理論力學實驗

1、?理論力學實驗?講義前 言科學和經(jīng)濟的開展，市場經(jīng)濟體系的建立，人才聘用的市場化，都對大學生的實際能力提出了很高的要求。培養(yǎng)和訓練大學生的分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)和訓練大學生的實踐動手能力，是課程建設(shè)和課程教學的根本目標，為此，我們突破長期以來?理論力學?課程教學無實驗的狀態(tài)，初步建設(shè)了理論力學實驗室，開展了?理論力學?實踐教學活動。?理論力學實驗?作為?理論力學?新教學體系的重要組成局部，目的是通過這樣一組實踐教學環(huán)節(jié)的實施，開闊學生的眼界，加強?理論力學?的工程概念，了解這門課程與工程實際的緊密關(guān)系，培養(yǎng)、鍛煉學生的創(chuàng)新思維和科研能力。大量與?理論力學?相關(guān)的產(chǎn)品和科研成果作為?理論

2、力學實驗?實踐教學的內(nèi)容，通過參觀圖片實物、實驗演示以及學生自己觀察、分析和動手實踐到達實驗的目的。實驗的結(jié)果考核將采取填寫實驗報告、撰寫小論文和交習作的形式進行。目前，?理論力學實驗?主要包括三項內(nèi)容：1、 靜力學、運動學和動力學創(chuàng)新應(yīng)用實驗。2、 動力學參數(shù)測定實驗3、 運動學和動力學計算機模擬仿真實驗。第一項實驗 靜力學、運動學和動力學創(chuàng)新應(yīng)用實驗一 實驗?zāi)康?、 通過大量工業(yè)產(chǎn)品和科技成果向?qū)W生展示?理論力學?的工程意義和工程應(yīng)用，開闊學生的眼界。2、 通過學生對大量工業(yè)產(chǎn)品和科技成果的觀察分析，通過學生動手操作，加深對?理論力學?根本概念的理解，穩(wěn)固力學分析方法的掌握。3、 培養(yǎng)、訓

3、練學生的創(chuàng)新思維，提高、鍛煉他們建立力學模型的能力。二 儀器設(shè)備1、 掛圖、照片。2、 40余套產(chǎn)品、模型、設(shè)備和零部件。三 實驗內(nèi)容一 靜力學局部一曲柄滾輪擠水拖把的受力分析與過程其計算簡圖如圖2，應(yīng)用虛位移原理可以得出和的關(guān)系。二者的過程關(guān)系如下列圖： 二桑塔那汽車用的千斤頂受力分析與自鎖條件千斤頂受到平面匯交力系的作用，車重，容易求得和。進一步，利用虛位移原理，可以求得手柄作用力：當螺紋升角小于摩擦角時，千斤頂還將發(fā)生自鎖現(xiàn)象：三膨脹螺釘?shù)膽?yīng)用技術(shù)與約束反力分析如圖，膨脹螺釘?shù)募s束反力是一空間力系：之所以能固接在墻中，機理如圖，越大，靜摩擦力也越大。四管子鉗的受力分析與剪刀鉗的受力分析管

4、子鉗的設(shè)計充分利用了力學原理：五兔子撓骨抗扭強度測試儀空間力偶等效理論的應(yīng)用測試儀利用空間力偶等效理論，對下列圖的撓骨進行扭矩和轉(zhuǎn)角的實驗：得到二者的關(guān)系如圖： 其中右圖為扭矩和愈合天數(shù)的關(guān)系曲線圖。六挖掘機部件的受力分析與求解各油缸的推力或拉力靈活、正確的選取研究對象是求解靜力學問題的訣竅，如下圖的挖掘機受力分析：七靜、動滑動摩擦因數(shù)的測定裝置利用圖示測定裝置可以測定材料靜、滑動摩擦因數(shù)：簡化得到力學模型：利用臨界條件和newton定律可以求得靜、動摩擦因數(shù)。八壓延機的摩擦因數(shù)問題壓延機的壓延厚度和摩擦因數(shù)有關(guān)。如下圖，要使得壓延產(chǎn)生，必須使合力向右，進而可以求得厚度和因數(shù)的關(guān)系：剝毛豆機是

5、一應(yīng)用實例。九滑動摩擦不自鎖自動關(guān)門的搖皮該設(shè)計同樣應(yīng)用了自鎖原理，當升角或傾角不小于摩擦角時，機構(gòu)無法實現(xiàn)靜平衡。十翻倒問題與起重機的穩(wěn)定度這是典型的平面平行力系的平衡問題，利用臨界條件，可以求出平衡塊的限重和穩(wěn)定度：十一螺旋壓榨機或螺旋拔銷爪利用虛位移原理，可以求出主動力和反作用力之間的關(guān)系：其中：為螺旋半徑，為螺紋升角。十二桁架在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用與計算工程實際中的橋梁設(shè)計廣泛應(yīng)用了理論力學的知識：A拱橋材料一般為脆性材料，單個構(gòu)件受到平面匯交力系作用：B桁架結(jié)構(gòu)橋構(gòu)件受到平面匯交力系或一般力系的作用，應(yīng)用節(jié)點法或截面法可以求解： 下列圖為一跨珩架在自重和一般載荷作用下的受力圖：C懸索橋

6、懸索上的每一個節(jié)點為一平面匯交力系作用點：D斜拉橋 E公路橋必須指出，以上各種橋梁除了需要進行靜力平衡分析外，還需要進行動力計算，如模態(tài)分析，固有頻率計算等。十三應(yīng)力集中概念、空間杠桿原理和彎曲技術(shù)在磁磚切割機上的綜合應(yīng)用瓷磚切割機綜合應(yīng)用了材料力學中的應(yīng)力集中、理論力學中的杠桿原理和彎曲技術(shù)：二 運動學局部一計算機驅(qū)動器變角速度的控制驅(qū)動器中包含有渦輪蝸桿機構(gòu)、摩擦傳動和凸輪緊固等。為保證線速度不變，在信號接受點不斷變動的情況下，驅(qū)動器轉(zhuǎn)盤的角速度也是時變的：二旋轉(zhuǎn)式、往復(fù)式剃須刀的比擬，曲柄框架機構(gòu)與外殼振動控制的技術(shù)下列圖為剃須刀的示意圖，其中包括可剃須區(qū)和不可剃須區(qū)：在電機轉(zhuǎn)速為定值的

7、情況下，根據(jù)切削速度和轉(zhuǎn)速的正比關(guān)系容易確定出最正確效果的剃須區(qū)域。應(yīng)用曲柄框架機構(gòu)，將電機轉(zhuǎn)動變?yōu)榈镀钠絼?，顯然比上面的旋轉(zhuǎn)式更為合理和有效：為了防止振動，可以采取兩種方法：一是在曲柄上裝偏心塊；二是采用兩排運動方向相反的動刀片。三推土機的機構(gòu)運動與分析其中OABC為一四連桿機構(gòu)。四多功能萬花尺剛體平面運動時，平面圖形上各點有不同的軌跡小齒輪作平面運動，各個點的運動軌跡不同。五剝線鉗的運動特征機構(gòu)把剝線的兩個過程統(tǒng)一起來。六跳“的嗒舞“踢踏舞音樂鞋的傳動機構(gòu)與運動分析跳舞鞋利用剛體定軸轉(zhuǎn)動理論中的多級齒輪傳動和凸輪傳動，左右兩只鞋的凸輪設(shè)計成相位差45度，即可實現(xiàn)“的嗒節(jié)拍。七繞線器的轉(zhuǎn)速

8、比與圈數(shù)指示器利用剛體定軸轉(zhuǎn)動的角速度轉(zhuǎn)速和齒數(shù)之間成反比的關(guān)系，容易實現(xiàn)圈數(shù)的計算。八懸浮平衡與氣流速度測定儀 利用懸浮力和流速的關(guān)系可以實現(xiàn)懸浮平衡和物料輸送，還可以測定流速。九不可見軸轉(zhuǎn)速的測定方法利用曲柄滑塊機構(gòu)把轉(zhuǎn)動變?yōu)槠絼拥奶攸c，可以通過測定平動的加速度來確定轉(zhuǎn)動的角速度。十評估房屋抗震特性的方法與分析通過安裝加速度傳感器的方法來模擬地震，進而設(shè)計減震器。三 動力學局部一非均質(zhì)發(fā)動機搖桿對軸轉(zhuǎn)動慣量的等效方法A 均質(zhì)圓盤轉(zhuǎn)動慣量求法與誤差分析 理論值計算公式：從線性振動微分方程推導(dǎo)，利用實測數(shù)據(jù)得出的計算公式：經(jīng)過驗證，擺長對于測量誤差有重要影響越長精度越高。B 等效方法在物體為非

9、均質(zhì)的情況下，如果a、b兩者的質(zhì)量和擺周期相同，那么它們的轉(zhuǎn)動慣量亦相同，而后一種情形的轉(zhuǎn)動慣量是可以計算得到的。C高科技上的拓寬應(yīng)用二拳擊機拳擊力的標定方法動力學普遍定理的綜合應(yīng)用與恢復(fù)系數(shù)利用動能定理、動量定理和碰撞理論中恢復(fù)系數(shù)的定義，可以求出拳擊力和恢復(fù)系數(shù)：三單自由度振動系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用A復(fù)擺應(yīng)用在“小爬蟲上使一個貧困村致富B音樂的節(jié)拍器 擺動周期和轉(zhuǎn)動慣量的平方根成正比。C電視塔用一串單擺控制“風振 利用11個質(zhì)量不同、擺長不同的單擺構(gòu)成的頻帶同塔自身的一階模態(tài)和氣流風譜頻帶相仿，使得塔振動產(chǎn)生的能量由單擺消除，到達控制“風振的目的。D扭振減振器控制曲軸振動減震器的頻率設(shè)計和曲軸

10、的頻率一樣，使得曲軸系統(tǒng)的局部能量轉(zhuǎn)化為減震器的能量，從而減少了曲軸的震動，提高了使用壽命。四汽車振動兩自由度模型汽車在鉛直平面內(nèi)的振動可以簡化為二自由度系統(tǒng)的模型：其兩個主振型如圖：五質(zhì)點系動量定理的演示圖示的彈性球系在理想情況下滿足動能守恒和動量守恒：六振動電機及其在工程中的應(yīng)用這是一種新型電機，它將動力源和振動源合在一起，能產(chǎn)生可變的激振力：以上是兩種振動電機。七平衡的四個問題A靜力不平衡 B靜力平衡 C動力不平衡D動力平衡八振動產(chǎn)生優(yōu)美動聽的音樂A吉它琴的弦振動 根據(jù)上圖可以寫出數(shù)理方程，進一步求出振動頻率。B八音琴的梁振動利用勢能動能的相互轉(zhuǎn)化和振動理論設(shè)計的八音琴： C汽車喇叭的膜

11、振動九隔振理論及各種隔振器A確定性振動的隔振理論 隔振的兩種方法主動隔振和被動隔振： B各種減振器及應(yīng)用四 實驗要求：1、 積極動腦、動手，觀察、討論。2、 每人至少完成1篇小論文。論文要求WORD文檔，AUTOCAD繪圖，字數(shù)至少1000個漢字，A4紙打印。期末考試之前交。3、 保護實驗室內(nèi)所有儀器、設(shè)備、模型、實物。第二項實驗 動力學參數(shù)測定實驗一. 實驗?zāi)康?、 加深對動力學參數(shù)的理解。2、 掌握動力學參數(shù)測定某些方法。3、 鍛煉分析能力、實驗方法設(shè)計能力和實驗操作能力。二. 儀器設(shè)備1、 多功能試驗臺。2、 常規(guī)測量儀器。三. 實驗內(nèi)容1、 轉(zhuǎn)動慣量的測定和誤差分析。2、 固有頻率的測

12、定和分析。3、 求重心的實驗方法。4、 四種載荷的區(qū)別和實驗。5、 轉(zhuǎn)子動平衡和動不平衡實驗。6、 自激振動實驗。四. 實驗要求1、 認真觀看“理論力學多功能實驗臺ZME1型介紹光盤，了解六個實驗的具體內(nèi)容、使用儀器及操作步驟。做好實驗前的準備工作。2、 自己動手操作實驗。3、 認真填寫實驗報告。4、 保護試驗臺和實驗儀器、設(shè)備。理論力學多功能實驗臺ZME1型實驗報告班級_學號 _姓名_日期_一、 實驗前的準備工作1、 觀看“理論力學多功能實驗臺ZME1型介紹光盤約15分鐘，了解六個實驗的具體內(nèi)容、使用儀器及操作步驟。2、 觀看理論力學實驗一的噴墨板，了解六個實驗的內(nèi)容與方法。二、 按序進行六

13、個實驗，并記錄數(shù)據(jù)三學時左右1、 求彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率：高壓輸電線模型的質(zhì)量m=0.138(kg)，砝碼規(guī)格分別為100克和200克。方法：分次掛砝碼，記錄振體的豎向變形砝碼重WNW11W22W33W44變形lmm計算：單自由度的等效剛度 _N/m固有振動頻率_Hz2、 觀察自激振動、自由振動、受迫振動的現(xiàn)象，記錄電壓、轉(zhuǎn)速、風速、振幅的數(shù)據(jù)，繪制振幅與風速的關(guān)系曲線。電壓V80100120140160180200轉(zhuǎn)速rpm風速m/s振幅mm 3、 實驗方法求重心（1） 懸吊法對組合型鋼懸吊兩次，圖示出重心位置2設(shè)法對連桿水平擱置，用臺秤稱出連桿重量_(N)求出連桿的重心_(cm)4、 觀

14、察四種不同載荷，畫出力與時間的關(guān)系曲線示意圖FN漸加FN沖擊t(s)t(s)FN突加FN振動t(s)t(s)5、 用三線擺求圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，并示出線長l對測量誤差的影響：圓盤直徑，D=100(mm)，厚度(mm)，材料比重g/cm3，吊線半徑r=38mm。圓盤轉(zhuǎn)動慣量的理論計算_(kgm2)通過秒表測量三線擺周期，按公式計算轉(zhuǎn)動慣量_(kgm2)線長lcm203040506070轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)誤差6、 用等效方法求非均質(zhì)發(fā)動機搖臂的轉(zhuǎn)動慣量選擇誤差可接受的三線擺線長60cm，等效用圓柱直徑d20mm，高h18mm，材料比重 g/cm3，兩個圓柱對中心軸轉(zhuǎn)動慣量的計算公式為距離Smm304

15、05060周期Ts轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)測量與兩個圓柱等重的非均質(zhì)發(fā)動機搖臂的扭振周期_(s)應(yīng)用上表及插入法，求得搖臂的轉(zhuǎn)動慣量_(kgm2)三、 請簡述通過這次實驗的收獲1、 如何利用現(xiàn)有的實驗裝置與配件，演示受迫振動？2、 四種不同載荷分別作用于同一座橋上時，哪一種最不平安？3、 分析發(fā)動機搖臂質(zhì)心與軸心相距較大時，對實驗精度的影響。4、 請簡述通過這次實驗的收獲。第三項實驗 運動學與動力學計算機模擬仿真實驗一、 實驗?zāi)康?、 學習、掌握靜力學、運動學和動力學模擬仿真方法。2、 學習、了解、熟悉國際上通用軟件的使用。3、 學習培養(yǎng)工程問題的力學建模能力、力學模型的創(chuàng)新設(shè)計能力。二、 實驗工

16、具1、 硬件：計算機。2、 軟件：?理論力學求解器?。三、 實驗內(nèi)容1、 靜平衡分析：定義結(jié)構(gòu)，自由度分析，仿真計算，確定結(jié)構(gòu)的平衡位形。2、 運動學分析：定義結(jié)構(gòu)、參考基和約束，自由度分析，仿真計算，以數(shù)據(jù)、曲線和動畫輸出分析結(jié)果。3、 動力學分析：定義結(jié)構(gòu)、參考基和約束，定義載荷，自由度分析，仿真計算，以數(shù)據(jù)、曲線和動畫輸出分析結(jié)果。四、 實驗步驟1、 建立、翻開或保存文件。靜力學、運動學和動力學分析分別以*.xyy、*.xh、*.hxh的格式儲存和調(diào)用。2、 圖形操作2.1 圖形單位：千米、米、分米、厘米默認或毫米。2.2 圖幅定義：默認值為16001600。2.3 原點定義：慣性基基點

17、a, b定義在屏幕左上角，其中，a向右為正值，b向下為正值。2.4 圖形放大或縮小3、 系統(tǒng)參數(shù)3.1 定義物體輸入外形參數(shù)長度和高度，構(gòu)件的位形連體基基點位置和姿態(tài)角。3.2 定義鉸滑移鉸：鉸號、參考點坐標、方向角、內(nèi)接物體B、外接物體B。旋轉(zhuǎn)鉸：鉸號、參考點坐標。齒輪副：鉸號、內(nèi)接物體號、內(nèi)接節(jié)園半徑R、內(nèi)接物體x軸到連心線的轉(zhuǎn)角逆時針方向、內(nèi)接物體轉(zhuǎn)軸在該物體連體基上的坐標(aQ，bQ)；外接物體號、外接節(jié)園半徑R、外接物體x軸到連心線的轉(zhuǎn)角逆時針方向、外接物體轉(zhuǎn)軸位置(aP，bP)。目前軟件僅提供外接齒輪類型。齒輪齒條副：鉸號、齒條是否作用在基座的選擇、齒輪所附的物體號、齒輪半徑R、參

18、考線轉(zhuǎn)角逆時針方向、齒輪軸位置(aP，bP)；齒條所附的物體號、齒條方向角逆時針方向、嚙合點位置(aQ，bQ)。注：對于連接制作的齒輪副和齒輪-齒條副，在定義時應(yīng)通過點擊系統(tǒng)參數(shù)菜單中的齒輪副和齒輪-齒條副參數(shù)項，再點擊繪圖板區(qū)域中的支座，然后在彈出的對話框中的步驟來定義。3.3 定義力元運動學分析中無此項彈簧元：內(nèi)接物體號、外接物體號、在內(nèi)接物體上的位置(aQ，bQ)、在外接物體上的位置(aP，bP)，彈簧原長，彈簧特性中的參數(shù)選擇。3.4 外載運動學分析中無此項 軟件當前僅提供四種外載荷類型：重力、集中力、分布力合力偶。 重力：重力加速度的大小和方向。集中力：受力物體號、力的作用點在該物體連體基的坐標(a，b)、力的大小、力的方向與x軸的夾角以及該軸所屬的參考基慣性基或連體基。分布力：受力物體號、力的作用區(qū)域a1，a 1兩端載荷集度。力偶：受力物體號、大小。3.5 鉸參數(shù)的修改 點擊系統(tǒng)參數(shù)菜單中鉸參數(shù)修改項，再點擊繪圖區(qū)域中的物體，將依次彈出該物體上所有鉸參數(shù)對話框，即可修改鉸參數(shù)。4、 仿真計算4.1 運動學分析模塊：計算過程：參數(shù)設(shè)定、