《工程力学课程总论》课件

《工程力学课程总论》工程力学是工程学的基础学科,涉及工程设计、建造和操作过程中的力学问题。该课程将全面概述工程力学的基本理论和应用,让学生深入理解力学规律,为后续专业学习奠定坚实基础。课程目标专业技能学习工程力学的基本理论和方法,掌握工程分析和设计的基本技能。分析思维培养学生的分析问题和解决问题的能力,提高工程实践能力。创新能力激发学生的创新意识,培养创新思维和创新实践能力。课程内容简介课程重点本课程将深入探讨工程力学的基本概念和原理,涵盖了从静力学到动力学的广泛领域。课程内容主要包括力学基础、应力应变分析、材料力学、结构分析等相关知识,旨在培养学生的工程实践能力。学习收获通过本课程的学习,学生可以掌握工程力学的基本理论和分析方法,为后续专业课程和工程实践打下坚实基础。教学方式采用理论讲授、实例分析、计算练习等多种教学方式,注重理论与实践的结合。工程力学的历史发展1古代智慧最早的力学思想起源于古代哲学家和工程师2牛顿时代17世纪牛顿建立了经典力学理论体系3现代演进19-20世纪力学逐步发展为现代工程力学4综合应用工程力学广泛应用于各个工程领域工程力学的历史可以追溯到古代哲学家和工程师的最初智慧。17世纪牛顿确立了经典力学理论体系,奠定了现代工程力学的基础。19-20世纪,力学理论不断发展完善,广泛应用于各类工程领域,成为现代工程学的核心学科之一。力学的基本概念1物质点力学研究的基础是物质点,即无大小和形状的理想化对象。2力和力的作用力是导致物体运动状态改变的原因,物体受力后会产生位移或变形。3运动学和动力学运动学描述运动的几何特性,动力学研究运动的原因和结果。4静力学和动力学静力学研究物体的平衡状态,动力学研究物体的运动状态。力学的基本原理牛顿第一定律物体的状态（静止或匀速直线运动）会一直保持除非受到外力作用。这是力学的基本原理之一。牛顿第二定律物体所受的合外力与其加速度成正比,这为力学分析提供了重要依据。牛顿第三定律作用力与反作用力大小相等、方向相反,这是力的平衡的基本原理。能量守恒定律在封闭系统中,能量不会凭空产生或消失,而是在不同形式之间转换。这是力学中的基本定律之一。物体受力分析识别受力点确定分析对象的支撑点和受力点,是进行受力分析的第一步。确定作用力列出所有作用在分析对象上的内力和外力,包括重力、反作用力等。分析力的平衡分析各受力点的合力和力矩,判断物体是否处于静力平衡状态。力的合成和分解1力的合成将多个作用于物体的力合成为一个等效力,可以简化分析计算。合成过程包括确定合力大小和方向。2力的分解将一个力分解为多个分力,有助于分析各分力对物体的作用效果。分解过程包括确定分力大小和方向。3应用实例在结构稳定性分析、连接件设计等工程问题中,合成和分解力的技术广泛应用。力矩和力偶力矩概念力矩描述了力产生的旋转效应。它是力的作用点到轴线的距离乘以力的大小。力偶概念力偶是两个大小相等、方向相反的平行力组成的特殊力系。它可以产生纯旋转的效果。力矩和力偶的应用在结构分析和设计中，力矩和力偶概念被广泛应用于确定物体的平衡状态和内力分布。平衡方程的建立1力的分解将复杂力系分解为简单的力向量2力的平衡使所有力及力矩的合力、合矩均为零3方程的建立基于力的平衡原理建立平衡方程组平衡方程的建立是工程力学分析的关键步骤。首先需要将复杂的力系化为简单的力和力矩向量,然后根据平衡原理设置力和力矩的平衡方程。通过求解这些平衡方程,可以确定未知的力和位移量,为进一步的应力分析和强度计算奠定基础。静摩擦和动摩擦1静摩擦力当两个物体接触但相对静止时,会产生静摩擦力,阻碍物体运动。静摩擦力最大值为临界静摩擦力。2动摩擦力当两个物体相对滑动时,会产生动摩擦力,阻碍物体运动。动摩擦力小于静摩擦力最大值,与接触面积和材料有关。3摩擦系数静摩擦系数和动摩擦系数描述了两种摩擦力的大小,是物体材料特性的重要参数。4工程应用摩擦力在机械设计、轮胎与路面、制动系统等工程领域有广泛应用,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点上的力,如重力、支反力等。集中力系易于分析,常用于简化复杂结构的受力分析。分布力系分布力是沿物体表面或体积内均匀分布的力,如压力、摩擦力等。分布力系更接近实际,但分析较为复杂。应用场景集中力常用于分析简单支承结构,如梁、柱等;分布力常用于复杂结构,如压力容器、壳体结构等。质点的平衡条件力的平衡当力加在质点上时,质点保持静止或匀速直线运动,即力的合力为零。力矩的平衡当质点受多力作用时,所有力矩的合矩为零,质点不会转动。坐标系平衡建立合适的坐标系可以更好地分析质点的平衡状态。刚体的平衡条件三个平衡条件刚体的平衡条件包括三个方面:力的平衡条件、力偶的平衡条件和合力为零的条件。满足这三个条件,刚体才能达到静力学平衡。内力与外力内力是作用于刚体内部的力,外力是作用于刚体表面的力。在平衡分析中,必须同时考虑内力和外力。受力分析通过对刚体的受力分析,可以得到平衡方程,从而确定未知的作用力和反作用力。这是进一步分析的基础。坐标系选择选择合适的坐标系,可以简化平衡方程的建立。通常情况下,选择与刚体受力情况相吻合的坐标系。受力分析实例演示在本部分，我们将通过具体的工程案例演示如何进行力学的受力分析。我们将选择一些典型的工程结构或构件，分析其受到的外力作用情况，并建立相应的受力分析模型。通过这些实际案例的演示，学生可以更深入地理解在工程实践中如何运用力学基础知识进行受力分析,从而为后续的应力应变计算、材料强度检验等打下良好的理论基础。应力与应变的关系应力定义应力是物体内部受到的力量作用,通常以力与面积的比值来表示。应变定义应变是物体在受力后发生的形变,通常以长度变化与原长的比值来表示。应力-应变关系应力和应变之间存在线性关系,可用胡克定律来描述并计算。影响因素材料性能、几何尺寸和载荷条件等因素会影响应力-应变关系。应变能和弹性系数应变能材料在受力时所储存的内部能量,反映了其承受外力的能力。弹性系数刚性物体遭受外力变形时的比例系数,用于衡量材料的刚度。应力-应变关系材料在弹性范围内遵循胡克定律,应力与应变成正比。一维应力分析1单轴拉伸受拉力作用的单轴应力分析2单轴压缩受压力作用的单轴应力分析3剪切应力纯剪切作用下的应力分析一维应力分析是工程力学中最基本的应力状态研究,涉及物体在单一作用力下的应力分布特点。这种情况下,应力可被简化为沿特定轴线的一维分布,为后续的多轴应力分析奠定基础。多轴应力分析1主应力和剪应力在复杂的应力状态下,需要分析三个相互垂直的主应力以及由此产生的剪应力。2应力状态描述通过应力张量可以全面描述多轴应力状态,为后续的应力分析奠定基础。3应力分析计算运用数学方法,如Mohr圆法,可以计算出主应力和剪应力的大小和方向。正应力和切应力正应力正应力是垂直于截面的应力成分,它会引起物体的拉伸或压缩变形。正应力是结构分析中最基本和重要的应力类型。切应力切应力是平行于截面的应力成分,它会引起物体的剪切变形。切应力在结构分析和设计中也扮演着关键角色。应力状态分析通过正应力和切应力的分析,可以全面地认识物体在力作用下的应力状态,为后续的强度验算和变形分析提供基础。应力图示通常会使用应力场图、应力分布图等直观的方式来表示结构中不同部位的正应力和切应力分布情况。材料性能及其应用力学特性材料的抗拉强度、抗压强度、屈服强度等性能是工程设计的关键依据，合理选材可确保结构的可靠性。成形性材料的塑性、延展性等性能会影响其加工成型的难易程度，对制造工艺选择至关重要。耐久性材料的耐腐蚀性、耐疲劳性等特性决定了结构的使用寿命，需要根据使用环境合理选用。环境友好绿色环保材料的应用有助于减少资源消耗和环境污染，促进可持续发展。材料强度理论强度试验通过对材料进行标准化的力学试验,可以获得材料的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等关键参数,为设计和分析提供基础数据。应力应变关系不同材料的应力应变曲线反映了其独特的变形特性,可用于分析材料在不同载荷下的承载能力。安全系数设计通过合理的安全系数设计,可确保在正常使用条件下结构不会发生破坏,保证使用安全。材料失效准则1最大应力理论基于材料在某一特定方向的最大应力达到其极限强度时发生失效的原理。2最大应变理论认为当材料某一方向的应变达到其极限应变时会发生失效。3最大应力能理论认为当材料吸收的应变能达到其极限应变能时会发生失效。4Tresca剪切应力理论基于材料在某一平面上达到最大剪切应力时发生失效的原理。结构分析基本步骤确定结构形式根据实际工程情况确定结构的类型和布局。确定荷载情况分析结构在服役过程中所受的各种类型荷载。建立受力模型用力学原理建立合理的受力分析模型。进行应力计算根据受力模型计算结构各部位的内力和应力。评估结构安全性对计算结果进行分析,判断结构是否满足承载要求。几何线性与物理线性1几何线性几何线性假设小变形下结构变形与加载成正比，这种假设在大多数工程应用中成立。2物理线性物理线性假设应力和应变成正比，即材料服从胡克定律。这在弹性范围内是合理的。3线性与非线性结构分析可以基于几何线性和物理线性的假设，也可以考虑非线性的因素。4分析方法线性分析更简单易行，可以利用叠加原理和位移法等方法。非线性分析更复杂，需要迭代求解。结构分析实例演示在工程力学课程中，我们不仅掌握了基本的理论知识，还需要学会将其应用到实际工程问题的分析和求解中。通过具体的结构分析实例演示，可以帮助学生更好地理解并掌握相关的分析方法和技术。我们将以一个简单的悬臂梁结构为例，演示如何进行静力分析和应变分析。从确定结构模型、确定作用力、建立平衡方程到计算应力和变形等全过程，让学生对结构分析的基本步骤有深入的认识。有限元法基本原理数学基础有限元法建立在复杂的数学理论基础之上,涉及微分方程、数值方法等内容。结构离散化将复杂的连续结构划分为较小的单元,通过单元间的关系来分析整体行为。数值计算利用计算机进行大规模的数值计算,得到整个结构的应力、变形等指标。精度控制通过网格划分的精细度、迭代收敛条件等来控制计算结果的精度。有限元分析实例有限元方法是一种重要的结构分析工具,它通过将复杂的结构划分为许多小的有限单元并对其进行数值求解,从而得到整体的力学响应。我们将以一个典型的结构分析案例为例,演示如何使用有限元方法进行建模和