工程力學(xué)第1章-緒論-靜力學(xué)基礎(chǔ)-

蔡力勛

2008工程力學(xué)講義工程力學(xué)講義教材參考教材

聯(lián)系方式工程力學(xué)講義lix_cai@263.ne南交通大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系編.工程力學(xué)教程.高等教育出版社2004孫訓(xùn)方等編.材料力學(xué).第四版.高等教育出版社，2002

奚紹中，丘秉全主編.工程力學(xué).西南交通大學(xué)出版社,1987機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本形式——反映物質(zhì)在時(shí)間、空間中的位置變化位置變化：變形、移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、流動(dòng)、振動(dòng)、波動(dòng)力——導(dǎo)致物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化 反映物體間的相互作用1什么是力學(xué)簡緒簡緒力學(xué)是各工程技術(shù)學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)是溝通自然科學(xué)基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐的橋梁是研究物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)

既是基礎(chǔ)科學(xué)

又是服務(wù)于工程的技術(shù)科學(xué)力 原表示肘用勁mechanics 力學(xué)、機(jī)械學(xué)mechanical 機(jī)械的、力學(xué)的dynamicist 力學(xué)家mechanist 機(jī)械師、機(jī)械主義者mechanicalengineering 機(jī)械工程有關(guān)詞匯靜力學(xué)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)2力學(xué)的學(xué)科分類宏觀力學(xué)細(xì)觀力學(xué)微機(jī)電力學(xué)－納米力學(xué)以牛頓力學(xué)體系為代表固體力學(xué)——材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、

塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等流體力學(xué)——水力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、

氣體動(dòng)力學(xué)、多相流體力學(xué)。2力學(xué)的學(xué)科分類按研究對(duì)象分研究固體材料或結(jié)構(gòu)在外界因素作用下，結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力間的關(guān)系及其分布規(guī)律，確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性液體和氣體研究質(zhì)點(diǎn)、剛體的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)一般力學(xué)——理論力學(xué)、分析力學(xué)、外彈道學(xué)、

振動(dòng)理論、剛體動(dòng)力學(xué)、陀螺力學(xué)

、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、非線性動(dòng)力學(xué)

。實(shí)驗(yàn)力學(xué)——實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、疲勞與

斷裂測(cè)試、材料力學(xué)性能測(cè)試、振動(dòng)測(cè)

試、光測(cè)力學(xué)、CAT技術(shù)等。計(jì)算力學(xué)——計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、數(shù)

值分析、有限元方法、計(jì)算機(jī)輔助

設(shè)計(jì)技術(shù)。按研究手段分

有飛行力學(xué)、船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)

巖土力學(xué)、反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)等按應(yīng)用領(lǐng)域分?jǐn)?shù)值仿真按交叉方向分生物力學(xué) 熱力學(xué) 地質(zhì)力學(xué) 巖土力學(xué) 爆炸力學(xué) 沖擊動(dòng)力學(xué)復(fù)合材料力學(xué)未來力學(xué)智能材料力學(xué)納米力學(xué)——微機(jī)電力學(xué)仿生力學(xué)工程構(gòu)件 受力如何？如何運(yùn)動(dòng)？如何變形？破壞？如何控制、設(shè)計(jì)？目的：

了解工程系統(tǒng)的力學(xué)性態(tài)并為其設(shè)計(jì)提供合理的規(guī)則3工程力學(xué)（或者應(yīng)用力學(xué)）是將力學(xué)原理應(yīng)用于實(shí)際工程系統(tǒng)的科學(xué)性態(tài)規(guī)則災(zāi)難4工程中的力學(xué)問題力學(xué)研究的方法論重慶綦江彩虹橋垮塌垮塌前的彩虹橋垮塌后的彩虹橋中承式拱形橋的拱架鋼管焊接存在嚴(yán)重缺陷混凝土強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的1／3連接拉索、鉚片、鉚具嚴(yán)重銹蝕23名武警晨練齊步跑1999年1月4日重慶市綦江彩虹橋發(fā)生垮塌40人死亡14人受傷直接經(jīng)濟(jì)損失631萬元原因——強(qiáng)度問題、振動(dòng)問題2001年11月7日宜賓南門大橋垮塌2人死亡，2人受傷中承式拱橋垮塌原因：——靠近拱圈邊緣的吊桿短，剛強(qiáng)度較大、應(yīng)付變形能力小，相應(yīng)受力就較大；——橋端伸縮縫較大，伸縮變形導(dǎo)致吊桿疲勞斷裂，從而引起大橋坍塌。宜賓南門大橋早期列車對(duì)撞災(zāi)難 蒸汽機(jī)車無損 車廂破壞

—?jiǎng)偠?、?qiáng)度差異Boeing737著陸機(jī)頭因疲勞發(fā)生斷裂

機(jī)上人員安全飛機(jī)設(shè)計(jì)：強(qiáng)度、剛度、可靠性材料的性能試驗(yàn)

機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)波音－NASA

X-48B飛機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)波音747整機(jī)有限元分析模型材料、部件、整機(jī)實(shí)驗(yàn)局部與整機(jī)的數(shù)值仿真上海東方電視塔高300m球徑45m

抗震模型試驗(yàn)（破壞部位、破壞形式、抗震能力）秦山二期核反應(yīng)堆穩(wěn)壓器強(qiáng)度考驗(yàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與變形分析

實(shí)驗(yàn)力學(xué) 材料力學(xué) 有限元分析車輛加載模擬機(jī)構(gòu)軌道疲勞可靠性實(shí)驗(yàn)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化剛體靜力學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)力學(xué)靜強(qiáng)度疲勞沖擊振動(dòng)抗拔抗扭轉(zhuǎn)大壩閘門吊桿承力桿塔式起重機(jī)塔式起重機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)：應(yīng)力、疲勞、斷裂等強(qiáng)度容限設(shè)計(jì)剛度設(shè)計(jì)：應(yīng)變、位移容限設(shè)計(jì)——靜強(qiáng)度、斷裂控制設(shè)計(jì)、抗疲勞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)保證結(jié)構(gòu)與零部件安全和使用功能——設(shè)計(jì)-制造-使用-維護(hù)的綜合分析與控制——功能—安全—經(jīng)濟(jì)的綜合性評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：工程力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、安全評(píng)定復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度剛度材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)彈性力學(xué)理論力學(xué)飛行力學(xué)振動(dòng)、噪聲、穩(wěn)定性空氣動(dòng)力學(xué)流體力學(xué)計(jì)算力學(xué)數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化疲勞力學(xué)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)力學(xué)可靠性結(jié)構(gòu)優(yōu)化2008-9-112.工程力學(xué)問題的基本研究任務(wù)是什么？3.論述工程力學(xué)解決的問題及其一般方法。1.什么是力學(xué)？思考力學(xué)研究的方法論客體原型零部件全尺寸模型客體模型抽象與客體模型數(shù)值仿真模型A獲取力學(xué)響應(yīng)信息B理論抽象C理論驗(yàn)證模型——真實(shí)情況的理想化和簡化包括材料性能、載荷、約束、幾何形狀等規(guī)律分析理論經(jīng)典：假設(shè)+數(shù)學(xué)＋解析現(xiàn)代：解析被數(shù)值取代

①數(shù)值分析：有限元

②數(shù)學(xué)與數(shù)值模型＋實(shí)驗(yàn)定參數(shù)數(shù)值力學(xué)規(guī)律P=f(x1,x2,…xn)實(shí)驗(yàn)理論提出問題，選擇有關(guān)的研究系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡化與假設(shè)，建立力學(xué)模型利用力學(xué)原理進(jìn)行分析、推理，得出結(jié)論由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證或與已知結(jié)論相比較確認(rèn)或進(jìn)一步改善模型，深化認(rèn)識(shí)工程力學(xué)研究的一般方法建立力學(xué)模型較為關(guān)鍵

——需要知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)意/預(yù)研試驗(yàn)？

工程力學(xué)作為一門課程 材料力學(xué)—材料變形 理論力學(xué)—?jiǎng)傮w運(yùn)動(dòng)

解決工程問題的力學(xué)基礎(chǔ)第一部分靜力學(xué)第一章靜力學(xué)基礎(chǔ)第二章平面匯交力系第三章力偶與平面力偶系第四章平面一般力系第五章重心和形心第二部分材料桿件變形學(xué)第六章內(nèi)力與內(nèi)力圖第七章拉伸和壓縮第八章扭轉(zhuǎn)第九章彎曲第十章應(yīng)力狀態(tài)分析和強(qiáng)度理論第十一章壓桿的穩(wěn)定性第三部分運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)第十二章點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)第十三章剛體的基本運(yùn)動(dòng)第十四章點(diǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)第十五章剛體的平面運(yùn)動(dòng)第十六章質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程第十七章動(dòng)力學(xué)普遍定理第十八章動(dòng)靜法工程力學(xué)課程—應(yīng)用力學(xué)的基礎(chǔ)任務(wù):

力系的研究 力系與物體變形的研究 力系與剛體運(yùn)動(dòng)的研究物體對(duì)象 變形體：細(xì)長桿件、梁 剛體：質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系材料、理論力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)理論力學(xué)工程靜力學(xué)：工程力學(xué)基礎(chǔ)研究物體在力系作用下平衡規(guī)律的科學(xué)平衡狀態(tài)：

牛頓力學(xué)中F合力=ma=0第一章靜力學(xué)基礎(chǔ)物體相對(duì)于地面保持靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)第一章靜力學(xué)基礎(chǔ)工程靜力學(xué)研究對(duì)象——質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系（物體）剛體：質(zhì)點(diǎn)系中質(zhì)點(diǎn)之間為剛性連接

變形體：質(zhì)點(diǎn)系中質(zhì)點(diǎn)之間為彈性連接研究任務(wù)——分析物體受力（受力分析）——研究力系的等效和簡化——研究力系的平衡、求解未知力力

——

物體間的相互作用力的效應(yīng)

——(1)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)：使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化

(2)變形效應(yīng)：使物體發(fā)生變形1.力的概念§1-1靜力學(xué)中的基本概念力的單位——NorkN力的三要素

力對(duì)物體作用的效應(yīng)，決定于力的三要素

——大小、方向和作用點(diǎn)

AF——大小、方向和作用線對(duì)剛體而言力的三要素是什么？ABFF§1-1靜力學(xué)中的基本概念等效力系F1F2FnF

1F

2F

n力系作用在物體上的若干個(gè)力的總稱以（F1,F2,…Fn)表示等效力系

作用于物體上的一個(gè)力系可用另一

個(gè)力系代替，而不改變?cè)ο祵?duì)物

體作用的外效應(yīng)，用（F1,F2,…Fn)

=(F

1,F

2,….F

n)來表示?！?-1靜力學(xué)中的基本概念§1-2靜力學(xué)公理靜力學(xué)公理——是由觀察和實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的客觀規(guī)律

（公認(rèn)的，無需證明）

4個(gè)靜力學(xué)公理——靜力學(xué)全部理論的基礎(chǔ)

作用于剛體上的兩個(gè)力，使剛體處于平衡狀態(tài)的必要與充分條件是：這兩個(gè)力等值，反向，共線。公理1

二力平衡公理§1-2靜力學(xué)公理二力桿或二力構(gòu)件只在二點(diǎn)受力而處于平衡的無重桿或無重構(gòu)件二力桿或二力構(gòu)件ABCF三鉸拱BC二力桿FCFBABOAB棘爪棘輪§1-2靜力學(xué)公理只在二點(diǎn)受力而處于平衡的無重桿或無重構(gòu)件F1F2PP公理2加減平衡力系公理

在作用于剛體上的已知力系中，加上或減去任一平衡力系，并不改變?cè)ο祵?duì)剛體的效應(yīng)。QQ公理2只適用于剛體§1-2靜力學(xué)公理FABFAB

作用于剛體上的力，可沿其作用線任意移動(dòng)而不改變它對(duì)剛體的作用效應(yīng)。力的可傳性原理FABFFFAB加減平衡力系§1-2靜力學(xué)公理——大小、方向和作用線對(duì)剛體而言力的三要素ABFF公理3力的平行四邊形法則

作用于物體上同一點(diǎn)的兩個(gè)力，其合力也作用在該點(diǎn)上，合力的大小和方向則由共點(diǎn)兩力為邊所構(gòu)成的平行四邊形的對(duì)角線來表示，該兩力稱為合力的分力。F1F2FR§1-2靜力學(xué)公理力是矢量FR,F1