工业产品静力学设计 01绪论及受力分析.

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1、工业产品静力学设计 教师：邓武 电话：13640731861 办公室：工程北楼334 参考书：理论力学(高等教育出版社 哈尔滨工业大学 理论 力学教研室主编) 精通MATLAB 电子工业出版社 葛哲学 编著 ADAMS实例教程北京理工大学出版社 李军 编 学习方式：课内 + 课外 上课方式： 每次课布置作业 下一次课先请每个组派代表上来介绍作业情况，老师再讲新 课 考核：作业（个人），作业讲述（小组），闭卷考查（个人 ） 力学总体介绍 通常理解的力学，是指一切研究对 象的受力和受力效应的规律及其应用的 学科的总称。人类早期的生产实践活动 是力学最初的起源。 什么是力学？ 物理学的建立是从力学开

2、始的 ，当物理学摆脱了这种机械(力学)的 自然观而获得健康发展时，力学则在 工程技术的推动下按自身逻辑进一步 演化。最终，力学和物理学各自发展 成为自然学科中两个相互独立的、自 成体系的学科分类。在力学与物理学 之间不存在隶属关系。 按研究对象的物态进行区分，力学可以分 为固体力学和流体力学。根据研究对象具体的 形态、研究方法、研究目的的不同，固体力学 可以分为理论力学、材料力学、结构力学、弹 性力学、板壳力学、塑性力学、断裂力学、机 械振动、声学、计算力学、有限元分析等等， 流体力学包含流体力学、流体动力学等等。根 据针对对象所建立的模型不同，力学也可以分 为质点力学、刚体力学和连续介质力学

3、。连续 介质通常分为固体和流体，固体包括弹性体和 塑性体，而流体则包括液体和气体。 力学学科是如何划分的？ 许多带“力学”名称的学科， 如热力学、统计力学、相对论力学 、电动力学、量子力学等，在习惯 上被认为是物理学的其它分支，不 属于力学的范围。 研究宏观物体运动规律的科学 物体的空间位形随时间的变化， 包括静止、移动、转动、振动、变形 、流动、波动、扩散等。 力学 Mechanics 力学研究对工业产品的意义 渤海一钻井平台倾斜 静力学： 研究物体的受力分析、力系的等效替 换（或简化）、建立各种力系的平衡 条件的科学。 1、物体的受力分析：分析物体（包 括物体系）受哪些力，每个力的作 用位

4、置和方向，并画出物体的受力 图。 2、力系的等效替换（或简化）： 用一个简单力系等效代替一个复杂力系 。 3、建立各种力系的平衡条件： 建立各种力系的平衡条件，并应用这 些条件解决静力学实际问题 。 刚刚刚刚 体体 静静 力力 学学 的的 基基 础础础础 动动动动 力力 学学 的的 基基 础础础础 工工 程程 设设设设 计计计计 的的 基基 础础础础 研究研究刚刚刚刚体静力学的体静力学的意意义义义义 1深入理解平衡、约束等重要概念。 2掌握从物理模型中提取力学模型并建立数 学模型的方法。 3学习平衡问题的力学特征和数学表达。 4正确运用计算工具Matlab，掌握多体系统 平衡问题的解法。 5.

5、 正确运用工具软件ADAMS，掌握机械系统 的建模方法。 静力学学习内容及目标 课程要求 准确理解基本概念 熟练掌握基本定理并能灵活应用 物理理解与数学描述结合 静力学研究所用到的工具软件 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory ）的简称，是美国MathWorks公司出品的商 业数学软件，用于算法开发、数据可视化、 数据分析以及数值计算的高级技术计算语言 和交互式环境，主要包括MATLAB和 Simulink两大部分。用于静力学研究时，主 要利用其矩阵运算功能求解平衡方程组 ADAMS，即机械系统动力学自动分析 (Automatic Dynamic Analysis of

6、 Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件，现已 经并入美国MSC公司。ADAMS软件使用交互 式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完 全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用 多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法 ，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行 静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速 度、加速度和反作用力曲线。 力：物体间相互的机械作用，作用效果使物体的 机械运动状态发生改变。 力的三要素：大小、方向、作用点。力是矢量。 力系：一群力。 平衡：物体相对惯性参考系（如地面）静止或

7、作匀速直线运动。 静力学重要概念 力的效应：内效应、外效应 力学模型 质点、质点系、刚体、弹塑性体和流体等 刚体：绝对不变形的物体，或物体内任意 两点间的距离不改变的物体。 力学模型的图示表达 数学模型 矢量代数方程，常微分方程、偏微分方程 求解方法 解析法、试验、数值法 变变变变 形形 体体 变变变变 形形 体体 对对于塔吊和于塔吊和组组成塔吊的每一根杆件成塔吊的每一根杆件 刚刚刚刚 体体 研究塔吊不致倾倾倒，确定所需配重 F 怎怎样样样样确定零件确定零件ABAB的受力？的受力？ 问题分类 平面问题：结构 载荷 空间问题：结构 载荷 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

8、自由体的作用力。 约束力 大小待定 方向与该约束所能阻碍的位移方向相反 作用点接触处 约束和约束力 物体受力分析 主动力与约束力：因与果 中文名称： 自由度 英文名称： degree of freedom; degrees of freedom 定义： 在一个未约束的动力或其他系统中 ，为了完全确定该系统在给定时刻的状态 所需要的独立变量的个数。 质点自由度 一个质点在空间任意运动，需用 三个独立坐标（x，y，z）确定其位置 。所以自由质点有三个平动自由度 i = 3。 刚体自由度 一个刚体在空间任意运动时，可分 解为质心 O 的平动和绕通过质心轴的 转动，它既有平动自由度还有转动自由 度。确

9、定刚体质心O的位置，需三个独 立坐标（x，y，z）自由刚体有三个 平动自由度 t = 3； 确定刚体通过质心轴的空间方位三 个方位角（，）中只有其中两个 是独立的需两个转动自由度；另外 还要确定刚体绕通过质心轴转过的角度 还需一个转动自由度。这样，确定 刚体绕通过质心轴的转动，共有三个转 动自由度 r = 3。所以，一个任意运动 的刚体，总共有6个自由度，即3个平动 自由度和3个转动自由度，即i = t + r = 3 + 3 = 6 平面机构自由度： 一个刚体在平面可以由其上任一点A 的坐标x和y，以及通过A点的直线AB与 横坐标轴的夹角等3个参数来决定，因此 杆件具有3个自由度。 空间机构

10、自由度： 一个杆件刚体，在空间上完全 没有约束，那么它可以在3个正交方 向上平动，还可以有三个正交方向 的转动，那么就有6个自由度。 中文名称： 运动副 英文名称： kinematic pair 定义： 两构件直接接触组成的可动连接。 两个构件上参与接触而构成运动副的 点、线、面等元素被称为运动副元素。 运动副有多种分类方法： 按照运动副的接触形式分类:面和面 接触的运动副在接触部分的压强较低， 被称为低副，而点线接触的运动副称为 高副，高副比低副容易磨损。 按照相对运动的形式分类。构 成运动副的两个构件之间的相对运 动若是平面运动则为平面运动副， 若为空间运动则称为空间运动副， 两个构件之间

11、只做相对转动的运动 副被称为转动副，两个构件之间只 做相对移动的运动副称为移动副。 按照运动副引入的约束分类 。引入一个约束的运动副称为一级 副、引入两个约束的运动副称为二 级副，还有三级，四级，五级副。 按照接触部分的几何形状分 类。可以分为圆柱副、平面与平 面副、球面副、螺旋副等。 运动副的表达 约束增加，自由度就减少，机构的自由度为组成 杆件自由度之和减去运动副的约束。 如果一个构件组合体的自由度F0，他就可以成为 一个机构，即表明各构件间可有相对运动；如果 F=0，则它将是一个结构（structure），即已退化 为一个构件。 约束与运动副 工程常见的约束 1、具有光滑接触面（线、点）

12、的约束（光滑接触约束） 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 称为法向约束力，用 表示。 滑槽与滑槽与销钉销钉销钉销钉 F FR R 2 、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 表示。 F FR R 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。 3 、光滑铰链约束（径向轴承、圆柱铰链、固定铰 链支座等） （1） 、径向轴承（向心轴承） 约束力： 当不计摩擦时，轴与孔在接触为光滑接 触约束法向约束力。 约束力作用在接触处，沿径向指向轴心。 当外界载荷不同时，接触点会变，则约束

13、力的大小 与方向均有改变。 可用二个通过轴心的正交分力 表示。 光滑圆柱铰链，轴承 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 ，如剪刀。 铰铰 其中有作用反作用关系 一般不必分析销钉受力，当要分析时，必须把销 钉单独取出。 滚动支座 球铰链 球球 股骨股骨 盆骨盆骨 球球窝窝窝窝 盆骨与股骨之间间的球铰连铰连 接 止推轴承 滚滚滚滚珠珠( (柱柱) )轴轴轴轴承承 F F RyRy F F RxRx 弹弹弹弹 性性 约约约约 束束 机械式螺纹千斤顶 F F 怎怎样样样样确定确定 A A 处处处处的受力？的受力？ 怎怎样样样样确定确定 D D、E E 二二处处处处的受力？的受力？

14、 A 怎怎样样样样确定确定A A、B B、G G三三处处处处的受力？的受力？ 分分 析析 比比 较较较较 两两 种种 约约约约 束束 （1）光滑面约束法向约束力 （2）柔索约束张力 （3）光滑铰链 球铰链空间三正交分力 止推轴承空间三正交分力 （4）滚动支座 光滑面 （5）螺纹约束 （6）复合约束 被约约束的自由度约约束类类型约约束反力分析约约束举举例 1个移动 (单向/ 双向) 2个移动 (单向/ 双向) 3个移动 (单向/ 双向) 1个转动 (单向/ 双向) 2个转动 (单向/ 双向) 3个转动 (单向/ 双向) 1个移动 + 1个转动 (单向/ 双向) 1个移动 + 2个转动 (单向/ 双向) 2个移动 + 1个转动 (单向/ 双向) 1个移动 + 3个转动 (单向/ 双向) 3个移动 + 1个转动 (单向/ 双向) 2个移动 + 2个转动 (单向/ 双向) 2个移动 + 3个转动 (单向/ 双向) 3个移动 + 2个转动 (单向/ 双向) 3个移动 + 3个转动 (单向/ 双向) 约束设计讨论 1-3 物体的受力分析和受力图 在受力图上应画出所有力，主动力和约束力（被动力 ） 画受力图步骤： 3、按约束性质画出所有约束（被动）力 1、取所要研究物体为研究对象（隔离体）画出其简图 2、画出所有主动力 作业 1：试设计机械手的运动副。