工程力学与材料力学

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1、产品与构件的受力分析与计算2009级工业设计专业第一章第一章 引言任何任何机器机器或或工程结构工程结构在工作中，都将受到在工作中，都将受到力力的作的作用。那么在受力的情况下，它们是否能用。那么在受力的情况下，它们是否能正常、正常、安全地安全地工作工作，会不会发生，会不会发生破坏破坏，是设计人员必须考虑的问题。，是设计人员必须考虑的问题。工程中涉及到零件在受力状态下的工程中涉及到零件在受力状态下的强度问题强度问题，需，需要通过对零件或构件进行受力分析和计算，并恰当地要通过对零件或构件进行受力分析和计算，并恰当地选择材料和设计截面形状，保证其能正常使用。选择材料和设计截面形状，保证其能正常使用。机

2、器零件或工程构件不能正常工作，发生机器零件或工程构件不能正常工作，发生破坏破坏、过量变形过量变形或或丧失稳定性丧失稳定性，我们称机器或工程结构，我们称机器或工程结构失效失效，失效一旦发生，将会造成重大损失。失效一旦发生，将会造成重大损失。本篇我们就将就零件或构件的本篇我们就将就零件或构件的受力分析和计算受力分析和计算、零件的失效分析和计算零件的失效分析和计算以及以及材料选择材料选择进行讨论。以达进行讨论。以达到避免零件失效，能正常、安全工作的目的。到避免零件失效，能正常、安全工作的目的。第一节第一节 工程力学的研究对象和内容工程力学的研究对象和内容一、对象：一、对象：在理论力学的静力学中，将物

3、体看成在理论力学的静力学中，将物体看成刚体刚体在材料力学中，将物体看成在材料力学中，将物体看成变形体变形体二、内容：二、内容：1、理论力学、理论力学 研究物体由于受力引起的机械运动规律。研究物体由于受力引起的机械运动规律。分为：分为：1）、静力学）、静力学2）、运动学）、运动学3）、动力学）、动力学2、材料力学、材料力学 研究物体由于受力引起的变形和研究物体由于受力引起的变形和 发生破坏的发生破坏的规律。考虑物体的：规律。考虑物体的：1）、强度）、强度2）、刚度）、刚度3）、稳定性）、稳定性静力学：是对静止或作匀速运动的物体进行受力静力学：是对静止或作匀速运动的物体进行受力分析和计算的力学。分

4、析和计算的力学。一、静力学研究内容和对象一、静力学研究内容和对象1.内容内容静力学研究的具体问题是静力学研究的具体问题是刚体刚体在在力系力系作用下的作用下的平平衡规律衡规律。2.对象对象刚体刚体是指是指受力受力状态下假想状态下假想不变形的物体不变形的物体，是静力，是静力学的研究对象。在静力学的研究范围内，都将物体看学的研究对象。在静力学的研究范围内，都将物体看成刚体。刚体是一个抽象化的理想力学模型。成刚体。刚体是一个抽象化的理想力学模型。力系力系是指作用在一个物体上的两个或两个以上力是指作用在一个物体上的两个或两个以上力所构成的系统。所构成的系统。第二节工程(静)力学基本概念力系实例力系实例:

5、3.平衡平衡物体相对于地面保持静止或作匀速直线运动时所处的物体相对于地面保持静止或作匀速直线运动时所处的一种特殊运动状态。一种特殊运动状态。一个特定的力系能使某一物体保持平衡，这样的力系一个特定的力系能使某一物体保持平衡，这样的力系称为称为平衡力系平衡力系。物体在力系作下要平衡所需满足的条件称。物体在力系作下要平衡所需满足的条件称为为平衡条件平衡条件。二、其它概念二、其它概念1.力的定义力的定义力是自然界中无时无刻不存在的现象，力是自然界中无时无刻不存在的现象，力是物体间的力是物体间的相互机械作用相互机械作用，对物体产生的两种效应：，对物体产生的两种效应： (1)使物体的运动状态发生变化，称为

6、力的使物体的运动状态发生变化，称为力的运动效应运动效应 或或外效应外效应； (2)使物体的形状发生变化，称为力的使物体的形状发生变化，称为力的变形效应变形效应或或内内 效应效应。 但在刚体的研究中，只涉及力的运动效应即外效应。但在刚体的研究中，只涉及力的运动效应即外效应。2.力的三要素力的对物体的外效应是靠力的三要素来起作用。力的对物体的外效应是靠力的三要素来起作用。即力的即力的大小大小、方向方向和和作用线作用线。三者任一个发生改变，。三者任一个发生改变，力对物体的外效应都将发生变化。力对物体的外效应都将发生变化。举例：拉车的力举例：拉车的力F3.力的单位：牛顿(N)或千牛顿(KN)4.力的表

7、示力是即有大小又有方向的物理量，所以它是力是即有大小又有方向的物理量，所以它是矢量矢量，工程中用工程中用带箭头的线段表示带箭头的线段表示：线段的长度表示力的大：线段的长度表示力的大小，箭头表示方向，线段本身表示作用线。见上图小，箭头表示方向，线段本身表示作用线。见上图5.等效力系等效力系两个力系两个力系对对同一刚体同一刚体的的作用效果作用效果相同，可互相替相同，可互相替代，称为代，称为等效力系等效力系。若一个单独的力与一个力系等效，则单独的力称若一个单独的力与一个力系等效，则单独的力称为力系的为力系的合力合力；力系中的每一个力称为此力的；力系中的每一个力称为此力的分力分力。如上图，左边由如上图

8、，左边由F1、F2和和F3组成的力系与右边的组成的力系与右边的F单单独形成的力系对小车的效果相同，则左面力系与右面力独形成的力系对小车的效果相同，则左面力系与右面力系等效。系等效。F称为称为F1、F2和和F3的合力，而的合力，而F1、F2和和F3称为称为F的分力。的分力。=第三节静力学公理本节介绍的公理和定理是静力学的理论基础，它本节介绍的公理和定理是静力学的理论基础，它们是受力分析和计算中的基本依据。们是受力分析和计算中的基本依据。公理一：公理一：二力平衡公理二力平衡公理含义：含义：受两力作用受两力作用的刚体处于的刚体处于平衡状态平衡状态的必要和的必要和充分条件是两力相等、方向相反、作用线相

9、同（简称充分条件是两力相等、方向相反、作用线相同（简称为等值、反向、共线）。为等值、反向、共线）。 这种受两力作用而处于平衡的刚体称为这种受两力作用而处于平衡的刚体称为二力体二力体，最常见的是二力杆。，最常见的是二力杆。这种平衡是自然界中最简单的平衡。实这种平衡是自然界中最简单的平衡。实例：放在桌面上的书本、笔；吊在天花板上例：放在桌面上的书本、笔；吊在天花板上的电灯。的电灯。注意：注意：（1）必要充分条件，即）必要充分条件，即“刚体受两力平衡刚体受两力平衡”与与“两力等值、共线和反向两力等值、共线和反向”可以互推。可以互推。当已知两力作用在某一刚体上，而刚体又处于平当已知两力作用在某一刚体上

10、，而刚体又处于平衡时，可根据该条件判断其所受两力的方向，并可确衡时，可根据该条件判断其所受两力的方向，并可确定两力的作用线为两力作用点的连线。定两力的作用线为两力作用点的连线。举例：举例：棘轮棘轮棘爪棘爪二力杆二力杆BC二力杆二力杆AB（2）对象是刚体，对非刚体不成立，举例：柔性）对象是刚体，对非刚体不成立，举例：柔性的绳子，只能承受拉力不能承受压力。的绳子，只能承受拉力不能承受压力。注意：注意：（1）必要充分条件，即）必要充分条件，即“刚体受两力平衡刚体受两力平衡”与与“两力等值、共线和反向两力等值、共线和反向”可以互推。可以互推。公理二：加减平衡力系公理 含义：在刚体上加上或减去任意的平衡

11、力系，不会改变原力系对刚体的作用效应。举例：放在地面上的箱子原本受自身重力举例：放在地面上的箱子原本受自身重力G G和地和地面对箱子的支持力面对箱子的支持力N N而平衡，现在让两人分别从左右而平衡，现在让两人分别从左右按相反方向用同样大小的力按相反方向用同样大小的力F F推箱子，也就是在原有推箱子，也就是在原有力系的基础上加上一个平衡力系，结果箱子任然保持力系的基础上加上一个平衡力系，结果箱子任然保持平衡。平衡。推论：力的可传性定理含义：作用在刚体上的各力可沿其作用线任意移动作用点，而不改变此力对刚体的作用效应。证明过程见教材图证明过程见教材图1-13。=公理三：公理三：力的平行四边形公理力的