《繩模型和桿模型》課件

繩模型和桿模型繩模型和桿模型是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的重要概念。它們被廣泛用于分析結(jié)構(gòu)的受力情況，并幫助工程師設(shè)計更安全的結(jié)構(gòu)。by課程目標理解繩模型和桿模型掌握繩模型和桿模型的基本概念，并能將其應(yīng)用于實際問題中。掌握繩模型和桿模型的受力分析能夠根據(jù)力的作用方向和大小進行繩模型和桿模型的受力分析。學(xué)會應(yīng)用繩模型和桿模型解決工程問題通過實際案例講解，掌握繩模型和桿模型在工程中的應(yīng)用方法。力與受力分析1力與受力分析力是物體間的相互作用，使物體發(fā)生形變或運動狀態(tài)改變。2作用力與反作用力任何力都有其作用力與反作用力，大小相等、方向相反，作用在不同物體上。3受力分析方法隔離法，將研究對象從周圍環(huán)境中分離出來，并對其進行受力分析。4力的平衡條件當(dāng)物體處于靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)時，作用在物體上的所有力的合力為零。繩模型的應(yīng)用建筑工程繩模型可用于分析吊橋、索道、高層建筑的受力，評估結(jié)構(gòu)安全。繩模型能幫助工程師設(shè)計更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，確保建筑安全。機械工程繩模型可用于分析起重機、電梯、輸送帶的受力，優(yōu)化設(shè)計方案。繩模型可用于分析繩索的拉伸強度，確保機械設(shè)備安全。航空航天繩模型可用于分析飛機的纜索系統(tǒng)、降落傘的受力，確保飛行安全。繩模型可用于設(shè)計輕量化、高強度的繩索系統(tǒng)，提高航天器性能。繩的受力分析受力特點繩索只能承受拉力，不能承受壓力或彎曲力。受力方向繩索的受力方向始終沿著繩索的軸線方向。受力大小繩索的受力大小等于繩索兩端所受拉力的合力。應(yīng)力分析繩索的應(yīng)力分布均勻，且等于繩索截面積上的拉力。應(yīng)變分析繩索的應(yīng)變?yōu)槔K索長度的改變量與原長度的比值。懸掛繩索的受力1繩索自身重量繩索本身的重量會產(chǎn)生豎直向下的拉力2懸掛物重量懸掛在繩索上的物體也會產(chǎn)生豎直向下的拉力3外力作用外部力量，如風(fēng)力或地震，也會對繩索造成拉力繩索受到的拉力通常是多個因素的綜合影響繩索的受力情況會直接影響其安全性和使用壽命繩模型的特點11.簡化模型繩模型是對實際繩索的簡化，忽略了繩索自身的重量和尺寸。22.力學(xué)性質(zhì)繩模型僅考慮繩索的拉伸和壓縮力，不考慮其他力學(xué)性質(zhì)。33.應(yīng)用范圍繩模型適用于分析簡單懸掛體系，例如懸掛橋梁和吊車。44.計算簡便繩模型的計算公式簡單，易于理解和應(yīng)用。繩模型的假設(shè)質(zhì)量集中繩索的質(zhì)量可以忽略不計，認為質(zhì)量集中在繩索的端點。柔性無剛度繩索可以彎曲，但不會產(chǎn)生拉伸或壓縮的應(yīng)力。無摩擦繩索與其他物體之間沒有摩擦力，可以自由滑動。不可伸長繩索的長度保持不變，不會因為受力而發(fā)生伸長。繩模型的優(yōu)缺點簡化問題繩模型將繩索視為無質(zhì)量、不可伸長的理想模型，簡化了力學(xué)分析。應(yīng)用廣泛繩模型適用于各種工程問題，例如懸索橋、吊車、纜繩等。忽略細節(jié)繩模型忽略了繩索的重量、彈性等因素，可能造成一定的誤差。適用范圍有限繩模型不適用于繩索發(fā)生明顯形變的情況，例如彈性繩索。桿模型的基本特點剛性桿件自身具有較高的剛度，不易變形。桿件在承受外力時，主要發(fā)生軸向變形，橫向變形可以忽略。長度桿件的長度遠大于其橫截面的尺寸，可以認為桿件是線性的。受力桿件只承受軸向拉伸或壓縮力，不承受彎曲或剪切力。應(yīng)用桿模型廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、機械等領(lǐng)域。桿的受力分析1確定桿件受力識別桿件所受的外部力量，例如載荷和約束力2繪制受力圖將桿件簡化為一個簡單的幾何模型，并標注所有作用力3分析力的平衡應(yīng)用牛頓定律來分析桿件在所有方向上的受力平衡4計算桿件內(nèi)力根據(jù)力的平衡方程計算桿件內(nèi)部產(chǎn)生的力桿件內(nèi)力分析確定桿件截面首先需要確定桿件的橫截面形狀，例如矩形、圓形或其他形狀。這將影響桿件的抗彎強度和抗扭強度。計算桿件內(nèi)力根據(jù)桿件所受的外部載荷和約束條件，計算桿件內(nèi)部產(chǎn)生的軸力、剪力、彎矩和扭矩。這些內(nèi)力是桿件承受外部載荷的關(guān)鍵指標。繪制內(nèi)力圖根據(jù)計算得到的內(nèi)力值，繪制桿件的軸力圖、剪力圖和彎矩圖。這些圖形可以直觀地展示桿件在不同位置上的內(nèi)力分布情況。分析內(nèi)力分布分析內(nèi)力圖，找出桿件內(nèi)力最大的位置，并評估桿件在這些位置上的強度和穩(wěn)定性。這有助于了解桿件在承受外部載荷時的安全性。桿件應(yīng)力分析1外力受力分析2截面面積計算應(yīng)力3應(yīng)力類型正應(yīng)力、剪應(yīng)力4強度校核滿足強度要求桿件應(yīng)力分析是桿模型的關(guān)鍵步驟，它有助于評估桿件在承受外力時的安全性。首先，我們需要進行受力分析，確定桿件所受的外力及其作用點。然后，根據(jù)桿件的截面面積計算出應(yīng)力，并根據(jù)應(yīng)力類型進行分類，例如正應(yīng)力或剪應(yīng)力。最后，我們需要進行強度校核，確保桿件的應(yīng)力值不超過材料的強度極限，滿足強度要求。桿件強度驗算1確定桿件材料根據(jù)實際情況選擇合適的材料，例如鋼材、鋁合金、木材等。2計算桿件截面尺寸根據(jù)桿件的受力情況和材料性能，確定合適的截面尺寸，以確保桿件能夠承受設(shè)計荷載。3進行強度驗算根據(jù)桿件的受力情況和材料性能，計算桿件的應(yīng)力，并與材料的許用應(yīng)力進行比較。桿件穩(wěn)定驗算桿件穩(wěn)定驗算指的是對桿件在承受外力作用下保持其穩(wěn)定性的計算分析。在進行穩(wěn)定驗算時，需要考慮桿件的幾何形狀、材料特性以及外部載荷的影響。確保桿件在承受載荷時不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，如彎曲、扭轉(zhuǎn)或拉伸。1臨界載荷桿件在保持穩(wěn)定狀態(tài)下所能承受的最大載荷。2穩(wěn)定系數(shù)實際載荷與臨界載荷之比。3安全系數(shù)穩(wěn)定系數(shù)與臨界載荷之比。4驗算標準根據(jù)安全系數(shù)的大小來判斷桿件的穩(wěn)定性是否滿足要求。通過穩(wěn)定驗算，可以確定桿件的穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計要求。如果驗算結(jié)果表明桿件不穩(wěn)定，則需要采取相應(yīng)的措施，如增加桿件截面尺寸或采用更強的材料。桿的特殊應(yīng)用橋梁設(shè)計桿模型廣泛應(yīng)用于橋梁設(shè)計，例如，懸索橋、拱橋等，幫助工程師評估結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性。建筑結(jié)構(gòu)在高層建筑、大型體育場館等建筑結(jié)構(gòu)中，桿件作為重要組成部分，起到支撐、傳遞荷載的作用。機械設(shè)計桿模型在機械設(shè)計中也發(fā)揮著重要作用，例如，機械臂、機床等，幫助設(shè)計人員優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高效率。桿模型的優(yōu)缺點精確性桿模型可以準確描述桿件的受力情況和變形特點，對結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計具有較高的精確度。簡化性桿模型將復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡化為桿件，簡化了分析過程，便于計算和分析。局限性桿模型只考慮桿件的軸向受力，忽略了其他因素，例如桿件的橫截面形狀和材料的非線性特性。繩模型與桿模型對比繩模型主要用于分析柔性體的受力，例如繩索、鋼絲繩等。桿模型主要用于分析剛性體的受力，例如梁、柱、桿等。繩模型假設(shè)繩索沒有質(zhì)量，也不考慮彎曲變形，只考慮拉伸變形，而桿模型假設(shè)桿件是剛性的，不考慮變形。繩模型主要應(yīng)用于懸索橋、吊車等結(jié)構(gòu)，而桿模型主要應(yīng)用于建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)。選用模型的原則11.結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)本身的形狀、材料和連接方式?jīng)Q定模型選擇。22.受力情況根據(jù)外力作用方式和方向，選擇能準確反映受力情況的模型。33.計算精度要求根據(jù)實際工程需要，選擇合適的模型保證計算精度。44.簡化程度在保證精度的前提下，選擇簡化程度高的模型，提高計算效率。實例一:懸掛橋梁的設(shè)計1橋面結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)2懸索高強度鋼纜3橋塔鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)4基礎(chǔ)巖石或樁基懸索橋的設(shè)計需要考慮橋面結(jié)構(gòu)、懸索、橋塔和基礎(chǔ)等多個方面。橋面通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而懸索則由高強度鋼纜組成，橋塔一般也是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)則需要根據(jù)地質(zhì)條件選擇巖石或樁基。實例二:懸臂起重機的分析起重機結(jié)構(gòu)懸臂起重機由起重臂、支腿、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、起升機構(gòu)等組成，用于在有限空間內(nèi)進行起重作業(yè)。受力分析起重臂承受懸掛重物的重量，并傳遞給支腿和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。支腿承受起重臂和重物的合力，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)提供旋轉(zhuǎn)動力。桿模型應(yīng)用懸臂起重機的起重臂可簡化為桿模型，分析其受力情況，計算桿件的內(nèi)力、應(yīng)力和強度。穩(wěn)定性分析通過桿模型分析，可評估懸臂起重機的穩(wěn)定性，確保起重作業(yè)的安全，避免因重力或外力導(dǎo)致翻倒。實例三:塔吊的受力分析1塔身承受自重、吊臂、起升機構(gòu)及負載產(chǎn)生的力2吊臂承受負載的力，并傳遞至塔身3起升機構(gòu)提供提升、下降負載所需的力4回轉(zhuǎn)機構(gòu)提供塔吊旋轉(zhuǎn)所需的力塔吊的設(shè)計需要考慮各種受力情況，例如風(fēng)力、負載重量等。應(yīng)用桿模型分析塔吊各個部件的受力，確保安全性和穩(wěn)定性。本章小結(jié)繩模型繩模型簡化了實際問題的分析，適用于拉力為主的結(jié)構(gòu)。忽略了繩的剛度和質(zhì)量，方便計算受力情況。桿模型桿模型用于分析受力情況，適用于承受軸向力的桿件。考慮了桿的剛度和質(zhì)量，可以進行應(yīng)力分析。思考題本章學(xué)習(xí)了繩模型和桿模型，這兩個模型在工程力學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。思考題旨在幫助學(xué)生更深入地理解這兩個模型的特點、假設(shè)和應(yīng)用范圍。請同學(xué)們認真思考以下問題，并嘗試用自己的語言解釋：思考題一：繩模型和桿模型分別適用于哪些工程問題？思考題二：繩模型和桿模型的適用范圍有什么區(qū)別？思考題三：在實際工程中，如何判斷使用繩模型還是桿模型？思考題四：繩模型和桿模型各自有哪些優(yōu)缺點？作業(yè)要求11.獨立完成結(jié)合課堂內(nèi)容,利用繩模型和桿模型,分析具體實例.22.提交報告包含問題描述、模型選擇、分析過程、結(jié)果展示和總結(jié).