1.1静力学公理,第一章力系的简化,1.2力的投影、力矩与力偶,1.2.1力的投影,1.2.2力矩,1.2.3力偶,1.2力的投影、力矩与力偶,1.力在平面上投影是矢量,2.力在轴上投影是标量,(1)直接投影,(2)两次投影,(3)力的坐标表示,力在轴上的投影等于该力与该轴单位矢的点积。,其中,1.2.1力的投影,1.2.2力矩,1.力对点之矩是矢量(定位矢),2.力对轴之矩是标量,3.力对轴之矩与力对该轴上一点之矩的关系,1.2力的投影、力矩与力偶,力对轴之矩等于此力对该轴上任一点之矩在该轴上的投影。,已知如图，求,1.2.2力矩,1.2力的投影、力矩与力偶,4.合力矩定理,汇交力系:,(1)对点,合力对任一点之矩等于各分力对同一点之矩的矢量和。,(2)对轴,上式在任意x轴投影,1.2.2力矩,1.2力的投影、力矩与力偶,1.2.3力偶,1.力偶的概念,1)实例:,力偶不能合成为一个力，也不能与一个力平衡，是一个基本力学量。,两个等值、反向的平行力，记为,2)定义:,端受力如何?,1.2力的投影、力矩与力偶,静止时力偶与平衡吗?,2.力偶矩矢,定义:,1.2.3力偶,1.2力的投影、力矩与力偶,性质:,力偶矩矢与矩心O位置无关,为自由矢；经滑移、平移后不改变矩矢效果。,三要素:,力偶对轴之矩等于该矩矢在该轴上的投影。,而,大小、方向、转向.,1.求力偶M对x,y,z三轴之矩?,1.2.3力偶,1.2力的投影、力矩与力偶,2.图示三杆受力与变形有何相同与不同?,距固定端l段变形与受力相同。,3.合力偶定理,1)对点:,1.2.3力偶,1.2力的投影、力矩与力偶,合力偶矩等于各分力偶矩的矢量和。,2)对轴:,上式投影,3)平面力偶系:,1.2.3力偶,1.2力的投影、力矩与力偶,1.3力系的简化,受力分析的理论基础，研究力系平衡规律的途径,一般力系汇交力系+力偶系。,1.3力系的简化,1.3.3力系的最简形式,1.3.1力的平移定理,1.3.2一般力系向一点简化,1.2力的投影、力矩与力偶,1.3.1力的平移定理,1.过程:,作用于刚体上的力，可平移至该刚体内任一点，但须附加一力偶，其力偶矩等于原力对平移点之矩。,2.定理:,仅适应于同一刚体。,1.3力系的简化,2、试将下图分布力简化。,易使丝锥折断。,1、单手攻丝为何不正确?,1.3.1力的平移定理,1.3力系的简化,3、平移可行吗?,改变外力与变形,改变BC段受力与变形,1.3.1力的平移定理,1.3力系的简化,1.过程:,合力,合力偶矩,1.3.2一般力系向一点简化,选O为简化中心,1.3力系的简化,2.主矢与主矩原力系的特征量,1)定义,主矢,，与简化中心无关,主矩,，与简化中心有关,能否找到两个不同简化中心，使某力系主矩相同?,2)解析表示,主矢大小,1.3.2一般力系向一点简化,1.3力系的简化,3)简化结果,一般力系向一点简化，可以得到一个力和一个力偶，该力作用在简化中心，其大小，方向与原力系主矢相同，该力偶矩等于原力系对简化中心的主矩。,方向余弦,方向余弦,主矩大小,1.3.2一般力系向一点简化,1.3力系的简化,1.平面一般力系向一点简化，主矢与主矩的几何位置如何？空间平行力系呢？,均为正交。,2.插入端的受力分析,1.3.2一般力系向一点简化,1.3力系的简化,3.杆截面的受力分析。,FOy轴力FOx，FOz剪力MOy扭矩MOx，MOz弯矩,1.3.2一般力系向一点简化,1.3力系的简化,1.3.3力系的最简形式,1.力系的不变量,主矢,第一不变量,故,第二不变量,力系主矢和主矩的点积不随简化中心变化(第三不变量待后引出),(不依简化中心不同而改变的量),其中,1.3力系的简化,2.力系的最简形式,力系向任一简化中心简化的结果，有哪些特殊情形？能否进一步简化？,(1)，与零力系等效，平衡。,(2)，简化为一力偶。,(3)，简化为一合力。,，即,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,(但力偶矩为高阶小量),力螺旋,平面一般力系，空间平行力系的最简形式?,一合力。,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,力系的最简形式有平衡，合力、合力偶和力螺旋4种情形。,称为力系第三不变量。,结论：,1.3.3力系的最简形式,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,1.图示力系沿正方体棱边作用，F1=F2=F3=F,其向O点简化结果是什么?,力螺旋,2.一般力系简化为合力或合力偶条件是什么?,合力,合力偶,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,3.哪些特殊力系不可能简化为力螺旋?,汇交、平面、平行、力偶系。,4.某力系对不共线的三个简化中心主矩相同，该力系最简形式?,力偶。,1.3力系的简化,1.试求图示平面力系向O点简化结果及最简形式。,选O为简化中心,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,最简结果为作用于的一个力.,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,2.图示长方体沿三个不相交又不平行的棱作用三力F1、F2、F3，棱长为a、b、c。若F1=F2=F3=F，如何选择棱长，简化为一个合力.,建立图示坐标，向O点简化:,即时,简化为一个力。,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,1、该合力作用线方程?,设(x、y、z)为作用线上一点，其矢径为r,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,2若最简结果是什么?,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,3.沿图示长方体棱边作用的三力F1、F2、F3等效于过O点的一个力螺旋。已知F2=F3=150N，求F1，a及力螺旋中相应力偶矩大小。,向O简化,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,或,而,故,1.3.3力系的最简形式,1.3力系的简化,1.4物体的重心,(平行力系的简化中心),忽略地球转动效应，物体各质点受万有引力指向地心，可视为平行力系(即重力)，可简化为一合力。,重心重力合力作用点。,1.4.1重心位置,1.4.2求重心的几种方法,1.矢径位置,由合力矩定理,1.4.1重心位置,由于坐标选取的任意性，必有,重心矢径公式,数学上可视为加权平均。,故,1.4物体的重心,2.坐标位置,上式两边分别投影,3.质心与形心,a)质心：,当gi相同时，质心与重心重合.,定义:,投影:,1.4.1重心位置,1.4物体的重心,质心的定义是独立的。,b)形心：,均质薄平板的形心,定义:,当为常数时（均质）,形心与质心重合,投影:,同为常数，则三心合一。,1.4.1重心位置,1.4物体的重心,1.4.2求重心的几种方法,1.计算法,(1)积分法,将上述求和公式化为定积分得出,常用公式见附录。,(2)组合法,将物体分割为已知重心的部分，再叠加，包括负面(体)积法。,1.4物体的重心,可分割为4个矩形或2个矩形,1.求图示均质薄片重心(形心)。,1.4.2求重心的几种方法,1.4物体的重心,1/4圆弧段重心坐标为,长b段:,2.求图示均质细杆的重心。已知R=200，a=100，b=400(mm),分三段:1、2、3,1.4.2求重心的几种方法,1.4物体的重心,故,同理：,长a段:,1.4.2求重心的几种方法,1.4物体的重心,2.实验测定法,悬挂法,称重法,测得FNB,二力平衡,两次悬挂,有,1.4.2求重心的几种方法,1.4物体的重心,怎样由地秤测算汽车重心。已知L，L1，r，G,及秤重。,1.4.2求重心的几种方法,1.4物体的重心,由,1.4.2求重心的几种方法,1.4物体的重心,1.5物体的受力分析,1.5.1受力的简化分布力与集中力,1.5.2典型约束模型,1.5.3物体的受力图,1.5物体的受力分析,引言,约束,限制物体自由运动的周围物体。(静力学中),约束力,主动力,使物体产生运动或运动趋势的力。,自由体,不受约束的物体,(通常为作用力的简化结果),受力分析关键,确定各类约束力方位。,约束对物体的作用力。,1.5.1受力的简化分布力与集中力,集中力是分布力的简化结果,2、静水压力,1、接触力,1.5物体的受力分析,3、杆内力,平面,空间,1.5.1受力的简化分布力与集中力,1.5物体的受力分析,1.5.2典型约束模型,物体连接方式的理想化、抽象化。由约束性质定约束力方位。,1、理想刚性约束,(1)光滑面(f=0),压物体,方位:,指向:,公法线,1.5物体的受力分析,组成:,(2)光滑铰链,a)圆柱形,性质:,两孔一销,二维光滑面,类型:,固定A，中间B，可动C,方位:,不能事先确定时,可用二分力表示,指向:,任意假定,1.5.2典型约束模型,1.5物体的受力分析,b)球形,球碗与球头,c)其它,组成:,性质:,三维光滑面,方位:,不能事先确定时，常用三分力表示,指向:,假定,焊接点,铰,铆接点,铰,沥清麻刀,铰,1.5.2典型约束模型,1.5物体的受力分析,1.5.2典型约束模型,1.5物体的受力分析,1.5物体的受力分析,1.5.2典型约束模型,1.5物体的受力分析,1.5.2典型约束模型,(3)固定端,3个约束力分量,6个约束力分量,(4)连杆(二力杆),圆柱固定铰,2连杆；,圆柱可动铰,1连杆,一球铰,3连杆,固定端,3连杆(平面)；6连杆(空间),a)平面