工业设计工程基础（教学课件）.ppt

工业设计工程基础2,课程教材：工业设计机械基础（第2版）主编：阮宝湘（北京理工大学）特点：适专业、宽而浅、重实例、重应用课程学时：64课堂教学56+综合作业8,工业设计工程基础2,第一篇工程力学基础（22）突出了静力学与材料力学的基本概念和结论；提供一些基本计算的方法使大家掌握的知识能够从定性向定量的层面的初步延伸。第二篇机械设计基础（34）了解常用机构、联接、各种传动、轴系部件等内容，从产品应用出发，阐述特性和适用的场合。第三篇产品机构与结构图例40种产品的立体透视图，作为大家的参考阅读材料。附录大作业的参考,参考书目：1.朱东华，樊智敏，机械设计基础，机械工业出版社，2003.2.景荣春主编，工程力学简明教程，清华大学出版社，2007.3.李秀珍，曲玉峰.机械设计基础（第3版），机械工业出版社，2000.4.张美麟，机械创新设计，化学工业出版社，2005.,工业设计工程基础2,Chp1工程力学的基本概念,工程力学与工业设计,1,工程力学的研究对象与基本内容,2,工程力学的基本概念,3,静力学公理,4,约束与约束反力,5,分离体与受力图,6,第1节工程力学与工业设计,一、工程力学在产品设计中的作用工程力学对产品设计有什么作用？有用之处：1.任何产品都必须稳定，或能按预定要求运动（静力学或动力学）2.任何产品都应该牢固，正常使用中不会损坏（材料力学）。,第1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）台灯b）小型吊车图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。引例：钢管椅,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。如抽屉、电脑桌支架,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,力学系统性强，较抽象，很严谨，其知识是通过一步步推理演绎向前延伸的，前面弄懂了，后面才能学得懂。,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,视觉量感,图1-9中国古老的石拱桥赵州桥,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,图1-11合理的力学结构与造型美,科学和艺术是人类文明的两大分支，他们在高层次上却有同一性。力学上的合理与造型美之间的关系，属于这种同一性的一个部分。,塔科马大桥倒塌事故,美国塔科马大桥昵称：舞动的格蒂（GallopingGertie）桥梁形式：悬索桥主跨：2800英尺（853米）全长：5000英尺（1524米）通航净空：195英尺（59.4米）通车日期：1940年7月1日坍塌日期：1940年11月7日这是一段珍贵的历史镜头：一次不可思议的微风，竟然使这坚固的大桥如奔腾的花鹿一般狂舞不已，进而轰然倒塌，令人叹为观止。,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。,第二节工程力学的研究对象与基本内容,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。,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？,图1-12这些产品或设施的设计中存在哪些工程力学问题？,a）,b）,c）,d）,第三节工程力学的基本概念,一、刚体与变形固体,静力学中，把构件理想化为不会变形（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,二、力与力系,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。,力的度量单位是牛顿（N，简称牛）或千牛顿（kN，简称千牛）。牛顿和千克力的换算关系是：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；用明体斜体字母F、P、T、R、N、X、Y等表示力的数值大小。,图1-14力的图示法,载荷集度（单位长度上或单位面积上的载荷量）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（P9）,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,2.集中力与分布力,载荷：构件受到的外来作用力。集中力或集中载荷：作用力的作用面积与构件面积相比很小分布力或分布载荷：作用力分布作用在构件上的一个区域,均布载荷,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，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）。,图1-15二力平衡和二力构件a）二力平衡b）二力杆（杆CD的重量不计）,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,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,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。,图1-18力的平行四边形公理a）力平行四边形b）力三角形,力的三角形法则应用更简便。,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+F2R（1-1）,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,一、约束与约束反力的概念约束:对物体的运动（或运动趋势）起限制作用的其他物体约束反力，简称反力：约束作用对被约束物体的作用力例子：图1-21，图1-22,图1-22约束与约束反力,二、常见的约束类型和约束反力特性,1.柔索约束包括：绳索、传动带、胶带、链条等柔性索状物特点：只能承受拉力，不能抵抗压力和弯曲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.光滑面约束特点：能阻止物体沿光滑面的法线方向向着光滑面的运动。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。,图1-23光滑平面的约束反力,图1-25光滑棱角的约束反力,图1-24光滑曲面的约束反力,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。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XC、YC，则它们的合力RC的大小、方位角和指向也就完全确定了。,图1-26光滑圆柱形铰链约束,铰链约束反力的实例建筑门窗的合页铰链；冰箱、微波炉的门铰链；曲柄滑块机构中，A、B两处铰链约束。,图1-27曲柄滑块机构中的铰链约束,固定铰支座约束反力特性：作用线通过铰支座的中心，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。例子：图1-27中O点,图1-28固定铰支座约束,4.固定与活动铰链支座约束,活动铰支座约束反力特性：作用点在铰链中心，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,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1-30固定端约束,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。,1,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,例1-1画图中小球的受力图。,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,例1-3AB、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1-33a。不计杆的自重，试画AB、BC的受力图，销轴B的受力图，三角吊架ABC的受力图。,解AB、BC的受力图分析断定AB、BC均为“二力杆”，容易得其受力图图1-33b、c。销轴B的受力图其外力为重G，AB、BC的约束反力TB和NB（分别与TB、NB等值、反向）。B的受力图如图1-33d所示。三角架ABC的受力图铰链A作用于AB的TA、铰链C作用于BC的NC，B处的挂重G，得到受力图1-33e。,图1-33例1-3图,提示：在图1-33b、c上，对于AB、BC杆的受力，可以假设一个指向先画上去；方向假设错了是无妨的，经过分析计算便可纠正过来。,讨论二力构件（二力杆）的受力特性清晰确切，判断出二力构件，对某些问题很重要。铰链约束反力的方位角和指向随具体条件而定，常需用一对正交分力来表示，求解中存在两个未知量。但本例中，判断出AB、BC是二力杆，两处反力的方向得以确定，每处只剩下一个未知量，使问题易于求解。,图1-34例1-4图,例1-4结构如图，不计杆重，绘构件受力图：AD杆BC杆支架ABCD,解从确定二力构件入手：曲杆BC杆是二力杆。BC杆受力图如图1-34b。AD杆受力图如图1-34c。支架ABCD受力图如图1-34d所示。,例1-5结构如图1-35a，画梯子ABC整体、AB、BC两侧页和销轴A的受力图。,图1-35例1-5图,解梯子ABC梯子是一个“物系”，研