物体的受力分析第一章.pptx
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1、 工程上的设备都是由构件组成的,构件能够在外力作用下安全可靠地工作,需要满足以下力学条件:1 1强度:构件抵抗破坏的能力 2 2刚度:构件抵抗变形的能力 3 3稳定性:构件保持原有平衡形态能力第1页/共100页构件力学模型外力 变形 强度、刚度、稳定性 设计校核第2页/共100页 组成设备的构件几何形状多种多样,从几何特征上来看可以分成杆、板、块,授课中以杆件为模型。第3页/共100页第一章第一章 物体的受力分析和平衡方程物体的受力分析和平衡方程简化简化平衡平衡力系的 静力学-研究物体在力的作用下处于平衡平衡的规律 平衡平衡 :静止和保持匀速直线运动研研 究究 对对 象象:构件构件指宏观可见物
2、体,如桥梁、汽车、塔、化工设备等。本章任务本章任务:搞清处于平衡状态下的构件上的全部外力(个数、作用线位置、大小)第4页/共100页第一节 静力学基本概念一力的概念及作用形式 力是物体间相互的机械作用。力按作用方式可分为体积力(分布在物体内部各点,如重力和磁力)和表面力(分布在物体表面上的力,如风力、水压力);当力的作用面积很小时,可以认为作用在一点上,称为集中力。当力的作用范围比较大时称为分布力。力的三要素:大小,方向,作用点。NG第5页/共100页二刚体的概念 力的作用下不发生变形的物体称为刚体。针对刚体概念有以下三点需要注意:刚体是一个科学研究中的理想化的模型,任何物体在受力后都会发生变
3、形。当变形相对物体自身尺寸很小的情况下,可以忽略变形,将其简化为刚体。当我们研究物体受力后的变形时,即变形是我们的研究对象时,就不能将物体简化为刚体。静力学中只研究受力分析和平衡,不研究变形问题,本章中讨论的 物体均可看做刚体。第6页/共100页三平衡的概念 物体相对于地球静止或做匀速直线运动,称该物体处于平衡状态,作用于其上的力系称为平衡力系。二力平衡原理(等值、反向、共线)二力构件和二力杆(两个力的作 用线必在两个作用点的连线上)FF F=F 第7页/共100页 加减平衡力系原理:在作用于刚体的任何一个力系上,加上或减去任一平衡力系,并不改变原力系对刚体的作用效果。第8页/共100页推论:
4、力的可传性原理:作用于刚体上的力,可以沿其作用线滑移,而不改变对刚体的作用效果。F1=F2=FAFF1F2BBAF2第9页/共100页四作用和反作用定律 任何两物体间的相互作用力总是成对出现,并且等值、反向、共线,分别同时作用在两个物体上 注意:作用力和反作用力同平衡力的区别 第10页/共100页第二节 约束和约束反力有关基本概念 凡能主动引起物体运动状态改变或使物体运动状态有改变趋势的力称为主动力。工程上常把主动力称为载荷;能在空间不受限制任意运动的物体称为自由体;如果在某个方向运动受到限制,称为非自由体;限制非自由体运动的物体称为约束;约束给物体的作用力称为约束反力;约束反力的特性:(1)
5、被动力 (2)约束反力的大小取决于施加于非自由体上的主动力的大小;方向与它所阻碍的非自由体运动方向相反;作用点是非自由体与物体的接触点。第11页/共100页1、柔性体约束(柔索约束)如:绳索,传动带,链条等,忽略弹性,不计重力,绝对柔软且不可伸长约束特点:柔性约束体只受拉,不受压,限制物体沿柔性体被拉直的方向运动。约束反力作用在接触点,方向沿柔性体轴线,背离被约束物体。是离点而去的力。第12页/共100页第13页/共100页第14页/共100页2、光滑接触面约束 约束特点:忽略摩擦,理想光滑。约束只能只受压,不受拉。约束反力过接触点且沿接触面处的公法线而指向物体,是向点而来的力。一般用N表示。
6、又叫法向反力。NP第15页/共100页第16页/共100页3、圆柱铰链约束 约束特点:限制了非自由体在与销钉轴线垂直的平面内两个方向的移动,但不能限制该平面内的转动。在该平面内有两个坐标方向的约束反力,约束反力过接触点,作用线和坐标平行,但指向不定。第17页/共100页3、圆柱铰链约束 A第18页/共100页(1)固定铰支座第19页/共100页固定铰支座的几种表示:第20页/共100页第21页/共100页(2)可动铰支座约束特点:限制了非自由体在与销钉轴线垂直的平面内一个方向(指向基础面)的移动,但不能限制与基础面平行的移动,也不能限制转动。在该平面内有一个约束反力,约束反力过接触点,作用线和
7、基础面垂直,指向非自由体。第22页/共100页可动铰支座的几种表示:第23页/共100页4、固定端约束约束特点:限制了非自由体所有方向(三维坐标方向)的移动和转动,即一般每个平面内有两个坐标方向的约束反力和一个约束反力矩,约束反力过接触点,作用线和坐标平行,但指向不定,约束反力矩转向根据主动力矩来定。第24页/共100页第25页/共100页第26页/共100页例例:分别画出圆及杆AB的受力图。600ACBP第三节 分离体和受力图基本概念:选取研究对象,将所要研究的物体从周围物体中单独拿出来,称之为分离体。然后将分离体所受的主动力和约束反力画在分离体上,称为受力图。解:PN1N2ABYAXASB
8、CN2 没有特殊说明时均忽略摩擦力和构件自重!第27页/共100页画受力图的基本步骤画受力图的基本步骤:(1)取分离体:取分离体:根据问题的要求确定研究对象研究对象,将它从周围物体的约束中分离出来,单独画出研究对象的轮廓图形;(2)画已知力画已知力:载荷,特意指明的重力等,不特意指明重力的构件都是不考虑重力的;(3)画约束反力:画约束反力:确定约束类型,根据约束性质画出约束反力。第28页/共100页确定反力的方向时,可借助于以下各点:确定反力的方向时,可借助于以下各点:*是否与二力构件相连,是,则由二力构件的分离体图确定 二力构件的连接点受力方向,而它的相反方向(反作用力的方向)就是所求方向;
9、*研究对象是否是三力构件,是,则已知两个受力方向,可利用三力平衡汇交定理确定方向;*根据主动力系和约束的性质确定反力方向,如果指向确定不了,可以先假设,后根据计算结果调整;*根据实际需要确定研究对象,可先简单后复杂构件,或先整体后局部构件进行研究;第29页/共100页例1 曲柄冲压机的受力分析第30页/共100页S Sc cS SB BS SB B X XA AY YA AQQ例2 悬臂吊车的受力分析第31页/共100页例3 连接在钢柱上的支架,上面铺设三根管道,试画出整体及各构件的受力图。第32页/共100页例4 已知刚架自身重力不计,AC上作用载荷P,画出AC、BC及刚架整体的受力图 第3
10、3页/共100页思考题思考题 如图所示,各物体处于平衡,试判断各图中所画受力图是否正确?原因何在?第34页/共100页力矩的特点:1、力F对O点之矩不仅取决于力的大小,同时还与矩心的位置有关;2、力F对任一点之矩,不会因该力沿其作用线移动而改变,因为此时力臂和力的大小均未改变;3、力的作用线通过矩心时,力矩等于零;4、互相平衡的二力对同一点之矩的代数和等于零;5、作用于物体上的力可以对物体内外任意点取矩计算。例题3-1 如图所示:F=200N,=60,l=40cmF 使物体 绕O点转动效应的物理量称为力F 对O点的力矩。O称为力矩中心。点到力的作用线的垂直距离称为力臂。力矩的单位:牛顿米(Nm
11、)或千牛顿米(kNm)矩心矩心力臂力臂F 一、力对点之矩(力矩)+_F对O点之矩:力矩Mo(F)=Fd第五节 力矩 力偶 力的平移第35页/共100页二、力偶与力偶矩1、概念大小相等方向相反作用线互相平行的两个力叫做力偶。并记为(F,F)。力偶中两个力所在的平面叫力偶作用面。两个力作用线间的垂直距离叫力偶臂。h二、力偶第36页/共100页力偶矩的单位:牛顿米(Nm)或千牛顿米(kNm)yxoFhF力偶无合力力偶矩:力偶对物体转动效应的度量。+_oFAFxh2 2、力偶的性质(1)力偶的两个力对其作用面内任一点之矩的代数和恒等于该力偶的力偶矩,而与矩心位置无关。第37页/共100页(2)(2)平
12、面力偶的等效定理平面力偶的等效定理在同一平面内的两个力偶,只要它们的力偶矩大小相等、转动方向相同,则两力偶必等效。重要推论重要推论(不适于变形体)1、力偶可以在作用面内任意转移,而不影响它对物体的作用效应;2、在保持力偶矩的大小和转向不改变的条件下,可以任意改变力和力偶臂的大小,而不影响它对物体的作用。第38页/共100页 平面力偶系的合成结果平面力偶系的合成结果为一合力偶,合力偶矩为一合力偶,合力偶矩等于各已知分力偶矩的等于各已知分力偶矩的代数和代数和。平面力偶系平衡的必要平面力偶系平衡的必要和充分条件是:力偶系和充分条件是:力偶系中各分力偶矩代数和等中各分力偶矩代数和等于零于零。3、平面力
13、偶系的简化与平衡第39页/共100页R A的方位不定。但根据力偶只能与力偶相平衡的性质,可知力RA必与力RB组成一个力偶,即RA=-RB,RA和RB的指向假设如图。计算结果RA、RB皆为正值,表示它们假设的指向与实际的指向相同。5mAB 例例1 1、梁梁ABAB受一力偶作用,其矩受一力偶作用,其矩mm=-100kNm.=-100kNm.尺寸如图所示尺寸如图所示 ,试求,试求支座支座A A、B B的反力。的反力。mAB解:(1)取梁AB为研究对象(3)列平衡方程求未知量 由力偶系的平衡方程有 (2)画受力图 由支座的约束性质可知,RB的方位为铅直,而mRARB第40页/共100页A.F三、力的平
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