工程力学电子教案

工程力学电子教案一、课程的教学目的和规定工程力学是一门理论性较强的技术基础课，是高等院校工科专业的必修课，也是高职高专土建有关专业的必修课。1目的通过本课程的学习，使学生掌握物体问题，初步学会分析、解决某些简朴的工程实际问题培养学生解决工程计算中有关强度、刚度和稳定性问题的能力，以及计算能力和实验能力，为工程设计打下必要的基础。2规定2.1理论知识方面（1）能对的地选用分离体并画出受力图，比较完整地理解力、力矩和力偶的基本概念和性质，能纯熟计算力的投影和力矩；（2）掌握运用各类平面力系的平衡方程求解单个物体及简朴物系的平衡问题的知识；（3）掌握分析杆件内力并做对应内力图的基本知识；（4）掌握分析杆件的应力、应变，进行强度和刚度计算的基本知识；（5）对应力状态和强度理论有一定认识，并能进行组合变形下杆件强度计算；（6）初步学会分析简朴压杆的临界载荷，并进行压杆稳定性的校核；2.2能力、技能方面（1）含有从简朴的实际问题中提出理论力学问题并进行分析的初步能力；（2）初步含有计算强度、刚度、稳定性的计算及构件设计的能力；（3）初步含有合理选材及对惯用材料基本力学性能进行测试的能力。二、教学办法：1、课堂教学手段重要采用黑板板书。2、采用启发式教学，激励学生自学，以“少而精”为原则，精讲多练；3、加强与学生的沟通，增加课堂讨论，调动学生的主观能动性。三、学习办法提示：1、提前预习，以提高听课效率；2、认真做好课堂笔记；3、课后认真复习，以巩固所学知识；4、独立准时地完毕课后作业，方便掌握课程学习的实际状况。四、成绩评定办法：1、平时（涉及考勤、作业、课堂练习、课堂提问）成绩占30%；2、期末考试成绩占70%。五、期末考核方式：闭卷。第一章绪论一、教学目的：使学生理解本课程的研究对象、研究内容，明确学习本课程的目的。二、教学重要内容：1.通过实例，阐明本课程与工程实践和生活实践的紧密关系。2.通过课程教学，使学生理解工程力学的研究对象及重要内容、工程力学在工程中的地位和作用、学习工程力学的基本规定和办法。三、重点和难点力学在实际工程中力学的应用，及本课程的有关名词术语四、教学规定（1）理解工程力学的研究对象；（2）明确学习工程力学的基本任务。五、教学办法黑板板书、解说。六、思考题与习题1工程力学研究的对象与基本任务1.1研究对象工程中多个各样的建筑物、机械等都是由若干构件按照一定的规律组合而成的，称为构造。构造和构件都是肉眼能分辨的，并且相对于地球静止或以速度远不大于光速而运动的宏观物体，他们就是工程力学研究的对象。1.2研究任务（1）当物体处在平衡状态，根据平衡状态由作用于物体上的已知力求出未知力，这一过程成为静力学分析，对于平衡状态的物体进行静力学分析是工程力学的一项任务；（2）研究物体运动时其位置变化规律—轨迹、速度、加速度等，建立物体的运动状态的变化与作用于其上之间的关系是工程力学的又一项任务；（3）研究构件的强度、刚度和稳定性问题，提供有关的理论办法和实验技术，合理拟定构件的材料和形状尺寸，达成安全和经济美观的规定，是工程力学的第三项任务。2工程力学中的力学模型与研究办法2．1研究模型工程力学的研究对象往往比较复杂，在对其进行力学分析时，首先必须抓住问题的性质，抓住其重要特性，无视此药特性，需要对其进行简化，抽象出力学模型。在受力是保持形状大小不变的力学模型成为刚体。质点是指含有质量而形状大小可无视不计的力学模型。一种物体终究应当看作是质点还是刚体，完全取决于所研究问题的性质，而不取决于物体本身的形状和尺寸。当分析强度、刚度和稳定性问题是，由于这些问题都与变形亲密有关，因而即使是极其微小的变形也必须加以考虑，这时就必须把物体抽象为变形体这一力学模型。2．2研究办法理论分析、实验分析和计算机分析是工程力学中三种重要的研究办法。第二章刚体静力分析基础一、教学目的：使学生理解力和力矩的概念和性质；力偶的概念和性质；约束与约束力的概念，工程中常见的约束与约束力，物体的受力分析与受力图等。二、教学重要内容：1.通过实例，力和力偶存在于我们生活中，进一步探求力矩和力偶的概念、力偶的三要素及力偶的等效定理，以及有关力和力偶的多个定理，规律。2.通过课程教学，使学生理解工程中常见的约束与约束力，并将其简化为几个方式。3.掌握力和力偶的有关概念性质及约束与约束力的存在形式，进一步对构件进行受力分析，作出受力简图，这一部分需要由简入繁，由易到难，规定学生加强课堂及课后练习。三、重点和难点本章讲授的重点是“力和力偶的概念、性质”，“约束和约束反力”“物体的受力分析和受力图”。难点是平面力偶系的合成与平衡方程求解，作受力图和对构件进行受力分析。四、教学规定1、使学生理解本课程的研究对象、研究内容，明确学习本课程的目的；2、掌握力和刚体的概念及静力学公理；3、掌握约束及约束反力的基本知识；4、初步掌握物体及简朴物系的受力分析，合理选择分离体并画出受力图。五、教学办法黑板板书、解说。六、思考题与习题P15思考题2-32-92-11习题2-12-22-32-32-1力与力偶1力的概念力是物体间互相的机械作用，这种作用的效应使物体的运动状态和形状发生变化。前者称为力的外效应，后者称为力的内效应。静力学部分仅研究力的外效应。

实践证明，力对物体的作用效应取决于力的大小、方向和作用点，我们称这三者为力的三要素。

在国际单位制中，力的基本单位是牛顿（Ｎ），惯用单位尚有千牛顿（kＮ）等。

力是矢量，惯用一带有箭头的线段表达，线段的长度表达力的大小（按一定的比例尺），线段的方位和箭头的指向表达力的方向，线段的起点或终点表达力的作用点。普通用黑体字母表达力矢量（手写时在字母上加箭头或短横线），而与之对应的普通体字母仅表达力的大小。2、刚体在力的作用下，任何物体都会产生变形。但在工程实际中，许多零部件受力后所产生的变形与其本身的尺寸相比显得非常小，对研究物体的外效应及问题的本质影响极小，能够无视不计。为了便于研究，常略去物体受力后变形。这种略去受力后变形的物体称为刚体。刚体是一种科学抽象后的力学模型，在静力学中，普通将所研究的物体均视为刚体。3、力的性质（1）二力平衡公理；（2）加减平衡力系公理及力的可传性原理；（3）刚化原理；（4）力的平行四边形法则及三角形法则；（5）力的作用与反作用定律；（6）三力平衡汇交定理。2-1-2力对点之矩1.力矩的概念M0(F)=+FdO点称为矩心；d称为力臂；式中正负号用来区别力F使物体绕O点装懂的方向，规定：力F使物体绕O点逆时针转动为正，顺时针转动为负，如辦螺丝刀。2.合力矩定理M0(FR)=M0(F1)+M0(F2)+M0(F3)+…+M0(Fn)=∑M0(Fi)合力对平面内任一点之矩等于各分力对同一点之矩的代数和—合力矩定理。例题p7，例2-12-1-2力偶的概念和性质1.力偶的概念大小相等，方向相反，作用线平行的两个力对物体产生转动效应，而不产生移动效应，把它称为力偶（F,F’）表达，如辦方向盘，拧水龙头等。力偶作用面—力偶所在的平面；力偶臂—力偶两个力作用线间的距离称为力偶臂；力偶矩—M=+Fd式中正号规定：力偶的专向是逆时针，反之为负；力偶三要素：力偶的大小、转向和力偶作用面的方位。2.力偶的性质P83.平面力偶系的合成若有n个力偶作用于刚体的某一平面内，这种力系称为平面力偶系。采用力偶系合成可得一种力偶，合力偶矩等于力偶系中个力偶矩的代数和：M=M1+M2+…+Mn=∑Mi2-2约束与约束力2-2-1约束与约束力的概念自由体—在空间能够做任意运动的物体；非自由体—物体受到某种限制，在某些方向不能运动，这样的物体称为非自由体；约束—妨碍物体运动的限制条件称为约束；约束力—约束对物体作用一定的力以妨碍物体运动，这种力称为约束力；主动力或荷载—能主动使物体运动或有运动的趋势的力，称为主动力或荷载，如重力、压力等。2-2-2工程中常见的约束与约束力1.柔索约束柔索约束力的方向沿着他的中心线且背离物体，及为拉力。2.光滑接触面光滑接触面约束力的方向沿着接触面在接触点出的公法线，及为压力。3.光滑铰链亦称为铰链或铰。铰链约束力作用在垂直于销钉轴线的平面内，通过圆孔中心，方向由系统的构造与受力状况拟定。4.固定铰支座固定铰支座约束力与铰链的情形相似。5.活动铰支座活动铰支座的约束力垂直于支承面，通过铰链中心，指向待定。6.固定端固定端约束力为一种方向待定的力和一种转向待定的力偶。2-3受力分析与受力图受力分析与受力图部分重要通过大量例题的受力分析和作受力图过程来指导学生学会对构件进行简化，做受力分析，作受力图。例题见p13、p14、p17、p18第三章平面力系一、教学目的：工程中最常见的是平面力系，本章要学生理解平面力系的简化，并根据平面力系的平衡条件，建立平衡方程，着重讨论平衡方程的应用和物体系平衡问题的解法。二、教学重要内容：本讲介绍工程中的平面汇交力系问题，涉及其合成的几何法及几何条件，解析法及平衡方程的求解。三、重点和难点本章讲授的重点是“平面力系的简化”，“平衡条件拟定”“平衡方程求解”。前三点既是本章的重点，也是本章的难点。同时，本章也是刚体静力分析的重点。四、教学规定1、掌握平面汇交力系合成的几何办法和解析办法；2、掌握平面汇交力系平衡方程求解及应用。五、教学办法黑板板书、解说。六、思考题与习题P41思考题3-33-63-8习题3-13-23-53-123-143-1平面力系向一点的简化位于同一平面内的诸力其作用线既不汇交于一点，也不互相平行的力系。工程计算中的诸多实际问题都能够简化为平面普通力系来解决。图3-1某钢桁桥梁简化图3-1-1力的平移定理作用于刚体上的力能够平行移动到刚体内任一指定点，但必须同时附加一种力偶，此附加力偶的矩等于原理对指定点之矩。平面力系向一点简化的理论基础是力的平移定理。3-2-1平面力系向一点的简化设在某一刚体上作用着平面普通力系F1,F2,…,Fn。显然像平面汇交力系那样，用力的平行四边形法则来合成它很困难。应用力线平移定理，将该力系中的各个力逐个向刚体上的某一点O（称为简化中心）平移（图4-8b),再将所得的平面汇交力系和平面力偶系分别合成（图4-8c)。过程为：合力FR’等于原力系中各力的矢量和，称为原力系的主矢，力偶矩MO等于原力系中各力对简化中心之矩的代数和，称为原力系对简化中心O的主矩。3-2-2平面普通力系的三种简化成果：1.力系简化为力偶力系合成为一力偶，因此主矩与简化中心的位置无关。2.力系简化为合力FR′就是原力系的合力，合力的作用线通过简化中心。（1）（2）力系仍可简化为一种合力，但合力的作用线不通过简化中心。3.平衡力系合力矩定理：平面普通力系如果有合力，则合力对该力系作用面内任一点之矩等于力系中各分力对该点之矩的代数和。例题p293-2-3静定与超静定问题所研究的平衡问题的未知量的数目等于对应独立平衡方程的数目,则未知量就可全部由平衡方程求得,这类问题称为静定问题.超静定问题将在第二分册中研究，因此本学期不作该问题的教学。3-2-4物体系的平衡问题求静定物体系的平衡问题普通有下列两种办法:(1)先取整个系统为研究对象,列出平衡方程,求出全部未知量.再取系统中某些物体为研究对象,列出平衡方程,求出全部未知量;(2)逐个取系统中每个物体为研究对象,列出平衡方程,求出全部未知量.本节重要以解说例题为主,同时加入部分课堂练习及课后练习题.例题解说以教材上例题为主,p32例3-7,例3-8,例3-9.课后部分习题在课堂上练习,并作一定的解说,p42,3-6,p433-12,3-13.3-3考虑摩擦是的平衡问题3-3-1滑动摩擦定律静摩擦力：将重物放在水平面上，并施加一水平力F，当F较小是，物块虽有沿水平面滑动的趋势，但仍保持静止状态，这是由于接触面间存在一种妨碍物块华东的力Ff，这个力称为静滑动摩擦力。当F增大到某一数值时，物块处在将动而未动的临界平衡状态，这是的静摩擦力达成最大值，称为最大静摩擦力Ffmax大量实验证明，最大静摩擦力的大小与接触面间的正压力FN成正比。Ffmax=fsFN式中：fs为比例常数，称为摩擦因素，它的大小与接触物体的材料，接触面的粗糙度、湿度、温度等状况有关。动摩擦力：当作用于物块上的主动力不不大于最大静摩擦力是，物块将滑动，滑动时接触面产生妨碍滑动的力，这种阻力称为动滑动摩擦力，用F’f表达。其大小与量物体间的正压力成正比。F’f=fFN式中f称为动摩擦因素3-3-2考虑摩擦时的平衡问题考虑摩擦时的平衡问题，加上静摩擦力之后，求解同没有摩擦时的平衡问题同样，本节在解说考虑摩擦的平衡问题时同没有摩擦的平衡问题同样，通过解说例题。其中例题以教材上的为主，p37例3-10，3-11.3-3-3摩擦角和自锁现象本节规定学生理解摩擦角的概念及自锁现象。全约束力：假设放在水平面上的物块在主动力作用下，有向右滑动的趋势，水平面作用与物块的力有法想约束力FN和摩擦力Ff，他们的合力FR称为全约束力。摩擦角：设全约束力与法向约束力之间的夹角为φ，当摩擦力Ff达成最大值Ffmax时，角φ也达成它的最大值φf称为摩擦角。第4章弹性变形体静力分析基础一教学目的本章介绍弹性变形体静力分析中几个重要的基本概念和办法，规定学生理解变形固体的基本假设、内力和求内力的截面法，对应力、变形与应变以及胡克定律有所理解；规定学生对变形形式具体掌握，方便于下章学习。二、教学重要内容：本章开始研究杆件的强度、刚度和稳定性计算，重要介绍弹性变形体静力分析中几个重要基本概念和办法，涉及变形固体的基本假设、内力和求内力的截面法、应力、变形与应变以及胡克定律。对变形形式也作了介绍。三、重点和难点本章讲授的重点是“内力与应力”，“变形与应变”“杆件的变形形式”。难点是对内力、应力及变形的分析。四、教学规定1、掌握内力中应力的种类和基本概念；2、掌握杆件变形的几个形式。五、教学办法黑板板书、解说。六、思考题与习题P564-1p564-14-1变形固体的基本假设几个基本概念：弹性变形—在外力撤去后能消失的变形成为弹性变形；塑性变形—在外力撤去后不能消失而遗留下的变形成为塑性变形；完全弹性体—当所受外力不超出一定程度时，绝大多数工程材料在外力撤去后，其变形可完全消失，含有这种变形性质的变形固体称为完全弹性体；部分弹性体—当外力撤去后，其变形可部分消失，而遗留一部分不能消失变形，这种变形体称为部分弹性体。基本假设：（1）持续性假设：即认为构成固体的物质毫无间隙地充满物体的几何容积；（2）均匀性假设：即认为固体各部分的力学性能是完全相似的；（3）各向同性假设：即认为固体沿各个方向的力学性能都是相似的。4-2内力与应力4-2-1内力的概念由于外力作用而引发的构件内部各部分之间的互相作用力的该变量，称为内力。4-2-2截面法截面法是求构件内力的基本办法：（1）截开；（2）取出；（3）替代；（5）平衡。该过程通过解说例题，例4-1课后习题4-1.4-2-3应力应力为在微面积ΔA范畴内单位面积上内力的平均集度：Pm=ΔF/ΔA普通把应力p分解成垂直与截面的法向分量σ和与截面相切的切向分量τ，σ称为M点处的正应力，τ称为M点处的切应力。τ=psinа；σ=pcosа4-3杆件的变形形式1、基本变形（1）轴向拉伸与压缩：在一对大小相等、方向相反轴向外力作用下，杆件重要发生沿轴向的伸长与缩短。（2）剪切：在一对很近、大小相等、方向相反的横向外力作用下，杆件的相邻横截面发生相对错动。（3）扭转：在一对大小相等、方向相反、作用面垂直与杆轴的外力偶作用下，杆件的任意两个横截面发生相对转动。（4）弯曲：在一对大小相等、方向相反、作用于通过杆轴平面内的外力偶作用下，杆件的轴线变为曲线。2、组合变形两种或两种以上的基本变形的组合，成为组合变形。第5章杆件的内力一、教学目的：本章是对杆件进行强度、刚度和稳定性计算的基础，规定学生掌握杆件在拉压、扭转以及弯曲时的内力计算和内力图的绘制。二、教学重要内容：本章的重要内容是对杆件在拉压、扭转时内力计算和内力图的绘制，其中内力计算和内力图绘制时本章的重点。三教学规定1、掌握杆件在拉压、扭转时内力的计算；2、掌握轴力图、扭矩图、剪力图及弯矩图的绘制。四、教学办法黑板板书、解说。六、思考题与习题P725-35-9p745-15-25-35-45-55-65-1杆件拉（压）时的内力1、基本概念：拉（压）杆—承受轴向拉伸或压缩的杆件；轴力—内力FN的作用线与杆件的轴线重叠，称为轴力；轴力图—为了表达轴力随横截面位置的变化状况，用平行于杆轴线的坐标表达横截面的位置，以垂直于杆轴线的坐标表达轴力的数值，绘出轴力与横截面位置关系的图线。称为轴力图。2、内力计算及轴力图绘制内力计算及轴力图绘制部分通过解说例题与习题练习来指导学生掌握该部分内容。注意压力的指向问题，判断轴力的正负问题，当轴力的方向与横截面的外法线一致时，杆件受拉伸长，轴力为正，反之杆件受压，轴力为负。内力计算过程及轴力绘制过程见例5-1及习题5-1.5-2杆件扭转时的内力1、外力偶矩的计算外力偶矩计算公式：Me=9549P/n式中：P为传递功率；n为轴的转速。2、扭矩与扭矩图按右手螺旋法则，让四个指头与扭矩T的转向始终，大拇指伸出的方向（即扭矩T方向）与截面的外法线方向一致时，T为正，反之为负。扭矩计算及扭矩图绘制：用截面法计算扭矩，先假设扭矩为正，然后根据计算构造拟定扭矩实际方向，若作用于轴上的外力偶矩多出两个，也与拉伸问题中绘制轴力图相仿，以横坐标表达横截面的位置、纵坐标表达对应横截面上的扭矩，用图线来表达各横截面上扭矩沿轴线变化状况。具体操作见例5-2，及对应习题。5-3杆件弯曲时的内力1、平面弯曲概念梁—以弯曲为重要变形的杆件称为梁。平面弯曲—如果作用于梁上的全部外力都在纵向对称面内，则变形后梁的轴线也将在此对称平面内弯曲成一条平面曲线，这种弯曲称为平面弯曲。为了便于分析计算简图，普通对梁本身、荷载和支座进行简化。根据支座状况，静定梁可分为三种基本形式：悬臂梁、简支梁、外伸梁（见教材p64图5-13）2、剪力和弯矩在截面法中截面上必然有内力Fs和M，Fs和M分别称为剪力和弯矩。剪力和弯矩正负号规定：凡剪力对所取微段梁内任一点的力矩是顺时针转向时为正，反之为负；凡弯矩使所取微段产生上凹下凸弯曲变形的为正，反之为负。剪力和弯矩计算过程见例5-3（p65）。拟定梁上横截面的剪力和弯矩符号：（1）梁任一横截面上的剪力，其数值等于该截面的任一边（左边或右边）梁上全部横向外力的代数和，截面左边梁上向上的外力或右边梁上向下的外力为正，反之为负。（2）梁任一横截面上的弯矩，其数值等于该截面的任一边（左边或右边）梁上全部外力对截面形心的力矩代数和，截面左边梁上的外力对该截面形心之矩为顺时针