《零部件受力分析》ppt课件

1、本章主要讨论的两个问题：本章主要讨论的两个问题：1) 静力平衡的根本规律；静力平衡的根本规律；2) 求解构造上的未知力。求解构造上的未知力。1.1 受力分析概述受力分析概述一、力的根本概念一、力的根本概念力是物体之间相互的机械作用。力是物体之间相互的机械作用。力的三要素：大小、方向、作用点。力的三要素：大小、方向、作用点。单位：牛顿单位：牛顿N、千牛、千牛KN1kgf=9.8Nn(1)塔设备本身的重力塔设备本身的重力W；n(2)风力风力q；n(3)根底对塔底的反作用力根底对塔底的反作用力Ny，力，力Ny把塔设备托住；把塔设备托住；n(4)根底螺栓对塔设备所产生根底螺栓对塔设备所产生的力矩的力矩

2、M，使塔设备既不会，使塔设备既不会被风吹倒；被风吹倒；n(5)横向阻力横向阻力Nx，使塔设备，使塔设备不会挪动。不会挪动。二、受力分析实例二、受力分析实例1.1 受力分析概述受力分析概述1.2 约束、约束反力与受力图约束、约束反力与受力图一、平衡力一、平衡力一个物体上受二个力作用而处于平衡形状，那么这二个力大小一个物体上受二个力作用而处于平衡形状，那么这二个力大小相等，方向相反，作用在一条直线上。这两个力互为平衡力。相等，方向相反，作用在一条直线上。这两个力互为平衡力。二、作用力与作用反力二、作用力与作用反力 两个物体间的作用力与反作用力，总是大小相等，方向相反，作用于同一条直线上。三、平衡力

3、与作用力和反作用力的区别三、平衡力与作用力和反作用力的区别 一样点：两个力都是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。四、约束和约束反力四、约束和约束反力约束：工程上把对于某一构件的活动起着限制约束：工程上把对于某一构件的活动起着限制造用的其他物体叫做约束。造用的其他物体叫做约束。约束反力：限制物体运动的力；约束反力：限制物体运动的力；自动力：引起物体运动和运动趋势的力；自动力：引起物体运动和运动趋势的力；被动力：由自动力的作用而引起的力。被动力：由自动力的作用而引起的力。约束反力属于被动力。约束反力属于被动力。自动力和约束反力是作用力和反作用力么？自动力和约束反力是作用力和反作用力么？五、分

4、别体和受力图五、分别体和受力图 分别体：为了使物体受力情况的分析能明晰地表达出来, 需求把所分析的物体(即研讨对象) 从跟它发生联络的周围物体中分别出来。这个被分别出来的研讨对象称为分别体。受力图：为了不改动分别体的受力情况受力图：为了不改动分别体的受力情况, 就必需就必需把作用在分别体上的全部作用力把作用在分别体上的全部作用力自动力及周自动力及周围约束对分别体作用的约束反力都画出来。这样围约束对分别体作用的约束反力都画出来。这样画出的物体受力简图就称为受力图。画出的物体受力简图就称为受力图。适当地选取分别体适当地选取分别体, 正确地画出受力图是进展受力分析的正确地画出受力图是进展受力分析的主

5、要前提。主要前提。 试分析图中哪个是分别体，作用的分别体上的力，哪些是自动力，哪些是约束反力？六、常见的几种约束方式和确定约束反力的方法六、常见的几种约束方式和确定约束反力的方法A 柔性物体约束柔性物体约束约束反力的作用线沿着被拉直的柔性物体中心线约束反力的作用线沿着被拉直的柔性物体中心线且背叛物体运动方向。且背叛物体运动方向。B 光滑面约束光滑面约束 约束反力经过接触点，并沿公法线，指向被约束的物体。C 固定铰链约束固定铰链约束 约束反力的指向随杆件受力情况的不同而相应地变化。D 辊轴支座约束辊轴支座约束(滑动铰链约束滑动铰链约束) 约束反力的指向垂直于支承面，并经过铰链中心。E 固定端约束

6、固定端约束限制物体三个方向运动，产生三个约束反力。限制物体三个方向运动，产生三个约束反力。NAx七、受力图的画法七、受力图的画法(1)选取分别体，解除约束；选取分别体，解除约束；(约束解除原理、受力图的概念约束解除原理、受力图的概念)(2)画出自动力；画出自动力；(3)分析约束的性质，在解除约束的地方画约束反力；分析约束的性质，在解除约束的地方画约束反力；例例1-1：当用手去翻开图：当用手去翻开图1 10 所示人孔盖时所示人孔盖时, 设手中所用力为设手中所用力为F, 并并与铅垂线成与铅垂线成30角角, 盖子重力知为盖子重力知为W, 试画人孔盖的受力图。试画人孔盖的受力图。七、受力图的画法七、受

7、力图的画法(1)选取分别体，解除约束；选取分别体，解除约束；(约束解除原理约束解除原理)(2)画出自动力；画出自动力；(3)分析约束的性质，在解除约束的地方画约束反力；分析约束的性质，在解除约束的地方画约束反力；例例1-2：墙式起重安装由横：墙式起重安装由横梁梁AB和拉杆和拉杆CD组成机架组成机架, 其构造简图如下图。其构造简图如下图。B处有处有一小滑轮一小滑轮, 吊索的一端经滑吊索的一端经滑轮与重物轮与重物W相连。拉动吊索相连。拉动吊索另一端时另一端时, 重物重物W那么等速那么等速上升。上升。A、C、D三处均可三处均可视为固定铰链约束。略去机视为固定铰链约束。略去机架和小滑轮的质量架和小滑轮

8、的质量, 试画出试画出横梁横梁AB和拉杆和拉杆CD的受力图。的受力图。在此例题中，留意二力在此例题中，留意二力构件的概念：两端铰接构件的概念：两端铰接(铰铰链衔接链衔接)，中间不受任何外，中间不受任何外力，而且处于静止形状的力，而且处于静止形状的杆件都是二力构件杆件都是二力构件(不一定不一定是直杆是直杆)。在画一构造中的。在画一构造中的构件受力图时，对于二力构件受力图时，对于二力构件应先进展分析。构件应先进展分析。受力图的画法和本卷须知：受力图的画法和本卷须知：(1)首先将要研讨的对象物体取作分别体首先将要研讨的对象物体取作分别体, 解除约束解除约束, 与其他物与其他物体别分开来体别分开来;(

9、2)先画作用在分别体上的自动力先画作用在分别体上的自动力, 再在解除约束的地方画约再在解除约束的地方画约束反力束反力;(3)画约束反力时要充分思索约束的性质画约束反力时要充分思索约束的性质, 如固定铰链约束如固定铰链约束, 普普通可画一对位于约束平面内相互垂直的约束反力通可画一对位于约束平面内相互垂直的约束反力, 但假设属但假设属于二力构件于二力构件, 那么应按二力构件特点画约束反力那么应按二力构件特点画约束反力; (4)在画物系中各物体的受力图时在画物系中各物体的受力图时, 要利用相邻物体间作用力要利用相邻物体间作用力与反作用力之间的关系与反作用力之间的关系,当作用力与反作用力中一个力的方当

10、作用力与反作用力中一个力的方向已确定向已确定(或假定或假定) 时时, 另一个力的方向也随之而定另一个力的方向也随之而定;(5)柔性约束对物体的约束反力只能是拉力柔性约束对物体的约束反力只能是拉力, 不能是压力。不能是压力。1.3 平面汇交力系的合成与平衡条件平面汇交力系的合成与平衡条件作用于物体的一群力称为力系。假设作用在物体上诸力的作用线作用于物体的一群力称为力系。假设作用在物体上诸力的作用线位于同一平面内位于同一平面内, 且汇交于一点且汇交于一点, 那么这种力系称为平面汇交力系。那么这种力系称为平面汇交力系。作用在物体的某一点上的两个力作用在物体的某一点上的两个力, 其其合力也作用于同一点

11、合力也作用于同一点, 其大小与方向其大小与方向可以用此两力为邻边的平行四边形的可以用此两力为邻边的平行四边形的对角线来表示。用式子表示即为：对角线来表示。用式子表示即为：式中的式中的“+号已不是代数中相加的符号号已不是代数中相加的符号, 而是表而是表示用平行四边形规那么求合成力示用平行四边形规那么求合成力, 本质上它是矢量本质上它是矢量的几何加法。力的分解也可按平行四边形规那么的几何加法。力的分解也可按平行四边形规那么进展。进展。一、平行四边形法那么一、平行四边形法那么另外，在高中时还学过三角形法那么和多边形法那么二、力在坐标轴上的投影二、力在坐标轴上的投影(力的正交分解力的正交分解)F力在力

12、在X轴上的分力：轴上的分力：F力在力在Y轴上的分力：轴上的分力： F力在力在X轴和轴和Y轴上分力轴上分力Fx和和Fy的大小，也可以的大小，也可以用其在用其在X轴和轴和Y轴上的投轴上的投影来表示，即：影来表示，即：力在坐标轴上的投影本卷须知力在坐标轴上的投影本卷须知(1)在力的方向不同时在力的方向不同时, 其分力的方向与坐标轴同向或反其分力的方向与坐标轴同向或反向，我们以正负号区别，并规定分力与坐标轴同向者为向，我们以正负号区别，并规定分力与坐标轴同向者为正，反之为负。正，反之为负。 (2)假设力在坐标轴上的投影知, 那么F力的数值和方向亦可求得： (3)两种特殊情况：当力与投影轴平行时：投影代

13、表本身大小。当力与投影轴垂直时：投影为零。三、合力投影定理三、合力投影定理AaDCBbcdaxyobcd三、合力投影定理三、合力投影定理设有设有n 个力汇交于一点，它们的合力为个力汇交于一点，它们的合力为R，那么：，那么：它表示它表示: 力系的合力在某一坐标轴上的投影等于力系的各个力力系的合力在某一坐标轴上的投影等于力系的各个力在同一坐标轴上投影的代数和。由投影在同一坐标轴上投影的代数和。由投影Rx 、Ry 就可求合力就可求合力R 的数值：的数值：其方向可由合力作用线与其方向可由合力作用线与X 轴的夹角轴的夹角表示：表示：四、平面汇交力系的平衡条件四、平面汇交力系的平衡条件平面汇交力系平衡条件

14、是：力系的各个力在相平面汇交力系平衡条件是：力系的各个力在相互垂直的两个坐标轴上投影的代数和都等于零。互垂直的两个坐标轴上投影的代数和都等于零。五、例题讲解五、例题讲解例例1-3：圆筒描画器重力为：圆筒描画器重力为G, 置于托轮置于托轮A、B 上上, 如下图如下图, 试求托轮试求托轮对容器的约束反力。对容器的约束反力。五、例题讲解五、例题讲解例例1-4：某化工厂起重：某化工厂起重用的吊架用的吊架, 由由AB 和和BC 两杆组成两杆组成(见图见图), A、B、C 三处均为铰链衔接。三处均为铰链衔接。在在B 处的销钉上装有一处的销钉上装有一个小滑轮个小滑轮, 它的质量和它的质量和尺寸都可略去不计尺

15、寸都可略去不计, 吊吊索的一端经滑轮与盛有索的一端经滑轮与盛有物料的铁筒相连物料的铁筒相连, 设筒设筒和物料重和物料重W = 1 .5kN。吊索的另一端绕在卷扬吊索的另一端绕在卷扬机绞盘机绞盘D 上。当卷扬机上。当卷扬机开动时开动时, 铁筒即等速上铁筒即等速上升。略去杆重升。略去杆重, 求求AB 和和BC 杆所受之力。杆所受之力。经过上述两个例子经过上述两个例子, 我们可以把平面汇交力系平衡问题的我们可以把平面汇交力系平衡问题的解题方法概述如下：解题方法概述如下：(1)根据题意根据题意, 取适当的物体为分别体取适当的物体为分别体, 进展受力分析进展受力分析, 画出受力图。假画出受力图。假设约束

16、反力的指向不能预先判明时，可以进展假定。设约束反力的指向不能预先判明时，可以进展假定。(2)在力系的汇交点在力系的汇交点, 选取适当的坐标系。选取坐标系时应尽量使力选取适当的坐标系。选取坐标系时应尽量使力的投影计算简便。普通应使坐标轴与较多的力平行或垂直。的投影计算简便。普通应使坐标轴与较多的力平行或垂直。(3)根据平衡条件根据平衡条件Fx = 0 ,Fy = 0 , 列出平衡方程式，从而解出所求列出平衡方程式，从而解出所求的未知量。的未知量。1.4平面力偶系的合成和平衡条件平面力偶系的合成和平衡条件一、力矩一、力矩1.4平面力偶系的合成和平衡条件平面力偶系的合成和平衡条件一、力矩一、力矩定义

17、：力与力臂的乖积。定义：力与力臂的乖积。力臂：力的作用线到支点的垂直间隔。力臂：力的作用线到支点的垂直间隔。作用：使物体发生转动。作用：使物体发生转动。方向：逆时针转动的为正；顺时针转动为负。方向：逆时针转动的为正；顺时针转动为负。二、力偶二、力偶什么叫力偶？一个物体上遭到一对大小相等、方向相反、不共作什么叫力偶？一个物体上遭到一对大小相等、方向相反、不共作用线的平行力。这一对平行力称为力偶用线的平行力。这一对平行力称为力偶, 通常用通常用( F、F) 表示。表示。凡能自动引起物体转动形状改动或有转动形状改动趋势的力偶称为自动力偶。凡能自动引起物体转动形状改动或有转动形状改动趋势的力偶称为自动

18、力偶。力偶的两个力力偶的两个力, 虽然大小相等、方向相反虽然大小相等、方向相反, 但不共作用线，因此不满足两力平但不共作用线，因此不满足两力平衡条件衡条件, 所以它们不成为平衡力系。所以它们不成为平衡力系。三、力偶矩三、力偶矩(1)定义：力偶使物体转动的效应是以力的数值定义：力偶使物体转动的效应是以力的数值F与力偶臂与力偶臂d的乘积的乘积Fd来量度，这个乘积称为力偶矩来量度，这个乘积称为力偶矩, 用符号用符号M表示，表示，即：即：力偶矩的单位是力偶矩的单位是Nm。(2)规定：凡产生反时针转向的力偶矩为正规定：凡产生反时针转向的力偶矩为正, 顺时针转向为负。顺时针转向为负。(3)力偶矩的作用：使

19、物体发生转动。力偶矩的作用：使物体发生转动。力偶矩是一种特殊的力矩力偶矩是一种特殊的力矩三、力偶矩三、力偶矩力偶对其作用平面内恣意一点的矩，与该点力偶对其作用平面内恣意一点的矩，与该点(矩心矩心) 的位置的位置无关，一直是一个常量。无关，一直是一个常量。(4)本质：力偶矩本质上是力偶中两个力对平面上恣意点本质：力偶矩本质上是力偶中两个力对平面上恣意点的力矩的代数和。的力矩的代数和。nF1力对力对O点的矩为：点的矩为：nM1=F1 (d+x)逆时针逆时针nF2力对力对O点的矩为：点的矩为：nM2=F2x顺时针顺时针n假设与为力偶，那么假设与为力偶，那么F1 F2n合力矩为：合力矩为：nMM1M2

20、F d=力偶矩力偶矩三、力偶矩三、力偶矩(5)特征：假设两个力偶矩的值和转动方向完全一样特征：假设两个力偶矩的值和转动方向完全一样(力的力的大小和方向以及力臂可不一样大小和方向以及力臂可不一样) , 那么这样两个力偶称为等那么这样两个力偶称为等效能偶或互等力偶。效能偶或互等力偶。 50KN50KN100KN100KN200KN.m2m4m四、平面力偶系的合成和平衡条件四、平面力偶系的合成和平衡条件1 11 11 1M M = = F F d d222222M= F M= F d d3 33 33 3M M = = - -F F d dF2F2F1F1F3F3d1d2d3331331M = -K

21、 M = -K d d2 22 21 1M M= = K K d d2 22 21 1M MK =K =d d3 33 31 1M MK =K =d dF1F1d1K2K2d1K3K3d1四、平面力偶系的合成和平衡条件四、平面力偶系的合成和平衡条件123F = F + K - K123F = F + K - KF1F1d1K2K2d1K3K3d112311231M = （M = （F + K - K ）F + K - K ） d d112131112131= F = F d + K d + K d - K d - K d d1 12 23 3= = M M + + M M + + M M四、平

22、面力偶系的合成和平衡条件四、平面力偶系的合成和平衡条件平面力偶系的合成：平面力偶系的合成：留意：此公式只适用于多个力偶处于同一个平面的情况。留意：此公式只适用于多个力偶处于同一个平面的情况。平面力偶系的平衡条件：平面力偶系的平衡条件：即：使物体按顺时针方向转动的力偶矩与使物体按反时针即：使物体按顺时针方向转动的力偶矩与使物体按反时针方向转动的力偶矩相等，它们的转动效应相互抵消，只需方向转动的力偶矩相等，它们的转动效应相互抵消，只需在这种情况下，力偶系才干坚持平衡。在这种情况下，力偶系才干坚持平衡。AB1.5 平面普通力系的合成和平衡条件平面普通力系的合成和平衡条件一、力线的平移原理一、力线的平

23、移原理FFFdM=Fd作用在物体上作用在物体上一力的作用线一力的作用线, 可以平行挪动可以平行挪动到物体上的恣到物体上的恣意一点意一点, 但必需但必需同时加上相应同时加上相应的附加力偶的附加力偶, 附附加力偶的矩等加力偶的矩等于原力对新作于原力对新作用点的矩用点的矩, 其转其转动方向决议于动方向决议于原力绕新作用原力绕新作用点的旋转方向。点的旋转方向。二、平面普通力系的简化二、平面普通力系的简化F1F2F3O二、平面普通力系的简化二、平面普通力系的简化平面普通力系向同一点简化的本卷须知：平面普通力系向同一点简化的本卷须知：(1)平面普通力系的各力平移到作用面内恣意一点平面普通力系的各力平移到作

24、用面内恣意一点C ，从而将平面普，从而将平面普通力系转化为一个平面汇交力系和一个平面力偶系。这种做法，称通力系转化为一个平面汇交力系和一个平面力偶系。这种做法，称为平面普通力系向作用面内恣意一点简化。为平面普通力系向作用面内恣意一点简化。C点称为简化中心。点称为简化中心。(3)转化结果：平面普通力系转化为一个平面汇交力系和一个平面转化结果：平面普通力系转化为一个平面汇交力系和一个平面力偶系。力偶系。(2)在简化过程中，首先要确定简化中心；且在同一组简化计算时，在简化过程中，首先要确定简化中心；且在同一组简化计算时，简化中心只能有一个。简化中心只能有一个。三、平面普通力系的平衡条件三、平面普通力

25、系的平衡条件平衡条件：平衡条件：0 00 00 0M MF FF Fo oy yx x由平面普通力系求解时，普通可按以下步骤进展：由平面普通力系求解时，普通可按以下步骤进展：(1)确立研讨对象确立研讨对象, 取分别体取分别体, 作出受力图。作出受力图。(2)建立适当的坐标系，列出平衡方程。在建立坐标系建立适当的坐标系，列出平衡方程。在建立坐标系时，应使坐标轴的方位尽量与较多的力成平行或垂直，时，应使坐标轴的方位尽量与较多的力成平行或垂直，以使各力的投影计算简化。力矩中心应尽量选在未知以使各力的投影计算简化。力矩中心应尽量选在未知力的交点上，以简化力矩的计算。力的交点上，以简化力矩的计算。(3)

26、解平衡方程，求出未知量。解平衡方程，求出未知量。 四、例题讲解四、例题讲解例例1-5 设人孔盖所受重力设人孔盖所受重力G= 500N，当翻开人孔盖时，当翻开人孔盖时，F 力与铅垂线力与铅垂线成成30角，并知角，并知a = 228mm，b= 440mm，h = 70mm。试求。试求F 力及力及约束反力约束反力N。 解此题时，矩心本来是可以恣意选取的，之所以选解此题时，矩心本来是可以恣意选取的，之所以选O点为矩心，是由于点为矩心，是由于O点有未知反力点有未知反力Nx、Ny 作用着，这样，力矩方程中将没有作用着，这样，力矩方程中将没有Nx、Ny，只需只需F出现，可以简化计算步骤。这种解题技巧，今后要

27、反复运用。出现，可以简化计算步骤。这种解题技巧，今后要反复运用。yyyy(cos30 )(sin30 )0 350sin300 175cos30G0 200N350200OxxxxOMG aFbFhFNFFNNNFFNNNFNNNN 解解：先先出出受受力力。以以力力矩矩中中心心：的的大大小小是是350 ，350 ，是是，是是画图为。四、例题讲解四、例题讲解例例1-6 悬臂吊车由横梁悬臂吊车由横梁AB、拉杆、拉杆CB 及电动葫芦组成。知电动葫芦及及电动葫芦组成。知电动葫芦及起吊物体总重为起吊物体总重为Q，横梁，横梁AB自重为自重为G，作用位置如下图，作用位置如下图( 电动葫芦在图电动葫芦在图中未

28、画出中未画出)。试作出横梁的受力分析并求出横梁的约束反力。试作出横梁的受力分析并求出横梁的约束反力。四、例题讲解四、例题讲解 ABAsin02cos0 sin0 22 sin2212AxAxyAxAxAylMTlQxGFNTFNTGQQxGlTlQxGlNltgGQNxl 解解：以以梁梁分分离离体体，出出受受力力。 以 以力力矩矩中中心心，列列出出平平衡衡方方程程：解解之之得得：横为画图点为为四、例题讲解四、例题讲解例例1-7 列管式换热器总长列管式换热器总长l = 7m，总重，总重91kN，支座，支座A、B的间隔为的间隔为4m，支座支座A 相当于固定铰链支座，支座相当于固定铰链支座，支座B

29、相当于活动铰链支座。试计算支相当于活动铰链支座。试计算支座座A、B 所受的约束反力。所受的约束反力。在此题中，作用在换热器上的在此题中，作用在换热器上的自动力、约束反力的作用线相自动力、约束反力的作用线相互平行且位于同一平面内，这互平行且位于同一平面内，这种力系是平面普通力系的特例，种力系是平面普通力系的特例，称为平面平行力系。对于平面称为平面平行力系。对于平面平行力系，假设在选择直角坐平行力系，假设在选择直角坐标轴时，使其中一个坐标轴与标轴时，使其中一个坐标轴与各力平行，那么只需一个投影各力平行，那么只需一个投影式和一个力矩式，这就是平面式和一个力矩式，这就是平面平行力系的平衡方程，即：平行

30、力系的平衡方程，即：A741.7020 0 41050B41A050ABxAxyAxBBAxAyBAxAyMNqlFNFNNqlNkNNkNNkNNkNNkNNkN 解解：以以器器分分离离体体，出出受受力力。 以 以力力矩矩中中心心，列列出出平平衡衡方方程程：代代入入值值，解解之之得得：支支座座 的的束束反反力力，支支座座 的的束束反反力力，。换热为画图点为为数约约本章习题讲解本章习题讲解AyNxANBN习题习题1-19 梁梁AB的支座如下图。在梁的中点作用一力的支座如下图。在梁的中点作用一力F = 20kN。力和梁的轴线成。力和梁的轴线成45角。如梁的重力略去不计，试分别求角。如梁的重力略去不计，试分别求(a) 和和(b)两种情况下的支座反力。两种情况下的支座反力。解：解：(a)以横梁为分别体画出受力图：以横梁为分别体画出受力图： Fo45AB以以A为力矩中心：为力矩中心：24-202 BAMNF BN=7.07KN0sin045NNFBoAyyFAyN=7.07KN0cos045oAXxFNFAxN= 14.14KN三力平衡定律三力平衡定律三力平衡定律本章习题讲解本章习题讲解BNAyNxAN习题习题1-22 程度梁的支承和载荷如下图。知力程度梁的支承和载荷如下图。知力F、力偶的力偶矩