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1、多媒体教学课件多媒体教学课件多媒体教学课件多媒体教学课件江西理工大学机电学院 工业设计机械基础普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第第 2 版版机 械 工 业 出 版 社主编主编 阮宝湘阮宝湘工程力学的基本概念工程力学的基本概念产品与构件的静力产品与构件的静力分析分析构件的刚度、压杆构件的刚度、压杆稳定和动载荷问题稳定和动载荷问题 总总 目目 录录构件与产品的强度构件与产品的强度分析分析 工工 程程 力力 学学 基基 础础 机机 械械 设设 计计 基基 础础 机械设计概述机械设计概述机械零件基础机械零件基础机械传动基础机械传动基础常用机构常用机构第一节 工程力学
2、与工业设计工程力学与工业设计第二节 工程力学的研究对象与基本内容工程力学的研究对象与基本内容第三节 工程力学的基本概念工程力学的基本概念第四节 静力学公理静力学公理第五节 约束与约束反力约束与约束反力 第六节第六节 分离体与受力图分离体与受力图第一篇第一篇 工程力学基础工程力学基础 第一章第一章 工程力学的基本概念工程力学的基本概念第一篇第一篇 工程力学基础工程力学基础 第一章第一章 工程力学的基本概念工程力学的基本概念第一节第一节 工程力学与工业设计工程力学与工业设计一、工程力学在产品设计中的作用一、工程力学在产品设计中的作用 1.产品设计与静力学、动力学产品设计与静力学、动力学图1-1 各
3、种椅子，使用中必须稳定不会倾倒 a） b） 图图1-2 部件运动会引起整体中心移动的产品部件运动会引起整体中心移动的产品 a） b） 图图1-3 设计公共设施也需要进行力学计算设计公共设施也需要进行力学计算 图1-4 产品中其他静力学、动力学问题举例 2. 产品设计与材料力学产品设计与材料力学 材料力学中的强度问题。材料力学中的强度问题。 图1-5 几乎所有的产品都存在强度问题 材料力学中的刚度问题。材料力学中的刚度问题。 图1-6 塑料日用品：力学上是否合理，关系使用功能，也关系造型美观 二、工程力学与产品的形态美二、工程力学与产品的形态美1.1.均衡与稳定是造型美的形式法则之一，他们来源于
4、力学中的概念均衡与稳定是造型美的形式法则之一，他们来源于力学中的概念图1-7 飞马踏燕 图1-8 夏普BH-351型半导体收音机 图图1-9 中国古老的中国古老的石拱桥石拱桥赵州桥赵州桥 图图1-11 合理的合理的力学结构与造型美力学结构与造型美 图图1-10 棚架的立柱与挑梁棚架的立柱与挑梁a）力学上合理，富有美感）力学上合理，富有美感 b）不利于承载，视觉不佳）不利于承载，视觉不佳 2.2.形态的视觉心理感受，与它强度、刚度上的合理性有深刻的潜在联系形态的视觉心理感受，与它强度、刚度上的合理性有深刻的潜在联系第二节第二节 工程力学的研究对象与基本内容工程力学的研究对象与基本内容工程力学一般
5、包括工程力学一般包括理论力学理论力学和和材料力学材料力学两个部分。两个部分。一、理论力学的基本内容一、理论力学的基本内容理论力学研究物体由于受力引起的机械运动的规律。理论力学研究物体由于受力引起的机械运动的规律。理论力学一般包含理论力学一般包含静力学、运动学和动力学静力学、运动学和动力学三部分三部分内容。内容。本书主要讲述其中的静力学部分。本书主要讲述其中的静力学部分。静力学研究物体受力分析的方法和物体在外力作用静力学研究物体受力分析的方法和物体在外力作用下处于平衡状态的条件。下处于平衡状态的条件。二、材料力学的基本内容二、材料力学的基本内容 材料力学研究构件由于受力引起的变形和发生材料力学研
6、究构件由于受力引起的变形和发生破坏的规律。破坏的规律。材料力学研究构件的材料力学研究构件的强度、刚度和稳定性强度、刚度和稳定性三类问题。三类问题。构件的构件的强度强度，指构件受力中，指构件受力中抵抗破坏抵抗破坏的能力。的能力。构件的构件的刚度刚度，指构件受力中，指构件受力中抵抗变形抵抗变形的能力。的能力。构件的构件的稳定性稳定性，指构件受力中保持其原有，指构件受力中保持其原有平衡形式平衡形式的能力。的能力。第二节第二节 工程力学的研究对象与基本内容工程力学的研究对象与基本内容试分析：图试分析：图1-121-12中的产品或设施存在哪些工程力学方面的问题？中的产品或设施存在哪些工程力学方面的问题？
7、 a） b） c） d ） 图1-12 这些产品或设施的设计中存在哪些工程力学问题？ 第二节第二节 工程力学的研究对象与基本内容工程力学的研究对象与基本内容第三节第三节 工程力学的基本概念工程力学的基本概念 一、刚体与变形固体一、刚体与变形固体 静力学中，把构件理想化静力学中，把构件理想化为不变形（也不会破坏）的为不变形（也不会破坏）的 “刚体刚体” 。 材料力学中，把构件视为（可）材料力学中，把构件视为（可）“变形固体变形固体”。 图图1-13 撬杠，看成刚体、或看成变形固体撬杠，看成刚体、或看成变形固体 1.力与力的表示力与力的表示力的大小力的大小、力的方向力的方向、力的作用点力的作用点，
8、称为力的三要素力的三要素。 二、力与力系二、力与力系F第三节第三节 工程力学的基本概念工程力学的基本概念 力的度量单位是牛顿（力的度量单位是牛顿（N，简称牛）或千牛顿，简称牛）或千牛顿（kN，简称千牛）。，简称千牛）。牛顿和公斤力的换算关系是：牛顿和公斤力的换算关系是： 1kgf=9.8N力是力是矢量矢量。通常用一段带箭头的线段来表示。通常用一段带箭头的线段来表示。 用黑体斜体字母F、P、T、R、N、X、Y等表示力；明体斜体字母F、P、T、R、N、X、Y等表示力的数值大小。 图1-14 力的图示法 第三节第三节 工程力学的基本概念工程力学的基本概念 2.集中力与分布力集中力与分布力集中力集中力
9、或集中载荷集中载荷 分布力分布力或分布载荷分布载荷 均布载荷均布载荷 载荷集度载荷集度。线载荷集度的单位：牛/米（N/m），或千牛/米kN/m）面载荷集度（压强）的单位：帕斯卡（Pa），即牛/平方米（N/），或兆帕（MPa），即牛/平方毫米（106Pa106N/106N/m）。3.力系（指作用于同一物体上的一组力）力系（指作用于同一物体上的一组力）等效力系等效力系 合力合力 分力分力 平衡力系平衡力系平面力系平面力系 空间力系空间力系 汇交力系汇交力系 平行力系平行力系 任意力系任意力系 第四节第四节 静力学公理静力学公理公理公理1 二力平衡公理二力平衡公理 作用于刚体上的两个力，使刚体处于平
10、衡状态的必要与充作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的必要与充分条件是：这两个力大小相等，方向相反，且作用在同一直分条件是：这两个力大小相等，方向相反，且作用在同一直线上线上（简称：等值、反向、共线等值、反向、共线）。 不计自重、只在两点受力而处于平衡状态的构件，称为二力构不计自重、只在两点受力而处于平衡状态的构件，称为二力构件（二力杆）件（二力杆）。AFABBFBAABCDGABFABFBA公理公理2 加减平衡力系公理加减平衡力系公理 在作用着已知力系的刚体上，加上或减去任意的平衡在作用着已知力系的刚体上，加上或减去任意的平衡力系，不会改变原力系对该刚体的作用效应。力系，不会改变原力系对
11、该刚体的作用效应。 推论推论1 力的可传性原理力的可传性原理 作用于刚体上某点的力，可以沿其作用线移到刚体上作用于刚体上某点的力，可以沿其作用线移到刚体上任意一点，而不会改变该力对刚体的作用效应。任意一点，而不会改变该力对刚体的作用效应。 图图1-16 力的可传性原理力的可传性原理 第四节第四节 静力学公理静力学公理ABF2F推论证明推论证明 AFABF1设力F作用于刚体上A点。 在力F的作用线上任选一点B，并在B点加一组沿AB的平衡力F1和F2，且使F2FF1。F2F1F 除去F与F1所组成的一对平衡力，刚体上只剩F2，显然F2F。公理公理3 作用与反作用公理作用与反作用公理 当甲物体给乙物
12、体一作当甲物体给乙物体一作用力时，甲物体必同时受到用力时，甲物体必同时受到乙物体的反作用力，且两个乙物体的反作用力，且两个作用力大小相等、方向相反、作用力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。作用在同一条直线上。 图图1-17 作用力与反作用力作用力与反作用力 第四节第四节 静力学公理静力学公理公理公理4 力的平行四边形公理力的平行四边形公理 作用在物体上同一点的作用在物体上同一点的两个力，可以合成一个合力；两个力，可以合成一个合力；合力也作用在该点上，合力合力也作用在该点上，合力的大小和方向用这两个力为的大小和方向用这两个力为邻边所构成的平行四边形的邻边所构成的平行四边形的对角线确定。对角
13、线确定。 RF2F1ABCDRF2CDF1AB第四节第四节 静力学公理静力学公理 力的三角形法则力的三角形法则应用更简便。 第四节第四节 静力学公理静力学公理 力的合成关系力的合成关系“F1 、F2 两力相加得到合力两力相加得到合力R ”，其矢量表示式为：其矢量表示式为： 合力合力 R 的数的数值值和方向：和方向： （1-2） （1-3） 图图1-19 分力与合力的关系分力与合力的关系 F1 + F2 R （1-1）第四节第四节 静力学公理静力学公理图图1-20力的正交分解力的正交分解 推论推论2 三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理 刚体受不平行三力作用刚体受不平行三力作用而平衡时，这三个力的作
14、用而平衡时，这三个力的作用线必汇交于一点线必汇交于一点。图图1-21 三力平衡汇交定理的应用三力平衡汇交定理的应用 将力沿两个互相垂将力沿两个互相垂直（正交）的方向分解直（正交）的方向分解为两个分力，称为力的为两个分力，称为力的正交分解正交分解。 第五节第五节 约束与约束反力约束与约束反力 图图1-22 约束与约束反力约束与约束反力 n一、约束与约束反力的概念一、约束与约束反力的概念n 约束约束n 物系物系n 约束反力，简称反力约束反力，简称反力 实例见图实例见图1-22 二、常见的约束类型和约束反力特性二、常见的约束类型和约束反力特性1.1.柔索约束柔索约束柔索约束反力柔索约束反力的特性是：
15、的特性是：作用点为柔索与物体的连接点，作作用点为柔索与物体的连接点，作 用线与柔索中用线与柔索中 心线一致，作用力的指向为背离物体的方向心线一致，作用力的指向为背离物体的方向。2.2.光滑面约束光滑面约束 光滑面约束反力光滑面约束反力的特性是：的特性是：作用点为接触点，作用线与接触作用点为接触点，作用线与接触面的法线方向一致，作用力指向被约束物体面的法线方向一致，作用力指向被约束物体。光滑面约束反力也常称为法向反力法向反力。 光滑平面、曲面和棱角的约束反力实例见图1-23NDNAGACBDNBACBDACBDGNDNANB上一页第五节第五节 约束与约束反力约束与约束反力 图图1-23 光滑平面
16、的约束反力光滑平面的约束反力 图图1-25 光滑棱角的约束反力光滑棱角的约束反力 第五节第五节 约束与约束反力约束与约束反力 图图1-24 光滑曲面的约束反力光滑曲面的约束反力第五节第五节 约束与约束反力约束与约束反力 3.3.光滑圆柱形铰链约束光滑圆柱形铰链约束（铰链约束）（铰链约束）图1-26a为铰链约束三个构件的常见形状。 图图1-26 光滑圆柱形铰链约束光滑圆柱形铰链约束 铰链约束反力铰链约束反力的特性是的特性是：作用点在销轴作用点在销轴与圆孔的接触点与圆孔的接触点K，作用线通过销轴及圆孔，作用线通过销轴及圆孔的圆心的圆心，如RC 所表示。但铰链约束铰链约束反力反力RC 的方位角的方位
17、角和指向根据实际情况才能分析确定和指向根据实际情况才能分析确定。 分析中常用的方法是：求出RC 在x、y两互垂方向上的正交分力XC、YC来 。求出了X C、YC，则它们的合力RC 的大小、方位角和指向也就完全确定了。 第五节第五节 约束与约束反力约束与约束反力 固定铰支座约束反力特性固定铰支座约束反力特性： 作用线通铰支座的中心，作用线通铰支座的中心，方位角方位角和指向取决于外载和指向取决于外载荷等具体条件荷等具体条件。 也常用两个正交分力RX 、RY 来表示，如图1-28e所示。 图图1-28 固定铰支座约束固定铰支座约束 4.4.固定与活动铰链支座约束固定与活动铰链支座约束 简称固定与活动
18、铰支座固定与活动铰支座第五节第五节 约束与约束反力约束与约束反力 活动铰支座约束反力特活动铰支座约束反力特性：作用点在铰链中，性：作用点在铰链中，作用线垂直于支承面，作用线垂直于支承面，指向为背离支承面。指向为背离支承面。 图图1-29 活动铰支座约束活动铰支座约束 第五节第五节 约束与约束反力约束与约束反力 5.5.固定端约束固定端约束 固定端约束反力的特性：可能在该端受有任意方向固定端约束反力的特性：可能在该端受有任意方向的反力及反转动力矩的作用，须根据构件所受外载荷分的反力及反转动力矩的作用，须根据构件所受外载荷分析确定析确定。 其反力可用两个法向分力Rx 、 Ry表示，反力矩用MA表示
19、 ，见图1-30。图图1-28 1-28 固定端约束固定端约束 第五节第五节 约束与约束反力约束与约束反力 第六节第六节 分离体与受力图分离体与受力图 静力学求解问题的一般步骤如下：1.确定研究对象，画出该研究对象的确定研究对象，画出该研究对象的分离体。分离体。 2.作出作出受力图受力图 即解除掉研究对象的约束，代之以相应的约束即解除掉研究对象的约束，代之以相应的约束反力，再画上外载荷反力，再画上外载荷。3. 对于静力学问题，一般是根据平衡条件，对于静力学问题，一般是根据平衡条件，列出平列出平衡方程求解未知量衡方程求解未知量。例例1-1 画图中小球的受力图。画图中小球的受力图。 解解 解除斜面
20、和绳子对解除斜面和绳子对小球的约束，画出小球分离体。小球的约束，画出小球分离体。 画上小球受的重力画上小球受的重力G。 画出所有约束反力画出所有约束反力 光滑斜面约束的反力作用于光滑斜面约束的反力作用于B，垂直斜面、指向小球，通过，垂直斜面、指向小球，通过球心球心O 。绳子的柔索约束力作。绳子的柔索约束力作用在点用在点C，沿绳子方向、背离，沿绳子方向、背离小球。小球。 画得小球受力图图画得小球受力图图1-31b。图图1-31 例例2-1图图 OBNBGCT 例例1-2 两根绳子系住两小球，画受力图。两根绳子系住两小球，画受力图。 解解 小球小球O1受外力有重受外力有重力力G1 ；柔索约束力作用
21、在；柔索约束力作用在A ，沿绳子方向、背离小球；，沿绳子方向、背离小球；小球、大球互为光滑面约束，小球、大球互为光滑面约束，反力在点反力在点C ，作用线沿法线，作用线沿法线方向、指向小球。据此画出方向、指向小球。据此画出小球小球O1的受力图图的受力图图1-32b。 同样方法画出球同样方法画出球O2 的的受力图。受力图。 图图1-32 例例1-2图图 G1NCCATAO1O2TBNCCG2B例例1-3 1-3 ABAB、BCBC两杆用铰链联接成三角吊架，两杆用铰链联接成三角吊架， A A、 C C为铰链，为铰链， B B处挂重处挂重G G，如图，如图1-33a1-33a。不计杆的自重，试画。不计杆的自重，试画ABAB、BCBC的受力图，的受力图， 销轴销轴B B的受力图，的受力图， 三角吊架三角吊架ABCABC的受力图。的受力图。TAATBBBCNCNBBGTBNBNCGBATAC例例1-4 结构如图，不计杆重，绘构件受力图：结构如图，不计杆重，绘构件受力图：AD杆杆 BC杆杆 支支架架ABCD解解: 从确定二力构件入手：曲杆从确定二力构件入手：曲杆BC杆是二力杆。杆是二力杆。BC杆杆 受力图如图受力图如图1-34b。AD杆杆 受力图如图受力图如图1-34c。支架支架ABCD 受力图如图受力图如图1-34d所示。所示。
