機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第2版） 課件 【ch4】工程力學(xué)基礎(chǔ)

單元四工程力學(xué)基礎(chǔ)“十二五”職業(yè)教育國(guó)家規(guī)劃教材機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第2版）“十三五”職業(yè)教育國(guó)家規(guī)劃教材01靜力學(xué)基礎(chǔ)PARTONE4.1靜力學(xué)基礎(chǔ)1、力的概念。力是物體間的相互作用。這種作用會(huì)使物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，或使物體產(chǎn)生變形。即物體受力后將產(chǎn)生兩種效應(yīng)：一是使物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,稱為力的外效應(yīng)；另一是使物體產(chǎn)生變形,稱為力的內(nèi)效應(yīng)。一、力的概念及力的性質(zhì)4.1靜力學(xué)基礎(chǔ)2、力的平衡公理。(1)二力平衡公理：若一物體僅受兩個(gè)力作用而處于平衡狀態(tài),其充要條件為此二力必等值、反向、共線這一原理稱為二力平衡公理,如圖4-2(a)所示。(2)三力平衡定理：若物體在三個(gè)共面而又互不平行的力的作用下處于平衡狀態(tài)，則此三力必交匯于一點(diǎn)。一、力的概念及力的性質(zhì)4.1靜力學(xué)基礎(chǔ)3、作用與反作用公理。若將兩物體間相互作用之一稱為作用力,則另一個(gè)稱為反作用力,兩物體間的作用力與反作用力必等值、反向、共線,分別同時(shí)作用于兩個(gè)相互作用的物體上。一、力的概念及力的性質(zhì)5、力對(duì)點(diǎn)的矩和合力矩定理。一般以物理量F·d及其轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)度量力使物體繞O點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng),這個(gè)物理量稱為力F對(duì)O點(diǎn)的矩，簡(jiǎn)稱力矩,記作。若有n個(gè)力F組成的力系可以合成一個(gè)合力F,則合力F對(duì)某點(diǎn)的矩,等于力系中各力對(duì)同一點(diǎn)力矩的代數(shù)和,用下式表示：。4.1靜力學(xué)基礎(chǔ)一對(duì)等值反向(方向相反)且不共線(作用線不在同一直線上)的平行力組成的力系稱為力偶。把力偶中的力P和力偶臂d的乘積加上正負(fù)號(hào)作為力偶對(duì)物體動(dòng)效應(yīng)的量度，這個(gè)量稱為力偶矩，用符號(hào)

或M來(lái)表示。力偶矩為一代數(shù)量,其正負(fù)號(hào)是區(qū)別物體的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的,通常規(guī)定逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)，如圖4-8所示。二、力偶和力偶矩4.1靜力學(xué)基礎(chǔ)若將原作用在物體上A點(diǎn)的力平移至物體上任一點(diǎn)O時(shí)，必須附加一力偶,才能與原力的作用等效，附加力偶的力偶矩等于原力對(duì)平移點(diǎn)O的力矩，上述即為力的平移定理。三、力的平移定理02剛體的運(yùn)動(dòng)力學(xué)PARTtwo4.2剛體的運(yùn)動(dòng)力學(xué)一、剛體的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析1、運(yùn)動(dòng)方程。為了描述點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，需要用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)確定點(diǎn)在空間的位置。表示點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程常用有自然法和直角坐標(biāo)法。4.2剛體的運(yùn)動(dòng)力學(xué)一、剛體的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析2、速度和加速度。(1)用自然法求點(diǎn)的速度和加速度。(2)用直角坐標(biāo)法求速度和加速度。用直角坐標(biāo)法求速度和加速度,先求出速度和加速度在x和y軸上的分矢量，再進(jìn)行矢量合成。4.2剛體的運(yùn)動(dòng)力學(xué)一、剛體的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析3、速度合成定理。在工程中,經(jīng)常會(huì)遇到同時(shí)在兩個(gè)不同的參考系中分析同一動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。如圖4-17所示的橋式起重機(jī)起吊重物時(shí),小車沿橫梁作直線平動(dòng),并同時(shí)將重物M鉛垂地向上提升?？梢宰C明，動(dòng)點(diǎn)的絕對(duì)速度、相對(duì)速度和牽連速度二者之間存在著以下關(guān)系4.2剛體的運(yùn)動(dòng)力學(xué)一、剛體的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析4、剛體平動(dòng)(質(zhì)點(diǎn))的動(dòng)力學(xué)。(1)動(dòng)力學(xué)基本定律。a.第一定律（慣性定律）；b.第二定律（力與加速度關(guān)系定律）。(2)運(yùn)動(dòng)微分方程。a.自然法的運(yùn)動(dòng)微分方程；b.直角坐標(biāo)法的運(yùn)動(dòng)微分方程。二、剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體運(yùn)動(dòng)時(shí),體內(nèi)有一條直線始終保持不動(dòng),則這種運(yùn)動(dòng)稱為剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng),簡(jiǎn)稱剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)。1、剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)方程：。4.2剛體的運(yùn)動(dòng)力學(xué)二、剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)2、角速度。角速度是表征剛體轉(zhuǎn)動(dòng)快慢和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的物理量。4.2剛體的運(yùn)動(dòng)力學(xué)二、剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)3、角加速度。角加速度是反映角速度變化快慢的物理量。4、剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)。（1）剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的微分方程；（2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（3）慣性半徑（回轉(zhuǎn)半徑）。4.2剛體的運(yùn)動(dòng)力學(xué)三、剛體的平面運(yùn)動(dòng)1、剛體平面運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程。剛體上的任意一點(diǎn)與某一固定平面始終保持相等的距離,這種運(yùn)動(dòng)稱為剛體的平面運(yùn)動(dòng)。4.2剛體的運(yùn)動(dòng)力學(xué)三、剛體的平面運(yùn)動(dòng)2、平面運(yùn)動(dòng)剛體上各點(diǎn)的速度。下式即為用基點(diǎn)法求平面運(yùn)動(dòng)剛體上各點(diǎn)速度的方法。03載荷和應(yīng)力的分類PARTthree4.3載荷和應(yīng)力的分類一、載荷分類作用在機(jī)械零件上的載荷可分為靜載荷和變載荷兩類。不隨時(shí)間變化或變化緩慢的載荷稱靜載荷,如鍋爐所受的壓力。隨時(shí)間變化的載荷稱變載荷,如發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸或汽車、摩托車等機(jī)動(dòng)車中齒輪所受的載荷。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，通?？砂演d荷分為名義載荷和計(jì)算載荷。名義載荷是根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計(jì)算出作用在零件上的載荷。計(jì)算載荷是考慮實(shí)際載荷隨時(shí)間作用的不均勻性、載荷在零件上分布的不均勻性及其他因素的影響而得的載荷。4.3載荷和應(yīng)力的分類二、應(yīng)力分類按應(yīng)力隨時(shí)間變化的特性不同，可分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力。不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力，如圖4-25(a)所示。隨時(shí)間變化的應(yīng)力稱為變應(yīng)力,如圖4-25(b)(c)(d)所示，絕大多數(shù)機(jī)械零件都是在變應(yīng)力狀態(tài)下工作的。變應(yīng)力可分為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力,如圖4-25(b)所示；不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力,如圖4-25(c)所示；隨機(jī)變應(yīng)力,如圖4-25(d)所示。4.3載荷和應(yīng)力的分類二、應(yīng)力分類穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力有非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力和對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力三種基本類型,如圖4-26所示。04機(jī)械零件的主要失效形式及工作能力準(zhǔn)則PARTfore4.3機(jī)械零件的主要失效形式及工作能力準(zhǔn)則機(jī)械零件喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計(jì)要求性能時(shí),稱為失效,失效并不意味著破壞。常見(jiàn)的失效形式有以下幾種。1、斷裂。斷裂是一種嚴(yán)重的失效形式,它不但使零件失效，有時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的人身及設(shè)備事故。一、機(jī)械零件的主要失效形式2、過(guò)量變形。在允許范圍內(nèi)的微小彈性變形,對(duì)機(jī)器工作影響不大,但過(guò)量的彈性變形會(huì)使零件或機(jī)器不能正常工作,或者會(huì)造成較大的振動(dòng),致使零件損壞。4.3機(jī)械零件的主要失效形式及工作能力準(zhǔn)則3、表面失效。機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量很大程度上取決于零件的表面質(zhì)量,零件的損壞如磨損、疲勞點(diǎn)蝕、腐蝕、膠合等多出現(xiàn)于零件的表面,零件的使用壽命在很大程度上受到表面失效的限制破壞正堂工作條件引起的失效。一、機(jī)械零件的主要失效形式4、破壞正常工作條件引起的失效。如靠表面摩擦力保持工作能力的帶傳動(dòng),當(dāng)傳遞的實(shí)際工作圓周力超過(guò)臨界摩擦力時(shí)就將發(fā)生打滑失效；液體摩擦滑動(dòng)軸承,當(dāng)潤(rùn)滑油膜破裂時(shí)將發(fā)生過(guò)熱、膠合、磨損等形式的失效。4.3機(jī)械零件的主要失效形式及工作能力準(zhǔn)則1、強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度是衡量機(jī)械零件工作能力最基本的計(jì)算準(zhǔn)則。為了保證零件具有足夠的強(qiáng)度應(yīng)使其在載荷作用下危險(xiǎn)截面或工作表面的工作應(yīng)力不超過(guò)零件的許用應(yīng)力,其表達(dá)式為二、機(jī)械零件的工作能力準(zhǔn)則2、剛度準(zhǔn)則。剛度是零件受載荷后抵抗彈性變形的能力。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足剛度條件：4.3機(jī)械零件的主要失效形式及工作能力準(zhǔn)則3、耐磨性準(zhǔn)則。耐磨性是指零件在載荷作用下抵抗磨損的能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)約有80%的機(jī)器是因?yàn)榱慵哪p而失效的。一