工业设计工程基础 第二章

湖南大学出版社工业设计工程基础第二章工业设计力学基础湖南大学出版社引言INTRODUCTION在产品设计的过程中，设计师可以依据自身的设计经验开展产品的创意设计，解决产品的造型问题。然而工业设计的对象最终要落实成为具有实际功能的物质产品。因此，形态、材料、结构等都是设计中应该考虑的因素。掌握一定的力学基础知识，有利于设计师综合考虑这些设计因素，优化设计方案。湖南大学出版社目录2.1力的基本知识2.2材料力学基础知识2.3汽车空气动力学认知湖南大学出版社2.1力学基本知识力学是关于力与运动的学科，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等原理及器具，逐渐积累起对物体受力情况的认识，并逐步了解了一些运动规律。通过不断的实践验证，人们形成了一系列重要的力学概念、理论和研究方法，建立了科学的力学理论体系。湖南大学出版社2.1力学基本知识2.1.1力的相关概念2.1.2力的分类2.1.3力的平衡湖南大学出版社2.1力学基本知识（1）力①力的定义：力是物体和物体间的相互作用②力的三要素：大小、方向、作用位置2.1.1力的相关概念湖南大学出版社2.1力学基本知识（1）力③力的图示：力的图示、力的示意图2.1.1力的相关概念湖南大学出版社2.1力学基本知识（2）其他几个概念①力系：作用在物体上的力的集合②力矩：③力偶：④载荷：集中载荷、分布载荷、动载荷、恒定载荷2.1.1力的相关概念MFL'MFd力矩力偶（其中M为力矩；F为作用力；L为力臂）（其中M′为力偶；F为力偶中的一个力；d为力偶臂）湖南大学出版社2.1力学基本知识2.1.1力的相关概念2.1.2力的分类2.1.3力的平衡湖南大学出版社2.1力学基本知识（1）万有引力与重力万有引力：由于物体具有质量而产生的相互吸引的力。两个普通物体之间的万有引力极其微小，我们察觉不到它。但是，由于天体的质量很大，天体系统中的万有引力就起着重要作用。2.1.2力的分类122mmFGR（式中，m1、m2分别为两物体的质量；R为两者之间的距离；G为引力常数，其公认值为：116.6710N·m2/kg2）湖南大学出版社2.1力学基本知识（1）万有引力与重力重力：常用重力近似的描述地球对地面附近物体的引力。2.1.2力的分类pgm（式中p是地表物体所受的重力；g为地表物体所受的重力加速度，经测量验证，赤道附近的g值为9.82m2/s，计算时通常取其值为9.8m2/s；m为物体质量）湖南大学出版社2.1力学基本知识（1）万有引力与重力我们可利用重力设计产品，如跷跷板、座钟、滑梯、压路机、沙漏等。2.1.2力的分类湖南大学出版社2.1力学基本知识（2）弹力弹力：发生变形的物体，由于要恢复到原状而产生的对外界的力。弹力产生的条件：两物体直接接触；物体发生弹性形变。2.1.2力的分类湖南大学出版社2.1力学基本知识（2）弹力人们利用弹力的特点设计了出各种各样有用的产品，比如沙发、手压手电筒、球类玩具、减震装置等。2.1.2力的分类湖南大学出版社2.1力学基本知识（3）摩擦力摩擦力：滚动摩擦力、滑动摩擦力和静摩擦力静摩擦力与动摩擦力的差异：2.1.2力的分类FN（式中，F为摩擦力；N为正压力大小；为摩擦系数）湖南大学出版社2.1力学基本知识（3）摩擦力2.1.2力的分类湖南大学出版社2.1力学基本知识2.1.1力的相关概念2.1.2力的分类2.1.3力的平衡湖南大学出版社2.1力学基本知识力的合成法则（1）力的合成与分解①力的平行四边形合成法则②力的多边形合成法则③力的分解2.1.3力学平衡力的分解不唯一（2）力矩合成与分解可通过力的分解与合成求解力矩的分解与合成。湖南大学出版社2.1力学基本知识2.1.3力学平衡（3）力的平衡与产品造型设计①力的平衡：通常情况下，物体受到多个力的作用。如果各个力的作用效果互相抵消，使得物体保持原有的运动状态（静止或者匀速运动），这种不发生变化的运动状态，称为平衡状态。平衡条件：00()0xyoFFMF（式中，Fx为平面力系在X轴上分力的矢量和，Fy为平面力系在Y轴上分力的矢量和，Mo（F）为力系中所有力对力系作用面内任意一点的合力矩）湖南大学出版社2.1力学基本知识（3）力的平衡与产品造型设计②平衡与产品造型设计：平衡是造型美的形式法则之一关键词：使过产品重心的竖直线落在支撑面内、增大支撑面、降低物体重心。2.1.3力学平衡TizioLamp湖南大学出版社2.1力学基本知识（3）力的平衡与产品造型设计②平衡与产品造型设计：平衡是造型美的形式法则之一。关键词：使过产品重心的竖直线落在支撑面内、增大支撑面、降低物体重心。2.1.3力学平衡DENTSUKYUSHU返回湖南大学出版社2.2材料力学基础知识产品总是由许多构件组成，每个组成部分在工作中的安全可靠是产品整体安全可靠的必要条件。研究材料的力学性能，依据材料力学的原理开展设计工作，有助于设计出力学性能合理的产品。湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.1材料力学基本认识2.2.2材料的力学性能2.2.3应力集中湖南大学出版社2.2材料力学基础知识（1）材料力学基本概念①变形体性质的基本假设：连续均匀性、各向同性②弹性体的几何分类：壳、杆、板、体2.2.1材料力学基本认识湖南大学出版社2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式轴向拉伸或压缩：2.2.1材料力学基本认识湖南大学出版社2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式剪切：2.2.1材料力学基本认识湖南大学出版社2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式扭转：2.2.1材料力学基本认识湖南大学出版社2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式弯曲：2.2.1材料力学基本认识湖南大学出版社2.2材料力学基础知识（2）杆件受力与变形的几种形式综合变形：2.2.1材料力学基本认识湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.1材料力学基本认识2.2.2材料的力学性能2.2.3应力集中湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能关键词：强度、刚度、稳定性强度——描述的是构件在外力作用下抵抗破坏的能力。通常要求构件或零部件在确定的外力作用下，不发生破裂或过量的塑性变形；刚度——描述的是构件在外力作用下抵抗变形的能力。通常要求构件或零部件在确定的外力作用下，其弹性变形或位移不超过正常工作所允许的范围；稳定性——描述的是构件或零部件在某种受力形式下，维持平衡形式不变的能力。湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能（1）材料自身属性对构件力学性能的影响：①低碳钢拉伸时的力学性能关键词：比例极限、弹性极限、屈服强度、强度极限、伸长率、断面收缩率拉伸实验采用的标准试件低碳钢试件拉伸时的应力-应变曲线湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能（1）材料自身属性对构件力学性能的影响：②低碳钢压缩时的力学性能关键词：拉伸压缩性能对比湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能（1）材料自身属性对构件力学性能的影响：③其他几种材料的力学性能关键词：塑性材料、脆性材料几种材料拉伸时的应力-应变曲线灰铸铁拉伸及压缩应力-应变曲线湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能（1）材料自身属性对构件力学性能的影响：③其他几种材料的力学性能关键词：性能与应用受热绝缘件200拉30-39压39-56聚丙烯（PP）轿车车身、齿轮108-116拉53-56压70耐热ABS灯头、开关、装饰板30拉45-50压56-91碳聚氯乙烯（PVC）轻质木制品和构件拉79压36杉木（顺纹）轮胎、胶鞋650-90017-29天然橡胶油箱、油管、液体容器104102553A21（LF21铝合金板材）机壳、泵体、支架拉147-372压640-1300灰铸铁各种较大尺寸的弹簧件898078565M（合金弹簧钢）传动轴、齿轮、键1660035545（优质碳素钢）拉杆、螺钉、支架26375-460235Q235（碳素结构钢）应用举例伸长率（%）抗拉强度极限/MPa(抗拉、抗压)屈服强度/MPa材料名称、牌号s湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能（2）材料的分布对力学性能的影响：①加强肋结构对产品力学性能的影响关键词：塑料制品、壳体湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能（2）材料的分布对力学性能的影响：②空间结构对产品力学性能的影响关键词：桁架结构、体育馆、火车站湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能（2）材料的分布对力学性能的影响：③型材截面结构对产品力学性能的影响关键词：L型、T型、U型、O型、工字型截面湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.2材料的力学性能（2）材料的分布对力学性能的影响：④合理的形状对产品力学性能的影响关键词：合理造型、三角形湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.1材料力学基本认识2.2.2材料的力学性能2.2.3应力集中湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.3应力集中（1）应力集中现象关键词：孔、转折、台阶、缺口、沟槽、尖角电吹风、拖线板、手机充电器湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.3应力集中（2）避免应力集中①尽可能使用变化平缓的结构关键词：倒角、渐变湖南大学出版社2.2材料力学基础知识2.2.3应力集中（2）避免应力集中②改变应力集中处的应力场分布，使应力分散关键词：圆孔过度、底槽返回湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识汽车空气动力学特性对汽车性能有很大的影响：空气对汽车产生的气动阻力会降低汽车的加速能力；空气对汽车的升力及侧向力会影响汽车行驶的稳定性。此外，汽车空气动力特性对汽车的经济性影响也很大。实验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节省7%左右。伴随着汽车空气动力学的发展，汽车车身造型发生了极大的变化。湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识2.3.1流体力学基本知识2.3.2汽车空气动力学认知2.3.3汽车造型设计与空气动力学湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识（1）流体的粘性关键词：粘性、不规则热运动、摩擦、压力分布2.3.1流体力学基本知识湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识（2）描述流体流动的基本概念①流场、流线和流谱②边界层、层流和湍流关键词：速度分布、压力分布2.3.1流体力学基本知识湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识（3）物体在流体中的受力关键词：物体形状、位置、流速2.3.1流体力学基本知识湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识2.3.1流体力学基本知识2.3.2汽车空气动力学认知2.3.3汽车造型设计与空气动力学湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识（1）汽车外部流场关键词：多维、压力分布不均2.3.2汽车空气动力学认知湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识（2）汽车空气动力学分析①升力及纵倾力矩关键词：操作稳定性、汽车动力性能、质量轻的汽车②侧向力和横摆力矩关键词：直线行驶的性能、旋转③侧倾力矩关键词：转向性能、侧翻④纵向阻力关键词：阻力2.3.2汽车空气动力学认知湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识2.3.1流体力学基本知识2.3.2汽车空气动力学认知2.3.3汽车造型设计与空气动力学湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识（1）汽车造型的演变①马车型汽车和箱型汽车关键词：舒适性、安全性、空气阻力2.3.3汽车造型设计与空气动力学湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识（1）汽车造型的演变②甲壳虫型汽车关键词：流线型、横风不稳定性2.3.3汽车造型设计与空气动力学湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识（1）汽车造型的演变③船型汽车关键词：融于一体2.3.3汽车造型设计与空气动力学湖南大学出版社2.3汽车空气动力学认识（1）汽车造型的演变④鱼型汽车关键词：动力性能、稳定性2.3.3汽车造型设计与空气动力学湖南大学出版社2