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工程力学经典电子教案1

工程力学

第一篇静力学

第一章静力分析基础

§1-1力的投影

§1-2力矩与力偶

§1-4约束和约束力

§1-5受力分析与受力图

第二章平面基本力系

§2-1平面力系的平衡方程及其应用

§2-2平面特殊力系的平衡方程及其应用

§2-3简单轮轴类部件的受力问题

*§2-4斜齿轮和锥齿轮的轮轴类部件的受力问题

*§2-5摩擦与自锁

第三章内力计算

§3-1杆件拉伸和压缩时的内力和轴力图

§3-2圆轴扭转时的内力和扭矩图

§3-3梁弯曲时的内力——剪力和弯矩

§3-4梁弯曲时的内力图——剪力图和弯矩图

第二篇机械零部件的承载能力

第四章材料失效和机械零部件失效

§4-1轴向载荷作用下材料的力学性能

§4-2机械零部件的失效形式和材料的许用应力

第五章机械零部件的强度条件

§5-1杆件拉伸和压缩时的强度条件及应力集中

§5-2联接件强度的工程实用计算

§5-3梁弯曲时的强度条件

*§5-4弯曲与拉伸(压缩)组合变形的强度条件

§5-5圆轴扭转时的强度条件

§5-6圆轴弯曲与扭转组合变形的强度条件

§5-7圆轴的疲劳失效

第六章杆件的变形和刚度条件

§6-1杆件拉伸和压缩时的变形

§6-2圆轴扭转时的变形和刚度条件

§6-3梁弯曲时的变形和刚度条件

*§6-4静定和静不定问题

第七章压杆的稳定条件

§7-1压杆的临界压力和临界应力

§7-2压杆的稳定性校核

第八章提高构件承载能力的措施

§8-1提高构件承受静载能力的措施

§8-2提高构件疲劳强度的措施

第三篇运动分析和动力分析初步

第九章运动形式概述

第十章刚体绕定轴转动

§10-1刚体绕定轴转动的运动分析

*§10-2刚体绕定轴转动的动力分析

*§10-3轴承的动约束力和定轴转动刚体的动应力

*第十一章合成运动

*§11-1点的合成运动

*§11-2刚体的平面运动

绪论

一、工程力学的内容

将来工作中要接触到各种机器,例如,图示是什么机器?

(提问)

工作原理:

电机转动—两皮带轮转动—主轴卡盘工件转动—车刀轴向径向移动—切削零件

这个机器的力学问题就是各部分的受力、运动和承载能力

运动:

电机转动、皮带轮转动、主轴转动、卡盘工件转动、车刀移动

各部分运动快慢有一定要求:

太慢,切削力小,工作效率低;太快,电机超载,工人不能操作

运动及运动的传递——第三篇运动分析与动力分析

受力及力的传递——第一篇静力分析(平衡状态下的受力)

构件的承载能力——第二篇机械零部件的承载能力

专业基础课

上课必带4件:

教材、笔记、计算器、笔

构件零件部件外力内力

怎样把电机的高速转动变成各部分所需要的运动?

这是力学的一方面问题——运动及运动的传递

受力:

车刀切削力、卡盘夹紧力、轴承支持力、皮带拉力、电机动力

各部分受力之间有一定的关系:

一定的切削力,夹紧力多大?

轴承受力多大?

皮带拉力?

电机动力?

怎样从一个零件的受力计算其他零件的受力?

这也是力学问题——受力及力的传递

各构件能否受力:

车刀受力之后会不会拆断?

轮轴受力之后会不会弯曲?

皮带受多大的力会断裂?

为了不发生断裂,可以使用高强度的合金钢材料,但成本太高;或将构件做得又粗又大,但机器笨重

怎样做到既要坚固结实,又要降低成本、节省材料、减轻重量?

这也是力学问题——构件的承载能力

所以,力学是研究机器各构件的受力及传力,运动及传动,构件的承载能力

静力学——第一篇静力分析静力是指在平衡状态下的受力

运动力学——第二篇运动分析与动力分析

材力力学——第三篇机械零部件的承载能力

第一篇静力学

静力分析是研究构件在平衡状态下的受力

“构件”:

机器上的零件与部件

零件是组成机器的最小单位,例齿轮、轴

部件是几个零件装配成的组合体,例如齿轮与轴组成轮轴部件

“构件的平衡状态”:

物理学过,物体静止或匀速直线运动,就是物体处于平衡状态

轮轴部件,静止或匀速转动也是处于平衡状态

分析受力,包括外力和内力。

什么是外力,什么是内力,这很容易,以后遇到再讲,这样节省时间

第一章静力分析基础

§1-1力的投影

投影用灯光照射一根直杆,投射在墙壁上影子的长短来说明投影的概念

杆长l,光线水平,杆墙平行,投影长为l;垂直,影长0;杆和墙夹角α,投影长度等于l·cosα

即:

杆在墙上投影的长度由杆的两端向墙壁引垂线,两垂足之间的距离就是投影的长度

一、力在直角坐标轴上的投影

第一章静力分析基础一、力在直角坐标轴上的投影

§1-1力的投影

 

投影长度=l·cosαFx=-F·cosα

Fy=+F·sinα

力是矢量,大小用数值表示(F1=10牛顿、F2=15牛顿),方向用力作用线和某基准线的夹角α表示

直角坐标轴?

一般x轴水平向右为正向,y轴铅直向上为正向,两轴垂直,称为直角坐标轴

力在直角坐标轴上的投影,就象铅直光线作用下,杆件在地面的投影,在水平光线下,杆在墙壁的投影

若力的大小为F,方向和x轴的夹角为α,现要求该力在x轴的投影

即力F矢量的起点a向x轴引垂线,交x轴得垂足a1点;力矢量端点b向x轴引垂线,得垂足b1点

力F在x轴的投影Fx=a1b1=F·cosα(Fx字母F和下标x表示力F在x轴的投影)

同理,要求该力在y轴的投影

即力F矢量的起点a向y轴引垂线,交y轴得垂足a2点;力矢量端点b向y轴引垂线,得垂足b2点

力F在y轴的投影Fy=a2b2=F·sinα(Fy字母F和下标y表示力F在y轴的投影)

投影正负规定:

从力矢量起点投影足a2到端点投影足b2方向和坐标轴同向,投影值为正,

反之,从力矢量起点投影足a1到端点投影足b1方向和坐标轴反向,投影值为负

所以,上述力F在x、y轴的投影Fx=-F·cosα(1-1)

Fy=+F·sinα

 

若已知力和x轴的夹角为α,则Fx=±F·cosα;Fy=±F·sinα,不能死记硬背,不要画垂线

sinα?

cosα?

已知和某轴夹角α,在该轴投影×cosα,在另一轴投影×sinα(若与y轴夹角b,投影?

±?

起点投影足到端点投影足太麻烦,可假想两分力和坐标轴平行,同向+反向-(例力左下、右下)

特例,力和一坐标轴平行,力在该轴的投影等于该力的数值,在另一轴的投影等于零

例,常用W表示重力,画铅直向下的重力,Wx=0,Wy=-W;例,画水平力F2,F2x=±F,F2y=0

不用×sin0°和cos90°,乘了容易出错

投影和分力有什么不同?

 

数值大小不一定相同:

两分力方向和坐标轴平行,分力数值等于投影值;分力和坐标轴不平行,不相等

物理量不同:

分力是矢量,按平行四边形分解任意方向,也可用FxFy表示;投影标量,只有大小和正负

如果已知力在两个轴的投影Fx和Fy,即可求该力的大小和方向

大小:

方向:

二、合力投影定理及其应用

合力投影定理:

P7页7行合力在某轴上的投影,等于各个分力在同一轴上投影的代数和

证明:

两汇交力F1、F2的合力可以用以这两力为边的平行四边形的对角线FR表示(左图向x轴引垂线)

各力投影:

F1x=ac,F2x=ab=cd(c对边、同位角),FRx=ad=ac+cd==ac+ab=F1x+F2x

若力系的分力不止两个分力,有三、四、五……多个,同样有:

(1-2)

FRx=F1x+F2x+F3x+……=∑Fix

FRy=F1y+F2y+F3y+……=∑Fiy

“∑”数学用过吗?

像英文字母M逆时针旋转90°,念法?

意义:

F1x+F2x+F3x+……,不写下标i,即∑Fx,∑Fy

有了这个定理,可以用投影法求平面汇交力系的合力FR

由合力FR在两直角坐标轴上的投影FRx、FRy关系有

(右图)

由合力投影定理:

FRx=∑Fx,FRy=∑Fy有

(1-3)

P7例1-1

已知:

F1=450N,F2=140N,F3=300N

求:

合力的大小与方向

 

题目:

物体:

挂钩,固定在天花板下

受力:

F1、F2、F3大小?

方向?

求:

这三个力的合力的大小和方向

解法:

中学物理方法,每两个力用平行四边形合成……?

必须严格按比例画各力和c形状,太麻烦

现在要求用投影法,不使用物理学的平行四边形合成法,今后作业、考试也要求用投影法

物理方法对了不算对,因为我要检查力学方法学得如何,不检查物理方法学得如何

解:

根据合力投影定理

FRx=F1x+F2x+F3x=-450+0+300×cos60°=-300N

FRy=F1y+F2y+F3y=0-140-300×sin60°=-400N

根据力的投影与该力的关系

因为合力在两个坐标轴上的投影FRx、FRy都是负值

说明合力平行于两坐标轴方向的分力与坐标轴反向

所以,合力FR的方向如图所示,即与x轴夹角53.1°,指向左下方

小结:

①中间计算数据不必写单位(N)

②但各力的单位要统一,不要N与kN混用

③最后结果要写单位

§1-2力矩与力偶

一、力矩的概念

物理学过,用板手转动螺栓,施加在板手上的力必须要产生力矩,力矩=力×力臂

力臂是转动中心到力作用线垂直距离,若转动中心到作用点连线和力作用线垂直,力臂?

不垂直,力臂?

转动中心称为矩心,常用一字母表示矩心,例如用板手拧螺栓A,矩心为A;拧螺栓B,矩心为B

力矩的表示方法:

MO(F)=±Fd,其中M力矩,O矩心,(F)产生力矩的力,±正或负号,F力,d力臂

规定逆时针转动,力矩为正;顺时针转动,力矩为负。

什么是顺、逆时针?

因逆时针用右手向上表示方便

例,力F1拧紧螺栓A,连线和力线不垂直,MA(F1)=-F1d1;力F2拧松,垂直,MA(F2)=+F2d2

怎样判定转动方向是顺时针或逆时针?

──想像法!

①把矩心想像为时钟中心,②把力臂和垂足想像为指针所指钟点位置,③把力想像为推动指针转向

板手,F1力垂足在3点钟位置,力使之向下走,顺时针,负力矩;F2力垂足2点钟,力使之向上,逆时针,正力矩

力矩单位:

N·m;kN·m;N·cm;N·mm等等。

同一个计算式子里的单位要统一

特例:

力作用线通过矩心,力矩等于零

例,板手卡口外的受力F3,或板手手柄端部沿手柄轴线的受力F4,力臂均为零,力矩为零

力矩是计算力对矩心的力矩,同一力不同矩心力矩不同,矩心是一个点,所以又称为力对点的力矩

力矩使物体转动,该物体总是绕着一个轴转动,例如板手使螺栓绕其中心轴线转动,又称为对轴的力矩

如计算轮轴各力力矩,空间力臂尺寸难想象,投影在转轴垂直平面上,计算各力对中心点力矩,即对转轴力矩

一、力矩的概念

力矩=力×力臂    力矩单位力对点的力矩

矩心A、B……N.mKN.m力对轴的力矩

MO(F)=±FdN.cman.mm

规定:

逆时针为正特例:

二、合力矩的定理

顺时针为负力作用线通过矩心

MA(F1)=-F1d1力臂为零,力矩等于零MA(FR)=MA(F1)+MA(F2)

MA(F2)=+F2d2MA(F3)=0FRd=F1d1-F2d2

MA(F4)=0

二、合力矩定理

合力矩定理:

P9页2行合力对一点(轴)的力矩,等于各分力对该点(轴)力矩的代数和

点后又(轴),即合力对点的力矩等于分力对该点力矩代数和,合力对轴的力矩等于分力对该轴力矩代数和

因为物理已知,合力和分力等效,所以,合力力矩等于各分力力矩之代数和

如图所示,F1、F2两力的合力FR可以画平行四边形表示。

矢量关系表达式为

矩心在力作用线所在平面上的A点。

合力矩与各分力矩的关系表达式为MA(FR)=MA(F1)+MA(F2)

各力的力臂为d、d1、d2,合力矩定理的表达式为FRd=F1d1-F2d2

P9例1-2

已知:

D2=300mm,Fn=1kN,a=20°

求:

MO(Fn)

 

题目:

小齿轮带动大齿轮转动,小齿轮分度圆直径D1不需要给出,大齿轮分度圆直径为D2=300mm

什么是分度圆直径?

齿厚与齿槽尺寸相同的圆直径,而且可以将啮合力作用点视为位于分度圆圆周上

为什么可以将啮合力作用点位置视为在分度圆周上?

在机械零件课程讲述,这里只要懂得这个结论

如果齿形是直线形状的,啮合力就和圆周相切,力矩=啮合力×半径

为了齿轮啮合传动得平稳,齿形是曲线形状,啮合力Fn和啮合点所在的圆周切线的夹角称为压力角a

现在Fn=1kN,a=20°,求:

Mo(Fn)

解一按力矩的定义计算

解二按合力矩定理计算将啮合力分解为圆周切向和径向两个分力

小结:

虽然用①“力矩=力×力臂”、②“合力矩定理”两种方法计算力矩的结果相同

但是,当不好计算力臂时,要将力分解成两个分力,使用合力矩定理计算两分力的力矩

对于力作用线与尺寸线不垂直的题目,今后一概使用“合力矩定理”计算力矩,即“解二”的方法

P10例1-3

已知:

F=300N,a=30°

a=0.25m,b=0.05m

求:

MB(F)

 

题目:

这是一个刹车的操纵机构,驾驶员脚的踏力F=30N,既不水平,也不铅直,与水平成a=30°

在脚踏力F作用下,A点左移,摇臂ABC绕B点转动,C点右移,通过液压油控制刹车的具体方法不讲

现:

已知:

F=30N,a=30°,求:

MB(F)

如果按力矩的定义计算,力矩=力×力臂,图示力臂d的尺寸太难求了

题目给了力F作用点与矩心B的铅直距离尺寸a=0.25m,水平距离尺寸b=0.05m

将F力分解为水平和铅直方向两分力Fx、Fy,这两分力的力臂就是a和b,计算两分力的力矩即…

Fx=Fcosa=300×cos30°=260N

Fy=Fsina=300×sin30°=150N

MB(F)=MB(Fx)+MB(Fy)=Fxa-Fyb=260×0.25-150×0.05=57.5N·m

小结:

①力臂不好计算的题目,一定不要花很多时间去寻找力臂的计算方法,一定要用合力矩定理计算力矩

②合力矩定理计算力矩的方法,将力分解为与尺寸线平行或垂直的两个分力,计算两分力力矩代数和

③这里的Fx、Fy是分力,不是投影!

投影有正有负(此题Fx、Fy的投影均负值),分力一定是正值

两分力力矩的正负符号,由转动方向决定,Fx逆正、Fy顺负,力矩正负号与各力投影正负符号无关

三、力偶的概念

用板手旋紧螺栓,由于构件螺栓孔的约束,只要在板手末端加一个力F,可使板手、螺栓一起转动,丝锥攻制内螺纹,开始圆孔小,不能保持丝锥位置,若只一力F,丝锥偏离圆孔移动,不能在孔内旋转,即使攻丝有了一定的深度,由于丝锥的材料较脆,如果只靠一个力的力矩作用,常会使其弯曲折断,要转动丝锥攻制螺纹不使其折断,或者使没有支点的物体转动,必须在手柄上作用两个力F和F‘,这两个力的大小相等、方向相反,作用线平行。

这样等值、反向、平行的两个力称为力偶

又如,铰链支座(使用实物),有销钉,在杆件上作用一个力就能使杆件转动

如果没有销钉,一个力,杆件就不能绕圆孔转动,作用两个等值、反向、平行的力,也能使杆转动

力矩和力偶都能使物体转动,但有区别:

①力矩转动须有支点,力偶转动的支点可有可无

②力矩转动的支点受力,力偶转动的支点不受力

力偶实例:

汽车司机左右手作用在方向盘上的两个力组成一个力偶

电机通过联轴器带动机器时,联轴器凸缘四个螺栓孔的受力组成两个力偶

在日常生活中,用钥匙开门,拧水龙头,拧毛巾、转动螺丝刀等等,都是力偶使物体转动的实例。

四、力偶的性质P11

性质1.力偶在其作用面上任一轴的投影恒等于零

组成力偶的两个力作用线所在的平面称为力偶作用面

力偶F和F‘两力等值、反向、平行,两力与某一轴夹角a相同,在该轴投影绝对值相等,因两力方向相反,在一轴投影正负号相反。

所以,两个力在其作用面上任一轴投影的代数和等于零。

 

F和F‘等值、反向、平行MA(F)+MA(F‘)=-Fa-F‘b=-F(a+b)=-Fd

F和F‘力偶MB(F)+MA(F‘)=-F(a+b+c)+F‘c=-F(a+b)=-Fd

 

力偶臂d

力偶矩

正负规定:

逆时针为正

顺时针为负

力偶单位:

N.m

 

性质2.力偶对其作用面上任一点的力矩恒等于其力偶矩P11

例,力偶的两力F和F‘,两力作用线之间的距离为d

计算两力对两力中间的A点的力矩,设A点到两力作用线的垂直距离为a和b,有a+b=d

MA(F)+MA(F‘)=-Fa-F‘b=-F(a+b)=-Fd“-”号表示顺时针转向

再计算两力对两力之外的B点的力矩,设B点到F‘力作用线的垂直距离为c

MB(F)+MB(F‘)=-F(a+b+c)+F‘c=-F(a+b)=-Fd“-”号,说明也是顺时针转向

如果再计算这两力对C、D、……各点力矩代数和都是顺时针,力矩的代数和都是-Fd

再如P11图1-15十字形板手MC(F)+MC(F‘)=+Fd,曲杆板手MD(F)+MD(F‘)=+Fd

这说明,力偶两力对作用面任点力矩代数和等于其中一力F和两力作用线间垂直距离

乘积

,和矩心位置无关

组成力偶的两个力作用线之间的垂直距离,称为力偶臂,用符号

表示

力偶的一个力和力偶臂的乘积,称为力偶矩,用符号M表示,即M=±Fd(所以性质2“…力偶矩”)

因力矩和矩心位置无关,不用写下标;因不同力和不同力偶臂乘积的力偶矩可能相同,不用(什么力)

正号或负号“±”规定和力矩规定相同:

逆时针转向的力偶矩为正值,顺时针转向的力偶矩为负值

力偶矩和力矩的单位相同,法定计量单位为牛顿·米(N·m)

力偶的图示方法:

所以电机联轴器上的力偶表示为

力偶三要素:

P12力偶矩大小、力偶的转向、力偶作用面

三要素不同,作用效果不同

但作用面平行移动的力偶,作用效果不变

MC(F)+MC(F‘)MD(F)+MD(F‘)

F和F‘等值、反向、平行=Fd/2+F‘d/2=-Fl+F‘(l+d)

F和F‘力偶=+F(d/2+d/2)=F(-l+l+d)

=+Fd=+Fd

力偶臂d

力偶矩

正负规定:

逆时针为正

顺时针为负

力偶单位:

N.m

P12例1-4

已知:

M1=20N·m,M2=40N·m,M3=30N·m

求:

SFx、SFy、SMA

解:

SFx=0,SFy=0

SMA=-M1+M2+M3=-20+40-30=-10N·m

小结:

①力偶对某一点的力矩就是其力偶矩,无论该力偶距离矩心的位置有多远,都不能将力偶矩乘以力臂

②虽然图中各力偶的转向不同,但在已知数据中,力偶矩数据一概正号,代数和计算过程才有正负号

③计算结果“-”号,说明合力矩顺时针方向转动

五、力的平行移动P12

如图所示的轮轴,啮合力Fn作用在齿轮上的A点

在分析轴的承载能力时,往往需要将力Fn平行移动到圆轴上,使力作用线通过圆轴中心点O(图b)

显然,移动到圆轴中心点的力对转轴没有力矩,与原力的作用效果不同

为了使力平行移动后与原力的作用效果相同,必须附加一个力偶M

其作用面在O点和原力作用线组成的平面内,或在与该平面平行的平面内(图c)

附加力偶的力偶矩等于原力对平移点O的力矩,即M=MO(Fn)=Fnd

无论原力是什么方向,无论平移的距离有多远,附加力偶的力偶矩都等于原力对平移点O的力矩

所以,力的平移定理:

作用在刚体上的力,可以平行移动到刚体上任一点,但必须附加一个力偶

其力偶矩等于原力对平移点的力矩P12

 

§1-3重心与形心

一、重心与形心的概念

任何物体可以看作由许多微小块粒组成,每一小块粒都受到地球的引力,称为重力

这些重力作用线汇交于地球中心,可以将汇交点视为在无穷远,这些引力视为空间平行力系

这些空间平行力系合力的数值大小就是该物体的重量,合力作用点就是该物体的重心

画图示矩形物体的受力图时,重力W,桌面支承力Fn,其中重力W的作用点位置就是物体的重心

画图示槽形物体的受力图时,就不知道重心在哪里,就要计算重心的位置

即使是矩形物体,如果它由不同材料组成,例左半铁右半木,也不知重心位置在哪里,也要计算重心

同一种材料组成的物体,称为“均质物体”,重心一定在其几何中心点,称为物体的形状中心,简称为形心

有的物体具有对称面(人体),有的物体具有对称轴线(等腰三角形),有的物体具有对称中心点(球)

一、重心与形心的概念

 

均质物体

重心=形心

具有对称要素的均质物体,重心一定在对称要素上,例矩形、平行四边形、三角形、圆轮、球的对称轴或心

二、物体重心位置的坐标公式

具有对称要素的物体,不必计算就可以确定其重心位置,如矩形?

平行四边形?

三角形?

圆轮?

球?

形状不规则的物体,或由不同材料组成的物体,要用计算或实验测定的方法,确定其重心的位置

实验测定重心的方法在第二章讲,这是只讲计算重心的方法

为了描述物体重心空间位置,建立空间直角坐标系Oxyz?

三坐标轴相互垂直,Oxy平面是水平面

设:

物体的总重量为W、其重心C点的位置坐标为xC,yC,zC

假想将物体分割成n个微小部分,每一部分重力为W1、W2…Wn,任一Wi位置坐标为xi,yi,zi

则,作用在重心的重力W就是各微小部分重力Wi的合力,即W=W1+W2+…=ΣWi(符号Σ意义、用法)

为计算重力对x轴的力矩,将各力投影到与x轴垂直的Oyz平面上,计算合力和分力对O点的力矩

根据合力矩定理,合力对O点的力矩等于各分力对O点的力矩的代数和,有

同理,通过计算重力对y轴的力矩可以求得

把物体连同坐标系绕y轴(或x轴)旋转90°,使重力和z轴垂直,也可以求得

得到物体重心位置的坐标公式

P14(1-6)其中:

一、重心与形心的概念

二、物体重心位置的坐标公式W=W1+W2+…=ΣWi

三、平面图形的形心坐标公式

图示长度为l的一段角钢,重心一定位于距端部为

的中间剖面上

要确定这样物体的重心位置,只需要计算剖面图形形心位置的两个坐标,即平面图形的形心坐标

对于杆状、柱状和平板状的零件,重心位置都有这样的的特点,只要计算剖面图形的形心位置

图示等厚度均质物体,假设厚度为δ,材料的比重为

建立直角坐标系的x轴y轴组成的平面与物体上下底与平行,显然,重心形心均在其厚度一半δ/2处

只要在Oxy坐标平面上确定平面图形的形心位置(右图)

假想将总面积为A分成n部分,任一部分面积为Ai,总面积A=A1+A2+…=ΣAi

小块重量Wi=Aiδ,总重量W=Aδ。

代入重心的计算公式

所以,平面图形形心的坐标公式是

P15(1-7)

一、重心与形心的概念等到厚度的均质物体

二、物体重心位置的坐标公式厚度为δ、比重为

三、平面图形的形心坐标公式

 

A=A1+A2+…=ΣAIi

小块重量Wi=AIδ,

重量W=Aδ

P15例1-5

确定图示槽形剖面的形心位置

 

题目:

这是槽钢(画右图所示一段槽钢)的剖面图形,左右对称,形心位置一定在

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