工程力学第1章-绪论-静力学基础-PPT课件

蔡力勋2008力学讲义工程力学讲义教材参考教材联系方式工程力学讲义lix_cai@263.net13980019256西南交通大学应用力学与工程系编.工程力学教程.高等教育出版社2004孙训方等编.材料力学.第四版.高等教育出版社，2002奚绍中，丘秉全主编.工程力学.西南交通大学出版社,1987机械运动是物质运动的基本形式——反映物质在时间、空间中的位置变化位置变化：变形、移动、转动、流动、振动、波动力——导致物质机械运动状态变化反映物体间的相互作用1什么是力学简绪简绪力学是各工程技术学科的重要理论基础是沟通自然科学基础理论与工程实践的桥梁是研究物质机械运动规律的科学既是基础科学又是服务于工程的技术科学力原示肘用劲mechanics力学、机械学mechanical机械的、力学的dynamicist力学家mechanist机械师、机械主义者mechanicalengineering机械工程有关词汇静力学动力学运动学2力学的学科分类宏观力学细观力学微机电力学－纳米力学以牛顿力学体系为代表固体力学——材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等流体力学——水力学、水动力学、空气动力学、气体动力学、多相流体力学。2力学的学科分类按研究对象分研究固体材料或结构在外界因素作用下，结构的变形与应力间的关系及其分布规律，确保结构的强度、刚度和稳定性液体和气体研究质点、刚体的静力学与动力学一般力学——理论力学、分析力学、外弹道学、振动理论、刚体动力学、陀螺力学、运动稳定性、非线性动力学。实验力学——实验应力分析、实验流体力学、疲劳与断裂测试、材料力学性能测试、振动测试、光测力学、CAT技术等。计算力学——计算结构力学、计算流体力学、数值分析、有限元方法、计算机辅助设计技术。按研究手段分有飞行力学、船舶结构力学岩土力学、反应堆结构力学等按应用领域分数值仿真按交叉方向分生物力学热力学地质力学岩土力学爆炸力学冲击动力学复合材料力学未来力学智能材料力学纳米力学——微机电力学仿生力学工程构件受力如何？如何运动？如何变形？破坏？如何控制、设计？目的：了解工程系统的力学性态并为其设计提供合理的规则3工程力学（或者应用力学）是将力学原理应用于实际工程系统的科学性态规则灾难4工程中的力学问题力学研究的方法论重庆綦江彩虹桥垮塌垮塌前的彩虹桥垮塌后的彩虹桥中承式拱形桥的拱架钢管焊接存在严重缺陷混凝土强度低于设计标号的1／3连接拉索、铆片、铆具严重锈蚀23名武警晨练齐步跑1999年1月4日重庆市綦江彩虹桥发生垮塌40人死亡14人受伤直接经济损失631万元原因——强度问题、振动问题2001年11月7日宜宾南门大桥垮塌2人死亡，2人受伤中承式拱桥垮塌原因：——靠近拱圈边缘的吊杆短，刚强度较大、应付变形能力小，相应受力就较大；——桥端伸缩缝较大，伸缩变形导致吊杆疲劳断裂，从而引起大桥坍塌。宜宾南门大桥早期列车对撞灾难蒸汽机车无损车厢破坏—刚度、强度差异Boeing737着陆机头因疲劳发生断裂机上人员安全飞机设计：强度、刚度、可靠性材料的性能试验机身结构强度实验波音－NASAX-48B飞机风洞实验波音747整机有限元分析模型材料、部件、整机实验局部与整机的数值仿真上海东方电视塔高300m球径45m抗震模型试验（破坏部位、破坏形式、抗震能力）秦山二期核反应堆稳压器强度考验结构强度与变形分析实验力学材料力学有限元分析车辆加载模拟机构轨道疲劳可靠性实验与结构优化刚体静力学材料力学实验力学静强度疲劳冲击振动抗拔抗扭转大坝闸门吊杆承力杆塔式起重机塔式起重机强度设计：应力、疲劳、断裂等强度容限设计刚度设计：应变、位移容限设计——静强度、断裂控制设计、抗疲劳设计结构优化设计、可靠性设计保证结构与零部件安全和使用功能——设计-制造-使用-维护的综合分析与控制——功能—安全—经济的综合性评价设计目标：设计准则：工程力学结构设计与优化、安全评定复合材料力学强度刚度材料力学结构力学弹性力学理论力学飞行力学振动、噪声、稳定性空气动力学流体力学计算力学数值仿真结构优化疲劳力学断裂力学实验力学可靠性结构优化2008-9-112.工程力学问题的基本研究任务是什么？3.论述工程力学解决的问题及其一般方法。1.什么是力学？思考力学研究的方法论客体原型零部件全尺寸模型客体模型抽象与客体模型数值仿真模型A获取力学响应信息B理论抽象C理论验证模型——真实情况的理想化和简化包括材料性能、载荷、约束、几何形状等规律分析理论经典：假设+数学＋解析现代：解析被数值取代①数值分析：有限元②数学与数值模型＋实验定参数数值力学规律P=f(x1,x2,…xn)实验理论提出问题，选择有关的研究系统对系统进行简化与假设，建立力学模型利用力学原理进行分析、推理，得出结论由实验进行验证或与已知结论相比较确认或进一步改善模型，深化认识工程力学研究的一般方法建立力学模型较为关键——需要知识、经验、创意/预研试验？工程力学作为一门课程材料力学—材料变形理论力学—刚体运动解决工程问题的力学基础第一部分静力学第一章静力学基础第二章平面汇交力系第三章力偶与平面力偶系第四章平面一般力系第五章重心和形心第二部分材料杆件变形学第六章内力与内力图第七章拉伸和压缩第八章扭转第九章弯曲第十章应力状态分析和强度理论第十一章压杆的稳定性第三部分运动学与动力学第十二章点的运动第十三章刚体的基本运动第十四章点的复合运动第十五章刚体的平面运动第十六章质点的运动微分方程第十七章动力学普遍定理第十八章动静法工程力学课程—应用力学的基础任务:力系的研究力系与物体变形的研究力系与刚体运动的研究物体对象变形体：细长杆件、梁刚体：质点、质点系材料、理论力学基础材料力学理论力学工程静力学：工程力学基础研究物体在力系作用下平衡规律的科学平衡状态：牛顿力学中F合力=ma=0第一章静力学基础物体相对于地面保持静止或作匀速直线运动的状态第一章静力学基础工程静力学研究对象——质点和质点系（物体）刚体：质点系中质点之间为刚性连接变形体：质点系中质点之间为弹性连接研究任务——分析物体受力（受力分析）——研究力系的等效和简化——研究力系的平衡、求解未知力力——物体间的相互作用力的效应——(1)运动效应：使物体运动状态发生变化(2)变形效应：使物体发生变形1.力的概念§1-1静力学中的基本概念力的单位——NorkN力的三要素力对物体作用的效应，决定于力的三要素——大小、方向和作用点AF——大小、方向和作用线对刚体而言力的三要素是什么？ABFF§1-1静力学中的基本概念等效力系F1F2FnF1F2Fn力系作用在物体上的若干个力的总称以（F1,F2,…Fn)表示等效力系作用于物体上的一个力系可用另一个力系代替，而不改变原力系对物体作用的外效应，用（F1,F2,…Fn)=(F1,F2,….Fn)来表示。§1-1静力学中的基本概念§1-2静力学公理静力学公理——是由观察和实验总结出来的客观规律（公认的，无需证明）4个静力学公理——静力学全部理论的基础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：这两个力等值，反向，共线。公理1二力平衡公理§1-2静力学公理二力杆或二力构件只在二点受力而处于平衡的无重杆或无重构件二力杆或二力构件ABCF三铰拱BC二力杆FCFBABOAB棘爪棘轮§1-2静力学公理只在二点受力而处于平衡的无重杆或无重构件F1F2PP公理2加减平衡力系公理在作用于刚体上的已知力系中，加上或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的效应。QQ公理2只适用于刚体§1-2静力学公理FABFAB作用于刚体上的力，可沿其作用线任意移动而不改变它对刚体的作用效应。力的可传性原理FABFFFAB加减平衡力系§1-2静力学公理——大小、方向和作用线对刚体而言力的三要素ABFF公理3力的平行四边形法则作用于物体上同一点的两个力，其合力也作用在该点上，合力的大小和方向则由共点两力为边所构成的平行四边形的对角线来表示，该两力称为合力的分力。F1F2FR§1-2静力学公理力是矢量FR,F1,F2代数量以后为表达方便就不刻意采用矢量标记。两物体间相互作用的力：——等值、反向、共线——分别作用在两个物体上公理4作用与反作用定律TWTW§1-2静力学公理§1-3约束和约束反力一.约束的概念1.自由体与非自由体自由体——在空间能向一切方向自由运动的物体。如飞鸟等。非自由体——当物体受到了其他物体的限制，而只能沿规定方向运动时，这种物体称为非自由体。如轨道等。约束B被约束物体A2.约束物体B参与限制非自由体A运动，则B为A的约束W§1-3约束和约束反力限制非自由体运动的物体就是该非自由体的约束3.约束反力约束施加于被约束物体上的力4.约束反力的方向与被约束体趋势运动方向相反。WTW约束反力T§1-3约束和约束反力1.柔体约束二.工程中常见的约束2.光滑面约束PAATAPPAANAPAA§1-3约束和约束反力A3.光滑铰链约束（平面铰链）§1-3约束和约束反力（空间球形铰）AXAYA固定铰支座AXAYAA（1）（2）（3）§1-3约束和约束反力活动铰支座（3）（2）（1）YBB§1-3约束和约束反力4.轴承约束A（1）滑动轴承xyzAZAXA§1-3约束和约束反力止推轴承约束（2）滚动轴承§1-3约束和约束反力xAyzXAYAZA5.固定端约束PABPABXAYAMA（平面）§1-3约束和约束反力刚体、变形体力的三要素力的4个公理二力平衡公理加减平衡力系公理－力传递力的平行四边形法则作用力与反作用定律几种约束与约束反力第一章小结受力分析取隔离体、画受力图受力分析是对物体进行力学研究的首要环节§1-4研究对象和受力图——将物体从约束中隔离出来，将约束化为约束力。不同类型的约束对应特定的约束力。静力学计算的首要任务——求解约束力分析AB梁的受力情况并作受力图PCABRBαYAXA解例1-1PAB2m3mCDα§1-4研究对象和受力图GoBA圆柱ONATNBGO例1-2作受力图§1-4研究对象和受力图折杆ABC、圆柱体OACBDEWPFo例1-3作受力图（不计摩擦）PNENENDNDABCXAYAOWNF§1-4研究对象和受力图部件受力图整体受力图画受力图步骤对隔离体解除约束、画简图画已知施力,按类型画约束反力根据平衡判断约束反力方向注意二力杆、光滑面、铰约束的反力特性反力方向与约束所能限制的物体运动方向相反部件与整体受力图中同一约束处反力一致§1-4研究对象和受力图AC杆、BC杆、铰CCPABDE60。60。XC2XC1YC2YC1XC1NATDYC1ACPNBTEXC2YC2CB例1-4作受力图§1-4研究对象和受力图例1-5球G1、G2置于墙和板AB间，BC为绳索。画受力图。注意：FK与FK、FE与FE…间作用力与反作用力关系。还要注意：部分受力图中反力必须与整体受力图一致。未解除约束处的系统内力，不画出。G1(b)(c)G2G2G1AB(d)(e)ABG2G1ABC(a)G1G2DEHKFAxFAyFTFDFKFDFEFDFHFEFKFHFDFAxFAyFTFAxFAyFHFEFT例1-6连杆滑块机构如图，受力偶M和力F作用，试画出其各构件和整体的受力图。注意:若将个体受力图组装到一起，应当得到与整体受力图相同的结果。AMBCFBC解:研究系统整体、杆AB、BC(二力杆)及滑块C。AMBCFFAyFAxFCFBCFCBFAyFAxFBCFCBFC例1-7试画出图示梁AB及BC的受力图。CFqFAyFAxMAFByFBxFAyFAxMAFCFByFBxFCABCFq作业要求1抄题并用尺子作图；2单独取出研究对象，画受力图；3所取物体应标注，每个力应有标号；4注意约束的类型。§1-4研究对象和受力图