第二章 工程力學(xué)基礎(chǔ)

第二章工程力學(xué)基礎(chǔ)1第1頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械的類型從廣義角度講，凡是能完成一定機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置都是機(jī)械。根據(jù)用途不同，機(jī)械可分為：（1）動(dòng)力機(jī)械實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與其他形式能量間的轉(zhuǎn)換。（風(fēng)磨、水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)）（2）加工機(jī)械改變物料的結(jié)構(gòu)形狀、性質(zhì)及狀態(tài)。（破碎機(jī)、過濾機(jī)、攪拌機(jī)、反應(yīng)器、混合機(jī)、分離設(shè)備）（3）運(yùn)輸機(jī)械改變?nèi)嘶蛭锪系目臻g位置。（4）信息機(jī)械獲取或處理各種信息。第2頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月化工機(jī)械：化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中所用的機(jī)器和設(shè)備的總稱?；どa(chǎn)中為了將原料加工成一定規(guī)格的成品，往往需要經(jīng)過原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)產(chǎn)物的分離和精制等一系列化工過程，實(shí)現(xiàn)這些過程所用的機(jī)械，常常都被劃歸為化工機(jī)械。如各種過濾機(jī)、破碎機(jī)、離心分離機(jī)、攪拌機(jī)、旋轉(zhuǎn)干燥機(jī)以及流體輸送機(jī)械等。容器（槽、罐、釜等）、普通窯、塔器、反應(yīng)器、換熱器、普通干燥器、蒸發(fā)器，反應(yīng)爐、電解槽、結(jié)晶設(shè)備、傳質(zhì)設(shè)備、吸附設(shè)備、流態(tài)化設(shè)備、普通分離設(shè)備以及離子交換設(shè)備等。制藥設(shè)備屬于化工機(jī)械？農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、造紙機(jī)械、印刷機(jī)械等。第3頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)器設(shè)備的組成根據(jù)功能的不同，一部完整的機(jī)器由以下四部分組成：1.原動(dòng)部分：機(jī)器的動(dòng)力來源。2.工作部分：完成工作任務(wù)的部分。3.傳動(dòng)部分：把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給工作機(jī)。4.控制部分：使機(jī)器的原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分、工作部分按一定的順序和規(guī)律運(yùn)動(dòng)，完成給定的工作循環(huán)。第4頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)件：運(yùn)動(dòng)的單元，即在運(yùn)動(dòng)中是不可再分的單元體；機(jī)器中每一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元；構(gòu)件可能是一個(gè)零件，也可能是幾個(gè)零件的剛性組合。機(jī)構(gòu)：兩個(gè)或兩個(gè)以上的構(gòu)件通過活動(dòng)聯(lián)接以實(shí)現(xiàn)規(guī)定運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組合。機(jī)械的組成部分。機(jī)械是一種人為的實(shí)物構(gòu)件的組合。零件：組成機(jī)械和機(jī)器的不可分拆的單個(gè)制件。零件是機(jī)械制造過程中的基本單元。如軸套、軸瓦、螺母、曲軸、葉片、齒輪、凸輪、連桿體、連桿頭等。零件是機(jī)械制造過程中的基本單元。第5頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月力學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地理、生物并列為七大基礎(chǔ)學(xué)科。力學(xué)的發(fā)展源遠(yuǎn)流長。20世紀(jì)前，機(jī)械工業(yè)、大水利工程、大跨度橋梁、鐵路與機(jī)車、船舶、兵器等近代工業(yè)，無一不是在力學(xué)知識積累和完善的基礎(chǔ)上產(chǎn)生與發(fā)展起來的。例如，高新技術(shù)領(lǐng)域中的航空航天技術(shù)(包括人類登月、建立空間站、航天飛機(jī)和衛(wèi)星測控)主要靠力學(xué)而發(fā)展。一架載客400人的波音747飛機(jī)，其質(zhì)量超過100t，這樣的龐然大物，竟然可以自由翱翔于空中，是得益于近代空氣動(dòng)力學(xué)的成就；在飛機(jī)遇到不穩(wěn)定氣流時(shí)，其機(jī)翼能夠克服上下顫動(dòng)，確保航行安全，則是固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的成就；客機(jī)跨海越洋，遙遙數(shù)萬里，無論晝夜，都能準(zhǔn)確無誤地到達(dá)終點(diǎn)，既不會(huì)延誤，也不會(huì)迷路，更不會(huì)失控，這是導(dǎo)航與自動(dòng)控制技術(shù)的貢獻(xiàn)，其最核心的技術(shù)卻是一般力學(xué)研究的成果。第6頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月生產(chǎn)過程中，使用的任何機(jī)械或設(shè)備的構(gòu)件，都應(yīng)該滿足適用、經(jīng)濟(jì)、安全的三個(gè)基本要求。金屬構(gòu)件失效形式：變形、斷裂、腐蝕和磨損等(a)未加壓的圓筒形(b)塑性變形后的鼓脹及斷裂承受內(nèi)壓的304不銹鋼塑性變形及斷裂試驗(yàn)第7頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月過熱管蠕變變形及脹裂液氨管韌性斷裂失效軟鋼斷裂試樣(a)疲勞斷裂(b)靜拉伸斷裂第8頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月為了使機(jī)器或設(shè)備能安全而正常地工作，在設(shè)計(jì)時(shí)必須使構(gòu)件滿足以下三方面的要求：具有足夠的剛度構(gòu)件在外載作用下，抵抗可恢復(fù)變形的能力。

例如機(jī)床主軸不應(yīng)變形過大，否則影響加工精度。滿足穩(wěn)定性要求構(gòu)件在某種外載作用下，保持其原有平衡狀態(tài)的能力。例如柱子不能彎曲等。

對構(gòu)件的三項(xiàng)基本要求具有足夠的強(qiáng)度構(gòu)件在外載作用下，抵抗破壞的能力。例如儲(chǔ)氣罐不應(yīng)爆破。（破壞——斷裂或變形過量不能恢復(fù)）第9頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)件滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求的能力，稱為構(gòu)件的承載能力。工程力學(xué)的任務(wù)就是研究構(gòu)件在外力作用下變形和破壞的規(guī)律，為設(shè)計(jì)構(gòu)件選擇適當(dāng)材料和尺寸，以保證能夠達(dá)到強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。第10頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

上面提到了術(shù)語1、構(gòu)件ComponentorMember：組成機(jī)械的零件或構(gòu)筑物的桿件統(tǒng)稱為構(gòu)件

2、結(jié)構(gòu)Structure：由構(gòu)件組成的體系，工程結(jié)構(gòu)是工程實(shí)際中采用的結(jié)構(gòu)3、載荷Load：構(gòu)件和結(jié)構(gòu)承受的負(fù)載或荷重載荷有——內(nèi)載荷外載荷4、變形Deformation：在載荷的作用下，構(gòu)件的形狀及尺寸發(fā)生的變化稱為變形第11頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月塔吊第12頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)度和剛度第13頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

工程構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度第14頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

自行車結(jié)構(gòu)也有強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定問題第15頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月大型橋梁的強(qiáng)度剛度穩(wěn)定問題第17頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月震驚世界的兩次強(qiáng)度失效事故：

1．“泰坦尼克號”沉沒之謎

1912年4月14日，當(dāng)時(shí)最大最豪華的4600t英制游輪“泰坦尼克號”首次滿載著2227名乘客離開英國的南安普敦港駛向紐約。乘客們都以為自己乘坐的是最豪華、最結(jié)實(shí)的輪船，做夢也不曾想到會(huì)有大禍臨頭。因?yàn)樵摯牡撞恳驯桓舫筛鱾€(gè)獨(dú)立的艙房，任一艙房受損進(jìn)水都不會(huì)影響別的艙房。即使在最壞的情況下，如與別的船相撞導(dǎo)致一部分艙房進(jìn)水，整個(gè)“泰坦尼克號”沉沒至少也需要3天時(shí)間，在那么長的時(shí)間內(nèi)無論如何也能得到救援。因此，這次處女航幾乎可以說是萬無一失的，更何況造船用的是當(dāng)時(shí)最優(yōu)質(zhì)的鋼材。然而，令人遺憾的是，“泰坦尼克號”未能逃脫世界航海史上最大海難事故的命運(yùn)。被稱為“不沉之船”的“泰坦尼克號”連同它的1513位乘客，僅在3小時(shí)內(nèi)就被格陵蘭海冰冷的海水吞沒了。第19頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月這艘偌大的游輪究竟為什么會(huì)沉于海底呢?由于技術(shù)上的原因，直至1991年，第一次科學(xué)考察隊(duì)才開始到水下對殘骸進(jìn)行考察，并收集了殘骸的金屬碎片供科研用。這些碎片以及沉船在海底的狀況使人們終于解開了巨輪“泰坦尼克號”罹難之謎?？疾礻?duì)員們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致“泰坦尼克號”沉沒的兩個(gè)重要細(xì)節(jié)。

一個(gè)細(xì)節(jié)說明，造船工程師們只考慮到船底、船尾或船首有被撞壞的可能性。在深夜里行進(jìn)的“泰坦尼克號”遭遇冰山，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)并想躲避卻為時(shí)已晚。如果值班人員沒有發(fā)現(xiàn)冰山，輪船直接撞到冰山上去的話，或許游輪受損傷進(jìn)水的只是船首部分的艙房，船一定不會(huì)整個(gè)沉沒。但不幸的是，值班員偏偏發(fā)現(xiàn)了冰山，并且懷著僥幸的心理想讓船轉(zhuǎn)過身來躲避冰山，這樣一來，冰山就像一把利刃似的從船的側(cè)面切入，把船攔腰斬?cái)?。這樣，就不是一兩個(gè)艙房進(jìn)水，而是所有的艙房都進(jìn)了水。結(jié)果“泰坦尼克號”在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就覆沒于大海之中了。第20頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二個(gè)細(xì)節(jié)是造船工程師只考慮到要增加鋼的強(qiáng)度，而沒有想到要增加其韌性。把殘骸的金屬碎片與如今的造船鋼材作一對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在“泰坦尼克號”沉沒地點(diǎn)的水溫中，如今的造船鋼材在受到撞擊時(shí)可彎成V形，而殘骸上的鋼材則因韌性不夠而很快斷裂。由此發(fā)現(xiàn)了鋼材的冷脆性，即在-40℃～O℃的溫度下，鋼材的力學(xué)行為由韌性變成脆性，從而導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂。而用現(xiàn)代技術(shù)煉的鋼只有在－70℃～－60℃的溫度下才會(huì)變脆。不過不能責(zé)怪當(dāng)時(shí)的工程師，因?yàn)楫?dāng)時(shí)誰也不知道，為了增加鋼的強(qiáng)度而往煉鋼原料中增加大量硫化物會(huì)大大增加鋼的脆性，以致釀成了“泰坦尼克號”沉沒的悲劇。

第21頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

另據(jù)美國《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)導(dǎo)，一個(gè)海洋法醫(yī)專家小組對打撈起來的“泰坦尼克號”船殼上的鉚釘進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)固定船殼鋼板的鉚釘里含有異常多的玻璃狀渣粒，因而使鉚釘變得非常脆弱、容易斷裂。這一分析表明：在冰山的撞擊下，可能是鉚釘斷裂導(dǎo)致船殼解體，最終使“泰坦尼克號”葬身于大西洋海底。第22頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2．切爾諾貝利核電站為什么發(fā)生大爆炸?

切爾諾貝利核電站是前蘇聯(lián)于1973年開始修建、1977年啟動(dòng)的最大的核電站。1986年4月26日凌晨，兩聲沉悶的爆炸聲打破了核電站周圍的寧靜。隨著爆炸聲，一條30多米高的火柱掀開反應(yīng)堆的外殼，沖向天空。反應(yīng)堆的防護(hù)結(jié)構(gòu)和各種設(shè)備整個(gè)被掀起，溫度高達(dá)2000℃的烈焰吞噬著機(jī)房，熔化了粗大的鋼架。攜帶著高放射性物質(zhì)的水蒸氣和塵埃隨著濃煙升騰彌漫，這次爆炸造成了災(zāi)難性的后果。爆炸釋放的能量相當(dāng)于500顆在廣島投放的原子彈。爆炸破壞了核反應(yīng)堆，使反應(yīng)堆內(nèi)180多噸濃縮鈾燃料的3％被釋放到大氣中，放射性污染遍及前蘇聯(lián)居住著694.5萬人的15萬平方公里的地區(qū)，核電站周圍30km范圍被劃為隔離區(qū)，莊稼被全部掩埋。第23頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

那么，究竟是什么原因釀成了這場災(zāi)難?事后的調(diào)查表明，這是由一系列的操作失誤造成的人為事故。剛完成檢修的第四核反應(yīng)堆重新啟動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生的蒸汽輸向已經(jīng)關(guān)閉的渦輪機(jī)，而能夠關(guān)掉反應(yīng)堆的自動(dòng)保護(hù)裝置卻事先被切斷了。這樣，反應(yīng)堆不斷工作產(chǎn)生蒸汽，卻沒有宣泄的出口。反應(yīng)堆外殼所承受的蒸汽壓力和溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它的設(shè)計(jì)要求，最終引發(fā)了熱能爆炸。

然而，對于人類來說，這次爆炸仍然是“幸運(yùn)”的。因?yàn)樗鼉H僅是一次過熱的蒸汽爆炸，而非核爆炸。否則這對于人類是絕對的滅頂之災(zāi)。這次大爆炸也向人類敲響了警鐘：如何杜絕災(zāi)難性事故的發(fā)生，如何在惡劣的環(huán)境條件下，遏制更大災(zāi)難的發(fā)生，這也是對力學(xué)工作者提出的新的挑戰(zhàn)性課題。第24頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單力學(xué)問題－隊(duì)伍過橋時(shí)不能齊步走高等力學(xué)問題－

沖擊載荷的概念：

人跑步時(shí)腳上的力量有多大？

損傷累積與結(jié)構(gòu)壽命

與跑步的次數(shù)有關(guān)第25頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月腳上的力量假設(shè)人體重量為750N3000N3500N4500N6000N12500N44.76816.7高等力學(xué)問題－

損傷累積與結(jié)構(gòu)壽命

與跑步的次數(shù)有關(guān)

第26頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1物體的受力分析及其平衡條件2.1.1力的概念及其基本性質(zhì)1、力的概念力的概念：物體間的相互機(jī)械作用。

外效應(yīng)：使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變（理論力學(xué)）

內(nèi)效應(yīng)：使物體的形狀發(fā)生改變（材料力學(xué)）

變形：構(gòu)件尺寸與形狀的變化，分為兩類，一類為外力解除后可消失的變形，稱為彈性變形；一類為外力解除后不能消失的變形，稱為塑性變形或殘余變形。剛體：在外力作用下，大小和形狀保持不變的物體。靜力學(xué)中研究的物體均可視為剛體。第27頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-1小車受力圖圖2-2起吊重物受力圖

物體間機(jī)械作用的形式是多種多樣的，力對物體的效應(yīng)取決于力的大小、方向和作用點(diǎn)，這三者稱為力的三要素。

力矢量用一條有向線段表示，線段的長度表示力的大??；線段的方位和箭頭表示力的方向；線段的起點(diǎn)或終點(diǎn)表示力的作用點(diǎn)，力的國際單位為牛[頓]（N）。第28頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月292、力的基本性質(zhì)（1）作用與反作用定律（2）二力平衡定律圖2-3起吊重物受力分析圖2-3起吊重物受力分析第29頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月公理1二力平衡公理作用在剛體上的兩個(gè)力，使剛體保持平衡的必要和充分條件是：這兩個(gè)力大小相等，方向相反，且作用在同一條直線上。對于變形體而言，二力平衡公理只是必要條件，但不是充分條件。第30頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月公理2加減平衡力系公理：在已知力系上加上或者減去任意平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用。推論1力的可傳性原理

作用在剛體上某點(diǎn)的力，可以沿著它的作用線移動(dòng)到剛體內(nèi)任意一點(diǎn)，并不改變該力對剛體的作用效應(yīng)。（如圖）

第31頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月公理3力的平行四邊形公理作用在剛體上同一點(diǎn)的兩個(gè)力，可以合成為一個(gè)合力。合力的作用點(diǎn)也在該點(diǎn)，合力的大小、方向，由這兩個(gè)力為邊構(gòu)成的平行四邊形的對角線確定。

力的合成與分解作用于同一物體上的若干個(gè)力叫做力系。力系中各個(gè)力的作用線匯交于一點(diǎn)的叫做匯交力系。圖2-4力的平行四邊形法則第32頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月33力不但可以合成，根據(jù)實(shí)際問題的需要還可以把一個(gè)力分解為兩個(gè)分力。分解的方法仍是應(yīng)用力的平行四邊形法則。

圖2-5力的合成圖2-6力的分解第33頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月推理2三力平衡匯交定理平衡時(shí)必與共線則三力必匯交O點(diǎn)，且共面。第34頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月公理4作用與反作用公理兩物體間的作用力與反作用力總是同時(shí)存在，且大小相等、方向相反、沿同一條直線，分別作用在這兩個(gè)物體上。作用力與反作用力互相依存、同時(shí)出現(xiàn)、同時(shí)消失，分別作用在相互作用的兩物體上。作用力與反作用力與二力平衡公理中的兩個(gè)力有著本質(zhì)的區(qū)別在畫物體受力圖時(shí)要注意此公理的應(yīng)用。第35頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月公理5剛化原理柔性體（受拉力平衡）剛化為剛體（仍平衡）反之不一定成立，因?qū)傮w平衡的充分必要條件，對變形體是必要的但非充分的。剛體（受壓平衡）柔性體（受壓不能平衡）第36頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2力矩與力偶1、力矩的概念力矢的模F與力臂d的乘積(2-2)式中正負(fù)號表示力矩轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，一般規(guī)定：逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩取正號，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩取負(fù)號。如果物體上有若干個(gè)力，當(dāng)這些力對力矩中心的力矩代數(shù)和等于零,即時(shí)，原來靜止的物體，就不會(huì)繞力矩中心轉(zhuǎn)動(dòng)。第37頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月平面力對點(diǎn)之矩（力矩）力矩作用面，O稱為矩心，O到力的作用線的垂直距離h稱為力臂1.大?。毫與力臂的乘積2.方向：轉(zhuǎn)動(dòng)方向兩個(gè)要素：第38頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2、力偶的概念力偶就是受到大小相等、方向相反、互相平行的兩個(gè)力的作用，它對物體產(chǎn)生的是純轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)(即不需要固定轉(zhuǎn)軸或支點(diǎn)等輔助條件)。 (2-3)因此力偶矩和力矩一樣，也可以用一個(gè)代數(shù)量表示，其數(shù)值等于力偶中一力的大小與力偶臂的乘積，正負(fù)號則分別表示力偶的兩種相反轉(zhuǎn)向，若規(guī)定逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)檎瑒t順時(shí)針為負(fù)。這是人為規(guī)定的，作與上述相反的規(guī)定也可以。第39頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-7力矩示意圖圖2-8力偶示意圖第40頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月約束：對非自由體的位移起限制作用的物體。約束力：約束對非自由體的作用力。約束力大小——待定方向——與該約束所能阻礙的位移方向相反作用點(diǎn)——接觸處自由體：可以在空間自由運(yùn)動(dòng)的物體。非自由體：因受到周圍物體的阻礙，限制而不能做任意運(yùn)動(dòng)的物體2.1.3物體的受力分析及受力圖1、約束和約束反力第41頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月工程常見的約束1、具有光滑接觸面（線、點(diǎn)）的約束（光滑接觸約束）光滑接觸面約束這類約束是由光滑支承面如滑槽、導(dǎo)軌等所構(gòu)成。支承面與被約束物體之間的摩擦力很小，可以略去不計(jì)。第42頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月光滑支承接觸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，用表示。第43頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2、由柔軟的繩索、膠帶或鏈條等構(gòu)成的約束柔索只能受拉力，又稱張力。用表示。柔性約束這類約束是由柔性物體如繩索、鏈條、皮帶、鋼絲繩等所構(gòu)成。第44頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月柔索對物體的約束力沿著柔索背向被約束物體。膠帶對輪的約束力沿輪緣的切線方向，為拉力。第45頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、光滑鉸鏈約束（徑向軸承、圓柱鉸鏈、固定鉸鏈支座等）圓柱形鉸鏈約束是由兩個(gè)端部帶有圓孔的構(gòu)件用一銷釘聯(lián)接而成的。常見的有固定鉸鏈支座約束和活動(dòng)鉸鏈支座約束。

（1）徑向軸承（向心軸承）

約束特點(diǎn)：軸在軸承孔內(nèi)，軸為非自由體、軸承孔為約束。

約束力：當(dāng)不計(jì)摩擦?xí)r，軸與孔在接觸處為光滑接觸約束——法向約束力．約束力作用在接觸處，沿徑向指向軸心。第46頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）光滑圓柱鉸鏈

約束特點(diǎn)：由兩個(gè)各穿孔的構(gòu)件及圓柱銷釘組成，如剪刀．第47頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）固定鉸鏈支座

約束特點(diǎn)：

由上面構(gòu)件1或2之一與地面或機(jī)架固定而成．約束力：與圓柱鉸鏈相同

以上三種約束（徑向軸承、光滑圓柱鉸鏈、固定鉸鏈支座）其約束特性相同，均為軸與孔的配合問題，都可稱作光滑圓柱鉸鏈．第48頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月④固定端約束這類約束是限制被約束物體既不能移動(dòng)，又不能轉(zhuǎn)動(dòng)，被約束的一端完全固定。如懸臂式管道托架，一端插入墻內(nèi)，另一端為自由端，墻對托架也起到固定端約束的作用，如圖2-11。圖2-11固定端約束的托架第49頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5、其它類型約束（1）、滾動(dòng)支座約束特點(diǎn)：在上述固定鉸支座與光滑固定平面之間裝有光滑輥軸而成。約束力：構(gòu)件受到⊥光滑面的約束力。第50頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)、球鉸鏈約束特點(diǎn)：通過球與球殼將構(gòu)件連接，構(gòu)件可以繞球心任意轉(zhuǎn)動(dòng)，但構(gòu)件與球心不能有任何移動(dòng)。約束力：當(dāng)忽略摩擦?xí)r，球與球座亦是光滑約束問題。約束力通過接觸點(diǎn)，并指向球心，是一個(gè)不能預(yù)先確定的空間力?？捎萌齻€(gè)正交分力表示。第51頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-9固定鉸鏈支座約束圖2-10活動(dòng)鉸鏈支座約束第52頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2、受力圖為了清晰地分析與表示構(gòu)件的受力情況，需要將研究的構(gòu)件(研究對象)從與它發(fā)生聯(lián)系的周圍物體中分離出來，把作用于其上的全部外力(包括已知的主動(dòng)力和未知的約束反力)都表示出來。這樣作成的表示物體受力情況的簡圖稱為受力圖。第53頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-12三角形鋼結(jié)構(gòu)管道支架受力分析第54頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)件的基本形式1、桿件長度（縱向）比其他兩個(gè)方向的尺寸大很多的構(gòu)件稱為桿件。2、塊件各方向尺寸相差不多的構(gòu)件稱為塊件。桿(bar)體(body)第55頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)件的基本形式板(plate)殼(shell)3板件

厚度比其他兩個(gè)方向尺寸小得多的構(gòu)件稱為板件。如果中面是平面的構(gòu)件稱為板。而中面是曲面的話則稱為殼。第56頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月直桿的拉伸與壓縮圖2-13工程構(gòu)件的形狀第57頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)載荷以不同的方式作用在桿件上時(shí)，桿件將產(chǎn)生不同的變形；桿件變形的基本形式有以下幾種（表2-1）：②壓縮 當(dāng)桿件受到作用線與桿的軸線重合的大小相等、方向相反的兩個(gè)壓力作用時(shí)，桿件將產(chǎn)生沿軸線方向的縮短。這種變形稱為壓縮變形。拉壓(tension&compression)①拉伸 當(dāng)桿件受到作用線與桿的軸線重合的大小相等、方向相反的兩個(gè)拉力作用時(shí)，桿件將產(chǎn)生沿軸線方向的伸長。這種變形稱為拉伸變形。第58頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月③彎曲 當(dāng)桿件受到與桿軸垂直的力作用(或受到在通過桿軸的平面內(nèi)的力偶作用)時(shí)，桿的軸線將變成曲線。這種變形稱為彎曲變形。④剪切 當(dāng)桿件受到作用線與桿的軸線垂直，而又相距很近的大小相等、方向相反的兩個(gè)力作用時(shí)，桿上兩個(gè)力中間的部分，各個(gè)截面將互相錯(cuò)開。這種變形稱為剪切變形。彎曲(bending)剪切(shearing)第59頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤扭轉(zhuǎn) 當(dāng)桿件受到在垂直于桿軸平面內(nèi)的大小相等、轉(zhuǎn)向相反的兩個(gè)力偶作用時(shí)，桿件表面的縱線(原來平行于軸線的縱向直線)扭歪成螺旋線。這種變形稱為扭轉(zhuǎn)變形。復(fù)雜的變形可以看成是以上幾種基本變形的組合。以下幾節(jié)主要討論了基本變形的強(qiáng)度問題。本節(jié)首先討論直桿的拉伸與壓扭轉(zhuǎn)(torsion)第60頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月表2-1桿件的基本變形形式第61頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月62圖2-14拉伸和壓縮實(shí)例第62頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2應(yīng)力和應(yīng)變1、應(yīng)力概念內(nèi)力在一點(diǎn)處的集度稱為該點(diǎn)的應(yīng)力。受外力作用后物體內(nèi)部相互作用力的情況要發(fā)生變化，同時(shí)物體要產(chǎn)生變形，這種由外力引起的物體內(nèi)部相互作用力的變化量稱為附加內(nèi)力，簡稱內(nèi)力： (2-4)

式中

稱為截面上的正應(yīng)力，方向垂直橫截面。2、應(yīng)變 (2-5)式中

稱為線應(yīng)變，簡稱應(yīng)變，它是一個(gè)沒有單位的數(shù)量線應(yīng)變——單元體邊長的改變平均應(yīng)變——單位長度內(nèi)的平均改變量圖2-15截面突變處應(yīng)力局部增大第63頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月“應(yīng)力”與“壓強(qiáng)”的區(qū)別“應(yīng)力”雖與“壓強(qiáng)”量綱相同，但兩者的物理意義不同。定義不同：應(yīng)力——內(nèi)力壓強(qiáng)——外力作用方式不同：應(yīng)力——可分解，存在于受力物體內(nèi)部任意一點(diǎn)壓強(qiáng)——作用于物體表面且垂至于作用面，常呈均勻分布或線性分布

第64頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3拉伸和壓縮的強(qiáng)度條件 (2-6）為了保證拉(壓)桿的正常工作，必須使其最大工作應(yīng)力不超過材料在拉伸(壓縮)時(shí)的許用應(yīng)力，即 (2-7)或 (2-8)式(2-7)和式(2-8)都稱作受拉伸(壓縮)直桿的強(qiáng)度條件。意思就是保證桿在強(qiáng)度上安全工作所必須滿足的條件。第65頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3直梁的彎曲2.3.1概述在工程實(shí)際中承受彎曲的構(gòu)件很多，如橋式吊車起吊重物時(shí)，吊車梁就會(huì)發(fā)生彎曲變形，如圖2-17。這種以彎曲為主要變形的構(gòu)件在工程上通稱為梁。以上這些構(gòu)件的受力特點(diǎn)是：在構(gòu)件的縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)，受到垂直于梁的軸線的力或力偶作用(包括主動(dòng)力與約束反力)。從梁的支座結(jié)構(gòu)形式來分，可以簡化為以下幾種：①簡支梁 一端是固定鉸鏈，另一端是活動(dòng)鉸鏈；②外伸梁 用一個(gè)固定鉸鏈和一個(gè)活動(dòng)鉸鏈支承，但有一端或兩端伸出支座以外；③懸臂梁 一端固定，另一端自由。第66頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-17橋式吊車圖2-18梁的三種力學(xué)模型第67頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2彎曲應(yīng)力梁彎曲時(shí)橫截面上的最大正應(yīng)力的公式為：

(2-9)式中WZ為梁的抗彎截面模量，單位為m3，它是與截面尺寸和形狀有關(guān)的一個(gè)幾何量。梁截面上的彎矩M是隨截面位置而變化的。因此，在進(jìn)行梁的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)使在危險(xiǎn)截面上──即最大彎矩截面上的最大正應(yīng)力不超過材料的彎曲許用應(yīng)力，即梁的彎曲強(qiáng)度條件為： (2-10)第68頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4剪切2.4.1剪切變形的概念

剪切也是桿件基本變形中的一種形式。螺栓的這種受力形式稱剪切，它所發(fā)生的錯(cuò)動(dòng)稱為剪切變形。

剪切有如下特點(diǎn)：①受力特點(diǎn)在構(gòu)件上作用大小相等、方向相反、相距很近的兩個(gè)力P。②變形特點(diǎn)在兩力之間的截面上，構(gòu)件上部對其下部將沿外力作用方向發(fā)生錯(cuò)動(dòng)；在剪斷前，兩力作用線間的小矩形變成平行四邊形。圖2-20螺栓受力分析第69頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2剪力、剪應(yīng)力與剪切強(qiáng)度條件