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第二章第二章 工程力学基础工程力学基础1第1页，共75页，编辑于2022年，星期三机械的类型机械的类型n n从广义角度讲，凡是能完成一定机械运动的装置都是机械。n n根据用途不同，机械可分为：n n（1）动力机械动力机械实现机械能与其他形式能量间的转换。（风磨、水轮机、内燃机）n n（2）加工机械加工机械改变物料的结构形状、性质及状态。（破碎机、过滤机、搅拌机、反应器、混合机、分离设备）n n（3）运输机械运输机械改变人或物料的空间位置。n n（4）信息机械信息机械获取或处理各种信息。第2页，共75页，编辑于2022年，星期三n n化工机械：化工机械：化工机械：化工机械：化学工业生产中所用的机器和设备的总称。化学工业生产中所用的机器和设备的总称。化工生产中为了将原料加工成一定规格的成品，往往需化工生产中为了将原料加工成一定规格的成品，往往需要经过原料预处理、化学反应以及反应产物的分离和精要经过原料预处理、化学反应以及反应产物的分离和精制等一系列化工过程，实现这些过程所用的机械，常常制等一系列化工过程，实现这些过程所用的机械，常常都被划归为化工机械。如各种过滤机、破碎机、离心分都被划归为化工机械。如各种过滤机、破碎机、离心分离机、搅拌机、旋转干燥机以及流体输送机械等。容器离机、搅拌机、旋转干燥机以及流体输送机械等。容器（槽、罐、釜等）、普通窑、塔器、反应器、换热器、（槽、罐、釜等）、普通窑、塔器、反应器、换热器、普通干燥器、蒸发器，反应炉、电解槽、结晶设备、传普通干燥器、蒸发器，反应炉、电解槽、结晶设备、传质设备、吸附设备、流态化设备、普通分离设备以及离质设备、吸附设备、流态化设备、普通分离设备以及离子交换设备等。子交换设备等。制药设备属于化工机械？制药设备属于化工机械？n n农业机械、工程机械、造纸机械、印刷机械等。农业机械、工程机械、造纸机械、印刷机械等。第3页，共75页，编辑于2022年，星期三机器设备的组成n n 根据功能的不同，一部完整的机器由以下四部分组成：n n 1.原动部分：原动部分：机器的动力来源。n n 2.工作部分：工作部分：完成工作任务的部分。n n 3.传动部分：传动部分：把原动机的运动和动力传递给工作机。n n 4.控制部分：控制部分：使机器的原动部分、传动部分、工作部分按一定的顺序和规律运动，完成给定的工作循环。第4页，共75页，编辑于2022年，星期三n n构件构件：运动的单元，即在运动中是不可再分的单元体；机器中每一个独立的运动单元；构件可能是一个零件，也可能是几个零件的刚性组合。机构机构：两个或两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动的构件组合。机械的组成部分。机械是一种人为的实物构件的组合。零件零件：组成机械和机器的不可分拆的单个制件。零件是机械制造过程中的基本单元。如轴套、轴瓦、螺母、曲轴、叶片、齿轮、凸轮、连杆体、连杆头等。零件是机械制造过程中的基本单元。第5页，共75页，编辑于2022年，星期三n n力力力力学学学学与与与与数数数数学学学学、物物物物理理理理、化化化化学学学学、天天天天文文文文、地地地地理理理理、生生生生物物物物并并并并列列列列为为为为七七七七大大大大基础学科。基础学科。基础学科。基础学科。n n力力力力学学学学的的的的发发发发展展展展源源源源远远远远流流流流长长长长。20202020世世世世纪纪纪纪前前前前，机机机机械械械械工工工工业业业业、大大大大水水水水利利利利工工工工程程程程、大大大大跨跨跨跨度度度度桥桥桥桥梁梁梁梁、铁铁铁铁路路路路与与与与机机机机车车车车、船船船船舶舶舶舶、兵兵兵兵器器器器等等等等近近近近代代代代工工工工业业业业，无无无无一一一一不不不不是是是是在在在在力力力力学学学学知知知知识识识识积积积积累累累累和和和和完完完完善善善善的的的的基基基基础础础础上上上上产产产产生生生生与与与与发发发发展展展展起起起起来来来来的的的的。例例例例如如如如，高高高高新新新新技技技技术术术术领领领领域域域域中中中中的的的的航航航航空空空空航航航航天天天天技技技技术术术术(包包包包括括括括人人人人类类类类登登登登月月月月、建建建建立立立立空空空空间间间间站站站站、航航航航天天天天飞飞飞飞机机机机和和和和卫卫卫卫星星星星测测测测控控控控)主主主主要要要要靠靠靠靠力力力力学学学学而而而而发发发发展展展展。一一一一架架架架载载载载客客客客400400400400人人人人的的的的波波波波音音音音747747747747飞飞飞飞机机机机，其其其其质质质质量量量量超超超超过过过过100t100t100t100t，这这这这样样样样的的的的庞庞庞庞然然然然大大大大物物物物，竟竟竟竟然然然然可可可可以以以以自自自自由由由由翱翱翱翱翔翔翔翔于于于于空空空空中中中中，是是是是得得得得益益益益于于于于近近近近代代代代空空空空气气气气动动动动力力力力学学学学的的的的成成成成就就就就；在在在在飞飞飞飞机机机机遇遇遇遇到到到到不不不不稳稳稳稳定定定定气气气气流流流流时时时时，其其其其机机机机翼翼翼翼能能能能够够够够克克克克服服服服上上上上下下下下颤颤颤颤动动动动，确确确确保保保保航航航航行行行行安安安安全全全全，则则则则是是是是固固固固体体体体力力力力学学学学和和和和结结结结构构构构力力力力学学学学的的的的成成成成就就就就；客客客客机机机机跨跨跨跨海海海海越越越越洋洋洋洋，遥遥遥遥遥遥遥遥数数数数万万万万里里里里，无无无无论论论论昼昼昼昼夜夜夜夜，都都都都能能能能准准准准确确确确无无无无误误误误地地地地到到到到达达达达终终终终点点点点，既既既既不不不不会会会会延延延延误误误误，也也也也不不不不会会会会迷迷迷迷路路路路，更更更更不不不不会会会会失失失失控控控控，这这这这是是是是导导导导航航航航与与与与自自自自动动动动控控控控制制制制技技技技术术术术的的的的贡贡贡贡献献献献，其其其其最最最最核核核核心心心心的的的的技技技技术术术术却却却却是是是是一一一一般力学研究般力学研究般力学研究般力学研究的成果。的成果。的成果。的成果。第6页，共75页，编辑于2022年，星期三n n生产过程中，使用的任何机械或设备的构件，都应该满足适用、经济、安全的三个基本要求。金属构件失效形式：金属构件失效形式：变形变形、断裂断裂、腐蚀和磨损等腐蚀和磨损等 (a)未加压的圆筒形未加压的圆筒形 (b)塑性变形后的鼓胀及断裂塑性变形后的鼓胀及断裂承受内压的承受内压的304不锈钢塑性变形及断裂试验不锈钢塑性变形及断裂试验第7页，共75页，编辑于2022年，星期三过热管蠕变变形及胀裂过热管蠕变变形及胀裂液氨管韧性断裂失效液氨管韧性断裂失效软钢断裂试样软钢断裂试样(a)疲疲劳劳断断裂裂(b)静静拉拉伸伸断断裂裂 第8页，共75页，编辑于2022年，星期三为了使机器或设备能安全而正常地工作，在设计时必须为了使机器或设备能安全而正常地工作，在设计时必须为了使机器或设备能安全而正常地工作，在设计时必须为了使机器或设备能安全而正常地工作，在设计时必须使构件满足以下三方面的要求：使构件满足以下三方面的要求：使构件满足以下三方面的要求：使构件满足以下三方面的要求：n n具有足够的刚度具有足够的刚度具有足够的刚度具有足够的刚度 构件在外载作用下，抵抗可恢复变形的能力。构件在外载作用下，抵抗可恢复变形的能力。构件在外载作用下，抵抗可恢复变形的能力。构件在外载作用下，抵抗可恢复变形的能力。例如机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。例如机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。例如机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。例如机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。n n满足稳定性要求满足稳定性要求满足稳定性要求满足稳定性要求 构件在某种外载作用下，保持其原有平衡状态的构件在某种外载作用下，保持其原有平衡状态的构件在某种外载作用下，保持其原有平衡状态的构件在某种外载作用下，保持其原有平衡状态的 能力。能力。能力。能力。例如柱子不能弯曲等。例如柱子不能弯曲等。例如柱子不能弯曲等。例如柱子不能弯曲等。对构件的三项基本要求对构件的三项基本要求对构件的三项基本要求对构件的三项基本要求n n具有足够的强度具有足够的强度具有足够的强度具有足够的强度 构件在外载作用下，抵抗破坏的能力。构件在外载作用下，抵抗破坏的能力。构件在外载作用下，抵抗破坏的能力。构件在外载作用下，抵抗破坏的能力。例如储例如储例如储例如储 气罐不应爆破。气罐不应爆破。气罐不应爆破。气罐不应爆破。（破坏（破坏（破坏（破坏 断裂或变形过量不能恢复）断裂或变形过量不能恢复）断裂或变形过量不能恢复）断裂或变形过量不能恢复）第9页，共75页，编辑于2022年，星期三构件满足强度、刚度、稳定性要求的能力，称为构件的承载能力。工程力学的任务就是研究构件在外力作用下变形和破坏的规律，为设计构件选择适当材料和尺寸，以保证能够达到强度、刚度和稳定性的要求。第10页，共75页，编辑于2022年，星期三 上面提到了术语上面提到了术语1、构件构件 Component or Member：组成机械的零件或构：组成机械的零件或构 筑物的杆件统称为构件筑物的杆件统称为构件 2、结构结构 Structure：由构件组成的体系，工程结构是工：由构件组成的体系，工程结构是工 程实际中采用的结构程实际中采用的结构3、载荷载荷 Load：构件和结构承受的负载或荷重：构件和结构承受的负载或荷重 载荷有载荷有 内载荷内载荷 外载荷外载荷4、变形变形 Deformation：在载荷的作用下，构件的形状及：在载荷的作用下，构件的形状及 尺寸发生的变化称为变形尺寸发生的变化称为变形第11页，共75页，编辑于2022年，星期三塔吊第12页，共75页，编辑于2022年，星期三强强强强度度度度 和和 刚刚刚刚度度度度第13页，共75页，编辑于2022年，星期三 工程构件的强度、刚度工程构件的强度、刚度工程构件的强度、刚度工程构件的强度、刚度第14页，共75页，编辑于2022年，星期三 自行车结构也有强度、自行车结构也有强度、刚度和稳定问题刚度和稳定问题第15页，共75页，编辑于2022年，星期三第16页，共75页，编辑于2022年，星期三n n大型桥梁的强度大型桥梁的强度 刚度刚度 稳定问题稳定问题第17页，共75页，编辑于2022年，星期三第18页，共75页，编辑于2022年，星期三n n震惊世界的两次强度失效事故震惊世界的两次强度失效事故震惊世界的两次强度失效事故震惊世界的两次强度失效事故：n n 1 1“泰坦尼克号泰坦尼克号”沉没之谜沉没之谜n n 1912191219121912年年年年4 4 4 4月月月月14141414日日日日，当当当当时时时时最最最最大大大大最最最最豪豪豪豪华华华华的的的的4600t4600t4600t4600t英英英英制制制制游游游游轮轮轮轮“泰泰泰泰坦坦坦坦尼尼尼尼克克克克号号号号”首首首首次次次次满满满满载载载载着着着着2227222722272227名名名名乘乘乘乘客客客客离离离离开开开开英英英英国国国国的的的的南南南南安安安安普普普普敦敦敦敦港港港港驶驶驶驶向向向向纽纽纽纽约约约约。乘乘乘乘客客客客们们们们都都都都以以以以为为为为自自自自己己己己乘乘乘乘坐坐坐坐的的的的是是是是最最最最豪豪豪豪华华华华、最最最最结结结结实实实实的的的的轮轮轮轮船船船船，做做做做梦梦梦梦也也也也不不不不曾曾曾曾想想想想到到到到会会会会有有有有大大大大祸祸祸祸临临临临头头头头。因因因因为为为为该该该该船船船船的的的的底底底底部部部部已已已已被被被被隔隔隔隔成成成成各各各各个个个个独独独独立立立立的的的的舱舱舱舱房房房房，任任任任一一一一舱舱舱舱房房房房受受受受损损损损进进进进水水水水都都都都不不不不会会会会影影影影响响响响别别别别的的的的舱舱舱舱房房房房。即即即即使使使使在在在在最最最最坏坏坏坏的的的的情情情情况况况况下下下下，如如如如与与与与别别别别的的的的船船船船相相相相撞撞撞撞导导导导致致致致一一一一部部部部分分分分舱舱舱舱房房房房进进进进水水水水，整整整整个个个个“泰泰泰泰坦坦坦坦尼尼尼尼克克克克号号号号”沉沉沉沉没没没没至至至至少少少少也也也也需需需需要要要要3 3 3 3天天天天时时时时间间间间，在在在在那那那那么么么么长长长长的的的的时时时时间间间间内内内内无无无无论论论论如如如如何何何何也也也也能能能能得得得得到到到到救救救救援援援援。因因因因此此此此，这这这这次次次次处处处处女女女女航航航航几几几几乎乎乎乎可可可可以以以以说说说说是是是是万万万万无无无无一一一一失失失失的的的的，更更更更何何何何况况况况造造造造船船船船用用用用的的的的是是是是当当当当时时时时最最最最优优优优质质质质的钢材。的钢材。的钢材。的钢材。n n然而，令人遗憾的是，然而，令人遗憾的是，然而，令人遗憾的是，然而，令人遗憾的是，“泰坦尼克号泰坦尼克号泰坦尼克号泰坦尼克号”未能逃脱世界航海未能逃脱世界航海未能逃脱世界航海未能逃脱世界航海史上最大海难事故的命运。被称为史上最大海难事故的命运。被称为史上最大海难事故的命运。被称为史上最大海难事故的命运。被称为“不沉之船不沉之船不沉之船不沉之船”的的的的“泰坦泰坦泰坦泰坦尼克号尼克号尼克号尼克号”连同它的连同它的连同它的连同它的1513151315131513位乘客，仅在位乘客，仅在位乘客，仅在位乘客，仅在3 3 3 3小时内就被格陵兰小时内就被格陵兰小时内就被格陵兰小时内就被格陵兰海冰冷的海水吞没了。海冰冷的海水吞没了。海冰冷的海水吞没了。海冰冷的海水吞没了。第19页，共75页，编辑于2022年，星期三n n这这这这艘艘艘艘偌偌偌偌大大大大的的的的游游游游轮轮轮轮究究究究竟竟竟竟为为为为什什什什么么么么会会会会沉沉沉沉于于于于海海海海底底底底呢呢呢呢?由由由由于于于于技技技技术术术术上上上上的的的的原原原原因因因因，直直直直至至至至1991199119911991年年年年，第第第第一一一一次次次次科科科科学学学学考考考考察察察察队队队队才才才才开开开开始始始始到到到到水水水水下下下下对对对对残残残残骸骸骸骸进进进进行行行行考考考考察察察察，并并并并收收收收集集集集了了了了残残残残骸骸骸骸的的的的金金金金属属属属碎碎碎碎片片片片供供供供科科科科研研研研用用用用。这这这这些些些些碎碎碎碎片片片片以以以以及及及及沉沉沉沉船船船船在在在在海海海海底底底底的的的的状状状状况况况况使使使使人人人人们们们们终终终终于于于于解解解解开开开开了了了了巨巨巨巨轮轮轮轮“泰泰泰泰坦坦坦坦尼尼尼尼克克克克号号号号”罹罹罹罹难难难难之之之之谜谜谜谜。考考考考察察察察队队队队员员员员们们们们发发发发现现现现了了了了导导导导致致致致“泰泰泰泰坦坦坦坦尼尼尼尼克克克克号号号号”沉沉沉沉没没没没的的的的两两两两个个个个重要细节。重要细节。重要细节。重要细节。n n 一一一一个个个个细细细细节节节节说说说说明明明明，造造造造船船船船工工工工程程程程师师师师们们们们只只只只考考考考虑虑虑虑到到到到船船船船底底底底、船船船船尾尾尾尾或或或或船船船船首首首首有有有有被被被被撞撞撞撞坏坏坏坏的的的的可可可可能能能能性性性性。在在在在深深深深夜夜夜夜里里里里行行行行进进进进的的的的“泰泰泰泰坦坦坦坦尼尼尼尼克克克克号号号号”遭遭遭遭遇遇遇遇冰冰冰冰山山山山，当当当当人人人人们们们们发发发发现现现现并并并并想想想想躲躲躲躲避避避避却却却却为为为为时时时时已已已已晚晚晚晚。如如如如果果果果值值值值班班班班人人人人员员员员没没没没有有有有发发发发现现现现冰冰冰冰山山山山，轮轮轮轮船船船船直直直直接接接接撞撞撞撞到到到到冰冰冰冰山山山山上上上上去去去去的的的的话话话话，或或或或许许许许游游游游轮轮轮轮受受受受损损损损伤伤伤伤进进进进水水水水的的的的只只只只是是是是船船船船首首首首部部部部分分分分的的的的舱舱舱舱房房房房，船船船船一一一一定定定定不不不不会会会会整整整整个个个个沉沉沉沉没没没没。但但但但不不不不幸幸幸幸的的的的是是是是，值值值值班班班班员员员员偏偏偏偏偏偏偏偏发发发发现现现现了了了了冰冰冰冰山山山山，并并并并且且且且怀怀怀怀着着着着侥侥侥侥幸幸幸幸的的的的心心心心理理理理想想想想让让让让船船船船转转转转过过过过身身身身来来来来躲躲躲躲避避避避冰冰冰冰山山山山，这这这这样样样样一一一一来来来来，冰冰冰冰山山山山就就就就像像像像一一一一把把把把利利利利刃刃刃刃似似似似的的的的从从从从船船船船的的的的侧侧侧侧面面面面切切切切入入入入，把把把把船船船船拦拦拦拦腰腰腰腰斩斩斩斩断断断断。这这这这样样样样，就就就就不不不不是是是是一一一一两两两两个个个个舱舱舱舱房房房房进进进进水水水水，而而而而是是是是所所所所有有有有的的的的舱舱舱舱房房房房都都都都进进进进了了了了水水水水。结结结结果果果果“泰泰泰泰坦坦坦坦尼克号尼克号尼克号尼克号”在几个小时内就覆没于大海之中了。在几个小时内就覆没于大海之中了。在几个小时内就覆没于大海之中了。在几个小时内就覆没于大海之中了。第20页，共75页，编辑于2022年，星期三n n 第第二二个个细细节节是是造造船船工工程程师师只只考考虑虑到到要要增增加加钢钢的的强强度度，而而没没有有想想到到要要增增加加其其韧韧性性。把把残残骸骸的的金金属属碎碎片片与与如如今今的的造造船船钢钢材材作作一一对对比比试试验验，发发现现在在“泰泰坦坦尼尼克克号号”沉沉没没地地点点的的水水温温中中，如如今今的的造造船船钢钢材材在在受受到到撞撞击击时时可可弯弯成成V V形形，而而残残骸骸上上的的钢钢材材则则因因韧韧性性不不够够而而很很快快断断裂裂。由由此此发发现现了了钢钢材材的的冷冷脆脆性性，即即在在-40-40OO的的温温度度下下，钢钢材材的的力力学学行行为为由由韧韧性性变变成成脆脆性性，从从而而导导致致灾灾难难性性的脆性断裂。而用现代技术炼的钢只有在的脆性断裂。而用现代技术炼的钢只有在n n70706060的的温温度度下下才才会会变变脆脆。不不过过不不能能责责怪怪当当时时的的工工程程师师，因因为为当当时时谁谁也也不不知知道道，为为了了增增加加钢钢的的强强度度而而往往炼炼钢钢原原料料中中增增加加大大量量硫硫化化物物会会大大大大增增加加钢钢的的脆脆性性，以以致致酿酿成成了了“泰泰坦坦尼克号尼克号”沉没的悲剧。沉没的悲剧。n n 第21页，共75页，编辑于2022年，星期三n n n n 另另据据美美国国纽纽约约时时报报报报导导，一一个个海海洋洋法法医医专专家家小小组组对对打打捞捞起起来来的的“泰泰坦坦尼尼克克号号”船船壳壳上上的的铆铆钉钉进进行行了了分分析析，发发现现固固定定船船壳壳钢钢板板的的铆铆钉钉里里含含有有异异常常多多的的玻玻璃璃状状渣渣粒粒，因因而而使使铆铆钉钉变变得得非非常常脆脆弱弱、容易断裂。容易断裂。n n 这一分析表明：在冰山的撞击下，可能是铆钉这一分析表明：在冰山的撞击下，可能是铆钉断裂导致船壳解体，最终使断裂导致船壳解体，最终使“泰坦尼克号泰坦尼克号”葬身葬身于大西洋海底。于大西洋海底。第22页，共75页，编辑于2022年，星期三n n2 2切尔诺贝利核电站为什么发生大爆炸切尔诺贝利核电站为什么发生大爆炸?n n 切切尔尔诺诺贝贝利利核核电电站站是是前前苏苏联联于于19731973年年开开始始修修建建、19771977年年启启动动的的最最大大的的核核电电站站。19861986年年4 4月月2626日日凌凌晨晨，两两声声沉沉闷闷的的爆爆炸炸声声打打破破了了核核电电站站周周围围的的宁宁静静。随随着着爆爆炸炸声声，一一条条3030多多米米高高的的火火柱柱掀掀开开反反应应堆堆的的外外壳壳，冲冲向向天天空空。反反应应堆堆的的防防护护结结构构和和各各种种设设备备整整个个被被掀掀起起，温温度度高高达达20002000的的烈烈焰焰吞吞噬噬着着机机房房，熔熔化化了了粗粗大大的的钢钢架架。携携带带着着高高放放射射性性物物质质的的水水蒸蒸气气和和尘尘埃埃随随着着浓浓烟烟升升腾腾弥弥漫漫，这这次次爆爆炸炸造造成成了了灾灾难难性性的的后后果果。爆爆炸炸释释放放的的能能量量相相当当于于500500颗颗在在广广岛岛投投放放的的原原子子弹弹。爆爆炸炸破破坏坏了了核核反反应应堆堆，使使反反应应堆堆内内180180多多吨吨浓浓缩缩铀铀燃燃料料的的3 3被被释释放放到到大大气气中中，放放射射性性污污染染遍遍及及前前苏苏联联居居住住着着694.5694.5万万人人的的1515万万平平方方公公里里的的地地区区，核核电电站站周周围围30km30km范范围围被被划划为为隔隔离区，庄稼被全部掩埋。离区，庄稼被全部掩埋。第23页，共75页，编辑于2022年，星期三n n 那那么么，究究竟竟是是什什么么原原因因酿酿成成了了这这场场灾灾难难?事事后后的的调调查查表表明明，这这是是由由一一系系列列的的操操作作失失误误造造成成的的人人为为事事故故。刚刚完完成成检检修修的的第第四四核核反反应应堆堆重重新新启启动动时时，将将产产生生的的蒸蒸汽汽输输向向已已经经关关闭闭的的涡涡轮轮机机，而而能能够够关关掉掉反反应应堆堆的的自自动动保保护护装装置置却却事事先先被被切切断断了了。这这样样，反反应应堆堆不不断断工工作作产产生生蒸蒸汽汽，却却没没有有宣宣泄泄的的出出口口。反反应应堆堆外外壳壳所所承承受受的的蒸蒸汽汽压压力力和和温温度度远远远远超超出出了了它的设计要求，最终引发了热能爆炸。它的设计要求，最终引发了热能爆炸。n n 然然而而，对对于于人人类类来来说说，这这次次爆爆炸炸仍仍然然是是“幸幸运运”的的。因因为为它它仅仅仅仅是是一一次次过过热热的的蒸蒸汽汽爆爆炸炸，而而非非核核爆爆炸炸。否否则则这这对对于于人人类类是是绝绝对对的的灭灭顶顶之之灾灾。这这次次大大爆爆炸炸也也向向人人类类敲敲响响了了警警钟钟：如如何何杜杜绝绝灾灾难难性性事事故故的的发发生生，如如何何在在恶恶劣劣的的环环境境条条件件下下，遏遏制制更更大大灾灾难难的的发发生生，这这也也是是对对力力学学工工作作者者提提出出的的新新的的挑战性课题。挑战性课题。第24页，共75页，编辑于2022年，星期三简单力学问题简单力学问题 队伍过桥时不能齐步走队伍过桥时不能齐步走高等力学问题高等力学问题 冲击载荷的概念：冲击载荷的概念：人跑步时脚上的力量有多大？人跑步时脚上的力量有多大？损伤累积与结构寿命损伤累积与结构寿命 与跑步的次数有关与跑步的次数有关第25页，共75页，编辑于2022年，星期三脚上的力量假设人体重量为假设人体重量为750N750N3000N3500N4500N6000N12500N4 44.74.76 68 816.716.7高等力学问题高等力学问题高等力学问题高等力学问题 损伤累积与结构寿命损伤累积与结构寿命损伤累积与结构寿命损伤累积与结构寿命 与跑步的次数有关与跑步的次数有关与跑步的次数有关与跑步的次数有关 第26页，共75页，编辑于2022年，星期三2.1物体的受力分析及其平衡条件物体的受力分析及其平衡条件2.1.12.1.1力的概念及其基本性质力的概念及其基本性质1、力的概念力的概念力的概念：物体间的相互机械作用。外效应外效应：使物体的运动状态发生改变（理论力学）内效应内效应：使物体的形状发生改变（材料力学）变形变形：构件尺寸与形状的变化，分为两类，一类为外力解除后可消失的变形，称为弹性变形；一类为外力解除后不能消失的变形，称为塑性变形或残余变形。刚体刚体：在外力作用下，大小和形状保持不变的物体。静力学中研究的物体均可视为刚体。第27页，共75页，编辑于2022年，星期三 图2-1 小车受力图图 2-2 起吊重物受力图n n 物体间机械作用的形式是多物体间机械作用的形式是多物体间机械作用的形式是多物体间机械作用的形式是多种多样的，力对物体的效应取决种多样的，力对物体的效应取决种多样的，力对物体的效应取决种多样的，力对物体的效应取决于力的于力的于力的于力的大小、方向和作用点大小、方向和作用点大小、方向和作用点大小、方向和作用点，这三这三这三这三者称为力的三要素。者称为力的三要素。者称为力的三要素。者称为力的三要素。n n 力矢量力矢量力矢量力矢量用一条有向线段表示，用一条有向线段表示，用一条有向线段表示，用一条有向线段表示，线段的长度表示力的大小；线段线段的长度表示力的大小；线段线段的长度表示力的大小；线段线段的长度表示力的大小；线段的方位和箭头表示力的方向；线的方位和箭头表示力的方向；线的方位和箭头表示力的方向；线的方位和箭头表示力的方向；线段的起点或终点表示力的作用点，段的起点或终点表示力的作用点，段的起点或终点表示力的作用点，段的起点或终点表示力的作用点，力的国际单位为牛力的国际单位为牛力的国际单位为牛力的国际单位为牛 顿顿顿顿 （N N N N）。）。）。）。第28页，共75页，编辑于2022年，星期三292、力的基本性质、力的基本性质（1）作用与反作用定律）作用与反作用定律（2）二力平衡定律）二力平衡定律图图2-3 起吊重物受力分析起吊重物受力分析图2-3 起吊重物受力分析第29页，共75页，编辑于2022年，星期三n n公理公理1 二力平衡公理二力平衡公理n n 作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两个力大两个力大小相等，方向相反，且作用在同一条直小相等，方向相反，且作用在同一条直线上线上。n n 对于变形体而言，二力平衡公理只是必要条件，但不是充分条件。第30页，共75页，编辑于2022年，星期三公公公公理理理理2 2 加加加加减减减减平平平平衡衡衡衡力力力力系系系系公公公公理理理理：在在已已知知力力系系上上加加上上或或者者减减去去任任意意平平衡衡力力系系，并并不不改改变原力系对刚体的作用。变原力系对刚体的作用。推论推论推论推论1 1 1 1 力的可传性原理力的可传性原理力的可传性原理力的可传性原理 作用在刚体上某点的力，作用在刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移可以沿着它的作用线移动到刚体内任意一点，动到刚体内任意一点，并不改变该力对刚体的并不改变该力对刚体的作用效应。（如图）作用效应。（如图）第31页，共75页，编辑于2022年，星期三公公公公理理理理3 3 力力力力的的的的平平平平行行行行四四四四边边边边形形形形公公公公理理理理 作作用用在在刚刚体体上上同同一一点点的的两两个个力力，可可以以合合成成为为一一个个合合力力。合合力力的的作作用用点点也也在在该该点点，合合力力的的大大小小、方方向向，由由这这两两个个力力为为边边构构成成的的平平行行四四边边形形的的对对角角线确定。线确定。力的合成与分解力的合成与分解作用于同一物体上的若干个力叫做作用于同一物体上的若干个力叫做力系力系力系力系。力系中各个力的作。力系中各个力的作用线汇交于一点的叫做用线汇交于一点的叫做汇交力系汇交力系汇交力系汇交力系。图2-4 力的平行四边形法则第32页，共75页，编辑于2022年，星期三33 力不但可以合成，根据实际问题的需要还可以把一个力分解为两个分力。分解的方法仍是应用力的平行四边形法则。图2-5 力的合成图 2-6 力的分解第33页，共75页，编辑于2022年，星期三推理推理 2 三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理平衡时平衡时 必与必与 共线则三力必汇交共线则三力必汇交O 点，且共面。点，且共面。第34页，共75页，编辑于2022年，星期三公理公理4 作用与反作用公理作用与反作用公理 两物体间的作用力与反作用力总是同时存在，且大小相等、方向相反、沿同一条直线，分别作用在这两个物体上。作用力与反作用力互相依存、同时出现、同时消失，分别作用在相互作用的两物体上。作用力与反作用力与二力平衡公理中的两个力有着本质的区别在画物体受力图时要注意此公理的应用。在画物体受力图时要注意此公理的应用。第35页，共75页，编辑于2022年，星期三公理公理公理公理5 5 刚化原理刚化原理刚化原理刚化原理柔性体（受拉力平衡）柔性体（受拉力平衡）刚化为刚体（仍平衡）刚化为刚体（仍平衡）反之不一定成立，因对刚体平衡的充分必要条件，反之不一定成立，因对刚体平衡的充分必要条件，对变形体是必要的但非充分的。对变形体是必要的但非充分的。刚体（受压平衡）刚体（受压平衡）柔性体（受压不能平衡）柔性体（受压不能平衡）第36页，共75页，编辑于2022年，星期三2.1.2 力矩与力偶力矩与力偶1、力矩的概念力矢的模力矢的模F与力臂与力臂d的乘积的乘积 (2-2)式中正负号表示力矩转动的方向，一般规定：逆时针转动的力矩取正号，顺时针转动的力矩取负号。如果物体上有若干个力，当这些力对力矩中心的力矩代数和等于零,即 时，原来静止的物体，就不会绕力矩中心转动。第37页，共75页，编辑于2022年，星期三平面力对点之矩（力矩）力矩作用面，力矩作用面，O称为称为矩心矩心，O到力的作用线的垂直距离到力的作用线的垂直距离h称为称为力臂力臂1.1.大小：力大小：力F F与力臂的乘积与力臂的乘积2.2.方向：转动方向方向：转动方向两个要素：两个要素：第38页，共75页，编辑于2022年，星期三2、力偶的概念力偶就是受到大小相等、方向相反、互相平行的两个力的作用，它对物体产生的是纯转动效应(即不需要固定转轴或支点等辅助条件)。(2-3)因此力偶矩和力矩一样，也可以用一个代数量表示，其数值等于力偶中一力的大小与力偶臂的乘积，正负号则分别表示力偶的两种相反转向，若规定逆时针转向为正，则顺时针为负。这是人为规定的，作与上述相反的规定也可以。第39页，共75页，编辑于2022年，星期三 图2-7 力矩示意图 图2-8 力偶示意图第40页，共75页，编辑于2022年，星期三约束：对非自由体的位移起限制作用的物体。约束：对非自由体的位移起限制作用的物体。约束力：约束对非自由体的作用力。约束力：约束对非自由体的作用力。约约束束力力大小大小待定待定方向方向与该约束所能阻碍的位移方向相反与该约束所能阻碍的位移方向相反作用点作用点接触处接触处自由体：可以在空间自由运动的物体。自由体：可以在空间自由运动的物体。非自由体：因受到周围物体的阻碍，限制而不能做非自由体：因受到周围物体的阻碍，限制而不能做 任意运动的物体任意运动的物体2.1.3 物体的受力分析及受力图1、约束和约束反力第41页，共75页，编辑于2022年，星期三工程常见的约束工程常见的约束1、具有光滑接触面（线、点）的约束（光滑接触约束）、具有光滑接触面（线、点）的约束（光滑接触约束）光滑接触面约束 这类约束是由光滑支承面如滑槽、导轨等所构成。支承面与被约束物体之间的摩擦力很小，可以略去不计。第42页，共75页，编辑于2022年，星期三光滑支承接触对非自由体的约束力，作用在接触光滑支承接触对非自由体的约束力，作用在接触处；方向沿接触处的公法线并指向受力物体，故处；方向沿接触处的公法线并指向受力物体，故称为法向约束力，用称为法向约束力，用 表示。表示。第43页，共75页，编辑于2022年，星期三2 、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束柔索只能受拉力，又称张力。用柔索只能受拉力，又称张力。用 表示。表示。柔性约束柔性约束 这类约束是由柔性物体如绳索、链条、皮带、钢丝这类约束是由柔性物体如绳索、链条、皮带、钢丝绳等所构成。绳等所构成。第44页，共75页，编辑于2022年，星期三柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体。柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体。胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向，为拉力。胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向，为拉力。第45页，共75页，编辑于2022年，星期三 3 3、光滑铰链约束（径向轴承、圆柱铰链、固定铰、光滑铰链约束（径向轴承、圆柱铰链、固定铰链支座等）圆柱形铰链约束是由两个端部带有圆孔的构链支座等）圆柱形铰链约束是由两个端部带有圆孔的构件用一销钉联接而成的。常见的有固定铰链支座约束和件用一销钉联接而成的。常见的有固定铰链支座约束和活动铰链支座约束活动铰链支座约束。（1 1）径向轴承（向心轴承）径向轴承（向心轴承）约束特点：约束特点：轴在轴承孔内，轴为非自由体、轴在轴承孔内，轴为非自由体、轴承孔为约束。轴承孔为约束。约束力：约束力：当不计摩擦时，轴与孔在接触处为当不计摩擦时，轴与孔在接触处为光滑接触约束光滑接触约束法向约束力约束力作用在接触法向约束力约束力作用在接触处，沿径向指向轴心。处，沿径向指向轴心。第46页，共75页，编辑于2022年，星期三 （2 2）光滑圆柱铰链）光滑圆柱铰链 约束特点：由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成，约束特点：由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成，如剪刀如剪刀第47页，共75页，编辑于2022年，星期三（3 3）固定铰链支座固定铰链支座 约束特点：约束特点：由上面构件由上面构件1 1或或2 2 之一与地面或机架固定而成之一与地面或机架固定而成 约束力：与圆柱铰链相同约束力：与圆柱铰链相同 以上三种约束（径向轴承、光滑圆柱铰链、固定以上三种约束（径向轴承、光滑圆柱铰链、固定铰链支座）其约束特性相同，均为轴与孔的配合问题，铰链支座）其约束特性相同，均为轴与孔的配合问题，都可称作光滑圆柱铰链都可称作光滑圆柱铰链第48页，共75页，编辑于2022年，星期三 固定端约束 这类约束是限制被约束物体既不能移动，又不能转动，被约束的一端完全固定。如悬臂式管道托架，一端插入墙内，另一端为自由端，墙对托架也起到固定端约束的作用，如图2-11。图2-11 固定端约束的托架第49页，共75页，编辑于2022年，星期三5、其它类型约束、其它类型约束（1）、滚动支座）、滚动支座约束特点：约束特点：在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光滑辊轴在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光滑辊轴而成。而成。约束力：约束力：构件受到构件受到光滑面的约束力。光滑面的约束力。第50页，共75页，编辑于2022年，星期三(2)、球铰链、球铰链约束特点：通过球与球壳将构件连接，构件可以绕球心约束特点：通过球与球壳将构件连接，构件可以绕球心任意转动，但构件与球心不能有任何移动。任意转动，但构件与球心不能有任何移动。约束力：当忽略摩擦时，球与球座亦是光滑约束问题。约束力：当忽略摩擦时，球与球座亦是光滑约束问题。约束力通过接触点，并指向球心，是一个不能预先确定的约束力通过接触点，并指向球心，是一个不能预先确定的空间力。可用三个正交分力表示。空间力。可用三个正交分力表示。第51页，共75页，编辑于2022年，星期三 图2-9 固定铰链支座约束 图2-10 活动铰链支座约束第52页，共75页，编辑于2022年，星期三2、受力图为了清晰地分析与表示构件的受力情况，需要将研究的构件(研究对象)从与它发生联系的周围物体中分离出来，把作用于其上的全部外力(包括已知的主动力和未知的约束反力)都表示出来。这样作成的表示物体受力情况的简图称为受力图。第53页，共75页，编辑于2022年，星期三图2-12 三角形钢结构管道支架受力分析第54页，共75页，编辑于2022年，星期三n构件的基本形式构件的基本形式n n1、杆件杆件 长度（纵向）比其他两个方向的尺寸大很多的构件称为杆件杆件。n n2、块件 各方向尺寸相差不多的构件称为块件。杆(bar)体(body)第55页，共75页，编辑于2022年，星期三n构件的基本形式构件的基本形式板(plate)壳壳(shell)n n3 3 板件板件 厚度比其他两个方向尺寸小得多的构件称为板件。n n如果中面是平面的构件称为板。n n而中面是曲面的话则称为壳。第56页，共75页，编辑于2022年，星期三直杆的拉伸与压缩直杆的拉伸与压缩图2-13 工程构件的形状第57页，共75页，编辑于2022年，星期三 当载荷以不同的方式作用在杆件上时，杆件将产生不同的变形；杆件变形的基本形式有以下几种（表2-1）：压缩压缩当杆件受到作用线与杆的轴线重合的大小相等、方向相反的两个压力作用时，杆件将产生沿轴线方向的缩短。这种变形称为压缩变形。拉压拉压拉压拉压(tension&compression