机械设计基础-第一章受力分析

机械设计基础03:57ccj_hly第一章静力学基础机械设计基础03:57ccj_hly引言主要符号:fs，f静摩擦系数，动摩擦系数F力，绳索拉力，杆端力(原符号为T或S)FR或F合力(原符号为R)FN或F法向反力(原符号为N)FAx，FAyA处铰支座反力(原符号为XA，YA)M力偶矩、力矩MO(F)力F对点O的矩P重力机械设计基础03:57ccj_hly引言静力学：研究作用于物体上力系的平衡力系：作用于物体上的一群力力系按其作用线所在位置平面力系空间力系按其作用线相互关系共线力系平行力系汇交力系任意力系F1F2(a)F3平面力系(b)F1F2空间力系机械设计基础03:57ccj_hly引言F1F3(c)(d)OF2共线力系F1F2F3平行力系OF1F2F3(e)汇交力系OF1F2F3(f)任意力系机械设计基础03:57ccj_hly引言平衡：物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运动静力学研究的三个问题：1、物体的受力分析等效力系：分别作用于同一刚体上的两组力系，如果它们对该刚体的作用效果完全相同，则此两组力系互为等效力系。平衡力系：若物体在某力系作用下保持平衡，则称此力系为平衡力系。2、力系的等效替换或简化3、建立各种力系的平衡条件机械设计基础03:57ccj_hlyF’F一、刚体——在外界的任何作用下形状和大小都始终保持不变的物体。或者在力的作用下，任意两点间的距离保持不变的物体。§1.1.1力的基本概念刚体F’F机械设计基础03:57ccj_hly是指物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运动的状态。变形体F’FF’F§1.1.1力的基本概念机械设计基础03:57ccj_hly刚体是一种理想化的力学模型。一个物体能否视为刚体，不仅取决于变形的大小，而且和问题本身的要求有关。§1.1.1力的基本概念请大家注意：机械设计基础03:57ccj_hly二：力的概念1．定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用可以使物体的运动状态发生变化。2.力的效应：§1.1.1力的基本概念力的效应外效应—改变物体运动状态的效应内效应—引起物体变形的效应机械设计基础03:57ccj_hly3.力的三要素：§1.1.1力的基本概念确定力的必要因素力的三要素大小方向作用点4.力的表示：A图形表示B符号表示AFFFF矢量大小机械设计基础03:57ccj_hly5.力的单位在国际单位制中，力的单位是牛顿(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.力的分类集中力分布力Fq机械设计基础03:57ccj_hly§1.1.2力的基本性质下面介绍四个公理及两个推论：1、力的平行四边形规则2、二力平衡条件3、加减平衡力系原理推论1：力的可传性推论2：三力平衡汇交定理4、作用力与反作用力定律公理：是人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被反复的实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。力的基本性质一般称为静力学公理。机械设计基础03:57ccj_hly公理一(力的平行四边形规则)作用于物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的一个力，即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢来表示。矢量表达式：F=F1+F2即，合力为原两力的矢量和。§1.1.2力的基本性质机械设计基础03:57ccj_hly§1.1.2力的基本性质图(a)图(b)图(c)也可以由力的三角形来确定合力的大小和方向，如图(b)(c)。此公理表明了最简单力系的简化规律，是复杂力系简化的基础。机械设计基础03:57ccj_hly作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是：这两个力大小相等|F1|=|F2|方向相反F1=–F2作用线共线，作用于同一个物体上。公理二(二力平衡条件)§1.1.2力的基本性质机械设计基础03:57ccj_hly说明：①对刚体来说，上面的条件是充要的③二力体：只在两个力作用下平衡的刚体叫二力体。②对变形体来说，上面的条件只是必要条件(或多体中)二力杆§1.1.2力的基本性质机械设计基础03:57ccj_hly只有两个力作用下处于平衡的物体二力构件不是二力构件§1.1.2力的基本性质机械设计基础03:57ccj_hly公理三(加减平衡力系原理)可以在作用于刚体的任何一个力系上加上或去掉几个互成平衡的力，而不改变原力系对刚体的作用。§1.1.2力的基本性质F1F1F2F3=23F=-F机械设计基础03:57ccj_hly推论1(力在刚体上的可传性)作用于刚体的力，其作用点可以沿作用线在该刚体内前后任意移动，而不改变它对该刚体的作用==FAF2F1FABF1AB§1.1.2力的基本性质（作用在刚体上的）力的三要素可以叙述为：大小、方向、作用线机械设计基础03:57ccj_hly推论2(三力平衡汇交定理)当刚体在三个力作用下平衡时，设其中两力的作用线相交于某点，则此三力必在同一平面里，且第三力的作用线必定也通过这个汇交点。F1F3FF2A=证明：A3F1F2F3A3AA2A1§1.1.2力的基本性质机械设计基础03:57ccj_hly公理四(作用和反作用定律)任何两个物体间的相互作用的力，总是大小相等，作用线相同，但指向相反，并同时分别作用于这两个物体上。§1.1.2力的基本性质[例]吊灯在画物体受力图时要注意此公理的应用。机械设计基础03:57ccj_hly判断题（1）作用在一个物体上有三个力，当这三个力的作用线汇交于一点时，则此力系必然平衡。（2）两端用光滑铰链连接的构件是二力构件。（3）力有两种作用效果，即力可以使物体的运动状态发生变化，也可以使物体发生变形。（4）悬挂的小球静止不动是因为小球对绳向下的拉力和绳对小球向上的拉力相互抵消的缘故。（5）作用在一个刚体上的任意两个力成平衡的必要与充分条件是：两个力的作用线相同、大小相等、方向相反。练习与思考机械设计基础03:57ccj_hly约束反力：约束对被约束物体的作用力叫约束反力。一、概念自由体：位移不受限制的物体叫自由体，如汽球。非自由体：位移受限制的物体叫非自由体，如在槽内绿球。约束：对非自由体的某些位移预先施加的限制条件称为约束。（这里，约束是名词，而不是动词的约束。）主动力：物体所受的约束力以外的其他力。§1–2约束和约束反力①大小常常是未知的；②方向总是与约束限制的物体的位移方向相反；③作用点在物体与约束相接触的那一点。约束反力特点：GN1N2§1–2约束和约束反力机械设计基础03:57ccj_hly1、光滑接触面约束§1–2约束和约束反力PNNPNANB约束反力作用在接触点处，方向沿公法线，指向受力物体机械设计基础03:57ccj_hly1、光滑接触面约束§1–2约束和约束反力光滑接触面对非自由体的约束力，作用在接触处；方向沿接触处的公法线并指向受力物体，故称为法向约束力。一般用FN表示。机械设计基础03:57ccj_hlyA§1–2约束和约束反力2、柔绳、链条、胶带构成的约束：柔软体约束本身只能承受拉力。故该类约束力，作用在连接点处，方向沿着柔软体的轴线，而方向沿着绳索背离物体。通常用F或FT表示。只能是拉力。机械设计基础03:57ccj_hly§1–2约束和约束反力胶带约束力沿轮缘的切线方向背离皮带轮，即为拉力。机械设计基础03:57ccj_hly3、光滑圆柱铰链约束§1–2约束和约束反力(1)向心轴承：机械设计基础03:57ccj_hly§1–2约束和约束反力轴可以在孔内任意转动，也可以沿孔的中心线移动；但是，轴承阻碍着轴沿径向向外的位移。当主动力尚未确定时，约束反力的方向预先不能确定，但是它的作用线必垂直于轴线并通过轴心，可用两个大小未知的正交分力FAx、FAy表示。特点：机械设计基础03:57ccj_hly(2)圆柱铰链§1–2约束和约束反力机械设计基础03:57ccj_hly§1–2约束和约束反力AAFAXFAYAAFAxFAy机械设计基础03:57ccj_hlyFyFx(3)固定铰链支座：§1–2约束和约束反力机械设计基础03:57ccj_hly§1–2约束和约束反力特点只限制两物体径向的相对移动，而不限制两物体绕铰链中心的相对转动及沿轴的位移约束反力的方向预先不能确定，但是它的作用线必垂直于轴线并通过铰链中心，可用两个大小未知的正交分力FAx、FAy表示。向心轴承、圆柱铰链和固定铰链，他们的结构虽然不同，但构成约束的性质是相同的，都可表示为光滑铰链。机械设计基础03:57ccj_hly4其他约束FF§1–2约束和约束反力F(1)滚动支座不能限制物体沿约束表面切线的位移，只能阻碍物体沿接触表面法线。约束反力垂直于支承面，并通过铰链中心。通常用FN表示。机械设计基础03:57ccj_hlyBA§1–2约束和约束反力(2)球铰链构件在球心不能有任何位移，但构件可绕球心任意转动。约束反力通过球心，方向不确定的，可用三个正交分力FAx、FAy、FAz机械设计基础03:57ccj_hly§1–2约束和约束反力AFAZFAYFAX(3)止推轴承：除了能限制轴的径向位移以外，还能限制轴沿轴向的移动。约束反力可用三个正交分力FAx、FAy、FAz表示。机械设计基础03:57ccj_hly练习与思考判断题1、凡在两个力作用下的构件称为二力构件（）2、光滑圆柱形铰链约束的约束反力，一般可用两个相互垂直的分力表示，该两分力一定要沿水平和铅垂方向。（）3、约束力的方向必与该约束所阻碍的物体运动方向相反（）机械设计基础03:57ccj_hly练习与思考画出下列指定物体的受力图机械设计基础03:57ccj_hly练习与思考解：FAFBFAFDFBFAFDFBFAFBFAFBFAYFAXFB机械设计基础03:57ccj_hly§1–3受力分析和受力图一、受力分析解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即选择研究对象；然后根据已知条件，约束类型并结合基本概念和公理分析它的受力情况，这个过程称为物体的受力分析。作用在物体上的力有：一类是:使物体具有运动趋势的力称为物体所受的主动力,如重力,风力,气体压力等。二类是：被动力，限制物体运动的力为约束反力。机械设计基础03:57ccj_hly§1–3受力分析和受力图二、画受力图的方法与步骤：1、取分离体（研究对象）2、画出研究对象所受的全部主动力（使物体产生运动或运动趋势的力）3、在存在约束的地方，按约束类型逐一画出约束反力（研究对象与周围物体的连接关系）机械设计基础03:57ccj_hly用力F拉动碾子以轧平路面,重为P的碾子受到一石块的阻碍，如图所示。试画出碾子的受力图。ABFP例1§1–3受力分析和受力图机械设计基础03:57ccj_hly碾子的受力图为:解：ABFP例1ABFPFNAFNB§1–3受力分析和受力图机械设计基础03:57ccj_hly例2DBAFAXFAYF’DFBOPFDFEPFAFBF’D§1–3受力分析和受力图机械设计基础03:57ccj_hly例3尖点问题FAFBFDFCFB§1–3受力分析和受力图机械设计基础03:57ccj_hly例4ABCCDFAYFAXFCF’CFDPFBCADFAYFAXFDPFBCADPF§1–3受力分析和受力图机械设计基础03:57ccj_hly例5FBC`AC`FABCFAFC`FACBFBXFAFBYF’CFBXFBY§1–3受力分析和受力图机械设计基础03:57ccj_hlyAPFFFECGBEPAFD解：(1)物体B受两个力作用：(2)球A受三个力作用：(3)作用于滑轮C的力：CFGFEFB§1–3受力分析和受力图FDQB例6在图示的平面系统中，匀质球A重为P，借本身重量和摩擦不计的理想滑轮C和柔绳维持在仰角是的光滑斜面上，绳的一端挂着重为Q的物体B。试分析物体B、球A和滑轮C的受力情况，并分别画出平衡时各物体的受力图。机械设计基础03:57ccj_hlyECABFDBCFBFC解：1、杆BC所受的力：2、杆AB所受的力：表示法一：表示法二：BDAFFAxFAyFBBAFDFAHFB例7等腰三角形构架ABC