《工程力學(xué)課程總論》課件

《工程力學(xué)課程總論》工程力學(xué)是工程學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科,涉及工程設(shè)計、建造和操作過程中的力學(xué)問題。該課程將全面概述工程力學(xué)的基本理論和應(yīng)用,讓學(xué)生深入理解力學(xué)規(guī)律,為后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程目標(biāo)專業(yè)技能學(xué)習(xí)工程力學(xué)的基本理論和方法,掌握工程分析和設(shè)計的基本技能。分析思維培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的能力,提高工程實(shí)踐能力。創(chuàng)新能力激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識,培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力。課程內(nèi)容簡介課程重點(diǎn)本課程將深入探討工程力學(xué)的基本概念和原理,涵蓋了從靜力學(xué)到動力學(xué)的廣泛領(lǐng)域。課程內(nèi)容主要包括力學(xué)基礎(chǔ)、應(yīng)力應(yīng)變分析、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)分析等相關(guān)知識,旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。學(xué)習(xí)收獲通過本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生可以掌握工程力學(xué)的基本理論和分析方法,為后續(xù)專業(yè)課程和工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。教學(xué)方式采用理論講授、實(shí)例分析、計算練習(xí)等多種教學(xué)方式,注重理論與實(shí)踐的結(jié)合。工程力學(xué)的歷史發(fā)展1古代智慧最早的力學(xué)思想起源于古代哲學(xué)家和工程師2牛頓時代17世紀(jì)牛頓建立了經(jīng)典力學(xué)理論體系3現(xiàn)代演進(jìn)19-20世紀(jì)力學(xué)逐步發(fā)展為現(xiàn)代工程力學(xué)4綜合應(yīng)用工程力學(xué)廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域工程力學(xué)的歷史可以追溯到古代哲學(xué)家和工程師的最初智慧。17世紀(jì)牛頓確立了經(jīng)典力學(xué)理論體系,奠定了現(xiàn)代工程力學(xué)的基礎(chǔ)。19-20世紀(jì),力學(xué)理論不斷發(fā)展完善,廣泛應(yīng)用于各類工程領(lǐng)域,成為現(xiàn)代工程學(xué)的核心學(xué)科之一。力學(xué)的基本概念1物質(zhì)點(diǎn)力學(xué)研究的基礎(chǔ)是物質(zhì)點(diǎn),即無大小和形狀的理想化對象。2力和力的作用力是導(dǎo)致物體運(yùn)動狀態(tài)改變的原因,物體受力后會產(chǎn)生位移或變形。3運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)運(yùn)動學(xué)描述運(yùn)動的幾何特性,動力學(xué)研究運(yùn)動的原因和結(jié)果。4靜力學(xué)和動力學(xué)靜力學(xué)研究物體的平衡狀態(tài),動力學(xué)研究物體的運(yùn)動狀態(tài)。力學(xué)的基本原理牛頓第一定律物體的狀態(tài)（靜止或勻速直線運(yùn)動）會一直保持除非受到外力作用。這是力學(xué)的基本原理之一。牛頓第二定律物體所受的合外力與其加速度成正比,這為力學(xué)分析提供了重要依據(jù)。牛頓第三定律作用力與反作用力大小相等、方向相反,這是力的平衡的基本原理。能量守恒定律在封閉系統(tǒng)中,能量不會憑空產(chǎn)生或消失,而是在不同形式之間轉(zhuǎn)換。這是力學(xué)中的基本定律之一。物體受力分析識別受力點(diǎn)確定分析對象的支撐點(diǎn)和受力點(diǎn),是進(jìn)行受力分析的第一步。確定作用力列出所有作用在分析對象上的內(nèi)力和外力,包括重力、反作用力等。分析力的平衡分析各受力點(diǎn)的合力和力矩,判斷物體是否處于靜力平衡狀態(tài)。力的合成和分解1力的合成將多個作用于物體的力合成為一個等效力,可以簡化分析計算。合成過程包括確定合力大小和方向。2力的分解將一個力分解為多個分力,有助于分析各分力對物體的作用效果。分解過程包括確定分力大小和方向。3應(yīng)用實(shí)例在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、連接件設(shè)計等工程問題中,合成和分解力的技術(shù)廣泛應(yīng)用。力矩和力偶力矩概念力矩描述了力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。它是力的作用點(diǎn)到軸線的距離乘以力的大小。力偶概念力偶是兩個大小相等、方向相反的平行力組成的特殊力系。它可以產(chǎn)生純旋轉(zhuǎn)的效果。力矩和力偶的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計中，力矩和力偶概念被廣泛應(yīng)用于確定物體的平衡狀態(tài)和內(nèi)力分布。平衡方程的建立1力的分解將復(fù)雜力系分解為簡單的力向量2力的平衡使所有力及力矩的合力、合矩均為零3方程的建立基于力的平衡原理建立平衡方程組平衡方程的建立是工程力學(xué)分析的關(guān)鍵步驟。首先需要將復(fù)雜的力系化為簡單的力和力矩向量,然后根據(jù)平衡原理設(shè)置力和力矩的平衡方程。通過求解這些平衡方程,可以確定未知的力和位移量,為進(jìn)一步的應(yīng)力分析和強(qiáng)度計算奠定基礎(chǔ)。靜摩擦和動摩擦1靜摩擦力當(dāng)兩個物體接觸但相對靜止時,會產(chǎn)生靜摩擦力,阻礙物體運(yùn)動。靜摩擦力最大值為臨界靜摩擦力。2動摩擦力當(dāng)兩個物體相對滑動時,會產(chǎn)生動摩擦力,阻礙物體運(yùn)動。動摩擦力小于靜摩擦力最大值,與接觸面積和材料有關(guān)。3摩擦系數(shù)靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)描述了兩種摩擦力的大小,是物體材料特性的重要參數(shù)。4工程應(yīng)用摩擦力在機(jī)械設(shè)計、輪胎與路面、制動系統(tǒng)等工程領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,需要合理估算和利用。集中力系和分布力系集中力系集中力是一股作用在某一點(diǎn)上的力,如重力、支反力等。集中力系易于分析,常用于簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力分析。分布力系分布力是沿物體表面或體積內(nèi)均勻分布的力,如壓力、摩擦力等。分布力系更接近實(shí)際,但分析較為復(fù)雜。應(yīng)用場景集中力常用于分析簡單支承結(jié)構(gòu),如梁、柱等;分布力常用于復(fù)雜結(jié)構(gòu),如壓力容器、殼體結(jié)構(gòu)等。質(zhì)點(diǎn)的平衡條件力的平衡當(dāng)力加在質(zhì)點(diǎn)上時,質(zhì)點(diǎn)保持靜止或勻速直線運(yùn)動,即力的合力為零。力矩的平衡當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受多力作用時,所有力矩的合矩為零,質(zhì)點(diǎn)不會轉(zhuǎn)動。坐標(biāo)系平衡建立合適的坐標(biāo)系可以更好地分析質(zhì)點(diǎn)的平衡狀態(tài)。剛體的平衡條件三個平衡條件剛體的平衡條件包括三個方面:力的平衡條件、力偶的平衡條件和合力為零的條件。滿足這三個條件,剛體才能達(dá)到靜力學(xué)平衡。內(nèi)力與外力內(nèi)力是作用于剛體內(nèi)部的力,外力是作用于剛體表面的力。在平衡分析中,必須同時考慮內(nèi)力和外力。受力分析通過對剛體的受力分析,可以得到平衡方程,從而確定未知的作用力和反作用力。這是進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)。坐標(biāo)系選擇選擇合適的坐標(biāo)系,可以簡化平衡方程的建立。通常情況下,選擇與剛體受力情況相吻合的坐標(biāo)系。受力分析實(shí)例演示在本部分，我們將通過具體的工程案例演示如何進(jìn)行力學(xué)的受力分析。我們將選擇一些典型的工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，分析其受到的外力作用情況，并建立相應(yīng)的受力分析模型。通過這些實(shí)際案例的演示，學(xué)生可以更深入地理解在工程實(shí)踐中如何運(yùn)用力學(xué)基礎(chǔ)知識進(jìn)行受力分析,從而為后續(xù)的應(yīng)力應(yīng)變計算、材料強(qiáng)度檢驗(yàn)等打下良好的理論基礎(chǔ)。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系應(yīng)力定義應(yīng)力是物體內(nèi)部受到的力量作用,通常以力與面積的比值來表示。應(yīng)變定義應(yīng)變是物體在受力后發(fā)生的形變,通常以長度變化與原長的比值來表示。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力和應(yīng)變之間存在線性關(guān)系,可用胡克定律來描述并計算。影響因素材料性能、幾何尺寸和載荷條件等因素會影響應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。應(yīng)變能和彈性系數(shù)應(yīng)變能材料在受力時所儲存的內(nèi)部能量,反映了其承受外力的能力。彈性系數(shù)剛性物體遭受外力變形時的比例系數(shù),用于衡量材料的剛度。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系材料在彈性范圍內(nèi)遵循胡克定律,應(yīng)力與應(yīng)變成正比。一維應(yīng)力分析1單軸拉伸受拉力作用的單軸應(yīng)力分析2單軸壓縮受壓力作用的單軸應(yīng)力分析3剪切應(yīng)力純剪切作用下的應(yīng)力分析一維應(yīng)力分析是工程力學(xué)中最基本的應(yīng)力狀態(tài)研究,涉及物體在單一作用力下的應(yīng)力分布特點(diǎn)。這種情況下,應(yīng)力可被簡化為沿特定軸線的一維分布,為后續(xù)的多軸應(yīng)力分析奠定基礎(chǔ)。多軸應(yīng)力分析1主應(yīng)力和剪應(yīng)力在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下,需要分析三個相互垂直的主應(yīng)力以及由此產(chǎn)生的剪應(yīng)力。2應(yīng)力狀態(tài)描述通過應(yīng)力張量可以全面描述多軸應(yīng)力狀態(tài),為后續(xù)的應(yīng)力分析奠定基礎(chǔ)。3應(yīng)力分析計算運(yùn)用數(shù)學(xué)方法,如Mohr圓法,可以計算出主應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小和方向。正應(yīng)力和切應(yīng)力正應(yīng)力正應(yīng)力是垂直于截面的應(yīng)力成分,它會引起物體的拉伸或壓縮變形。正應(yīng)力是結(jié)構(gòu)分析中最基本和重要的應(yīng)力類型。切應(yīng)力切應(yīng)力是平行于截面的應(yīng)力成分,它會引起物體的剪切變形。切應(yīng)力在結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計中也扮演著關(guān)鍵角色。應(yīng)力狀態(tài)分析通過正應(yīng)力和切應(yīng)力的分析,可以全面地認(rèn)識物體在力作用下的應(yīng)力狀態(tài),為后續(xù)的強(qiáng)度驗(yàn)算和變形分析提供基礎(chǔ)。應(yīng)力圖示通常會使用應(yīng)力場圖、應(yīng)力分布圖等直觀的方式來表示結(jié)構(gòu)中不同部位的正應(yīng)力和切應(yīng)力分布情況。材料性能及其應(yīng)用力學(xué)特性材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等性能是工程設(shè)計的關(guān)鍵依據(jù)，合理選材可確保結(jié)構(gòu)的可靠性。成形性材料的塑性、延展性等性能會影響其加工成型的難易程度，對制造工藝選擇至關(guān)重要。耐久性材料的耐腐蝕性、耐疲勞性等特性決定了結(jié)構(gòu)的使用壽命，需要根據(jù)使用環(huán)境合理選用。環(huán)境友好綠色環(huán)保材料的應(yīng)用有助于減少資源消耗和環(huán)境污染，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。材料強(qiáng)度理論強(qiáng)度試驗(yàn)通過對材料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的力學(xué)試驗(yàn),可以獲得材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù),為設(shè)計和分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不同材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線反映了其獨(dú)特的變形特性,可用于分析材料在不同載荷下的承載能力。安全系數(shù)設(shè)計通過合理的安全系數(shù)設(shè)計,可確保在正常使用條件下結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞,保證使用安全。材料失效準(zhǔn)則1最大應(yīng)力理論基于材料在某一特定方向的最大應(yīng)力達(dá)到其極限強(qiáng)度時發(fā)生失效的原理。2最大應(yīng)變理論認(rèn)為當(dāng)材料某一方向的應(yīng)變達(dá)到其極限應(yīng)變時會發(fā)生失效。3最大應(yīng)力能理論認(rèn)為當(dāng)材料吸收的應(yīng)變能達(dá)到其極限應(yīng)變能時會發(fā)生失效。4Tresca剪切應(yīng)力理論基于材料在某一平面上達(dá)到最大剪切應(yīng)力時發(fā)生失效的原理。結(jié)構(gòu)分析基本步驟確定結(jié)構(gòu)形式根據(jù)實(shí)際工程情況確定結(jié)構(gòu)的類型和布局。確定荷載情況分析結(jié)構(gòu)在服役過程中所受的各種類型荷載。建立受力模型用力學(xué)原理建立合理的受力分析模型。進(jìn)行應(yīng)力計算根據(jù)受力模型計算結(jié)構(gòu)各部位的內(nèi)力和應(yīng)力。評估結(jié)構(gòu)安全性對計算結(jié)果進(jìn)行分析,判斷結(jié)構(gòu)是否滿足承載要求。幾何線性與物理線性1幾何線性幾何線性假設(shè)小變形下結(jié)構(gòu)變形與加載成正比，這種假設(shè)在大多數(shù)工程應(yīng)用中成立。2物理線性物理線性假設(shè)應(yīng)力和應(yīng)變成正比，即材料服從胡克定律。這在彈性范圍內(nèi)是合理的。3線性與非線性結(jié)構(gòu)分析可以基于幾何線性和物理線性的假設(shè)，也可以考慮非線性的因素。4分析方法線性分析更簡單易行，可以利用疊加原理和位移法等方法。非線性分析更復(fù)雜，需要迭代求解。結(jié)構(gòu)分析實(shí)例演示在工程力學(xué)課程中，我們不僅掌握了基本的理論知識，還需要學(xué)會將其應(yīng)用到實(shí)際工程問題的分析和求解中。通過具體的結(jié)構(gòu)分析實(shí)例演示，可以幫助學(xué)生更好地理解并掌握相關(guān)的分析方法和技術(shù)。我們將以一個簡單的懸臂梁結(jié)構(gòu)為例，演示如何進(jìn)行靜力分析和應(yīng)變分析。從確定結(jié)構(gòu)模型、確定作用力、建立平衡方程到計算應(yīng)力和變形等全過程，讓學(xué)生對結(jié)構(gòu)分析的基本步驟有深入的認(rèn)識。有限元法基本原理數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有限元法建立在復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)之上,涉及微分方程、數(shù)值方法等內(nèi)容。結(jié)構(gòu)離散化將復(fù)雜的連續(xù)結(jié)構(gòu)劃分為較小的單元,通過單元間的關(guān)系來分析整體行為。數(shù)值計算利用計算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值計算,得到整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等指標(biāo)。精度控制通過網(wǎng)格劃分的精細(xì)度、迭代收斂條件等來控制計算結(jié)果的精度。有限元分析實(shí)例有限元方法是一種重要的結(jié)構(gòu)分析工具,它通過將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)劃分為許多小的有限單元并對其進(jìn)行數(shù)值求解,從而得到整體的力學(xué)響應(yīng)。我們將以一個典型的結(jié)構(gòu)分析案例為例,演示如何使用有限元方法進(jìn)行建模和