機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)-第一章受力分析.ppt

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1、21:43,ccj_hly,第一章 靜力學(xué)基礎(chǔ),21:43,ccj_hly,引 言,主要符號:,fs，f 靜摩擦系數(shù)，動摩擦系數(shù) F 力，繩索拉力，桿端力(原符號為T或S) FR或F 合力(原符號為R) FN或F 法向反力(原符號為N) FAx，F(xiàn)Ay A處鉸支座反力(原符號為XA，YA) M 力偶矩、力矩 MO(F) 力F對點(diǎn)O的矩 P 重力,21:43,ccj_hly,引 言,靜力學(xué)：研究作用于物體上力系的平衡,力系：作用于物體上的一群力,力系,,按其作用線所在位置,,平面力系,空間力系,按其作用線相互關(guān)系,,共線力系,平行力系,匯交力系,任意力系,F1,F2,(a),,,,

2、,F3,平面力系,(b),,,F1,F2,空間力系,21:43,ccj_hly,引 言,F1,F3,(c),(d),,,,,,O,F2,共線力系,,,,,F1,F2,F3,平行力系,,,,,,,,,O,F1,F2,F3,(e),匯交力系,,,,,,,,O,F1,F2,F3,(f),任意力系,21:43,ccj_hly,引 言,平衡：物體相對于慣性參考系保持靜止或作勻速 直線運(yùn)動,靜力學(xué)研究的三個問題：,1、物體的受力分析,等效力系：分別作用于同一剛體上的兩組力系，如果 它們對該剛體的作用效果完全相同，則此 兩組力系互為等效力系。,平衡力系：若物體在某力系作用下保持平衡，則稱此

3、力系為平衡力系。,2、力系的等效替換或簡化,3、建立各種力系的平衡條件,21:43,ccj_hly,一、剛體在外界的任何作用下形狀和大小都始 終保持不變的物體?；蛘咴诹Φ淖饔孟拢我鈨牲c(diǎn)間的距離保持不變的物體。,1.1.1 力的基本概念,剛 體,21:43,ccj_hly,是指物體相對于慣性參考系保持靜止或作勻速直線運(yùn) 動的狀態(tài)。,變 形 體,1.1.1 力的基本概念,21:43,ccj_hly,剛體是一種理想化的力學(xué)模型。,一個物體能否視為剛體，不僅取決于變形 的大小，而且和問題本身的要求有關(guān)。,1.1.1 力的基本概念,請大家注意：,21:43,ccj_hly,二： 力的概念,2.

4、力的效應(yīng)：,1.1.1 力的基本概念,21:43,ccj_hly,3. 力的三要素：,1.1.1 力的基本概念,4. 力的表示：A 圖形表示 B 符號表示,,矢量,大小,21:43,ccj_hly,,5.力的單位,在國際單位制中，力的單位是牛頓(N)或 千克米/秒2 (kg m/s2)以及千牛(KN) 1N=1千克米/秒2 。,1.1.1 力的基本概念,6.力的分類,集中力,分布力,21:43,ccj_hly,1.1.2力的基本性質(zhì),下面介紹四個公理及兩個推論： 1、力的平行四邊形規(guī)則 2、二力平衡條件 3、加減平衡力系原理 推論1：力的可傳性 推論2：三力平衡匯交定理 4

5、、作用力與反作用力定律,公理：是人類經(jīng)過長期實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)而得到的結(jié)論， 它被反復(fù)的實(shí)踐所驗(yàn)證，是無須證明而為 人們所公認(rèn)的結(jié)論。,力的基本性質(zhì)一般稱為靜力學(xué)公理。,21:43,ccj_hly,公理一 (力的平行四邊形規(guī)則) 作用于物體上任一點(diǎn)的兩個力可合成為作用于同一點(diǎn)的一個力，即合力。合力的矢由原兩力的矢為鄰邊而作出的力平行四邊形的對角矢來表示。,矢量表達(dá)式：F= F1+F2,即，合力為原兩力的矢量和。,1.1.2力的基本性質(zhì),21:43,ccj_hly,1.1.2力的基本性質(zhì),也可以由力的三角形來確定合力的大小和方向， 如圖 (b)(c )。,此公理表明了最簡單力系的簡化規(guī)律

6、，是復(fù)雜力系簡化的基礎(chǔ)。,21:43,ccj_hly,作用于剛體上的兩個力，使剛體平衡的必要與充分條件是： 這兩個力大小相等 | F1 | = | F2 | 方向相反 F1 = F2 作用線共線， 作用于同一個物體上。,公理二 (二力平衡條件),1.1.2力的基本性質(zhì),21:43,ccj_hly,說明：對剛體來說，上面的條件是充要的,二力體：只在兩個力作用下平衡的剛體叫二力體。,對變形體來說，上面的條件只是必要條件(或多體中),二力桿,1.1.2力的基本性質(zhì),21:43,ccj_hly,只有兩個力作用下處于平衡的物體,,,,,,,,,,,

7、二力構(gòu)件,,,,,,,,,,,,,,不是二力構(gòu)件,1.1.2力的基本性質(zhì),21:43,ccj_hly,,,公理三 (加減平衡力系原理),可以在作用于剛體的任何一個力系上加上或去掉幾個互成平衡的力，而不改變原力系對剛體的作用。,1.1.2力的基本性質(zhì),,,,,F1,,F1,F2,F3,=,21:43,ccj_hly,推論1 (力在剛體上的可傳性),作用于剛體的力，其作用點(diǎn)可以沿作用線在該剛體內(nèi)前后任意移動，而不改變它對該剛體的作用,=,=,1.1.2力的基本性質(zhì),,,,,（作用在剛體上的）力的三要素可以敘述為： 大小、方向、作用線,21:43,ccj_hly,推論2 (三力平衡匯交定理) 當(dāng)剛

8、體在三個力作用下平衡時，設(shè)其中兩力的作用線相交于某點(diǎn)，則此三力必在同一平面里，且第三力的作用線必定也通過這個匯交點(diǎn)。,,,,,,F1,F3,,F,F2,=,證明：,A3,1.1.2力的基本性質(zhì),21:43,ccj_hly,公理四 (作用和反作用定律) 任何兩個物體間的相互作用的力，總是大小相等，作用線相同，但指向相反，并同時分別作用于這兩個物體上。,1.1.2力的基本性質(zhì),例 吊燈,在畫物體受力圖時要注意此公理的應(yīng)用。,21:43,ccj_hly,判斷題 （1）作用在一個物體上有三個力，當(dāng)這三個力的作用線匯交于一點(diǎn)時，則此力系必然平衡。 （2）兩端用光滑鉸鏈連接的構(gòu)件是二力構(gòu)件。 （3）力有兩

9、種作用效果，即力可以使物體的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，也可以使物體發(fā)生變形。 （4）懸掛的小球靜止不動是因?yàn)樾∏驅(qū)K向下的拉力和繩對小球向上的拉力相互抵消的緣故。 （5）作用在一個剛體上的任意兩個力成平衡的必要與充分條件是：兩個力的作用線相同、大小相等、方向相反。,練習(xí)與思考,21:43,ccj_hly,約束反力：約束對被約束物體的作用力叫約束反力。,一、概念,自由體：位移不受限制的物體叫自由體，如汽球。,非自由體：位移受限制的物體叫非自由體，如在槽內(nèi)綠球。,約束：對非自由體的某些位移預(yù)先施加的限制條件稱為約束。 （這里，約束是名詞，而不是動詞的約束。）,,,,,,,主動力：物體所受的約束力以外的

10、其他力。,12 約束和約束反力,大小常常是未知的； 方向總是與約束限制的物體的位移方向相反； 作用點(diǎn)在物體與約束相接觸的那一點(diǎn)。,約束反力特點(diǎn)：,12 約束和約束反力,21:43,ccj_hly,1、光滑接觸面約束,,12 約束和約束反力,約束反力作用在接觸點(diǎn)處，方向沿公法線，指向受力物體,21:43,ccj_hly,1、光滑接觸面約束,,12 約束和約束反力,光滑接觸面對非自由體的約束力，作用在接觸處；方向沿接觸處的公法線并指向受力物體，故稱為法向約束力。一般用 FN表示。,21:43,ccj_hly,,,12 約束和約束反力,2、柔繩、鏈條、膠帶構(gòu)成的約束：,柔軟體約束本身只能承受拉力。故

11、該類約束力，作用在連接點(diǎn)處，方向沿著柔軟體的軸線，而方向沿著繩索背離物體。通常用F或FT表示。只能是拉力。,21:43,ccj_hly,12 約束和約束反力,膠帶約束力沿輪緣的切線方向背離皮帶輪，即為拉力。,,21:43,ccj_hly,3、光滑圓柱鉸鏈約束,12 約束和約束反力,(1) 向心軸承：,21:43,ccj_hly,12 約束和約束反力,軸可以在孔內(nèi)任意轉(zhuǎn)動，也可以沿孔的中心線移動；但是，軸承阻礙著軸沿徑向向外的位移。 當(dāng)主動力尚未確定時，約束反力的方向預(yù)先不能確定，但是 它的作用線必垂直于軸線并通過軸心，可用兩個大小未知的正交分力FAx、FAy表示。,特點(diǎn)：,21:43,ccj

12、_hly,(2) 圓柱鉸鏈,12 約束和約束反力,21:43,ccj_hly,12 約束和約束反力,A,A,A,A,21:43,ccj_hly,,,,Fy,Fx,(3) 固定鉸鏈支座：,,,12 約束和約束反力,21:43,ccj_hly,12 約束和約束反力,特點(diǎn),只限制兩物體徑向的相對移動，而不限制兩物體繞鉸鏈中心的相對轉(zhuǎn)動及沿軸的位移 約束反力的方向預(yù)先不能確定，但是 它的作用線必垂直于軸線并通過鉸鏈中心，可用兩個大小未知的正交分力FAx、FAy表示。 向心軸承、圓柱鉸鏈和固定鉸鏈，他們的結(jié)構(gòu)雖然不同，但構(gòu)成約束的性質(zhì)是相同的，都可表示為光滑鉸鏈。,21:43,ccj_hly,4 其

13、他約束,F,F,,,12 約束和約束反力,,,F,,,,(1) 滾動支座,不能限制物體沿約束表面切線的位移，只能阻礙物體沿接觸表面法線。約束反力垂直于支承面，并通過鉸鏈中心。通常用FN表示。,21:43,ccj_hly,12 約束和約束反力,,(2) 球鉸鏈,構(gòu)件在球心不能有任何位移，但構(gòu)件可繞球心任意轉(zhuǎn)動。約束反力通過球心，方向不確定的，可用三個正交分力FAx、FAy、FAz,21:43,ccj_hly,12 約束和約束反力,(3)止推軸承：,除了能限制軸的徑向位移以外，還能限制軸沿軸向的移動。 約束反力可用三個正交分力FAx、FAy、FAz表示。,21:43,ccj_hly,練習(xí)與思考,判

14、斷題,1、凡在兩個力作用下的構(gòu)件稱為二力構(gòu)件（ ）,2、光滑圓柱形鉸鏈約束的約束反力，一般可用兩個相互垂直的分力表示，該兩分力一定要沿水平和鉛垂方向。（ ）,3、約束力的方向必與該約束所阻礙的物體運(yùn)動方向相反（ ）,21:43,ccj_hly,練習(xí)與思考,畫出下列指定物體的受力圖,21:43,ccj_hly,練習(xí)與思考,解：,FA,FB,FA,FD,FB,FA,FD,FB,FA,FB,FA,FB,FAY,FAX,FB,21:43,ccj_hly,13 受力分析和受力圖,一、受力分析 解決力學(xué)問題時，首先要選定需要進(jìn)行研究的物體，即選擇研究對象；然后根據(jù)已知條件，約束類型并結(jié)合基本概念和公理分

15、析它的受力情況，這個過程稱為物體的受力分析。 作用在物體上的力有：一類是:使物體具有運(yùn)動趨勢的力稱為物體所受的主動力,如重力,風(fēng)力,氣體壓力等。 二類是：被動力，限制物體運(yùn)動的力為約束反力。,21:43,ccj_hly,13 受力分析和受力圖,二、畫受力圖的方法與步驟： 1、取分離體（研究對象） 2、畫出研究對象所受的全部主動力（使物體產(chǎn)生 運(yùn)動或運(yùn)動趨勢的力） 3、在存在約束的地方，按約束類型逐一畫出約束 反力（研究對象與周圍物體的連接關(guān)系）,21:43,ccj_hly,用力F 拉動碾子以軋平路面,重為P 的碾子受到一石塊的阻礙，如圖所示。試畫出碾子的受力圖。,例 1,13 受力分析和受力圖

16、,21:43,ccj_hly,碾子的受力圖為:,解：,例 1,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,例2,,P,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,,,例3 尖點(diǎn)問題,FA,FB,FD,FC,FB,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,例4,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,例5,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,解：,(1) 物體B 受兩個力作用：,(2) 球A 受三個力作用：,(3) 作用于滑輪C 的力：,13 受力分析和受力圖,例6 在圖示的平面系統(tǒng)中，勻質(zhì)球A重為P，借本身重量和摩擦不計的理想滑輪C 和柔繩

17、維持在仰角是 的光滑斜面上，繩的一端掛著重為Q 的物體B。試分析物體B、球A 和滑輪C 的受力情況，并分別畫出平衡時各物體的受力圖。,21:43,ccj_hly,解：,1、桿BC 所受的力：,2、桿AB 所受的力：,表示法一：,表示法二：,例7 等腰三角形構(gòu)架ABC 的頂點(diǎn)A、B、C 都用鉸鏈連接，底邊AC 固定，而AB 邊的中點(diǎn)D 作用有平行于固定邊AC 的力F，如圖113(a)所示。不計各桿自重，試畫出AB 和BC 的受力圖。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,畫受力圖應(yīng)注意的問題,要注意力是物體之間的相互機(jī)械作用。因此對于受力體所受的每一個力，都應(yīng)能明確地指出它是哪一個

18、施力體施加的。,,13 受力分析和受力圖,除重力、電磁力外，物體之間只有通過接觸才有相互機(jī)械作用力，要分清研究對象（受力體）都與周圍哪些物體（施力體）相接觸，接觸處必有力，力的方向由約束類型而定。,,2、不要多畫力,要注意力是物體之間的相互機(jī)械作用。因此對于受力體所受的每一個力，都應(yīng)能明確地指出它是哪一個施力體施加的。,1、不要漏畫力,,21:43,ccj_hly,即受力圖一定要畫在分離體上。,13 受力分析和受力圖,約束反力的方向必須嚴(yán)格地按照約束的類型來畫，不能單憑直觀或根據(jù)主動力的方向來簡單推想。在分析兩物體之間的作用力與反作用力時，要注意，作用力的方向一旦確定，反作用力的方向一定要與之

19、相反，不要把箭頭方向畫錯。,即受力圖一定要畫在分離體上。,21:43,ccj_hly,對于某一處的約束反力的方向一旦設(shè)定，在整體、局部或單個物體的受力圖上要與之保持一致。,13 受力分析和受力圖,一個力，屬于外力還是內(nèi)力，因研究對象的不同，有可能不同。當(dāng)物體系統(tǒng)拆開來分析時，原系統(tǒng)的部分內(nèi)力，就成為新研究對象的外力。,對于某一處的約束反力的方向一旦設(shè)定，在整體、局部或單個物體的受力圖上要與之保持一致。,21:43,ccj_hly,例8 畫出下列各構(gòu)件的受力圖(外力作用于鉸鏈時應(yīng)如何考慮),13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,例8 畫出下列各構(gòu)件的受力圖(外力作用于BC時應(yīng)如何考

20、慮),13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,例8 畫出下列各構(gòu)件的受力圖(外力作用于AC時應(yīng)如何考慮),13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,例9 畫出下列各構(gòu)件的受力圖,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,例 10,如圖所示，梯子的兩部分AB和AC在A點(diǎn)鉸接，又在D ，E兩點(diǎn)用水平繩連接。梯子放在光滑水平面上，若其自重不計，但在AB的中點(diǎn)處作用一鉛直載荷F。試分別畫出梯子的AB，AC部分以及整個系統(tǒng)的受力圖。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,1.梯子AB 部分的受力圖。,解：,2.梯子AC 部分的受力圖。,13 受力分析和受力圖

21、,21:43,ccj_hly,3.梯子整體的受力圖。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,例 11,如圖所示，重物重為P ,用鋼絲繩掛在支架的滑輪B上，鋼絲繩的另一端繞在鉸車D上。桿AB與BC鉸接，并以鉸鏈A，C與墻連接。如兩桿與滑輪的自重不計并忽略摩擦和滑輪的大小，試畫出桿AB和BC以及滑輪B的受力圖。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,解,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,例12 如圖所示壓榨機(jī)中，桿AB 和BC 的長度相等，自重忽略不計。A ，B，C ，E 處為鉸鏈連接。已知活塞D上受到油缸內(nèi)的總壓力為F = 3kN，h = 200 m

22、m，l =1500 mm。試畫出桿AB ，活塞和連桿以及壓塊C 的受力圖。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,,解：,1.桿AB 的受力圖。,2. 活塞和連桿的受力圖。,3. 壓塊 C 的受力圖。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,如圖所示平面構(gòu)架，由桿AB ， DE及DB鉸接而成。鋼繩一端拴在K處，另一端繞過定滑輪和動滑輪后拴在銷釘B上。重物的重量為P，各桿和滑輪的自重不計。（1）試分別畫出各桿，各滑輪，銷釘B以及整個系統(tǒng)的受力圖；（2）畫出銷釘B與滑輪一起的受力圖；（3）畫出桿AB ，滑輪 ， ，鋼繩和重物作為一個系統(tǒng)時的受力圖,例13,13 受力分析和

23、受力圖,21:43,ccj_hly,解：,2. 桿AB（B處仍為沒有銷釘?shù)目祝┑氖芰D。,1. 桿BD（B處為沒有銷釘?shù)目祝┑氖芰D。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,3. 桿DE的受力圖。,4. 輪 (B處為沒有銷釘?shù)目祝┑氖芰D。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,5. 輪的受力圖。,6. 銷釘B的受力圖。,7. 銷釘B與滑輪 一起的受力圖。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,8. 整體的受力圖。,9. 桿AB，滑輪， 以及重物、鋼繩（包括銷釘B）一起的受力圖。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,重為P 的重物懸掛在

24、滑輪支架系統(tǒng)上，如圖所示。設(shè)滑輪的中心B與支架ABC相連接，AB為直桿，BC為曲桿，B為銷釘。若不計滑輪與支架的自重，畫出各構(gòu)件的受力圖。,例14,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,解：,1. 桿 AB 的受力圖。,2. 桿 BC 的受力圖。,3. 輪 B (B處為沒有銷釘?shù)目祝┑氖芰D。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,4. 銷釘 B 的受力圖。,5. 輪 D 的受力圖。,6. 輪 I 的受力圖。,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,13 受力分析和受力圖,21:43,ccj_hly,小結(jié),1、理解力、剛體、平衡和約束等重要概念,2、理解靜力學(xué)公理及力的基本性質(zhì),3、明確各類約束對應(yīng)的約束力的特征,4、能正確對物體進(jìn)行受力分析,