工程力学第一章受力分析.ppt

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1、工程力学 力学无处不在电力系统技术汽车技术航空航天土木工程机械工程水利工程船舶工程海洋钻井平台和平号空间站高速列车拦海大型水坝世界最高的桥梁引言 研究的对象构件：组成机械与结构的零，构件构件杆件板件块体引言 力及其作用效应力：物体间的相互机械运动。机械运动：物体在空间的位置随时间的变化。力按作用方式划分：外外力力体积力体积力(/m3)表面力表面力分布力分布力集中力集中力()线分布力线分布力(/m)面分布力面分布力(/m2)力的内效应（变形）：使物体的形状发生变化力的内效应（变形）：使物体的形状发生变化 力的外效应（运动）：使物体的运动状态改变力的外效应（运动）：使物体的运动状态改变引言 力及其

2、作用效应变形变形构件尺寸与形状的变化构件尺寸与形状的变化弹性变形：外力解除后可以消失的变形塑性变形（塑性变形）：外力解除后不能消失的变形引言 构件的三种失效模式失效或破坏：构件在外力作用下丧失正常功能强度失效强度失效:抵抗破坏的能力刚度失效刚度失效:抵抗变形的能力稳定性失效稳定性失效:保持原有变形（平衡）形式的能力研究力的外效应。研究物体的机械运动的一般研究力的外效应。研究物体的机械运动的一般规律的科学。规律的科学。静力学、运动学、动力学静力学、运动学、动力学理论理论力学力学材料力学材料力学强度、刚度、稳定性强度、刚度、稳定性研究力的内效应。研究物体在外力作用下的变研究力的内效应。研究物体在外

3、力作用下的变形和失效规律。形和失效规律。静力学静力学 材料力学材料力学工程工程力学力学工程力学是研究构件在外力作用下的平衡、变形和工程力学是研究构件在外力作用下的平衡、变形和破坏的规律。破坏的规律。静力学静力学静力学静力学StaticsStatics研究对象：刚体(Rigid body)静力学的任务：静力学的研究内容：研究物体平衡的一般规律 1.1.物体受力分析物体受力分析2.2.力系的简化力系的简化3.3.力系的平衡条件力系的平衡条件 BWACG1-1 静力学基本概念静力学基本概念 箭头的长度表示力的大小箭头的长度表示力的大小 箭头的方向表示力的方向箭头的方向表示力的方向 箭头的始端（末端）

4、表示力的作用点箭头的始端（末端）表示力的作用点 （箭头所沿着的直线表示力的作用线）（箭头所沿着的直线表示力的作用线）力的单位力的单位:N(SI)N(SI)和和 kN kN 力的作用线力的作用线F FO O定位矢量定位矢量力的三要素：力的大小力的大小力的方向力的方向力的作用点力的作用点滑移矢量滑移矢量自由矢量自由矢量力力是是矢矢量量公理公理公理公理1 1 1 1 力的平行四边形法则力的平行四边形法则力的平行四边形法则力的平行四边形法则F F1 1F F2 2F FR RF F1 1F F2 2F F1 1F F2 2F FR RF FR R1-2 1-2 静力学公理静力学公理 作用在作用在物体物

5、体上的同一点上的同一点的两个力，可以合成为一个的两个力，可以合成为一个合力。合力作用点也是该点，合力。合力作用点也是该点，合力的大小和方向，由这两合力的大小和方向，由这两个力为边构成的平行四边形个力为边构成的平行四边形的对角线确定。的对角线确定。F F F FR R R R=F=F=F=F1 1 1 1 +F+F+F+F2 2 2 2公理公理2 2 二力平衡条件二力平衡条件作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的充分必要条件是：充分必要条件是：两个力大小相等，方向相反，且在同一直线两个力大小相等，方向相反，且在同一直线上上,即即 F F1 1=-=-F F2

6、 2ABF1F2CDF FDF FC 只在两点受力而处只在两点受力而处只在两点受力而处只在两点受力而处于平衡的物体叫二力构于平衡的物体叫二力构于平衡的物体叫二力构于平衡的物体叫二力构件或二力杆。件或二力杆。件或二力杆。件或二力杆。二力构件二力构件F FCF FD 二力构件不论其形二力构件不论其形二力构件不论其形二力构件不论其形状如何，其所受的两个状如何，其所受的两个状如何，其所受的两个状如何，其所受的两个力的作用线，必沿着两力的作用线，必沿着两力的作用线，必沿着两力的作用线，必沿着两力作用点的连线。力作用点的连线。力作用点的连线。力作用点的连线。A AB B 在已知力系上加上或减去一个任意的平

7、衡力系，将在已知力系上加上或减去一个任意的平衡力系，将不会改变原力系对不会改变原力系对刚体刚体的作用效应。的作用效应。推理推理1 1 力的可传性力的可传性 作用于作用于刚体刚体上某点的力，可以沿着它的作用线推移上某点的力，可以沿着它的作用线推移到刚体内的另一点，而不改变力对刚体的作用效应。到刚体内的另一点，而不改变力对刚体的作用效应。公理公理3 3 加减平衡力系原理加减平衡力系原理F F F F2=-F F1=F FF F1F F2F FF F推理推理2 2 三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理 作用于作用于刚体刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力上三个相互平衡的力，若其中两个力的作用线汇交于一点

8、，的作用线汇交于一点，则此三力必在同一平面内，则此三力必在同一平面内，且三个力的作用线汇交一点。且三个力的作用线汇交一点。公理公理4 4 作用与反作用定理作用与反作用定理 作用力与反作用力与反作用力与反作用力与反作用力总是同作用力总是同作用力总是同作用力总是同时存在，且大时存在，且大时存在，且大时存在，且大小相等、方向小相等、方向小相等、方向小相等、方向相反、沿同一相反、沿同一相反、沿同一相反、沿同一直线，分别作直线，分别作直线，分别作直线，分别作用在两个相互用在两个相互用在两个相互用在两个相互作用的作用的作用的作用的物体物体物体物体上。上。上。上。注意：本公理与公理注意：本公理与公理注意：本

9、公理与公理注意：本公理与公理 2(2(2(2(二力二力二力二力平衡条件）是有区别的。平衡条件）是有区别的。平衡条件）是有区别的。平衡条件）是有区别的。P PF FT TP PTTF F公理公理5 5 刚化原理刚化原理变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体刚化为刚体，其平衡状态保持不变。变形体刚化为刚体，其平衡状态保持不变。刚体的平衡条件是变形体平衡的必要而刚体的平衡条件是变形体平衡的必要而刚体的平衡条件是变形体平衡的必要而刚体的平衡条件是变形体平衡的必要而非充分非充分条件条件条件条件。F FF FF FF F F FF FF FF F自自自自 由由由

10、由 体体体体：位移不受限制的物体。位移不受限制的物体。非自由体非自由体非自由体非自由体：位移受限制的物体。位移受限制的物体。约约约约 束束束束：对非自由体的某些对非自由体的某些位移起限制作用的周围物体。位移起限制作用的周围物体。约束反力约束反力约束反力约束反力(反力反力反力反力)：约束对物体作约束对物体作用的力。用的力。1-3 1-3 约束和约束反力约束和约束反力 约束反力的大小约束反力的大小方向方向作用点作用点:作用点作用点:约束与非自由体的接触点（面）约束与非自由体的接触点（面）方方 向：向：和约束所能限制位移方向相反和约束所能限制位移方向相反大大 小：小：随已知力的变化而变化随已知力的变

11、化而变化被动力：被动力：未知的约束反力未知的约束反力。主动力：主动力：已知力（载荷已知力（载荷 重力等）重力等）静力学中静力学中主动力系主动力系+被动力系被动力系=平衡力系平衡力系 约束反力的大小可由平衡条件（平衡约束反力的大小可由平衡条件（平衡方程）求得方程）求得 求约束反力的大小是静力学的一个重求约束反力的大小是静力学的一个重要任务要任务光滑支承面对物体的约束反力，作用在接触光滑支承面对物体的约束反力，作用在接触点处，方向沿接触表面的公法线点处，方向沿接触表面的公法线(法线法线)，并指向受，并指向受力物体。称为法向反力，用力物体。称为法向反力，用 F FN N 或或 N N 表示。表示。A

12、BF FA AF FB B常见的约束类型常见的约束类型1.光滑接触表面约束光滑接触表面约束F FN NC C 绳索对物体的约束反绳索对物体的约束反力，作用在接触点，方向沿力，作用在接触点，方向沿着绳索背离物体。着绳索背离物体。当链条或胶带绕在轮子当链条或胶带绕在轮子上，对轮子的约束反力沿轮上，对轮子的约束反力沿轮缘的切线方向背离轮子。缘的切线方向背离轮子。AP PAFFF FP PT T2T T1T T2T T12.2.柔性约束柔性约束 特点：轴可以在孔内任意转动，也可以沿孔的轴线移特点：轴可以在孔内任意转动，也可以沿孔的轴线移动；但轴承阻碍着轴沿径向向外移动。动；但轴承阻碍着轴沿径向向外移动

13、。径向轴承径向轴承3.3.光滑铰链约束光滑铰链约束（1 1）向心轴承向心轴承 方向不能确定的约束反力方向不能确定的约束反力通常用两个未知的正交分力通常用两个未知的正交分力X X 和和Y Y 表示。表示。AY YAX XA 约束反力的方向往往约束反力的方向往往预先不能确定，但是，无预先不能确定，但是，无论它朝向何方，其作用线论它朝向何方，其作用线必垂直于轴线并通过轴心。必垂直于轴线并通过轴心。N Nx xN Ny(2)(2)圆柱铰链和固定铰链支座圆柱铰链和固定铰链支座 圆柱铰链由销钉将圆柱铰链由销钉将两个钻有同样大小孔的两个钻有同样大小孔的构件连接而成。构件连接而成。若铰链连若铰链连接中有一个固

14、接中有一个固定在地面或机定在地面或机架上，则称为架上，则称为固定铰链支座固定铰链支座。1 1、销钉、销钉 2 2、构件、构件3 滚动支座（辊轴支座）滚动支座（辊轴支座）实物简图实物简图实物简图实物简图约束力约束力约束力约束力NNN 4 空间约束约束反力未知量约 束 类 型AFAAFAxFAyA径向轴承 圆柱铰链 铁轨 蝶铰链(1)球铰链实物简图实物简图约束力约束力F FxF FzF Fy(2)止推轴承约束力约束力FxFzFy1.光滑接触表面约束F FN NC C2.柔性约束AP P3 滚动支座和固定铰支座NNyNx 分离体：分离体：分离体：分离体：把研究对象从有联系的周围物体中分把研究对象从有

15、联系的周围物体中分把研究对象从有联系的周围物体中分把研究对象从有联系的周围物体中分离出来，得到解除约束的物体，称为分离体，这离出来，得到解除约束的物体，称为分离体，这离出来，得到解除约束的物体，称为分离体，这离出来，得到解除约束的物体，称为分离体，这一过程又叫取分离体。一过程又叫取分离体。一过程又叫取分离体。一过程又叫取分离体。受力图：受力图：受力图：受力图：把研究对象所受的所有力（主动力和把研究对象所受的所有力（主动力和把研究对象所受的所有力（主动力和把研究对象所受的所有力（主动力和约束反力）全部画出来的图称为受力图。约束反力）全部画出来的图称为受力图。约束反力）全部画出来的图称为受力图。约

16、束反力）全部画出来的图称为受力图。1-4 1-4 物体的受力分析和受力图物体的受力分析和受力图确定研究对象确定研究对象一、物体受力分析的过程一、物体受力分析的过程取分离体取分离体分析受力分析受力画受力图画受力图 受力图举例受力图举例例例1-11-1 试画出图示重为试画出图示重为P P 的石磙的受力图。的石磙的受力图。ABABF FF Fp pF FA AF FB BABC试画出图示自重为试画出图示自重为试画出图示自重为试画出图示自重为P P P P，AC AC AC AC 边承受均边承受均边承受均边承受均布风力（单位长度上的力的载荷集度为布风力（单位长度上的力的载荷集度为布风力（单位长度上的力

17、的载荷集度为布风力（单位长度上的力的载荷集度为q q q q）的）的）的）的屋架的受力图。屋架的受力图。屋架的受力图。屋架的受力图。P PqY YAX XAN NB例例1-21-2 qABC图示梁图示梁图示梁图示梁ABABABAB自重为自重为自重为自重为P P P P，B B B B端上一重物重端上一重物重端上一重物重端上一重物重Q Q Q Q，CDCDCDCD杆杆杆杆自重不计，试分别画出杆自重不计，试分别画出杆自重不计，试分别画出杆自重不计，试分别画出杆 CD CD CD CD 和梁和梁和梁和梁 AB AB AB AB 的受力图。的受力图。的受力图。的受力图。例例1-31-3 Q QP PC

18、DABF FDF FCABF FDY YA AX XA AP PQ QP PCABD图示为不计自重的三铰刚架，试分别画出图示为不计自重的三铰刚架，试分别画出图示为不计自重的三铰刚架，试分别画出图示为不计自重的三铰刚架，试分别画出刚架刚架刚架刚架 AC AC AC AC 和刚架和刚架和刚架和刚架 CB CB CB CB 的受力图。的受力图。的受力图。的受力图。例例1-41-4 P PDCAY YAX XAY YCX XCY YBX XBX XC C BC CY YCPCABDPDCABCFCFBFCFA 解二解二图示为不计自重的三铰刚架。试分别画图示为不计自重的三铰刚架。试分别画出刚架出刚架 A

19、C AC、刚架刚架 CB CB 及整体的受力图。及整体的受力图。作用在铰作用在铰作用在铰作用在铰C C C C 上的集中载荷上的集中载荷上的集中载荷上的集中载荷 P P P P，可以认为作用在可以认为作用在可以认为作用在可以认为作用在 C C C C 销上。销上。销上。销上。下面就研究对象的三种不同选取方法分别进行讨论。下面就研究对象的三种不同选取方法分别进行讨论。下面就研究对象的三种不同选取方法分别进行讨论。下面就研究对象的三种不同选取方法分别进行讨论。CABP PQ Q例例1-51-5 AC（1 1 1 1）销）销）销）销 C C C C 与刚架与刚架与刚架与刚架 AC AC AC AC

20、一起作为研究对象一起作为研究对象一起作为研究对象一起作为研究对象 销销 C C 与哪边刚架一起作为研究对象，与哪边刚架一起作为研究对象，集集中载荷中载荷 P P 就画在哪边刚架的铰就画在哪边刚架的铰C C上。上。CBF FBF FCF FCY YAX XAP PQ QACCB（2 2 2 2）销）销）销）销 C C C C 与刚架与刚架与刚架与刚架 CBCBCBCB 一起作为研究对象一起作为研究对象一起作为研究对象一起作为研究对象X XCY YCX XCY YCP PQ QY YBX XBY YAX XA（3 3）专门分析销）专门分析销 C C 的受力的受力CBACP PQ QX XC1Y Y

21、C1X XC1Y YC1Y YAX XAF FBF FCF FC（4 4）整体受力图）整体受力图对于集中力作用在中间铰上的情况，分析时，对于集中力作用在中间铰上的情况，分析时，对于集中力作用在中间铰上的情况，分析时，对于集中力作用在中间铰上的情况，分析时，不将销与二力构件放在一起作为研究对象，可使分不将销与二力构件放在一起作为研究对象，可使分不将销与二力构件放在一起作为研究对象，可使分不将销与二力构件放在一起作为研究对象，可使分析简单。析简单。析简单。析简单。CABP PQ QY YAX XAF FBY YBX XBF FB一张完整的受力图应该包含的内容：一张完整的受力图应该包含的内容：1 研

22、究对象，即有分离体图。研究对象，即有分离体图。2 所有的主动力和约束反力。所有的主动力和约束反力。3 注有所有主动力和约束反力的符号。注有所有主动力和约束反力的符号。画受力图的步骤：画受力图的步骤：2 明确研究对象，取分离体，画分离体图。明确研究对象，取分离体，画分离体图。3 在分离体上，画上所有的主动力。在分离体上，画上所有的主动力。4 在分离体上，按约束性质画上所有约束反力。在分离体上，按约束性质画上所有约束反力。6 校核。校核。1 观察有无二力构件。观察有无二力构件。5 画出作用和反作用力之间的关系。画出作用和反作用力之间的关系。几个物体用销钉连接几个物体用销钉连接约束力过柱铰中心，约束

23、力过柱铰中心，方向未知，可用其方向未知，可用其 正交分量表示。正交分量表示。两物体铰接两物体铰接解除铰链约束解除铰链约束1 解除柱铰的约束时，解除柱铰的约束时，视各被连接物均只与销钉联视各被连接物均只与销钉联视各被连接物均只与销钉联视各被连接物均只与销钉联系，而各被连接物之间相互无联系。系，而各被连接物之间相互无联系。系，而各被连接物之间相互无联系。系，而各被连接物之间相互无联系。2 销钉不可略去销钉不可略去销钉不可略去销钉不可略去，解除约束时销钉可单独取为分离解除约束时销钉可单独取为分离体，也可与某一物体连在一起，其余被连接物视为体，也可与某一物体连在一起，其余被连接物视为从销钉上摘下。从销

24、钉上摘下。3 若铰链处作用了主动力若铰链处作用了主动力 ，则，则主动力视为作用于主动力视为作用于主动力视为作用于主动力视为作用于销钉上销钉上销钉上销钉上。图示的各杆与轮自重不计，物块重图示的各杆与轮自重不计，物块重图示的各杆与轮自重不计，物块重图示的各杆与轮自重不计，物块重P P P P。按以。按以。按以。按以下三种情况画受力图。下三种情况画受力图。下三种情况画受力图。下三种情况画受力图。例例1-6PDBCKEA1）各构件的受力图）各构件的受力图2）AB杆、轮杆、轮、轮、轮销钉销钉B和物块在一起的受力图和物块在一起的受力图3）整体受力图）整体受力图PBCDKEAPFFT1T1T2T2NBYNB

25、XNBYNBXT3T3NDNDNBNBNCXNCY NCXNCY NA NEY NEX PBCDKEAT3NDNDNBNCXNCY NA NEY NEX PBCANCXNCY T3NBNA NEY NEX 2.取分离体、画受力图的注意事项取分离体、画受力图的注意事项（1）根据所选研究对象取分离体，分离体上的根据所选研究对象取分离体，分离体上的每个力都要每个力都要每个力都要每个力都要有出处有出处有出处有出处。（2）分离体的）分离体的受力图上只画该分离体所受的外力受力图上只画该分离体所受的外力受力图上只画该分离体所受的外力受力图上只画该分离体所受的外力，即只画即只画该分离体受的主动力和其他部分对分

26、离体的作用力，不要该分离体受的主动力和其他部分对分离体的作用力，不要画分离体内部各部分之间的相互作用力（内力）。画分离体内部各部分之间的相互作用力（内力）。（3）注意铰链连接时销钉不可忽略，销钉可单独作为分离）注意铰链连接时销钉不可忽略，销钉可单独作为分离体，也可跟随某个被连接物，体，也可跟随某个被连接物，铰链处的主动力作用于销钉铰链处的主动力作用于销钉铰链处的主动力作用于销钉铰链处的主动力作用于销钉上上上上。（4）解除约束时的）解除约束时的相互约束力要体现作用力与反作用力的相互约束力要体现作用力与反作用力的相互约束力要体现作用力与反作用力的相互约束力要体现作用力与反作用力的关系关系关系关系。

27、（5）对多个物体组成的物体系统，注意）对多个物体组成的物体系统，注意首先找出其中的首先找出其中的全部二力杆（体）。全部二力杆（体）。（6）注意利用三力汇交定理，确定未知约束力的方向。）注意利用三力汇交定理，确定未知约束力的方向。（7）受力图上）受力图上不要随便移动力的作用点不要随便移动力的作用点不要随便移动力的作用点不要随便移动力的作用点，便于检查。便于检查。（8）同一处若有几个不同的约束提供的约束力共同作用）同一处若有几个不同的约束提供的约束力共同作用时，时，不要以合力的形式画出不要以合力的形式画出不要以合力的形式画出不要以合力的形式画出。（9）方位确定、指向未定的约束力可假定其指向；方向）方位确定、指向未定的约束力可假定其指向；方向未定的，可用其正交分量表示。未定的，可用其正交分量表示。（10）分析受力时，除特别说明或已给出外，一般不考虑）分析受力时，除特别说明或已给出外，一般不考虑摩擦力和自重。摩擦力和自重。