全套电子课件：机械设计基础-第十套

1、第1章 静力学基础 （时间：1次课，2学时）第一篇 力学计算基础 工程力学的内容极其广泛，本书所述的是工程力学中最基础的内容，它包含静力分析、构件承载能力分析及运动力学分析三部分。1. 机械工程中的力学问题2. 工程力学的主要内容和任务3. 工程力学的研究对象及模型第1章 静力学基础 学习目标： 在机械的各种零件、部件的设计过程中需要研究受力状态，进行受力分析，并进行相关计算。本章重点是物体的受力分析，即分析某个物体共受几个力，以及每个力的大小、方向和作用线位置。第1章 静力学基础 重点与难点：掌握静力学的基本概念，基本公理、推论的内容及适用范围。学习工程中常见的几种约束类型及其受力特点。学会

2、分析物系内每个物体的受力，注意作用力与反作用力定律 的应用。会找出物系中的二力构件并判断其拉压特点。第1章 静力学基础 案例导入： 本章以悬臂吊车横梁及拉杆受力为案例导入，分析物体的受力情况。1.1 静力学的基本概念 1.2 静力学公理 1.3 约束的基本类型和约束力的确定 1.4 物体的受力分析和受力图的画法 1.5 本章实训 悬臂吊车横梁及拉杆受力分析 1.6 练 习 题 第1章 静力学基础 1.1 静力学的基本概念 1.1.1 刚体的概念 1.1.2 质点的概念 1.1.3 力的概念 1.1.4 力系的概念 1.1.5 平衡的概念 1.1 静力学的基本概念 静力学是研究物体在力系作用下的

3、平衡规律的科学，重点解决刚体在满足平衡条件的基础上如何求解未知力的问题。静力学理论是从生产实践中发展起来的，是机械零件或机构承载计算的基础，在工程技术中有着广泛的应用。1.1.1 刚体的概念 所谓刚体是指在任何外力的作用下大小和形状不变的物体，也就是刚体受力作用时，其内部任意两点间的距离永远保持不变。这是一个理想化的力学模型。实际物体在力的作用下，都会产生不同程度的变形。但在一般情况下，工程上的结构构件和机械零件的变形都是很微小的，这种微小的变形对构件的受力平衡影响甚微，可以略去不计，所以可以将结构构件和机械零件抽象为刚体。1.1.2 质点的概念 在静力学中随着问题的不同，除了将实际物体抽象为

4、刚体外，还可以将物体抽象为另外一种理想模型，即质点。所谓质点，是指具有一定质量而形状与大小可以忽略不计的物体。当我们研究物体整体运动时，它的大小和形状不影响我们所研究问题的性质，可将该物体简化为质点。1.1.3 力的概念1. 力的定义 力是物体间的相互作用。它具有两种效应，一是使物体的运动状态发生改变，例如地球对月球的引力不断地改变月球的运动方向而使之绕地球转动；二是使物体产生变形，例如作用在弹簧上的拉力使弹簧伸长。前者称为力的外效应，后者称为力的内效应。1.1.3 力的概念2. 力的三要素 力对物体的作用效果取决于力的大小、力的方向(包括方位和指向)、力的作用点，简称为力的三要素。当力的三要

5、素中任一项发生变化时，力对物体的作用效果就会改变。1.1.3 力的概念3. 力的性质 力是一个既有大小又有方向的量，而且满足矢量的运算法则，因此力是矢量，所以可以用一个定位的有向线段来表示力。如图1-1所示，线段的长度按一定的比例尺表示力的大小，箭头的指向表示力的方向，线段的起点(或终点)表示力的作用点。与线段重合的直线称为力的作用线。我们通常用黑体字母F来表示力。图1-1 力的表示法 1.1.3 力的概念4. 力的单位 在国际单位制(SI)中，力的单位是牛顿，其符号为N，有时也用千牛(kN)。在工程单位制(LFT)中，力的单位是公斤力或吨力，其符号为kgf或tf。两者的换算关系为1 kgf=

6、9.8 N1 tf=9.8 kN=9 800 N1.1.4 力系的概念 力系是指作用于物体上的一群力。它们组成一个力的系统，这个力的系统对物体作用的结果是使其运动状态发生变化或使物体的形状发生改变。力系中力的作用形式是千变万化的，可能是一个力，也可能是多个力，力的作用线可能在同一平面内，也可能在三维空间内。一个力是一种最简单的力系。但在解决复杂力系的问题时，应该在保持对刚体作用效果不变的前提下，用一个简单力系代替一个复杂力系，从而使问题简化，这个过程称为力系的简化。物体处于平衡状态时，作用于该物体上的力系称为平衡力系。1.1.4 力系的概念1. 平面力系所有力的作用线在同一平面内的力系为平面力

7、系。平面力系又可分为三种。 平面汇交力系，即所有力的作用线汇交于一点的平面力系； 平面平行力系，即所有力的作用线都相互平行的平面力系； 平面任意力系，即所有力的作用线既不汇交于一点，又不相 互平行的平面力系。 1.1.4 力系的概念2. 空间力系 所有力的作用线不在同一平面内的力系为空间力系。空间力系又可分为三种。 空间汇交力系，即所有力的作用线汇交于一点的空间力系； 空间平行力系，即所有力的作用线都相互平行的空间力系； 空间任意力系，即所有力的作用线既不汇交于一点，又不相 互平行的空间力系。1.1.5 平衡的概念 所谓平衡，是指物体相对于惯性参考系保持静止或做匀速直线运动的状态。在工程问题中

8、，平衡通常是指物体相对地球静止或做匀速直线运动的状态，也就是将惯性参考系固连在地球上，这时作用于物体上的力系称为平衡力系。实际上，物体的平衡总是暂时的、相对的，永久的、绝对的平衡是不存在的。研究物体的平衡问题，就是研究物体在各种力系作用下的平衡条件，并应用这些平衡条件解决工程技术问题。为了便于寻求各种力系对于物体作用的总效应和力系的平衡条件，需要将力系进行简化，使其变换为另一个与其作用效应相同的简单力系。这种等效简化力系的方法称为力系的简化。1.2 静力学公理 1.2.1 公理1 力的平行四边形法则 1.2.2 公理2 二力平衡公理 1.2.3 公理3 加减平衡力系公理 1.2.4 公理4 作

9、用力与反作用力公理 1.2.5 公理5 刚化原理 1.2 静力学公理 静力学公理是人们在生活和生产活动中长期积累起来的、经过实践反复检验的、证明是符合客观实际的普遍规律。静力学公理是对力的基本性质的概括和总结，是静力学全部理论的基础，是解决力系的简化、平衡条件以及物体的受力分析等问题的关键。1.2.1 公理1 力的平行四边形法则 作用于物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力。其合力仍作用于该点上，合力的大小和方向，由以这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线来确定。1.2.2 公理2 二力平衡公理 作用在同一刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的必要和充分条件是这两个力的大小相等，方向相反，且

10、作用在同一直线上，如图1-3所示，即(1-3) 图1-3 二力的平衡 1.2.3 公理3 加减平衡力系公理 在已知力系上加上或减去任意的平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。这个公理是力系简化的重要理论依据。根据此公理可以导出下列推论。 推论1 力的可传递性原理 作用于刚体上的力，可以沿着它的作用线移到刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的作用效果。 推论2 三力平衡汇交定理 刚体在三个力的作用下平衡，若其中二力作用线相交，则第三个力的作用线必过该交点，且三力共面。1.2.4 公理4 作用力与反作用力公理 两物体间的作用力与反作用力总是同时存在的，且两力的大小相等、方向相反、沿着同一直线，分

11、别作用在两个相互作用的物体上。 这个公理概括了自然界的物体相互作用的关系，表明了作用力和反作用力总是成对出现的。1.2.5 公理5 刚化原理 变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变为刚体(刚化为刚体)，则平衡状态保持不变。 公理5告诉我们，处于平衡状态的变形体，可用刚体静力学的平衡理论来研究。1.3 约束的基本类型和约束力的确定 1.3.1 柔性约束 1.3.2 光滑接触面约束 1.3.3 圆柱铰链约束 1.3 约束的基本类型和约束力的确定 如果物体在空间沿任何方向的运动都不受限制，这种物体称为自由体，例如，飞行的飞机、火箭等。在日常生活和工程中，物体通常总是以各种形式与周围的物体互相

12、联系并受到周围物体的限制而不能做任意运动，我们称其为非自由体。例如，转轴受到轴承的限制；卧式车床的刀架受到床身导轨的限制；悬挂的重物受到吊绳的限制等。1.3.1 柔性约束 由柔软的绳索、链条、皮带等构成的约束统称为柔性约束。这类约束的特点是柔软易变形，不能抵抗弯曲，只能受拉，不能受压，并且只能限制物体沿约束伸长方向的运动，而不能限制物体在其他方向的运动。1.3.2 光滑接触面约束 两个互相接触的物体，如果略去接触面间的摩擦就可以认为是光滑接触面约束。这类约束不能限制物体沿接触面切线方向的运动，只能限制物体沿接触面公法线方向的运动，并且只能受压不能受拉。因此，光滑接触面约束对物体的约束力作用在接

13、触点处，作用线沿公法线方向指向物体。通常用N表示。1.3.3 圆柱铰链约束 这类约束包括中间铰链约束、固定铰链约束、活动铰链支座和链杆约束。1. 中间铰链约束2. 固定铰链约束3. 活动铰链支座4. 链杆约束1.4 物体的受力分析和受力图的画法 解决工程实际问题时，通常要根据已知力，利用平衡条件，求解未知力。因此，首先要确定物体受到哪些力的作用，并且分析出每个力的作用位置和作用方向，这个分析过程称为物体的受力分析。 作用在物体上的力可分为两类，一类是主动力，例如物体的重力、风力、气体压力等；另一类是约束力，约束力是被动力，通常是未知的。1.5 本章实训 悬臂吊车横梁及拉杆受力分析 实训目的 学

14、会绘制受力简图、能够进行受力分析。实训内容 悬臂吊车如图1-16所示。图中A、B、C三点为铰链，起吊重量为P，横梁AB和斜杆AC的自重可略去不计。试画出悬臂吊车的受力简图以及横梁AB的受力图。1.5 本章实训 悬臂吊车横梁及拉杆受力分析 图1-16 悬臂吊车 1.5 本章实训 悬臂吊车横梁及拉杆受力分析 实训过程(1) 确定受力简图。(2) 以横梁为研究对象，取分离体。(3) 画主动力。(4) 画约束力。实训总结在计算过程中应注意斜杆AC是二力杆。 1.6 练 习 题(1)画出图1-17所示的各物体的受力图。图1-17 第2章 平 面 力 系 （时间：2次课，4学时）第2章 平 面 力 系 学

15、习目标： 静力学研究力系的合成和平衡问题。在研究合成和平衡问题时，我们通常采用两种方法，一种是几何法，一种是解析法。另外，力系有各种不同的类型，按力系中各力作用线是否在同一平面，可将力系分为平面力系与空间力系两类。作用于物体上的各力作用线位于同一平面内，为平面力系，否则为空间力系。无论是空间力系还是平面力系，我们把力的作用线任意分布的力系称为任意力系。第2章 平 面 力 系 重点与难点：应用力的三角形法则、多边形法则，确定平面汇交力系的合 力。平面汇交力系平衡的条件、几何条件及解析条件。应用平面汇交力系的两个平衡方程解决工程实际问题。力偶的概念及性质。力线平移定理。第2章 平 面 力 系 案例

16、导入： 本章以图2-1所示的悬臂吊车横梁和图2-2所示的机床的主轴为案例导入，介绍平面力系和空间力系的概念。同时，提出平面汇交力系的概念、简化方法与平衡问题。图2-1 平面力系(悬臂吊车横梁的受力) 第2章 平 面 力 系 图2-2 空间力系(机床的主轴受力图)2.1 平面汇交力系合成与平衡的几何法 2.2 平面汇交力系合成与平衡的解析法2.3 力对点之矩及合力矩定理 2.4 平面平行力系 2.5 平面一般力系 2.6 本章实训 减速箱紧固螺栓及支承面的受力分析 2.7 练 习 题 第2章 平 面 力 系 2.1 平面汇交力系合成与平衡的几何法 2.1.1 平面汇交力系合成的几何法 2.1.2

17、 平面汇交力系平衡的几何条件 2.1 平面汇交力系合成与平衡的几何法 在工程中常常碰到一些特殊力系，如图2-3所示的曲柄滑块机构中的滑块的受力和如图2-4所示的支座上的圆柱体的受力。这种作用于物体上的各力作用线位于同一平面上且汇交于一点的力系，称为平面汇交力系。图2-3 滑块的受力 图2-4 支座上的圆柱体的受力2.1.1 平面汇交力系合成的几何法1. 两个共点力合成的几何法 两个共点力(如图2-5(a)的合力的大小和方向可以由力的平行四边形法则求出，如图2-5(b)所示。也可由三角形法则来求，如图2-5(c)所示。图2-5 两个共点力合成的几何法 2.1.1 平面汇交力系合成的几何法2. 任

18、意多个共点力合成的几何法 运用力多边形法则求合力。如图2-6(a)所示，设有平面共点力系F1、F2、F3、F4作用于点O，求力系的合力。为此，连续应用力的平行四边形法则，可将平面共点力系合成为一个力。在图2-6(b)中，先合成力F1与F2，可得到力R1，即R1= F1+ F2；再将R1与F3合成为力R2，即R2= R1+ F3；依次类推，最后可得R= F1+ F2+ F3+ F4。2.1.2 平面汇交力系平衡的几何条件 若刚体在一平面汇交力系作用下处于平衡，则该力系的合力为零；反之，当力系的合力为零时，则刚体处于平衡状态。由于平面汇交力系可用其合力来代替，显然，平面汇交力系平衡的充分和必要条件

19、是：该力系的合力等于零。以矢量等式表示为 (2-4) 2.2 平面汇交力系合成与平衡的解析法 2.2.1 力的分解 2.2.2 力在直角坐标系上的投影 2.2.3 合力投影定理 2.2.4 平面汇交力系的平衡方程 2.2 平面汇交力系合成与平衡的解析法 平面汇交力系合成的几何法，虽比较简单，但作图要十分准确，否则会引起较大的误差。工程中应用较多的是解析法，这种方法主要是以力在坐标轴上的投影为基础来进行计算的。2.2.1 力的分解 由上节知道，两个共点力可以合成为一个合力，解答是唯一的；可是反过来，要把一个已知力分解为两个力，若无足够的条件限制，其解答将是不定的。因为在力的平行四边形法则R=Fl

20、+F2中，每一个矢量都包含有大小和方向两个要素，故上式共有6个要素，必须已知其中4个才能确定其余两个。在已知合力大小和方向的条件下，还必须规定另外两个条件。例如，规定两个分力的方向；或两个分力的大小；或一个分力的大小和方向；或一个分力的大小和另一个分力的方向等。所以要使问题有确定的解答，必须附加足够的条件。2.2.2 力在直角坐标系上的投影 如图2-9(a)所示，设在平面直角坐标系Oxy内，有一已知力F，从力F的两端A和B分别向x、y轴作垂线，得到线段 和 。其中 为力F在x轴上的投影，以X表示； 为力F在y轴上的投影，以Y表示。并且规定，当力的始端到末端投影的方向与坐标轴的正向相同时，投影为

21、正，反之为负。图2-9(a)中的X、Y均为正值，图2-9(b)中的X、Y均为负值。所以，力在坐标轴上的投影是代数量。2.2.2 力在直角坐标系上的投影图2-9 力在直角坐标系上的投影 2.2.3 合力投影定理 合力投影定理建立了合力的投影与分力的投影之间的关系。如图2-10所示，平面汇交力系的各力矢F1、F2、F3、F4组成力多边形，R为合力。将力多边形中各力矢投影到x轴上，由图2-10可见ae=ab+bc+cd-de。2.2.4 平面汇交力系的平衡方程 从前述可知，平面汇交力系平衡的必要与充分条件是该力系的合力为零。于是可得(2-10) (2-11) 2.3 力对点之矩及合力矩定理 2.3.

22、1 力对点的矩的概念 2.3.2 合力矩定理 2.3 力对点之矩及合力矩定理 力对物体的作用效应有两种情况。 (1) 如果力的作用线通过物体的质心，将使物体在力的方向上平动，例如放在光滑桌面上的矩形玻璃板，如图2-12(a)，在力F作用下平动。 (2) 如果力F的作用线不通过物体的质心，物体将在力F的作用下，边平动边转动，如图2-12(b)所示。 图2-12 力对物体的作用效应2.3.1 力对点的矩的概念 实践表明，力不仅能使物体移动，还能使物体转动。必须指出，一个力不可能只使物体产生绕质心的转动效应。如单桨划船，船不可能在原处旋转。但是，作用在有固定支点的物体上的力就可以使物体只产生绕支点的

23、转动效应。如用扳手拧螺母，作用于扳手上的力F使扳手绕固定点O转动，如图2-13(a)所示。 在平面问题中，力对点的矩是一个代数量，力矩的大小等于力的大小与力臂的乘积。其正负号表示力使物体绕矩心转动的方向。通常规定，力使物体做逆时针方向转动时力矩为正，如图2-13(b)所示；反之为负，如图2-13(c)所示。2.3.1 力对点的矩的概念图2-13 力对点的矩 2.3.2 合力矩定理 在计算力矩时，有时直接按力乘力臂计算比较困难。这时，如果将力作适当分解，计算各力分力的力矩则很方便。利用合力矩定理，可以建立合力对某点的矩与其分力对同一点的矩之间的关系。2.4 平面平行力系 2.4.1 力偶与力偶矩

24、 2.4.2 力偶的等效条件 2.4.3 力偶的性质 2.4.4 平面力偶系的合成与平衡 2.4 平面平行力系 平面平行力系是各力的作用线在同一平面内并且互相平行的力系。例如起重机、桥梁等结构上所受的力系，常常可以简化为平面平行力系。2.4.1 力偶与力偶矩 除了力矩对物体可以产生转动效应外，力偶也可以使物体产生转动效应。在工程问题中，常常遇到承受力偶作用的物体。在力学中，我们常把由大小相等、方向相反、不共线的两个平行力F与 组成的一对力称为力偶，通常用符号(F， )表示。两力作用线所决定的平面称为力偶的作用面，而力作用线间的垂直距离称为力偶臂。如图2-16所示的用丝锥攻丝和如图2-17所示的

25、汽车司机转动方向盘，这些实例都是受到大小相等、方向相反、不共线的两个平行力的作用。2.4.1 力偶与力偶矩图2-16 用丝锥攻丝 图2-17 转动方向盘2.4.2 力偶的等效条件 定理 在同平面内的两个力偶，如果力偶矩相等，则两力偶等效。 如图2-19所示，汽车司机用双手转动方向盘，作用于汽车方向盘上的力偶( ， )与具有相同力偶矩的另外一个力偶( ， )使方向盘产生完全相同的运动效应。图2-19 力偶的等效 2.4.3 力偶的性质 力偶是两个具有特殊关系的力的组合，具有与单个力不同的性质，现说明如下。 性质1 力偶在任意坐标轴上的投影的代数和为零，故力偶无合力，力偶不能与一个力等效，也不能用

26、一个力来平衡。 性质2 力偶对其作用面内任一点的力矩恒等于力偶矩，与矩心的位置无关。 性质3 凡是三要素相同的力偶则彼此等效，即它们可以相互置换。 性质4 只要保持力偶矩的大小和转向不变，可以同时改变力偶中力的大小和力偶臂的长短，而不改变其对刚体的作用效果。2.4.4 平面力偶系的合成与平衡1. 平面力偶系的合成 作用在一个物体上同一平面或平行平面内的多个力偶，称为平面力偶系。由于平面内的力偶对物体的作用效果只决定于力偶的大小和力偶的转向，所以平面力偶系合成的结果必然是一个合力偶，并且其合力偶矩应等于各分力偶矩的代数和。2. 平面力偶系的平衡由于平面力偶系合成的结果只能是一个合力偶，当其合力偶

27、矩等于零时，表明使物体顺时针方向转动的力偶矩与使物体逆时针方向转动的力偶矩大小相等，作用效果相互抵消，物体处于平衡状态。因此，平面力偶系平衡的充分和必要条件是，所有力偶矩的代数和等于零。2.5 平面一般力系 2.5.1 力的平移定理 2.5.2 平面任意力系的简化 2.5.3 平面任意力系的平衡方程 2.5 平面一般力系 一般力系又称为任意力系，可分为如图2-23(a)所示的平面任意力系和如图2-23(b)所示的空间任意力系。当力系中各力的作用线任意分布在空间时，称为空间任意力系。2.5.1 力的平移定理 作用于刚体上的力，可以平行移动到该刚体上任意一点，但必须附加一个力偶，其力偶矩等于原来的

28、力对平移点之矩。现在我们进一步讨论当力平行移动到作用线外任意位置且又要保持其作用效果不变时，应附加什么条件。力的平移定理回答了这一问题。2.5.2 平面任意力系的简化1. 平面一般力系向作用面任一点简化2. 平面一般力系向作用平面内任意一点简化的结果分析2.5.3 平面任意力系的平衡方程1. 平面一般力系的平衡方程2. 平面平行力系的平衡方程3. 应用平面一般力系平衡方程的解题步骤2.6 本章实训 减速箱紧固螺栓及支承面的受力分析 实训题目实训目的实训过程实训总结2.7 练 习 题(1)已知一结构如图2-30所示，求图中 处的支座反力。(2)如图2-31所示，直角弯杆AB和构件BCD在B处铰接

29、而成，不计各构件自重，已知尺寸 及矩为 的力偶，求D支座的约束反力。2.7 练 习 题图2-30图2-31第3章 拉伸和压缩 （时间：1次课，2学时）第3章 拉伸和压缩 学习目标： 在静力学中，为了研究构件的平衡，曾把构件简化成刚体，忽略了构件的变形。但在实际工作中，构件在外力作用下是要发生变形的，产生变形的构件能否正常工作，需要在材料力学中进一步研究。第3章 拉伸和压缩 重点与难点：轴向拉伸和压缩的概念。轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力。材料拉伸或压缩时的力学性能。轴向拉伸或压缩时的变形。第3章 拉伸和压缩 案例导入： 本章以如图3-1所示的单层厂房结构中的屋架杆的受力为案例导入，分析这

30、类结构的构件的受力情况。这类结构的构件由荷载引起的内力其作用线与轴线重合，杆件发生轴向拉伸或压缩。图3-1 单层厂房结构中的屋架杆 3.1 拉伸与压缩的概念 3.2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力 3.3 材料在拉伸和压缩时的变形 3.4 材料在拉伸和压缩时的力学性能 3.5 拉伸和压缩时强度计算 3.6 本章实训 金属拉伸实验 3.7 练 习 题 第3章 拉伸和压缩 3.1 拉伸与压缩的概念 工程实际中，发生拉伸与压缩变形的构件很多。如图3-4所示的内燃机的连杆，如图3-5所示的简易吊车中的拉杆和如图3-6所示的建筑物中的支柱等，都是拉伸和压缩的实例。图3-4 内燃机的连杆 3.1 拉

31、伸与压缩的概念 图3-5 简易吊车中的拉杆 图3-6 建筑物中的支柱3.2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力 3.2.1 拉伸与压缩时横截面上的内力分析与计算 3.2.2 轴力计算法则 3.2.3 轴力图 3.2.4 拉伸与压缩横截面上的应力 3.2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力 轴向拉伸或压缩是最常见的受力形式，本节将介绍内力、应力的概念以及轴力计算法则。3.2.1 拉伸与压缩时横截面上的内力分析与计算1. 内力的概念 物体内部某一部分与另一部分之间相互作用的力称为内力。 这里所说的内力，不是指物体内部在未受外力之前已经存在的相对作用力，而是指由于外力作用而引起的内力改变量，也称

32、为附加内力。3.2.1 拉伸与压缩时横截面上的内力分析与计算2. 内力分析与计算方法截面法截面法是求内力的最根本的方法。截面法的基本步骤可概括如下。 一截为二在需要求内力的截面处，用假想截面将杆件 截成两部分。 弃一留一取其中任一部分为研究对象，将弃去部分对 研究对象的作用用内力来替代。 平衡求力将保留部分列平衡方程，由已知外力求出内 力。3.2.2 轴力计算法则 在使用截面法时，要求首先进行受力分析，然后取任一部分列方程求解。在以后的强度问题中，往往要求知道所有截面的内力，上述计算过程繁琐，效率很低。为提高计算效率，在截面法基础之上，我们总结出用轴力计算法则计算的简便算法。这一方法不需要画受

33、力图，可直接计算求解。3.2.3 轴力图 力学上，表示轴力沿杆件轴线方向变化的图形，称为轴力图。轴力图是在以杆件轴线为横轴、以各截面对应的轴力N为纵轴的坐标系上作出的关于轴力变化的图形。轴力图是强度校核与设计的重要依据。在以后的拉压问题中，只要沿轴线轴力值不完全相同，就必须画出轴力图，轴力图是内力图的一种。3.2.4 拉伸与压缩横截面上的应力1. 应力的概念 从力学意义上讲，应力是构件内部截面上一点的受力大小。用假想截面截开之前，构件内部每相邻两点之间都存在相互作用的力，内力只是截面上所有点受力的合力，仍然是不够详细的，不能详细表示构件的承力大小。而应力是最为详细的，可最为准确地表示构件的承力

34、情况。3.2.4 拉伸与压缩横截面上的应力2. 拉压杆横截面上的正应力 前面介绍过应力通常分解成垂直于截面的正应力和沿截面的剪应力，那么在拉压杆的横截面上究竟是什么样的应力，又如何去计算呢?为了解决这一问题，必须确定内力在横截面上的分布情况。3.3 材料在拉伸和压缩时的变形 3.3.1 变形 3.3.2 泊松比 3.3.3 虎克定律 3.3 材料在拉伸和压缩时的变形 轴向拉伸(或压缩)时，杆件的变形主要表现为沿轴向的伸长(或缩短)，即纵向变形。由试验可知，当杆沿轴向伸长(或缩短)时，其横向尺寸也会相应缩小(或增大)，即产生垂直于轴线方向的横向变形。3.3.1 变形 如图3-13所示，设一等截面

35、直杆原长为 ，变形前的横向尺寸为d。在轴向拉力 的作用下，长度由 变为 ，横向尺寸变为 ，则纵向和横向变形分别为图3-13 等截面直杆的变形3.3.2 泊松比 实验表明，对于同种材料，在弹性限度内，横向线应变和纵向线应变成正比。即 。3.3.3 虎克定律 实验表明，当杆件横截面上的正应力不超过比例极限时，杆件的伸长量 与轴力 、杆长 成正比，与杆的横截面积A成反比。即(3-4) 3.4 材料在拉伸和压缩时的力学性能 3.4.1 低碳钢拉伸时的力学性能 3.4.2 材料压缩时的力学性能 3.4 材料在拉伸和压缩时的力学性能 材料的力学性能是指材料承载时，在强度和变形等方面所表现出来的特性。 不同

36、材料在受力时所表现的特性是不同的。材料的性能是影响构件强度、刚度、稳定性的重要因素。材料的力学性能只能由实验测定而来。通过实验建立理论，再通过实验来验证理论是科学研究的基本方法。温度和加载方式对材料的力学性能有着很大的影响，我们这里所讨论的力学性能是指常温、静载下的性能。3.4.1 低碳钢拉伸时的力学性能 材料的力学性能由实验确定，安装于万能实验机上的标准试件在拉力的作用下产生变形，拉力与变形之间的关系用曲线表示出来，称这个曲线为拉伸图。 结合应力应变曲线及实验的现象，可将试件的拉伸过程分为4个阶段。 1. 弹性阶段 2. 屈服阶段 3. 强化阶段 4. 颈缩阶段3.4.2 材料压缩时的力学性

37、能 材料受压时的力学性能由压缩实验测定。一般细长杆件压缩时容易产生失稳现象，因此在金属压缩实验中，常采用短粗圆柱形试件，一般做成高是直径的1.53倍。3.5 拉伸和压缩时强度计算 3.5.1 极限应力 3.5.2 许用应力 3.5.3 安全系数 3.5.4 强度条件 3.5.5 强度问题 3.5 拉伸和压缩时强度计算 为了保证构件能够正常工作，具有足够的强度，就必须要求构件的实际工作应力的最大值不能超过材料的许用应力。3.5.1 极限应力 材料丧失正常工作能力时的应力值，称为材料的极限应力，用 表示。 对于塑性材料，极限应力有两个，即材料的屈服极限 和强度极限 。工程中多数情况下不允许构件产生

38、塑性变形，因此常以 作为塑性材料的极限应力。3.5.2 许用应力 许用应力是构件正常工作，材料允许达到的最大应力值，用 表示。 显然，许用应力是低于极限应力的，许用应力是通过极限应力并考虑安全储备而得来的。即 3.5.3 安全系数 安全系数通常应根据国家和有关部门的设计规范或设备规程中的规定来选用，同时，必须对使用情况、材料性能、载荷性质和应力计算中一些不确定因素进行综合分析，一般应考虑以下几方面的因素。3.5.4 强度条件 拉压杆的强度条件为(3-7) 3.5.5 强度问题 根据强度条件，按照求解方向的不同，实际强度问题可分为以下三方面的问题。 1. 强度校核 2. 设计截面尺寸 3. 确定

39、许可载荷3.6 本章实训 金属拉伸实验 实训题目实训目的实训过程实训总结3.7 练 习 题 (1)试画出如图3-20所示的杆件的轴力图，并计算各指定截面上的正应力。(2)钢制阶梯杆受力如图3-21所示。弹性模量 ，AB段横截面面积 ，BD段 ，载荷 。分段计算轴力并计算阶梯杆的总变形。3.7 练 习 题图3-20图3-21第4章 剪切与挤压 （时间：1次课，2学时）第4章 剪切与挤压 学习目标： 本章将继续使用上一章关于强度和变形的基本研究方法，对常见的发生剪切和挤压的常见构件的强度问题作一个比较系统的介绍。在这一章的学习中，应注意正应力与剪应力在强度和变形方面的区别，从而对材料力学有一个较为

40、全面的认识。第4章 剪切与挤压 重点与难点：会根据联接件的受力情况分析可能的破坏形式。会计算各种类型的联接件的剪切面和挤压面的面积。应用对照法学习剪切与拉压有联系的内容。理解设计合理尺寸的含义。第4章 剪切与挤压 案例导入： 本章以电瓶车挂钩插销的剪切与挤压的案例导入。在实训部分根据剪切强度条件和挤压强度条件计算出电瓶车挂钩插销的直径。4.1 剪切与挤压的概念 4.2 剪切与挤压的强度计算 4.3 本章实训 电瓶车挂钩插销直径的确定 4.4 练 习 题 第4章 剪切与挤压 4.1 剪切与挤压的概念 4.1.1 剪切 4.1.2 挤压 4.1 剪切与挤压的概念 剪切是材料力学中另一种基本变形形式

41、，挤压常伴随剪切而发生，其大多发生在工程中的联接构件上，如螺栓、销钉、铆钉和键等，都有剪切变形的工程实例。4.1.1 剪切 下面以铆钉联接为例，来说明剪切变形的概念。 铆钉联接的剪切变形示意图如图4-1所示，当被联接的钢板沿水平方向承受外力F作用时，外力通过两块钢板传递到铆钉与钢板的接触面上，铆钉上受到大小相等、方向相反的两组分布力的合力F的作用，铆钉的上半部分和下半部分在外力的作用下分别向左和向右移动，上下之间的截面要产生错动，这就是剪切变形，当外力足够大时，会使铆钉沿中间截面被剪断。从铆钉受力的实例分析可以看出剪切变形的受力特点：作用在构件上的外力垂直于轴线，两侧外力的合力大小相等、方向相

42、反、作用线错开但相距很近。这样的受力所产生的剪切变形的变形特点是：反向外力之间的截面有发生相对错动的趋势。工程中，把上述形式的外力作用下所发生的变形称为剪切变形。4.1.2 挤压 铆钉等联接件在外力的作用下发生剪切变形的同时，在联接件和被联接件接触面上互相压紧，产生局部压陷变形，甚至压溃破坏，这种现象称为挤压，如图4-2所示。接触面上的压力称为挤压力，用 表示。图4-2 铆钉联接挤压变形示意图4.2 剪切与挤压的强度计算 4.2.1 剪切强度计算 4.2.2 挤压强度计算 4.2 剪切与挤压的强度计算 对于同时受到剪切又受到挤压的联接构件，既要校核其剪切强度也要校核其挤压强度。4.2.1 剪切

43、强度计算 剪切面上分布内力的集度以 表示，称为切应力。切应力在剪切面上分布情况比较复杂，为便于计算，工程中通常采用以实验、经验为基础的实用计算，近似地认为切应力在受剪面内是均匀分布的。4.2.2 挤压强度计算 挤压面上各点的受力称作挤压应力，由于挤压力 垂直于挤压面，所以挤压应力用符号 表示。 应该注意，挤压与压缩的概念不同。压缩变形是指杆件的整体变形，其任意横截面上的应力是均匀分布的；挤压时，挤压应力只发生在构件接触的表面，一般并不均匀分布。4.3 本章实训 电瓶车挂钩插销直径的确定 实训题目实训目的实训过程实训总结4.4 练 习 题 4.4 练 习 题图4-4 图4-5 第5章 轴 的 扭

44、 转 （时间：1次课，2学时）第5章 轴 的 扭 转 学习目标： 工程中对于较为精密的构件，如机器中的轴，除了需要保证其具有足够的强度，通常对刚度也有很高的要求。本章将着重介绍圆轴的强度及刚度问题，从而更加全面地分析工程中构件的承载能力。第5章 轴 的 扭 转 重点与难点：理解扭转的概念和实例。掌握外力偶矩的计算、扭转、扭矩图。圆轴扭转时的应力和变形。扭转的强度计算和刚度计算。第5章 轴 的 扭 转 案例导入： 本章以机床中常见的阶梯形圆轴为案例导入。在实训部分利用扭转时的强度条件对其进行强度校核，利用扭转时的刚度条件对其进行刚度校核。5.1 扭转的概念及外力偶矩计算 5.2 扭矩和扭矩图 5

45、.3 圆轴扭转时的应力和强度条件 5.5 圆轴扭转时的变形及刚度条件 5.6 本章实训 阶梯轴的强度及刚度校核 5.7 练 习 题 第5章 轴 的 扭 转 5.1 扭转的概念及外力偶矩计算 5.1.1 扭转的概念 5.1.2 外力偶矩的计算 5.1 扭转的概念及外力偶矩计算 在日常生活及工程实际中，有很多承受扭转的构件。例如汽车转向轴，当汽车转向时，驾驶员通过方向盘把力偶作用在转向轴的上端，在转向轴的下端则受到来自转向器的阻力偶作用。当钳工攻螺纹时，加在手柄上的两个等值反向的力组成力偶，作用于锥杆的上端，工件的反力偶作用在锥杆的下端。5.1.1 扭转的概念 扭转杆件的受力情况，可以简化为图5-

46、1所示的计算简图。图5-1 扭转杆件的受力情况 5.1.2 外力偶矩的计算 在工程实际中，外力偶矩的大小并不是直接给出的，而是从已知轴的转速和所传递的功率来求得。外力偶矩M与功率、转速 的关系为(5-1) 5.2 扭矩和扭矩图 5.2.1 扭矩 5.2.2 扭矩图 5.2 扭矩和扭矩图 圆轴在外力偶矩作用下，横截面上将产生内力，一般用截面法进行研究。若圆轴上同时受几个外力偶作用时，则各段轴截面上的扭矩就不完全相等，这时必须分段求出，最简单的办法就是绘制扭矩图。5.2.1 扭矩 如图5-2所示，圆轴在两端受一对大小相等，转向相反的外力偶矩M作用下产生扭转变形，并处于平衡状态。用一假想截面沿n-n

47、处将轴假想切成两段，取其中任一段(如左段)为研究对象。因为原来的轴是处于平衡状态的，所以切开后的任意一段也应处于平衡状态。所以在截面n-n上必然存在一个内力偶矩。这个内力偶矩称为扭矩，用符号T表示。5.2.2 扭矩图 为了确定最大扭矩及其所在截面的位置，通常是将扭矩随截面位置变化的规律用图形表示出来，即以横坐标表示截面位置，以纵坐标表示扭矩，这样的图形称为扭矩图。图5-3所示为一圆轴的扭矩图。5.3 圆轴扭转时的应力和强度条件 5.3.1 观察圆轴的扭转变形 5.3.2 物理关系 5.3.3 静力学关系 5.3.4 极惯性矩和抗扭截面模量计算 5.3.5 扭转强度条件 5.3 圆轴扭转时的应力

48、和强度条件 进行圆轴扭转强度计算时，当求出横截面上的扭矩后，还应进一步研究横截面上的应力分布规律，以便求出最大应力。和弯曲正应力分析过程类似，也要从三方面考虑。5.3.1 观察圆轴的扭转变形 为了观察圆轴的扭转变形，在圆轴表面上画出许多间距很小的纵向线和垂直于杆轴线的圆轴线，如图5-5所示。图5-5 观察圆轴的扭转变形 5.3.2 物理关系 由剪切虎克定律可知，当切应力不超过某一极限值时，切应力与切应变成正比。即(5-2) 5.3.3 静力学关系 设作用在微面积dA上内力对O点的矩为dM=dA，整个截面上的微内力矩的合力矩应该等于扭矩，即(5-3) 5.3.4 极惯性矩和抗扭截面模量计算 极惯

49、性矩和抗扭截面模量都是截面图形的几何性质，可以根据定义由积分法求出。具体的计算方法参见截面图形的几何性质有关内容。5.3.5 扭转强度条件 圆轴扭转时，产生最大切应力的横截面，称为危险截面。考虑到轴横截面上切应力的分布，可知危险截面上的应力大小和该点到圆心的距离成正比。所以在横截面上存在危险点，即应力值最大的点。5.5 圆轴扭转时的变形及刚度条件 5.5.1 扭转变形 5.5.2 刚度条件 5.5 圆轴扭转时的变形及刚度条件 对于轴这类构件，通常不仅要求其具有足够的强度，而且对其变形也有严格的限制，不允许产生过大的扭转变形。5.5.1 扭转变形1. 扭转角2. 单位长度扭转角5.5.2 刚度条

50、件 工程设计中，通常限定轴的最大单位扭转角 不得超过规定的许用单位扭转角 ,即(5-11) 5.6 本章实训 阶梯轴的强度及刚度校核 实训题目实训目的实训过程实训总结5.7 练 习 题 (1)由无缝钢管制成的汽车传动轴，外径D=90 mm，壁厚t=2.5 mm，材料的许用切应力 =60 MPa，工作时的最大转矩为T=1.5 kNm。 试校核该轴的强度； 若改用相同材料的实心轴，并要求它和原来的传动轴的强度相同，试计算其直径D1； 比较上述空心轴和实心轴的重量。(2)某小型水电站的水轮机容量为50 kW，转速为300 r/min，钢筋直径为75 mm，如果在正常运转下且只考虑扭矩作用，其许用切应

51、力 =20 MPa。试校核轴的强度。第6章 直梁的弯曲 （时间：1次课，2学时）第6章 直梁的弯曲 学习目标： 梁的弯曲变形特别是平面弯曲是工程中遇到的最多的一种基本变形，弯曲强度和刚度的研究在材料力学中占有重要位置。梁的内力分析及绘制内力图是计算梁的强度和刚度的首要条件。第6章 直梁的弯曲 重点与难点：学习剪力图和弯矩图的画法。了解弯曲切应力及相应的横力弯曲梁的强度计算。了解梁的变形及刚度计算的有关知识。第6章 直梁的弯曲 案例导入： 工程实际中，存在大量的受弯曲杆件。本章以火车轮轴和桥式起重机大梁为案例导入，分析直梁的弯曲特性。6.1 平面弯曲的概念及梁的计算简图 6.2 梁的内力剪力和弯

52、矩 6.3 纯弯曲梁强度条件 6.4 弯 曲 变 形 6.5 提高梁承载能力的一些措施 6.6 本章实训 材质对梁的应力状态的影响 6.7 练 习 题 第6章 直梁的弯曲 6.1 平面弯曲的概念及梁的计算简图 6.1.1 平面弯曲 6.1.2 梁的载荷分类及梁的基本形式 6.1 平面弯曲的概念及梁的计算简图 所谓的弯曲变形是指杆的轴线由直线变成曲线，以弯曲变形为主的杆件称为梁。梁的受力特点是在轴线平面内受到力偶矩或垂直于轴线方向的外力的作用。6.1.1 平面弯曲 若梁上所有的外力都作用于梁的纵向对称平面内，则变形后的轴线将在纵向对称平面内成为一条平面曲线，这种弯曲称为平面弯曲。图6-1所示为火

53、车轮轴的平面弯曲案例。图6-1 火车轮轴的平面弯曲 6.1.2 梁的载荷分类及梁的基本形式1. 作用在梁上的载荷通常可以简化为以下三种类型2. 梁的基本形式 6.2 梁的内力剪力和弯矩 6.2.1 计算梁的内力的截面法 6.2.2 剪力图和弯矩图 6.2 梁的内力剪力和弯矩 为了对梁进行强度和刚度计算，必须首先确定梁在载荷作用下任一横截面上的内力。6.2.1 计算梁的内力的截面法1. 用截面法求梁的内力 弯曲梁指定截面的内力采用截面法求解。由平衡条件可得使梁产生剪切变形的剪力和产生弯曲变形的弯矩即梁的内力包括的两部分。2. 剪力和弯矩的正、负号规定 在材料力学中，一般需根据内力引起梁的变形情况

54、来规定剪力和弯矩的正负号。其目的是不论选取梁的左段还是右段，在计算同一截面的剪力和弯矩时取得一致的符号。6.2.2 剪力图和弯矩图1. 剪力方程和弯矩方程2. 剪力图和弯矩图3. 剪力、弯矩和载荷分布集度之间的微分关系6.3 纯弯曲梁强度条件 6.3.1 纯弯曲时梁横截面上的正应力 6.3.2 强度条件 6.3 纯弯曲梁强度条件 在平面弯曲时，工程上近似地认为梁横截面上的弯矩是由截面上的正应力形成的，而剪力则由截面上的切应力所形成。6.3.1 纯弯曲时梁横截面上的正应力 根据变形现象及平面假设，从变形的几何条件、物理关系和静力平衡条件可以推导出纯弯曲时横截面上任意一点的正应力公式为(6-4)

55、6.3.2 强度条件 在进行梁的强度计算时，首先应确定梁的危险截面和危险点。一般情况下，对于等截面直梁，其危险点在弯矩最大的截面上的上下边缘处，即最大正应力所在处。6.4 弯 曲 变 形 平面弯曲时，梁的轴线在外力作用下变成一条连续、光滑的平面曲线，该曲线称为梁的挠曲线。在工程中，只允许梁发生弹性变形，所以，挠曲线又称为弹性曲线。6.5 提高梁承载能力的一些措施 梁的承载能力主要表现在强度和刚度两个方面。在梁的设计中，往往先按强度选择截面，然后再进行刚度校核。为了节省材料或减轻梁的自重，如何以较少的材料消耗使梁获得更大的承载能力就是一个问题。6.6 本章实训 材质对梁的应力状态的影响 实训题目

56、实训目的实训过程实训总结6.7 练 习 题 (1) 试画出如图6-13所示图形的剪力图和弯矩图。图6-13 6.7 练 习 题 (2) 一矩形截面木梁，其截面尺寸(mm)及载荷，如图6-14所示，已知 ， 。试求： 绘出剪力图和弯矩图； 校核该梁的正应力强度。图6-14 第7章 机器的组成和机械设计简介 （时间：2次课，4学时）第二篇 机械的设计基础 机械设计基础课程是机械工程及其自动化、机械设计制造及自动化专业以及许多近机类专业的主要课程之一，也是一些非机类专业的必修课或选修课。该课程是机械原理课程与机械零件课程的有机结合。近年来，随着基础课的压缩和整合，许多学校将工程力学的内容整合到了机械

57、设计课程中，这也是教学改革的必然结果。第7章 机器的组成和机械设计简介 学习目标： 本章主要介绍机器、机构和机械的概念并从结构和功能的角度分析机器的组成，给出构件、零件及部件的概念；着重介绍了机械设计的基本概念和机械零件的设计原则、机械零件设计的基本要求及一般方法和机械零件的失效分析及设计计算准则；另外，还简单介绍了机械零件的常用材料及选用原则。第7章 机器的组成和机械设计简介 重点与难点：机器及其组成。机械设计的基本要求及一般过程。机械零件设计的基本要求及一般方法。第7章 机器的组成和机械设计简介 案例导入： 用机械设计课程中常用的内燃机和颚式破碎机作为案例导入。提出机器的共同特征、机器与机

58、构的区别、通用零件和专用零件的概念，介绍机械设计的基本要求及机械设计的一般过程，同时也介绍机械零件设计的基本要求及一般方法。7.1 机器及其组成 7.2 机械设计的基本要求及一般过程 7.3 机械零件设计的基本要求及一般方法 7.4 机械零件的失效分析及设计计算准则 7.5 机械零件的常用材料及选用 7.6 本章实训 机构示范陈列室现场实习 7.7 练 习 题 第7章 机器的组成和机械设计简介 7.1 机器及其组成 7.1.1 机器与机构 7.1.2 零件、部件和构件 7.1.3 机器的组成 7.1 机器及其组成7.1.1 机器与机构 机器是人类生产和生活的重要工具。使用机器可以减轻人们的劳动

59、强度、改善人们的劳动条件、提高产品质量和生产率。在人们的生产和生活中广泛地使用着各种类型的机器。常见的如内燃机、机床、汽车、火车、发电机、洗衣机和缝纫机等。7.1.2 零件、部件和构件 从制造和装配的观点看，机器由许多独立加工、独立装配的单元体组成，这些单元体称为零件。若干个零件组成机构，若干个机构组成机器。零件是组成机器的最小制造单元，是机器的基本组成要素。概括地讲机械零件可分为两大类：一类是在各种机器中都能用到的零件，叫做通用零件，如齿轮、螺栓、轴承、带、带轮等；另一类则是在特定类型的机器中才能用到的零件，叫做专用零件，如曲轴、吊钩、叶片、叶轮等。7.1.3 机器的组成 机器种类繁多，形状

60、各异，但就其功能而言，机器是由动力部分(原动机)、控制部分、传动机构、支撑及辅助部分和工作部分(执行机构)5个部分组成，如图7-3所示。图7-3 机器的组成 7.2 机械设计的基本要求及一般过程 7.2.1 机械设计的基本要求 7.2.2 机械设计的类型 7.2.3 机械设计的一般过程 7.2 机械设计的基本要求及一般过程 7.2.1 机械设计的基本要求 机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，取得良好的经济效益。7.2.2 机械设计的类型 机械设计是一项创造性劳动，同时也是对已有的成功经验的继承过程。根据实际情况的不同可以分成三种类型。(1