《工程力學(xué)cha》課件

《工程力學(xué)》課程概述《工程力學(xué)》是工程領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)課程。該課程涵蓋了力的分析、剛體力學(xué)、材料力學(xué)和流體力學(xué)等核心概念。力學(xué)的基本概念力學(xué)的基本概念力學(xué)是研究物體運(yùn)動(dòng)和物體受力的科學(xué)，是物理學(xué)的一個(gè)分支。運(yùn)動(dòng)學(xué)研究物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不考慮引起運(yùn)動(dòng)的原因。動(dòng)力學(xué)研究物體運(yùn)動(dòng)的原因，即研究物體受到的力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。靜力學(xué)研究物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，受到的力和力矩之間的關(guān)系。力學(xué)的基本原理牛頓運(yùn)動(dòng)定律牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)。它描述了物體在力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第一定律：慣性定律，描述了物體在不受外力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。能量守恒定律能量守恒定律指出，能量不會(huì)憑空產(chǎn)生或消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。能量守恒定律是自然界中最基本的定律之一，它在各個(gè)學(xué)科中都有重要的應(yīng)用。質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)1位置、位移和速度描述質(zhì)點(diǎn)在空間中的位置、位移和速度，包括直線運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。2加速度介紹加速度的概念，包括切向加速度和法向加速度，以及它們對運(yùn)動(dòng)的影響。3運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建立常加速度運(yùn)動(dòng)和變加速度運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，用以分析和預(yù)測質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)牛頓定律牛頓三大定律是質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的核心，它們描述了力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。動(dòng)量定理動(dòng)量定理將力的沖量與動(dòng)量的變化聯(lián)系起來，提供了一種分析質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的有效方法。能量守恒能量守恒定律表明，一個(gè)系統(tǒng)的總能量保持不變，它在不同形式之間轉(zhuǎn)換。功和能功是力在運(yùn)動(dòng)方向上的積分，它代表能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化。應(yīng)用質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)在工程領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，例如車輛動(dòng)力學(xué)、飛行器設(shè)計(jì)等。剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)1剛體運(yùn)動(dòng)剛體在空間中的位置變化2位移剛體從初始位置到最終位置的改變3速度剛體位移隨時(shí)間的變化率4加速度剛體速度隨時(shí)間的變化率剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究剛體在空間中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不考慮引起運(yùn)動(dòng)的原因。剛體的動(dòng)力學(xué)1線性運(yùn)動(dòng)平移運(yùn)動(dòng)2角運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3復(fù)合運(yùn)動(dòng)平移和旋轉(zhuǎn)結(jié)合剛體動(dòng)力學(xué)研究剛體在力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析剛體在不同運(yùn)動(dòng)模式下的受力情況，以及其運(yùn)動(dòng)軌跡。平面剛體的動(dòng)力學(xué)剛體的平動(dòng)剛體所有質(zhì)點(diǎn)都以相同的速度和加速度運(yùn)動(dòng)，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都沿著相同的軌跡運(yùn)動(dòng)。剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)剛體繞固定軸旋轉(zhuǎn)，其上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都以相同的角速度和角加速度運(yùn)動(dòng)。平面運(yùn)動(dòng)剛體運(yùn)動(dòng)在平面內(nèi)進(jìn)行，可以是平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的組合。動(dòng)量矩定理剛體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量矩等于合外力矩對質(zhì)心的一階矩。動(dòng)能定理剛體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能變化等于合外力做的功。平面剛體的動(dòng)力學(xué)應(yīng)用起重機(jī)起重機(jī)是平面剛體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用的典型例子，涉及到力矩、慣性矩和角速度等概念。擺錘擺錘的運(yùn)動(dòng)可以用平面剛體動(dòng)力學(xué)方程來描述，涉及到重力、張力和角加速度等因素。汽車汽車的運(yùn)動(dòng)可以簡化為平面剛體模型，研究車輪的滾動(dòng)和轉(zhuǎn)向等問題。彈性力學(xué)基礎(chǔ)11.應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力是指物體內(nèi)部承受外力的作用而產(chǎn)生的內(nèi)力。應(yīng)變是指物體在外力作用下發(fā)生的形變。22.胡克定律胡克定律描述了彈性材料在彈性限度內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性關(guān)系。它是一個(gè)基本的力學(xué)原理，用于預(yù)測材料的彈性行為。33.彈性模量彈性模量是衡量材料抵抗形變能力的指標(biāo)。它反映了材料在彈性范圍內(nèi)承受應(yīng)力而發(fā)生應(yīng)變的能力。44.泊松比泊松比描述了材料在單向拉伸或壓縮時(shí)，其橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比例關(guān)系。應(yīng)力張量和應(yīng)變張量應(yīng)力張量描述物體內(nèi)部各點(diǎn)受力的狀態(tài)，是一個(gè)二階張量。應(yīng)變張量描述物體內(nèi)部各點(diǎn)形變的大小和方向，也是一個(gè)二階張量。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力張量與應(yīng)變張量之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，稱為本構(gòu)關(guān)系。平面應(yīng)力問題平面應(yīng)力問題是指在物體內(nèi)部，僅存在兩個(gè)方向上的應(yīng)力，而第三個(gè)方向上的應(yīng)力為零。1基本假設(shè)物體為薄板，且厚度遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸。2應(yīng)力狀態(tài)僅存在兩個(gè)方向上的應(yīng)力，而第三個(gè)方向上的應(yīng)力為零。3平衡方程用于分析物體在受力下的平衡狀態(tài)。4本構(gòu)關(guān)系描述材料的力學(xué)性質(zhì)，建立應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。平面應(yīng)力問題是工程力學(xué)中常見的分析問題，廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、飛機(jī)機(jī)翼等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析中。平面應(yīng)變問題1定義應(yīng)變在x-y平面內(nèi)，z方向上應(yīng)變?yōu)榱?應(yīng)用適用于薄板或薄壁結(jié)構(gòu)3特點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)可簡化為平面應(yīng)力問題平面應(yīng)變問題是一種重要的力學(xué)問題，在許多工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。例如，橋梁、隧道、管道等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，都需要考慮平面應(yīng)變問題。力與應(yīng)變的關(guān)系胡克定律在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之間成正比，比例系數(shù)稱為材料的彈性模量。胡克定律是材料力學(xué)中一個(gè)重要的基本定律，它描述了材料在彈性范圍內(nèi)變形時(shí)的行為。應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述了材料在加載過程中應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。曲線可以反映材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等重要參數(shù)。應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)安全評估應(yīng)力分析可以識別潛在的應(yīng)力集中區(qū)域，幫助工程師設(shè)計(jì)更安全、更可靠的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能通過分析應(yīng)力分布，工程師可以優(yōu)化材料使用，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)效率。預(yù)防機(jī)械故障應(yīng)力分析可以預(yù)測機(jī)械零件在使用過程中可能出現(xiàn)的疲勞或斷裂，幫助工程師設(shè)計(jì)更耐用的零件。應(yīng)變能與彈性穩(wěn)定性應(yīng)變能應(yīng)變能是物體在外力作用下發(fā)生形變時(shí)儲(chǔ)存的能量，它反映了物體在彈性變形過程中所吸收的能量。彈性穩(wěn)定性彈性穩(wěn)定性是指物體在受到外力作用下保持原有形狀的能力，即物體在不發(fā)生永久性變形的情況下所能承受的最大應(yīng)力。穩(wěn)定性分析通過分析物體的應(yīng)變能和彈性穩(wěn)定性，可以預(yù)測物體在受到外力作用時(shí)是否會(huì)發(fā)生屈曲、失效或破壞。靜定結(jié)構(gòu)力分析1靜定結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中未知力的個(gè)數(shù)等于獨(dú)立的平衡方程個(gè)數(shù)2平衡方程包括力的平衡、力矩平衡、以及其他約束條件3分析方法通常使用節(jié)點(diǎn)法和截面法來求解靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力靜不定結(jié)構(gòu)力分析1結(jié)構(gòu)超靜定約束條件過多2力學(xué)方程求解未知力3位移法位移協(xié)調(diào)方程4力法力平衡方程靜不定結(jié)構(gòu)是指約束條件過多，僅靠平衡方程無法確定所有未知力。需要引入其他條件，例如位移協(xié)調(diào)方程或力平衡方程。通過位移法或力法進(jìn)行求解，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部力的分布。彎曲理論橫截面應(yīng)力彎曲理論研究彎曲載荷作用下構(gòu)件的應(yīng)力分布和變形情況，是工程力學(xué)的重要內(nèi)容之一。彎曲應(yīng)力彎曲理論涉及彎曲應(yīng)力和彎曲應(yīng)變的計(jì)算，以及彎曲變形、撓度和曲率的變化分析。材料性能在彎曲分析中，需考慮材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度極限等力學(xué)性能。彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度是材料在彎曲載荷作用下所能承受的最大應(yīng)力，是材料抵抗彎曲破壞的能力。剪力與彎矩11.剪力剪力是作用在橫截面上與橫截面垂直的內(nèi)力。22.彎矩彎矩是作用在橫截面上使梁產(chǎn)生彎曲的力矩。33.剪力圖與彎矩圖剪力圖和彎矩圖用于描述梁上的剪力與彎矩分布。44.彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力是由于彎矩引起的梁內(nèi)應(yīng)力。彎曲應(yīng)力與撓度彎曲應(yīng)力彎曲梁的橫截面上會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，最大應(yīng)力發(fā)生在距中性軸最遠(yuǎn)的地方。撓度彎曲梁在載荷作用下會(huì)發(fā)生形變，最大撓度發(fā)生在載荷作用點(diǎn)或其附近。扭轉(zhuǎn)理論扭轉(zhuǎn)的概念扭轉(zhuǎn)是指桿件受到扭矩作用而產(chǎn)生的變形。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力是指桿件橫截面上由于扭矩作用而產(chǎn)生的切應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)角是指桿件兩端截面之間的相對旋轉(zhuǎn)角度。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度是指桿件抵抗扭轉(zhuǎn)破壞的能力。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系應(yīng)力應(yīng)力是指物體內(nèi)部單位面積上所受到的力。應(yīng)力是材料抵抗形變的能力。應(yīng)變應(yīng)變是指物體在受力后發(fā)生的形變程度。應(yīng)變是材料在受力后形變的大小。桿件受組合載荷分析軸向力軸向力會(huì)導(dǎo)致桿件的拉伸或壓縮，這取決于力的方向。彎矩彎矩會(huì)使桿件彎曲，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。剪力剪力會(huì)導(dǎo)致桿件橫截面上的剪切應(yīng)力。扭矩扭矩會(huì)使桿件扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。結(jié)構(gòu)屈曲理論11.穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的現(xiàn)象稱為屈曲，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效或破壞。22.臨界載荷結(jié)構(gòu)在達(dá)到臨界載荷時(shí)，會(huì)發(fā)生屈曲，超出臨界載荷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。33.屈曲形式屈曲的形式多種多樣，例如彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲和組合屈曲。44.屈曲分析通過分析結(jié)構(gòu)的屈曲形式和臨界載荷，可以設(shè)計(jì)更安全的結(jié)構(gòu)。機(jī)械沖擊理論沖擊載荷沖擊載荷是指突然施加的載荷，例如錘擊、爆炸等。沖擊應(yīng)力沖擊載荷會(huì)導(dǎo)致物體內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力，可能超過其屈服強(qiáng)度。沖擊分析沖擊分析是預(yù)測物體在沖擊載荷作用下的響應(yīng)，例如變形、斷裂等。材料的疲勞與斷裂疲勞反復(fù)載荷或應(yīng)力導(dǎo)致材料內(nèi)部微觀裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。脆性斷裂材料在沒有明顯的塑性變形情況下突然斷裂，通常發(fā)生在低溫或高應(yīng)力狀態(tài)下。韌性斷裂材料斷裂前有明顯的塑性變形，裂紋擴(kuò)展速度較慢，通常發(fā)生在高溫或低應(yīng)力狀態(tài)下。實(shí)驗(yàn)示范與測試工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證理論知識的重要環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用力學(xué)原理。通過實(shí)驗(yàn)示范和測試，學(xué)生可以直觀地觀察力學(xué)現(xiàn)象，并掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作技能。例如，學(xué)生可以進(jìn)行材料拉伸實(shí)驗(yàn)，測試材料的強(qiáng)度和韌性，驗(yàn)證胡克定律等力學(xué)原理。本課程的總結(jié)與展望知識回顧本課程涵蓋了工程力學(xué)的基礎(chǔ)知識，包括靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)等。這些知識對于理解和分析工程問題至關(guān)重要。未來展望工程力學(xué)是一個(gè)不斷發(fā)展和完善的學(xué)科。未來的研究方向包括：智能材料、微納米力學(xué)、多尺度力