工业设计工程基础-工业设计力学基础-课件

工业设计工程基础

第二章工业设计力学基础引言

INTRODUCTION在产品设计的过程中，设计师可以依据自身的设计经验开展产品的创意设计，解决产品的造型问题。然而工业设计的对象最终要落实成为具有实际功能的物质产品。因此，形态、材料、结构等都是设计中应该考虑的因素。掌握一定的力学基础知识，有利于设计师综合考虑这些设计因素，优化设计方案。目录2.1力的基本知识2.2材料力学基础知识2.3汽车空气动力学认知2.1力学基本知识力学是关于力与运动的学科，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等原理及器具，逐渐积累起对物体受力情况的认识，并逐步了解了一些运动规律。通过不断的实践验证，人们形成了一系列重要的力学概念、理论和研究方法，建立了科学的力学理论体系。

2.1力学基本知识2.1.1力的相关概念2.1.2

力的分类2.1.3力的平衡2.1力学基本知识

（1）力

①力的定义：力是物体和物体间的相互作用

②力的三要素：大小、方向、作用位置2.1.1力的相关概念2.1力学基本知识

（1）力

③力的图示：力的图示、力的示意图2.1.1力的相关概念2.1力学基本知识

（2）其他几个概念

①力系：作用在物体上的力的集合

②力矩：

③力偶：

④载荷：集中载荷、分布载荷、动载荷、恒定载荷2.1.1力的相关概念

力矩力偶（其中M为力矩；F为作用力；L为力臂）

（其中M

′为力偶；F为力偶中的一个力；d为力偶臂）

2.1力学基本知识2.1.1力的相关概念2.1.2

力的分类2.1.3力的平衡2.1力学基本知识

（1）万有引力与重力

万有引力：由于物体具有质量而产生的相互吸引的力。两个普通物体之间的万有引力极其微小，我们察觉不到它。但是，由于天体的质量很大，天体系统中的万有引力就起着重要作用。2.1.2力的分类（式中，

m

1、m2分别为两物体的质量；R为两者之间的距离；G

为引力常数，其公认值为：N·m2/kg2）2.1力学基本知识

（1）万有引力与重力

重力：常用重力近似的描述地球对地面附近物体的引力。2.1.2力的分类

（式中p是地表物体所受的重力；g为地表物体所受的重力加速度，经测量验证，赤道附近的g值为9.82m2/s，计算时通常取其值为9.8m2/s；m为物体质量）2.1力学基本知识

（1）万有引力与重力我们可利用重力设计产品，如跷跷板、座钟、滑梯、压路机、沙漏等。2.1.2力的分类

2.1力学基本知识

（2）弹力

弹力：发生变形的物体，由于要恢复到原状而产生的对外界的力。

弹力产生的条件：两物体直接接触；物体发生弹性形变。

2.1.2力的分类2.1力学基本知识

（2）弹力

人们利用弹力的特点设计了出各种各样有用的产品，比如沙发、手压手电筒、球类玩具、减震装置等。2.1.2力的分类2.1力学基本知识

（3）摩擦力

摩擦力：滚动摩擦力、滑动摩擦力和静摩擦力

静摩擦力与动摩擦力的差异：2.1.2力的分类（式中，F为摩擦力；N为正压力大小；为摩擦系数）2.1力学基本知识

（3）摩擦力

2.1.2力的分类2.1力学基本知识2.1.1力的相关概念2.1.2

力的分类2.1.3力的平衡2.1力学基本知识

力的合成法则（1）力的合成与分解

①力的平行四边形合成法则

②力的多边形合成法则

③力的分解2.1.3力学平衡

力的分解不唯一（2）力矩合成与分解

可通过力的分解与合成求解力矩的分解与合成。2.1力学基本知识

2.1.3力学平衡（3）力的平衡与产品造型设计

①力的平衡：通常情况下，物体受到多个力的作用。如果各个力的作用效果互相抵消，使得物体保持原有的运动状态（静止或者匀速运动），这种不发生变化的运动状态，称为平衡状态。

平衡条件：

（式中，Fx为平面力系在X轴上分力的矢量和，Fy为平面力系在Y轴上分力的矢量和，Mo（F）为力系中所有力对力系作用面内任意一点的合力矩）2.1力学基本知识

（3）力的平衡与产品造型设计

②平衡与产品造型设计：平衡是造型美的形式法则之一

关键词：使过产品重心的竖直线落在支撑面内、增大支撑面、降低物体重心。

2.1.3力学平衡

TizioLamp2.1力学基本知识

（3）力的平衡与产品造型设计

②平衡与产品造型设计：平衡是造型美的形式法则之一。

关键词：使过产品重心的竖直线落在支撑面内、增大支撑面、降低物体重心。

2.1.3力学平衡

DENTSUKYUSHU返回2.2材料力学基础知识产品总是由许多构件组成，每个组成部分在工作中的安全可靠是产品整体安全可靠的必要条件。研究材料的力学性能，依据材料力学的原理开展设计工作，有助于设计出力学性能合理的产品。2.2材料力学基础知识2.2.1材料力学基本认识2.2.2材料的力学性能2.2.3应力集中2.2材料力学基础知识（1）材料力学基本概念

①变形体性质的基本假设：连续均匀性、各向同性

②弹性体的几何分类：壳、杆、板、体2.2.1材料力学基本认识2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式轴向拉伸或压缩：2.2.1材料力学基本认识2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式剪切：2.2.1材料力学基本认识2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式扭转：2.2.1材料力学基本认识2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式弯曲：2.2.1材料力学基本认识2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式综合变形：2.2.1材料力学基本认识2.2材料力学基础知识2.2.1材料力学基本认识2.2.2材料的力学性能

2.2.3应力集中2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能

关键词：强度、刚度、稳定性强度——描述的是构件在外力作用下抵抗破坏的能力。通常要求构件或零部件在确定的外力作用下，不发生破裂或过量的塑性变形；刚度——描述的是构件在外力作用下抵抗变形的能力。通常要求构件或零部件在确定的外力作用下，其弹性变形或位移不超过正常工作所允许的范围；稳定性——描述的是构件或零部件在某种受力形式下，维持平衡形式不变的能力。2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能

（1）材料自身属性对构件力学性能的影响：①低碳钢拉伸时的力学性能

关键词：比例极限、弹性极限、屈服强度、强度极限、伸长率、断面收缩率拉伸实验采用的标准试件低碳钢试件拉伸时的应力-应变曲线2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能

（1）材料自身属性对构件力学性能的影响：②低碳钢压缩时的力学性能

关键词：拉伸压缩性能对比2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能

（1）材料自身属性对构件力学性能的影响：③其他几种材料的力学性能

关键词：塑性材料、脆性材料几种材料拉伸时的应力-应变曲线灰铸铁拉伸及压缩应力-应变曲线2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能

（1）材料自身属性对构件力学性能的影响：③其他几种材料的力学性能

关键词：性能与应用受热绝缘件200拉30-39

压39-56聚丙烯（PP）轿车车身、齿轮108-116拉53-56

压70耐热ABS灯头、开关、装饰板30拉45-50

压56-91碳聚氯乙烯（PVC）轻质木制品和构件拉79

压36杉木（顺纹）轮胎、胶鞋650-90017-29天然橡胶油箱、油管、液体容器104102553A21（LF21铝合金板材）机壳、泵体、支架拉147-372压640-1300灰铸铁各种较大尺寸的弹簧件898078565M（合金弹簧钢）传动轴、齿轮、键1660035545（优质碳素钢）拉杆、螺钉、支架26375-460235Q235（碳素结构钢）应用举例伸长率（%）抗拉强度极限/MPa(抗拉、抗压)屈服强度/MPa材料名称、牌号2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能

（2）材料的分布对力学性能的影响：

①加强肋结构对产品力学性能的影响

关键词：塑料制品、壳体2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能

（2）材料的分布对力学性能的影响：②空间结构对产品力学性能的影响

关键词：桁架结构、体育馆、火车站2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能

（2）材料的分布对力学性能的影响：③型材截面结构对产品力学性能的影响

关键词：L型、T型、U型、O型、工字型截面2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能

（2）材料的分布对力学性能的影响：④合理的形状对产品力学性能的影响

关键词：合理造型、三角形2.2材料力学基础知识2.2.1材料力学基本认识2.2.2材料的力学性能2.2.3应力集中2.2材料力学基础知识2.2.3应力集中（1）应力集中现象

关键词：孔、转折、台阶、缺口、沟槽、尖角电吹风、拖线板、手机充电器

2.2材料力学基础知识2.2.3应力集中（2）避免应力集中

①尽可能使用变化平缓的结构

关键词：倒角、渐变2.2材料力学基础知识2.2.3应力集中（2）避免应力集中

②改变应力集中处的应力场分布，使应力分散

关键词：圆孔过度、底槽返回2.3汽车空气动力学认识汽车空气动力学特性对汽车性能有很大的影响：空气对汽车产生的气动阻力会降低汽车的加速能力；空气对汽车的升力及侧向力会影响汽车行驶的稳定性。此外，汽车空气动力特性对汽车的经济性影响也很大。实验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节省7%左右。伴随着汽车空气动力学的发展，汽车车身造型发生了极大的变化。2.3汽车空气动力学认识2.3.1流体力学基本知识2.3.2

汽车空气动力学认知2.3.3汽车造型设计与空气动力学2.3汽车空气动力学认识（1）流体的粘性

关键词：粘性、不规则热运动、摩擦、压力分布2.3.1流体力学基本知识2.3汽车空气动力学认识（2）描述流体流动的基本概念

①流场、流线和流谱②边界层、层流和湍流

关键词：速度分布、压力分布2.3.1流体力学基本知识2.3汽车空气动力学认识（3）物体在流体中的受力关键词：物体形状、位置、流速2.3.1流体力学基本知识2.3汽车空气动力学认识2.3.1流体力学基本知识2.3.2

汽车空气动力学认知2.3.3汽车造型设计与空气动力学2.3汽车空气动力学认识（1）汽车外部流场关键词：多维、压力分布不均2.3.2汽车空气动力学认知2.3汽车空气动力学认识（2）汽车空气动力学分析①升力及纵倾力矩

关键词：操作稳定性、汽车动力性能、质量轻的汽车

②侧向力和横摆力矩关键词：直线行驶的性能、旋转③侧倾力矩关键词：转向性能、侧翻④纵向阻力关键词：阻力

2.3.2汽车空气动力学认知2.3汽车空气动力学认识2.3.1流体力学基本知识2.3.2

汽车空气动力学认知2.3.3汽车造型设计与空气动力学2.3汽车空气动力学认识（1）汽车造型的演变

①马车型汽车和箱型汽车

关键词：舒适性、安全性、空气阻力2.3.3汽车造型设计与空气动力学2.3汽车空气动力学认识（1）汽车造型的演变

②甲壳虫型汽车

关键词：流线型、横风不稳定性2.3.3汽车造型设计与空气动力学2.3汽车空气动力学认识（1）汽车造型的演变

③船型汽车关键词：融于一体2.3.3汽车造型设计与空气动力学2.3汽车空气动力学认识（1）汽车