【2019年整理】《理论力学实验》讲义

1、?理论力学实验?讲义福州大学机械工程及自动化学院机械设计系?工程力学?组编二OO九年十一月、乙刖百科学和经济的开展,市场经济体系的建立,人才聘用的市场化,都对大学生的实际水平提出了很高的要求.培养和练习大学生的分析问题、解决问题的水平,培养和练习大学生的实践动手水平,是课程建设和课程教学的根本目标,为此,我们突破长期以来?理论力学?课程教学无实验的状态,初步建设了理论力学实验室,开展了?理论力学?实践教学活动.?理论力学实验?作为?理论力学?新教学体系的重要组成局部,目的是通过这样一组实践教学环节的实施,开阔学生的眼界,增强?理论力学?的工程概念,了解这门课程与工程实际的紧密关系,培养、锻炼学

2、生的创新思维和科研水平.大量与?理论力学?相关的产品和科研成果作为?理论力学实验?实践教学的内容,通过参观图片实物、实验演示以及学生自己观察、分析和动手实践到达实验的目的.实验的结果考核将采取填写实验报告、撰写小论文和交习作的形式进行.目前,?理论力学实验?主要包括三项内容：1、 静力学、运动学和动力学创新应用实验.2、 动力学参数测定实验.3、 运动学和动力学计算机模拟仿真实验.第一项实验静力学、运动学和动力学创新应用实验一.实验目的1、通过大量工业产品和科技成果向学生展示?理论力学?的工程意义和工程应用,开阔学生的眼界.2、通过学生对大量工业产品和科技成果的观察分析,通过学生动手操作,加深

3、对?理论力学?基本概念的理解,稳固力学分析方法的掌握.3、培养、练习学生的创新思维,提升、锻炼他们建立力学模型的水平.2 .仪器设备1、挂图、照片.2、40余套产品、模型、设备和零部件.3 .实验内容一静力学局部一曲柄滚轮挤水拖把的受力分析与过程其计算简图如图2,应用虚位移原理可以得出FD和FB的关系.Fd=Fbsin.0A1.°Acos；0DJ|AB|2-|°A2sine二者的过程关系如下列图:D.2Jr0207o15rr网-与二0107ow?nnnIIIIuuu0.0°400°30X3°1200fl160.0°0图31.0070.

4、75-N；o0.50-一、-Et?二0.2570.00匕IIIII004.08.012.0lfi.020.04/10NOj4=30mm,时图4yup：1r二桑塔那汽车用的千斤顶受力分析与自锁条件千斤顶受到平面汇交力系的作用,车重G,容易求得FF2o进一步,利用虚位移原理,可以求得手柄作用力F:Md-'EM-G-,F-'F当螺纹升角小于摩擦角a中m时,千斤顶还将发生自锁现象:三膨胀螺钉的应用技术与约束反力分析如图,膨胀螺钉的约束反力是一空间力系：之所以能固接在墙中,机理如图,fn越大,静摩擦力也越大.四管子钳的受力分析与剪刀钳的受力分析管子钳的设计充分利用了力学原理:图11图12

5、五兔子挠骨抗扭强度测试仪一一空间力偶等效理论的应用测试仪利用空间力偶等效理论,对下列图的挠骨进行扭矩和转角的实验:图13得到二者的关系如图:4如0*4/包如图ITO超声波理疗愈合与自然愈合比照曲续图15其中右图为扭矩和愈合天数的关系曲线图.六挖掘机部件的受力分析与求解各油缸的推力或拉力灵活、正确的选取研究对象是求解静力学问题的诀窍,如下图的挖掘机受力分析:七静、动滑动摩擦因数的测定装置利用图示测定装置可以测定材料静、滑动摩擦因数:简化得到力学模型:c利用临界条件和newton定律可以求得静、动摩擦因数.八压延机的摩擦因数问题压延机的压延厚度和摩擦因数有关.如下图,要使得压延产生,必须使合力向右

6、,进而可以求得厚度和因数的关系：剥毛豆机是一应用实例.九滑动摩擦不自锁一一自动关门的摇皮该设计同样应用了自锁原理,当升角或倾角不小于摩擦角时,机构无法实现静平衡.十翻倒问题与起重机的稳定度这是典型的平面平行力系的平衡问题,利用临界条件,可以求出平衡块的限重和稳定度:十一螺旋压榨机或螺旋拔销爪利用虚位移原理,可以求出主动力M和反作用力F之间的关系:1F二Mrtan工其中：r为螺旋半径,a为螺纹升角.十二桁架在桥梁设计中的应用与计算工程实际中的桥梁设计广泛应用了理论力学的知识：A.拱桥材料一般为脆性材料,单个构件受到平面汇交力系作用：图23楔块的受力分析B.桁架结构桥构件受到平面汇交力系或一般力系

7、的作用,应用节点法或截面法可以求解:500kN25.kM250kN250kN玛瑞居鸟3骂图M结点法图25截面法卜图为一跨班架在自重和一般载荷作用下的受力图:500kN500kN250kN250kN250kN250kN250kN230IsN250kNME110h/111312_G141322301519B7Z16JJ202321口24尸y272832B250kN250kN250kN250kN250kN250kN250kN(a)一跨主桁架荷载分布-7500kH-7500kbT.2577kNQ377kN-7j500kN-7500kNS口曷s0RyOOkH4000kN10500kN10500kN105

8、00kHlOiOOkN4000kN4000kN(b)各桁架杆箫载时的受力分布"图26C.悬索桥悬索上的每一个节点为一平面汇交力系作用点:石W图27D.斜拉桥E.公路桥必须指出,以上各种桥梁除了需要进行静力平衡分析外,还需要进行动力计算,如模态分析,固有频率计算等.十三应力集中概念、空间杠杆原理和弯曲技术在磁砖切割机上的综合应用瓷砖切割机综合应用了材料力学中的应力集中、理论力学中的杠杆原理和弯曲技术：a滚刀轮刻划应力集中痕迹看鸟b杠杆原理应用图28二运动学局部一计算机驱动器变角速度的限制驱动器中包含有涡轮蜗杆机构、摩擦传动和凸轮紧固等.为保证线速度不变,在信号接受点不断变动的情况下,驱

9、动器转盘的角速度也是时变的:二旋转式、往复式剃须刀的比拟,曲柄框架机构与外壳振动限制的技术下列图为剃须刀的示意图,其中包括可剃须区和不可剃须区：在电机转速为定值的情况下,根据切削速度和转速的正比关系容易确定出最正确效果的剃须区域.应用曲柄框架机构,将电机转动变为刀片的平动,显然比上面的旋转式更为合理和有效：为了防止振动,可以采取两种方法：一是在曲柄上装偏心块；二是采用两排运动方向相反的动刀片.三推土机的机构运动与分析其中OABC为一四连杆机构.四多功能万花尺一一刚体平面运动时,平面图形上各点有不同的轨迹小齿轮作平面运动,各个点的运动轨迹不同.五剥线钳的运动特征机构把剥线的两个过程统一起来.六跳

10、“的嗒舞“踢踏舞音乐鞋的传动机构与运动分析图37濡,盛齿轮系音乐佳.上电机跳舞鞋利用刚体定轴转动理论中的多级齿轮传动和凸轮传动,左右两只鞋的凸轮设计成相位差45度,即可实现“的嗒节拍.七绕线器的转速比与圈数指示器利用刚体定轴转动的角速度转速和齿数之间成反比的关系,容易实现圈数的计算.八悬浮平衡与气流速度测定仪创於.Q图40利用悬浮力和流速的关系可以实现悬浮平衡和物料输送,还可以测定流速.甲41图y来确定转动的角速度九不可见轴转速的测定方法利用曲柄滑块机构把转动变为平动的特点,可以通过测定平动的加速度十评估房屋抗震特性的方法与分析通过安装加速度传感器的方法来模拟地震,进而设计减震器.四井一三动力

11、学局部12理论值计算公式：Joz='mr22经过验证,摆长对于测量误差有重要影响越长精度越高B.等效方法一非均质发动机摇杆对轴转动惯量的等效方法A.均质圆盘转动惯量求法与误差分析从线性振动微分方程推导,利用实测数据得出的计算公式:2lJoz-(T)2mgr2二图42三线摆的扭振图43两个等效的三线摆在物体为非均质的T青况下,如果a、b两者的质量和摆周期相同,那么它们的转动惯量亦相同,而后一种情形的转动惯量是可以计算得到的.C.高科技上的拓宽应用二拳击机拳击力的标定方法一一动力学普遍定理的综合应用与恢复系数利用动能定理、动量定理和碰撞理论中恢复系数的定义,可以求出拳击力和恢复系数:_(1

12、e)mim2Fm2gl(1-cos：1)gtomim2,u2-uie=0.8e=0.8Vi-V2三单自由度振动系统在工程中的应用A.复摆应用在“小爬虫上使一个贫困村致富B.音乐的节拍器摆动周期和转动惯量的平方根成正比.C.电视塔用一串单摆限制“风振悬吊空间单摆个(a)高168m钢结构电视塔用MTMD图图471LI分11段装多个I层厂利用11个质量不同、摆长不同的单摆构成的频带同塔自身的一阶模态和气流风谱频带相仿,使得塔振动产生的能量由单摆消除,到达限制“风振的目的.D.扭振减振器限制曲轴振动减震器的频率设计和曲轴的频率一样,使得曲轴系统的局部能量转化为减震器的能量,从而减少了曲轴的震动,提升了

13、使用寿命.四汽车振动两自由度模型汽车在铅直平面内的振动可以简化为二自由度系统的模型:五质点系动量定理的演示图示的弹性球系在理想情况下满足动能守恒和动量守恒:六振动电机及其在工程中的应用这是一种新型电机,它将动力源和振动源合在一起,能产生可变的激振力:ffi53直线振动电机环形绕组以上是两种振动电机.七平衡的四个问题A.静力不平衡B.静力平衡图册动力不平衡C.动力不平衡D.动力平衡八振动产生优美动听的音乐A.吉它琴的弦振动根据上图可以写出数理方程,进一步求出振动频率.B.八音琴的梁振动利用势能一动能的相互转化和振动理论设计的八音琴:图60简化为单自由度振动系统的音键图£2非连续变截面悬

14、臂梁的音键C.汽车喇叭的膜振动九隔振理论及各种隔振器A.确定性振动的隔振理论隔振的两种方法一一主动隔振和被动隔振:B.各种减振器及应用图67四.实验要求：1、积极动脑、动手,观察、讨论.2、每人至少完成1篇小论文.论文要求WORD文档,AUTOCAD绘图,字数至少2000个汉字,A4纸打印.期末测试之前交.3、保护实验室内所有仪器、设备、模型、实物.4、论文格式：见附页第二项实验动力学参数测定实验一.实验目的1、加深对动力学参数的理解.2、掌握动力学参数测定某些方法.3、锻炼分析水平、实验方法设计水平和实验操作水平.二.仪器设备1、多功能试验台.2、常规测量仪器.三.实验内容1、转动惯量的测定

15、和误差分析.2、固有频率的测定和分析.3、求重心的实验方法.4、四种载荷的区别和实验.5、转子动平衡和动不平衡实验.6、自激振动实验.四.实验要求1、认真观看“理论力学多功能实验台ZME-1型介绍光盘,了解六个实验的具体内容、使用仪器及操作步骤.做好实验前的准备工作.2、自己动手操作实验.3、认真填写实验报告.4、保护试验台和实验仪器、设备.3、用三线摆求圆盘的转动惯量,并示出线长l对测量误差的影响理论力学多功能实验台ZME-1型实验报告班级学号姓名日期、实验前的准备工作1、观看“理论力学多功能实验台ZME-1型介绍光盘(约15分钟),了解六个实验的具体内容、使用仪器及操作步骤.2、观看理论力

16、学实验(一)的喷墨板,了解六个实验的内容与方法.、按序进行六个实验,并记录数据(三学时左右)祛码重W(N)Wi=1W2=2W3=3W4=4变形l(mm)计算：单自由度的等效1、求弹簧质量系统的固有频率：高压输电线模型的质量m=0.138(kg),祛码规格分别为100克和200克.方法：分次挂祛码,记录振体的竖向变形刚度keq=W/Al=(N/m)固有振动频率.1fo=7keq/m=(Hz)2二,2、实验方法求重心(1)悬吊法对组合型钢悬吊两次,图示出重心位置(2)设法对连杆水平搁置,用台秤称出连杆重量W=Fn1+Fn2=(N)Fl求出连杆的重心xC=(cm)W：圆盘直径,D=100(mm),厚

17、度5=5.3(mm),材料比重7=7.5g/cm3,吊线半径r=38mm.1Doc圆盘转动惯量的理论计算Jo=M()2=(kgm2)2222通过秒表测量三线摆周期,按公式JO='工Mil计算转动惯量JO=(kgm2)0Jl线长l(cm)203040506070转动惯量JO(kgm2)叱(%)4、用等效方法求非均质发动机摇臂的转动惯量选择误差可接受的三线摆线长(60cm),等效用圆柱直径d=18mm,高h=20mm,材料比重=7.4g/cm3,两个圆柱对中央轴转动惯量的计算公式为Jo-21mr2m(-)222距离S(mm)30405060周期T(s)转动惯量JO(kgm2)测量与两个圆柱

18、等重的非均质发动机摇臂的扭振周期T'=应用上表及插入法,求得摇臂的转动惯量JO=(kgm2)三、请简述通过这次实验的收获1、如何利用现有的实验装置与配件,演示受迫振动？2、四种不同载荷分别作用于同一座桥上时,哪一种最不平安？3、分析发动机摇臂质心与轴心相距较大时,对实验精度的影响.4、请简述通过这次实验的收获.第三项实验运动学与动力学计算机模拟仿真实验1、 实验目的1、学习、掌握静力学、运动学和动力学模拟仿真方法.2、学习、了解、熟悉国际上通用软件的使用.3、学习培养工程问题的力学建模水平、力学模型的创新设计水平.2、 实验工具1、硬件：计算机.2、软件：?理论力学求解器?.3、 实验

19、内容1、静平衡分析：定义结构,自由度分析,仿真计算,确定结构的平衡位形.2、运动学分析：定义结构、参考基和约束,自由度分析,仿真计算,以数据、曲线和动画输出分析结果.3、动力学分析：定义结构、参考基和约束,定义载荷,自由度分析,仿真计算,以数据、曲线和动画输出分析结果.4、 实验步骤4.1 立、翻开或保存文件.静力学、运动学和动力学分析分别以*.xyy、*.xh、*.hxh的格式储存和调用.4.2 形操作4.3 图形单位：千米、米、分米、厘米默认或毫米.4.4 图幅定义：默认值为1600X1600.4.5 原点定义：惯性基基点a,b定义在屏幕左上角,其中,a向右为正值,b向下为正值.4.6 图

20、形放大或缩小4.7 统参数4.8 定义物体输入外形参数长度和高度,构件的位形连体基基点位置和姿态角.4.9 定义校滑移饺：钱号、参考点坐标、方向角0、内接物体Be、外接物体R.旋转钱：钱号、参考点坐标.齿轮副：钱号、内接物体号3、内接节园半径R、内接物体X轴到连心线的转角Wb逆时针方向、内接物体转轴在该物体连体基上的坐标aQ,b0;外接物体号a、外接节园半径R、外接物体x轴到连心线的转角3口逆时针方向、外接物体转轴位置ap,bp.目前软件仅提供外接齿轮类型.齿轮齿条副：钱号、齿条是否作用在基座的选择、齿轮所附的物体号“、齿轮半径R、参考线转角逆时针方向、齿轮轴位置ap,bp;齿条所附的物体号3

21、、齿条方向角3b逆时针方向、啮合点位置aQ,bQ.注:对于连接制作的齿轮副和齿轮-齿条副,在定义时应通过点击系统参数菜单中的齿轮副和齿轮-齿条副参数项,再点击绘图板区域中的支座,然后在弹出的对话框中的步骤来定义.4.10 义力元运动学分析中无此项弹簧元：内接物体号3、外接物体号、在内接物体上的位置aQ,bQ、在外接物体上的位置ap,bp,弹簧原长,弹簧特性中的参数选择.4.11 载运动学分析中无此项软件当前仅提供四种外载荷类型：重力、集中力、分布力合力偶.重力：重力加速度的大小和方向.集中力：受力物体号、力的作用点在该物体连体基的坐标a,b、力的大小、力的方向与x轴的夹角以及该轴所属的参考基惯性基或连体基.分布力：受力物体号、力的作用区域ai,ai两端载荷集度.力偶