工學(xué)工程力學(xué)課件空間力系

空間力系工程力學(xué)是研究物體在力的作用下的運(yùn)動(dòng)和平衡規(guī)律的學(xué)科。空間力系是工程力學(xué)的重要組成部分，它研究在三維空間中力的作用及其平衡關(guān)系。課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生深入理解空間力系的概念，掌握分析和解決空間力系問(wèn)題的方法，并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程內(nèi)容課程將涵蓋空間力系的定義、分類、合成、分解、平衡條件、靜力學(xué)分析等內(nèi)容，并結(jié)合實(shí)際工程案例進(jìn)行講解和分析。學(xué)習(xí)目標(biāo)理解空間力系的定義和分類掌握空間力系的基本概念，包括力、力偶、力系的合成與分解等。掌握空間力系的平衡條件能夠運(yùn)用力系的平衡條件分析空間結(jié)構(gòu)的受力情況。熟練運(yùn)用空間力系分析方法能夠運(yùn)用空間力系分析方法解決實(shí)際工程問(wèn)題?？臻g力系的基本概念空間力系是指作用在剛體上所有力的集合，這些力在空間中具有不同的方向和作用點(diǎn)。空間力系是工程力學(xué)中的重要概念，是分析和解決空間結(jié)構(gòu)問(wèn)題的基礎(chǔ)。力系的分類按力的作用方式集中力系分布力系按力系作用在剛體上的情況平面力系空間力系力在空間中的描述1矢量力是矢量，具有大小和方向。2坐標(biāo)系使用右手直角坐標(biāo)系來(lái)描述力。3投影力可以投影到坐標(biāo)軸上，形成三個(gè)分量。力的投影1正交投影力在坐標(biāo)軸上的投影2斜投影力在任意方向上的投影力的投影是力在某個(gè)方向上的分量，可以用三角函數(shù)計(jì)算。在工程力學(xué)中，正交投影和斜投影都是重要的概念，它們可以幫助我們分析力的作用效果，并進(jìn)行力系的合成和分解。力系的合成平行力系將平行力系簡(jiǎn)化為一個(gè)合力，合力的大小等于各力的代數(shù)和，合力的作用線與各力平行，作用點(diǎn)在各力的作用線上。空間力系將空間力系簡(jiǎn)化為一個(gè)合力，合力的大小等于各力的矢量和，合力的作用線通過(guò)力的矢量和的終點(diǎn)。力偶系將力偶系簡(jiǎn)化為一個(gè)合力偶，合力偶的矩等于各力偶矩的矢量和，合力偶的平面平行于各力偶平面。力系的分解1平行分解將力分解為平行于兩個(gè)已知方向的兩個(gè)分力。2正交分解將力分解為垂直于兩個(gè)已知方向的兩個(gè)分力。3任意方向分解將力分解為任意方向的兩個(gè)分力。力偶的概念定義力偶是由大小相等、方向相反、作用線平行的兩個(gè)力組成的力系。作用力偶不會(huì)使物體產(chǎn)生平動(dòng)，只會(huì)使其產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。力偶矩力偶對(duì)某一點(diǎn)的矩稱為力偶矩，其大小等于其中一個(gè)力的大小乘以力偶臂。力偶的性質(zhì)大小不變力偶的大小由力偶矩決定，無(wú)論力的大小或方向如何變化，只要力偶矩保持不變，力偶的大小就保持不變。作用線無(wú)關(guān)力偶的作用效果與力偶作用線的位置無(wú)關(guān)，只要力偶矩相同，作用線的位置可以任意改變，力偶的作用效果依然相同。可移動(dòng)力偶可以沿其作用平面移動(dòng)，其作用效果不變，這使得力偶在分析力系時(shí)更加靈活。可等效替換多個(gè)力偶可以等效替換為一個(gè)合力偶，合力偶的力偶矩等于各力偶矩的矢量和。力偶的合成1平行力偶合成力偶矩等于各力偶矩的向量和2不平行力偶將各力偶矩投影到一個(gè)公共平面上，然后進(jìn)行矢量合成3特殊情況當(dāng)力偶矩的方向相同或相反時(shí)，合成力偶矩等于各力偶矩的代數(shù)和力偶的分解1將一個(gè)力偶分解成兩個(gè)或多個(gè)力偶分解后的力偶的合力偶矩等于原來(lái)力偶的力偶矩。2分解方法平行移動(dòng)力偶中的一個(gè)力在力偶作用平面內(nèi)，引入一對(duì)大小相等、方向相反的力3應(yīng)用分解力偶可以簡(jiǎn)化力系的分析，并更方便地進(jìn)行力偶矩的計(jì)算。力系的平衡條件合力為零所有外力的矢量和為零，保證物體靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)。合力矩為零所有外力對(duì)任意點(diǎn)的力矩矢量和為零，防止物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。集中力系的平衡1合力為零所有外力的矢量和為零2合力矩為零所有外力對(duì)任意點(diǎn)的力矩矢量和為零3平衡方程∑F=0，∑M=0分布力系的平衡分布力系的特點(diǎn)分布力系是指作用在物體上的力沿某條線或某一個(gè)面上連續(xù)分布。分布力系的簡(jiǎn)化將分布力系簡(jiǎn)化為集中力系，再利用集中力系的平衡條件進(jìn)行分析。常見(jiàn)的分布力系均勻分布載荷、三角形分布載荷、梯形分布載荷等。靜定結(jié)構(gòu)的分析定義靜定結(jié)構(gòu)是指僅通過(guò)平衡方程就能求解其內(nèi)力的結(jié)構(gòu)。這意味著結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)完全由外力決定，內(nèi)部約束力不會(huì)影響其平衡。分析方法靜定結(jié)構(gòu)的分析主要依靠平衡方程、力矩平衡方程和幾何關(guān)系。通過(guò)這些方程可以求解結(jié)構(gòu)中各桿件的內(nèi)力，從而判斷結(jié)構(gòu)的安全性。應(yīng)用靜定結(jié)構(gòu)在建筑、橋梁、機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于其分析簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)安全可靠，因此在工程實(shí)踐中占有重要地位。過(guò)靜定結(jié)構(gòu)的分析1靜力學(xué)方法力平衡方程求解2位移法位移協(xié)調(diào)方程求解3力法力法方程求解內(nèi)力的計(jì)算內(nèi)力的概念內(nèi)力是指物體內(nèi)部各部分之間相互作用的力。當(dāng)物體受到外力作用時(shí)，物體內(nèi)部各部分之間會(huì)產(chǎn)生相互作用的力，這些力稱為內(nèi)力。內(nèi)力的計(jì)算方法內(nèi)力的計(jì)算方法通?；谖矬w內(nèi)部的應(yīng)力分析。應(yīng)力是指物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力在單位面積上的分布。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理安全結(jié)構(gòu)必須能夠承受預(yù)期的負(fù)荷，同時(shí)確保使用者的安全。經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮材料成本、建造成本和維護(hù)成本，力求經(jīng)濟(jì)實(shí)用。美觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮美學(xué)因素，與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，展現(xiàn)出良好的視覺(jué)效果。材料的力學(xué)性能強(qiáng)度材料抵抗斷裂的能力剛度材料抵抗變形的能力韌性材料在斷裂前吸收能量的能力應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系1胡克定律在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。2泊松比材料在受拉伸或壓縮時(shí)，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。3屈服強(qiáng)度材料開(kāi)始發(fā)生永久變形時(shí)的應(yīng)力值。4抗拉強(qiáng)度材料所能承受的最大應(yīng)力值。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系描述了材料在受力時(shí)如何變形。胡克定律是材料力學(xué)中的基本定律，它描述了應(yīng)力與應(yīng)變?cè)趶椥苑秶鷥?nèi)呈線性關(guān)系。泊松比則反映了材料在受力時(shí)，橫向尺寸的變化情況。應(yīng)力分析的基本方法力法力法是基于平衡方程和材料力學(xué)基本原理的一種應(yīng)力分析方法，它以未知的約束反力為基本未知量，通過(guò)建立平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移。位移法位移法是基于位移協(xié)調(diào)方程和材料力學(xué)基本原理的一種應(yīng)力分析方法，它以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，通過(guò)建立位移協(xié)調(diào)方程和力平衡方程求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移。有限元法有限元法是一種數(shù)值計(jì)算方法，它將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散化為有限個(gè)單元，并通過(guò)建立單元的平衡方程和位移協(xié)調(diào)方程，求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移。應(yīng)力集中的分析幾何形狀孔洞、缺口、圓角等幾何形狀變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，在這些區(qū)域應(yīng)力會(huì)顯著增加。載荷類型不同類型的載荷，例如集中載荷或沖擊載荷，也會(huì)造成應(yīng)力集中，需要進(jìn)行特殊分析。材料性質(zhì)材料的彈性模量、泊松比等性質(zhì)也會(huì)影響應(yīng)力集中的程度，需要考慮材料的特性。梁的應(yīng)力分析1彎曲應(yīng)力梁承受彎矩時(shí)，在其截面上產(chǎn)生的應(yīng)力。2剪切應(yīng)力梁承受剪力時(shí)，在其截面上產(chǎn)生的應(yīng)力。3組合應(yīng)力梁同時(shí)承受彎矩和剪力時(shí)，截面上產(chǎn)生的應(yīng)力。柱的應(yīng)力分析1軸向壓力柱通常承受軸向壓力，這會(huì)導(dǎo)致柱體內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。2彎曲應(yīng)力當(dāng)柱受到橫向荷載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，在柱的截面中心產(chǎn)生最大應(yīng)力。3剪切應(yīng)力在柱的橫截面上也會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，尤其在橫向荷載作用下。薄壁構(gòu)件的應(yīng)力分析概念薄壁構(gòu)件是指厚度遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度和寬度的構(gòu)件，例如薄板、薄殼等。薄壁構(gòu)件的應(yīng)力分析需要考慮其薄壁特性。方法常見(jiàn)的分析方法包括薄板理論、薄殼理論等，利用這些理論可以計(jì)算薄壁構(gòu)件在各種載荷作用下的應(yīng)力分布和變形情況。應(yīng)用薄壁構(gòu)件的應(yīng)力分析在工程設(shè)計(jì)中具有重要意義，可以幫助設(shè)計(jì)人員確保薄壁構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，例如飛機(jī)機(jī)身、汽車車身等。軸的應(yīng)力分析1扭轉(zhuǎn)應(yīng)力圓軸在扭轉(zhuǎn)載荷下產(chǎn)生的切應(yīng)力2彎曲應(yīng)力圓軸在彎曲載荷下產(chǎn)生的正應(yīng)力3組合應(yīng)力圓軸同時(shí)承受扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷的情況軸的應(yīng)力分析主要考慮扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，以及兩種應(yīng)力共同作用的組合應(yīng)力情況。根據(jù)具體工況和材料性能，選擇合適的強(qiáng)度理論進(jìn)行安全校核。重要公式推導(dǎo)力矩平衡推導(dǎo)各種力矩平衡公式，例如靜力學(xué)中的力矩平衡方程。應(yīng)力分析推導(dǎo)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、胡克定律、泊松比等公式。梁的彎曲推導(dǎo)梁的撓度、彎矩、剪力等公式，例如彎曲公式和剪力公式。實(shí)際工程案例分析通過(guò)對(duì)實(shí)際工程案例的分析，可以加深對(duì)空間力系概念的理解，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)題解決中。例如，分析一座橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況，可以將橋梁的重量、風(fēng)荷載、車輛荷載等因素分