《工程力學(xué)cha》課件

工程力學(xué)課程簡(jiǎn)介工程力學(xué)是建筑、土木工程等專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)核心課程之一。涵蓋靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和材料力學(xué)等內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生掌握工程結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)技能。本課程將通過(guò)案例教學(xué)和實(shí)踐,全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。工程力學(xué)的歷史發(fā)展古代奠基工程力學(xué)的基礎(chǔ)始于古希臘和中國(guó),如阿基米德的浮力定理和張衡的地動(dòng)儀。牛頓時(shí)代牛頓提出的三大運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律奠定了工程力學(xué)的理論基礎(chǔ)。工業(yè)革命19世紀(jì)工業(yè)革命推動(dòng)了工程力學(xué)在機(jī)械、橋梁等領(lǐng)域的迅速發(fā)展。現(xiàn)代發(fā)展20世紀(jì)計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用極大地促進(jìn)了工程力學(xué)的現(xiàn)代化和數(shù)字化。工程力學(xué)的概念和基本原理物體的平衡工程力學(xué)研究如何保持物體在靜止或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的平衡,涉及力、質(zhì)量和加速度之間的關(guān)系。變形與應(yīng)力工程力學(xué)分析物體在受力作用下產(chǎn)生的變形,并計(jì)算內(nèi)部應(yīng)力的分布,為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。動(dòng)力學(xué)分析工程力學(xué)利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律,分析物體受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),為機(jī)械設(shè)計(jì)提供動(dòng)力學(xué)依據(jù)。能量轉(zhuǎn)換工程力學(xué)研究機(jī)械系統(tǒng)中能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律,有助于提高能量利用效率。杠桿原理及其應(yīng)用杠桿是一種簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置,通過(guò)施加力來(lái)放大力矩,實(shí)現(xiàn)力量的放大和方向的改變。它廣泛應(yīng)用于各種工程與日常生活中,是工程力學(xué)的重要組成部分。杠桿原理包括杠桿平衡條件、力的放大關(guān)系等,可以用于設(shè)計(jì)各種利用力的放大效應(yīng)的機(jī)械裝置,如起重機(jī)、剪刀、鉛筆刀等。掌握杠桿原理是工程師設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)。重心及其計(jì)算30質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量為30克的質(zhì)點(diǎn)5K重量重量為5千克的物體10坐標(biāo)軸沿X、Y、Z軸方向的坐標(biāo)$300成本重心計(jì)算的成本約300美元重心是一個(gè)物體內(nèi)部質(zhì)量分布的平均位置。計(jì)算重心需要確定物體各部分的質(zhì)量和位置坐標(biāo)。通過(guò)質(zhì)量和坐標(biāo)的加權(quán)平均可以得出物體的重心位置。重心的確定對(duì)于工程力學(xué)分析和設(shè)計(jì)非常重要。摩擦力及其應(yīng)用1定義與分類(lèi)摩擦力是兩個(gè)接觸面之間的相互作用力,分為靜摩擦力和動(dòng)摩擦力兩種。2來(lái)源與特點(diǎn)摩擦力源于表面粗糙程度和接觸面間的分子作用,大小與接觸面積和垂直力有關(guān)。3應(yīng)用舉例摩擦力在機(jī)械、建筑、交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,如制動(dòng)系統(tǒng)、布料摩擦、登山等。4摩擦系數(shù)的測(cè)定可通過(guò)傾斜試驗(yàn)或拉力測(cè)試等方法測(cè)定不同材料間的靜/動(dòng)摩擦系數(shù)。靜摩擦與滾動(dòng)摩擦的區(qū)別靜摩擦和滾動(dòng)摩擦是兩種不同類(lèi)型的摩擦力。靜摩擦是物體之間接觸表面處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力,而滾動(dòng)摩擦則是物體以滾動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。靜摩擦力通常大于滾動(dòng)摩擦力,但滾動(dòng)摩擦力更加穩(wěn)定和恒定。靜摩擦力主要與接觸表面的粗糙度、表面積和壓力有關(guān),而滾動(dòng)摩擦力則主要與接觸面的材料、形狀和速度有關(guān)。使用滾動(dòng)元件如軸承和輪子可以大大降低摩擦阻力,提高機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。剛體的平面運(yùn)動(dòng)分析1受力分析確定剛體受到的力及其方向2質(zhì)心運(yùn)動(dòng)分析剛體質(zhì)心的平移運(yùn)動(dòng)3轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析剛體繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)剛體的平面運(yùn)動(dòng)可以分解為質(zhì)心平移運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)剛體受力的分析,可以確定力的方向和大小,進(jìn)而計(jì)算出質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡以及剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度。這種分析方法為設(shè)計(jì)和分析各種機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)提供了基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其應(yīng)用定義物體在轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的慣性特性,用于描述物體對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的阻力。計(jì)算公式I=mr^2，其中I是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m是質(zhì)量，r是質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸的距離。應(yīng)用場(chǎng)景1.確定機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)能和動(dòng)量。3.分析轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。牛頓運(yùn)動(dòng)定律及其應(yīng)用第一定律：慣性定律任何物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都傾向于保持不變，除非受到外力的作用。這一定律解釋了物體的慣性特性。第二定律：力-加速度定律物體的加速度與施加在其上的凈力成正比,與物體質(zhì)量成反比。這一定律解釋了力如何影響物體的運(yùn)動(dòng)。第三定律：作用-反作用定律任何作用力都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)等大反作用力,兩個(gè)力作用在不同物體上,但方向相反。這解釋了物體間的相互作用。動(dòng)量定理及其應(yīng)用動(dòng)量定理是描述力作用下物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化規(guī)律的重要定律。它表示物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量變化等于作用于物體的外力的時(shí)間積分。動(dòng)量定理在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用,如碰撞問(wèn)題分析、沖擊力分析、爆炸問(wèn)題研究等。動(dòng)能定理及其應(yīng)用動(dòng)能定理是一種能量守恒定律,描述了工作與物體在位置和速度變化上的關(guān)系。它可用于分析各種機(jī)械系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和傳遞,并為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。Time(s)KineticEnergy(J)圖中展示了一個(gè)物體動(dòng)能隨時(shí)間的變化過(guò)程。動(dòng)能定理可用于計(jì)算機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換和傳遞,為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。勢(shì)能及其應(yīng)用勢(shì)能的定義勢(shì)能是物體在力場(chǎng)中由于位置的改變而獲得的能量。它反映了物體在力場(chǎng)中的狀態(tài)。勢(shì)能的計(jì)算勢(shì)能的計(jì)算涉及質(zhì)量、重力加速度和高度等因素。它可用來(lái)分析物體在力場(chǎng)中的潛在能量?jī)?chǔ)備。勢(shì)能在機(jī)械中的應(yīng)用機(jī)械裝置如起重機(jī)、水力發(fā)電站等依賴(lài)于勢(shì)能的轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生功。勢(shì)能分析有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高效率。勢(shì)能在能源中的應(yīng)用可再生能源如水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等利用自然界的勢(shì)能進(jìn)行發(fā)電。這些可持續(xù)利用的勢(shì)能有助于減少化石燃料消耗。內(nèi)力和外力的概念及其區(qū)別內(nèi)力的概念內(nèi)力是由物體內(nèi)部的相互作用產(chǎn)生的力,體現(xiàn)了物體內(nèi)部元素之間的相互影響。外力的概念外力是作用于物體外部的力,從物體外部施加到物體內(nèi)部。內(nèi)力和外力的區(qū)別內(nèi)力和外力的本質(zhì)區(qū)別在于產(chǎn)生的來(lái)源,內(nèi)力源于物體自身,外力來(lái)自物體外部。平面應(yīng)力狀態(tài)及其分析1定義平面應(yīng)力狀態(tài)是指物體某一平面上的應(yīng)力狀態(tài)。2特點(diǎn)垂直于平面的應(yīng)力為零,只有平面內(nèi)的兩個(gè)正應(yīng)力及切應(yīng)力。3分析通過(guò)應(yīng)力圓分析平面應(yīng)力狀態(tài),確定主應(yīng)力及其方向。4應(yīng)用常用于薄壁結(jié)構(gòu)、薄膜等的應(yīng)力分析。平面應(yīng)力狀態(tài)是工程力學(xué)中一個(gè)重要的概念,它描述了物體某一平面上的應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)應(yīng)力圓分析,可以確定該平面上的主應(yīng)力及其方向,為結(jié)構(gòu)分析提供了重要依據(jù)。這種分析方法廣泛應(yīng)用于薄壁結(jié)構(gòu)、薄膜等工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算中。應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系彈性關(guān)系在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系。這種關(guān)系可以用胡克定律來(lái)描述，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比。塑性關(guān)系當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度后，材料進(jìn)入塑性變形范圍。此時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系變得非線性，需要采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)描述。彈性-塑性轉(zhuǎn)變材料從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為屈服點(diǎn)。這個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。應(yīng)變hardening塑性變形過(guò)程中，材料會(huì)發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象。這意味著隨著應(yīng)變的增加，材料的承載能力也會(huì)增強(qiáng)。應(yīng)力-應(yīng)變圖及其應(yīng)用應(yīng)力-應(yīng)變圖是描述材料力學(xué)特性的重要工具。它反映了材料在受力過(guò)程中的變形特性,包括彈性段、屈服段和破壞段。通過(guò)分析應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,可以了解材料的強(qiáng)度、剛度、韌性等性能,為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。應(yīng)力-應(yīng)變圖的應(yīng)用廣泛,如確定材料的許可應(yīng)力、分析零件的失效模式、指導(dǎo)材料的熱處理和成型工藝等。合理利用應(yīng)力-應(yīng)變圖有助于提高設(shè)計(jì)安全性和優(yōu)化材料使用。柱體的應(yīng)力分析柱體受外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力,需要進(jìn)行詳細(xì)分析以確保結(jié)構(gòu)安全。通常分析會(huì)包括柱體的軸向壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等。通過(guò)分析這些應(yīng)力成分,可以確定柱體設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求。同時(shí)還需要考慮柱體的穩(wěn)定性問(wèn)題。應(yīng)力成分分析方法應(yīng)用場(chǎng)景軸向壓應(yīng)力直接計(jì)算柱受壓載荷剪應(yīng)力應(yīng)力分布分析柱體連接點(diǎn)彎曲應(yīng)力彎矩圖分析柱體受彎載荷梁的剪力圖和彎矩圖剪力圖分析通過(guò)繪制梁構(gòu)件的剪力圖可以清楚地了解各斷面的剪力大小及分布情況,為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。彎矩圖分析繪制梁構(gòu)件的彎矩圖可以直觀顯示各斷面的彎矩大小及分布,為強(qiáng)度計(jì)算和截面設(shè)計(jì)提供依據(jù)。力學(xué)分析通過(guò)對(duì)梁受力情況的分析,可以掌握梁構(gòu)件在外荷載作用下的變形特征和應(yīng)力分布,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。梁的應(yīng)力分析梁是機(jī)械和建筑結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)件,分析梁的應(yīng)力狀態(tài)非常重要。我們可以通過(guò)分析梁的剪力圖和彎矩圖,計(jì)算出梁內(nèi)部的應(yīng)力分布,從而確定梁的強(qiáng)度和剛度,以確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。35N/mm^2正應(yīng)力梁的上下表面產(chǎn)生的最大拉伸和壓縮正應(yīng)力。20N/mm^2剪應(yīng)力梁腹部產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力,需要小于材料的允許值。L/360最大撓度梁端的最大撓度不應(yīng)超過(guò)跨度的1/360。薄壁柱體的應(yīng)力分析幾何特征薄壁柱體具有細(xì)長(zhǎng)的圓柱形結(jié)構(gòu),壁厚遠(yuǎn)小于柱體的直徑或長(zhǎng)度。應(yīng)力狀態(tài)薄壁柱體主要受軸向應(yīng)力和切應(yīng)力的影響,需要考慮徑向應(yīng)力的影響。分析方法可以采用簡(jiǎn)單的理論分析或有限元分析方法對(duì)薄壁柱體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。薄膜的應(yīng)力分析1定義薄膜是指厚度遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)尺寸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。它常被用于各類(lèi)工程中，如容器、薄膜傳感器和微系統(tǒng)等。2應(yīng)力分布薄膜的應(yīng)力分布復(fù)雜多樣,通常可分為拉伸、壓縮、剪切和彎曲應(yīng)力。合理分析薄膜的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。3應(yīng)力分析方法分析薄膜的應(yīng)力狀態(tài)常采用有限元法、分析法等,以確定最大應(yīng)力點(diǎn)并評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性。4設(shè)計(jì)應(yīng)用薄膜的應(yīng)力分析結(jié)果可用于指導(dǎo)薄膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高其強(qiáng)度和可靠性。穩(wěn)定性理論及其應(yīng)用1歐拉穩(wěn)定理該理論描述了柱體在受壓作用下的穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要。2鑄鐵柱的穩(wěn)定分析利用歐拉穩(wěn)定理可以計(jì)算出鑄鐵柱的臨界承載能力,避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。3工程應(yīng)用實(shí)例穩(wěn)定性理論廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、機(jī)械等領(lǐng)域,確保結(jié)構(gòu)安全可靠。許可應(yīng)力及其確定許可應(yīng)力在工程設(shè)計(jì)中,為了確保結(jié)構(gòu)安全,設(shè)定的最大允許應(yīng)力值。由安全系數(shù)和材料抗失效強(qiáng)度決定。確定方法根據(jù)材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等性能參數(shù),綜合考慮工作環(huán)境、載荷變化情況等因素,經(jīng)安全系數(shù)折算得出。許可應(yīng)力的確定是工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟,既要充分利用材料性能,又要確保足夠的安全裕度。需要細(xì)致分析載荷工況和材料特性,經(jīng)過(guò)多方考量后才能得出合理的許可應(yīng)力值。強(qiáng)度理論及其應(yīng)用最大應(yīng)力理論根據(jù)最大應(yīng)力理論,當(dāng)結(jié)構(gòu)中的最大主應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí),視為發(fā)生破壞。應(yīng)用廣泛,適用于脆性材料。最大應(yīng)變理論根據(jù)該理論,當(dāng)結(jié)構(gòu)中的最大主應(yīng)變達(dá)到材料的極限應(yīng)變時(shí),視為發(fā)生破壞。適用于塑性變形較大的材料。最大切應(yīng)力理論根據(jù)這一理論,當(dāng)結(jié)構(gòu)中的最大切應(yīng)力達(dá)到材料的極限切應(yīng)力時(shí),視為發(fā)生破壞。適用于井然有序的各向同性材料。功率和扭矩的計(jì)算5.5kW功率驅(qū)動(dòng)元件的輸出功率。300N·m扭矩驅(qū)動(dòng)元件提供的旋轉(zhuǎn)力矩。1.5m距離驅(qū)動(dòng)力施加的臂長(zhǎng)。計(jì)算功率和扭矩是機(jī)械設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟。功率是驅(qū)動(dòng)元件的輸出功率，扭矩則是元件提供的旋轉(zhuǎn)力矩。這兩個(gè)參數(shù)相乘可得到驅(qū)動(dòng)功率，同時(shí)也需要考慮施加力的距離。理解和正確計(jì)算這些參數(shù)對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、齒輪、軸承等組成,復(fù)雜的結(jié)構(gòu)要求分析各部件的應(yīng)力分布,確保系統(tǒng)在各種負(fù)載下的安全可靠運(yùn)行。應(yīng)力分析方法利用理論公式、有限元分析等方法計(jì)算系統(tǒng)中各部件的應(yīng)力,評(píng)估其是否超出材料強(qiáng)度,為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)?？煽啃员Ｕ贤ㄟ^(guò)應(yīng)力分析確保系統(tǒng)在正常工況下應(yīng)力水平合理,并針對(duì)極端條件進(jìn)行超載分析,提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。機(jī)械設(shè)計(jì)中的安全因數(shù)概念解釋安全因數(shù)是指設(shè)計(jì)載荷和實(shí)際允許載荷之間的比值。它用于確保設(shè)計(jì)足夠安全，可以承受意外和超負(fù)荷等情況。影響因素安全因數(shù)由材料特性、負(fù)荷變化、制造工藝、環(huán)境條件等諸多因素決定。設(shè)計(jì)時(shí)需全面考慮這些因素。常見(jiàn)取值一般情況下,安全因數(shù)介于1.2到3之間。具體取值取決于設(shè)計(jì)用途、載荷狀況和材料特性。應(yīng)用案例比如在橋梁設(shè)計(jì)中,通常會(huì)采用較大的安全因數(shù),以防止因意外事故造成嚴(yán)重后果。彈性-塑性極限分析1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系材料在受力作用下表現(xiàn)出彈性與塑性的不同特性,需要采用合適的分析方法。2極限分析通過(guò)計(jì)算確定材料屈服極限,以此評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。3安全系數(shù)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮彈性-塑性分析結(jié)果,確定合理的安全系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法及其應(yīng)用1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集利用先進(jìn)傳感設(shè)備獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)分析處理運(yùn)用統(tǒng)計(jì)和建模技術(shù)深入分析3仿真模擬驗(yàn)證基于數(shù)據(jù)建立數(shù)字模型進(jìn)行仿真4結(jié)果應(yīng)用推廣將分析結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試是工程力學(xué)研究的重要環(huán)節(jié),通