《绳模型和杆模型》课件

绳模型和杆模型绳模型和杆模型是结构力学中的重要概念。它们被广泛用于分析结构的受力情况，并帮助工程师设计更安全的结构。by课程目标理解绳模型和杆模型掌握绳模型和杆模型的基本概念，并能将其应用于实际问题中。掌握绳模型和杆模型的受力分析能够根据力的作用方向和大小进行绳模型和杆模型的受力分析。学会应用绳模型和杆模型解决工程问题通过实际案例讲解，掌握绳模型和杆模型在工程中的应用方法。力与受力分析1力与受力分析力是物体间的相互作用，使物体发生形变或运动状态改变。2作用力与反作用力任何力都有其作用力与反作用力，大小相等、方向相反，作用在不同物体上。3受力分析方法隔离法，将研究对象从周围环境中分离出来，并对其进行受力分析。4力的平衡条件当物体处于静止状态或匀速直线运动状态时，作用在物体上的所有力的合力为零。绳模型的应用建筑工程绳模型可用于分析吊桥、索道、高层建筑的受力，评估结构安全。绳模型能帮助工程师设计更稳定的结构，确保建筑安全。机械工程绳模型可用于分析起重机、电梯、输送带的受力，优化设计方案。绳模型可用于分析绳索的拉伸强度，确保机械设备安全。航空航天绳模型可用于分析飞机的缆索系统、降落伞的受力，确保飞行安全。绳模型可用于设计轻量化、高强度的绳索系统，提高航天器性能。绳的受力分析受力特点绳索只能承受拉力，不能承受压力或弯曲力。受力方向绳索的受力方向始终沿着绳索的轴线方向。受力大小绳索的受力大小等于绳索两端所受拉力的合力。应力分析绳索的应力分布均匀，且等于绳索截面积上的拉力。应变分析绳索的应变为绳索长度的改变量与原长度的比值。悬挂绳索的受力1绳索自身重量绳索本身的重量会产生竖直向下的拉力2悬挂物重量悬挂在绳索上的物体也会产生竖直向下的拉力3外力作用外部力量，如风力或地震，也会对绳索造成拉力绳索受到的拉力通常是多个因素的综合影响绳索的受力情况会直接影响其安全性和使用寿命绳模型的特点11.简化模型绳模型是对实际绳索的简化，忽略了绳索自身的重量和尺寸。22.力学性质绳模型仅考虑绳索的拉伸和压缩力，不考虑其他力学性质。33.应用范围绳模型适用于分析简单悬挂体系，例如悬挂桥梁和吊车。44.计算简便绳模型的计算公式简单，易于理解和应用。绳模型的假设质量集中绳索的质量可以忽略不计，认为质量集中在绳索的端点。柔性无刚度绳索可以弯曲，但不会产生拉伸或压缩的应力。无摩擦绳索与其他物体之间没有摩擦力，可以自由滑动。不可伸长绳索的长度保持不变，不会因为受力而发生伸长。绳模型的优缺点简化问题绳模型将绳索视为无质量、不可伸长的理想模型，简化了力学分析。应用广泛绳模型适用于各种工程问题，例如悬索桥、吊车、缆绳等。忽略细节绳模型忽略了绳索的重量、弹性等因素，可能造成一定的误差。适用范围有限绳模型不适用于绳索发生明显形变的情况，例如弹性绳索。杆模型的基本特点刚性杆件自身具有较高的刚度，不易变形。杆件在承受外力时，主要发生轴向变形，横向变形可以忽略。长度杆件的长度远大于其横截面的尺寸，可以认为杆件是线性的。受力杆件只承受轴向拉伸或压缩力，不承受弯曲或剪切力。应用杆模型广泛应用于建筑结构、桥梁、机械等领域。杆的受力分析1确定杆件受力识别杆件所受的外部力量，例如载荷和约束力2绘制受力图将杆件简化为一个简单的几何模型，并标注所有作用力3分析力的平衡应用牛顿定律来分析杆件在所有方向上的受力平衡4计算杆件内力根据力的平衡方程计算杆件内部产生的力杆件内力分析确定杆件截面首先需要确定杆件的横截面形状，例如矩形、圆形或其他形状。这将影响杆件的抗弯强度和抗扭强度。计算杆件内力根据杆件所受的外部载荷和约束条件，计算杆件内部产生的轴力、剪力、弯矩和扭矩。这些内力是杆件承受外部载荷的关键指标。绘制内力图根据计算得到的内力值，绘制杆件的轴力图、剪力图和弯矩图。这些图形可以直观地展示杆件在不同位置上的内力分布情况。分析内力分布分析内力图，找出杆件内力最大的位置，并评估杆件在这些位置上的强度和稳定性。这有助于了解杆件在承受外部载荷时的安全性。杆件应力分析1外力受力分析2截面面积计算应力3应力类型正应力、剪应力4强度校核满足强度要求杆件应力分析是杆模型的关键步骤，它有助于评估杆件在承受外力时的安全性。首先，我们需要进行受力分析，确定杆件所受的外力及其作用点。然后，根据杆件的截面面积计算出应力，并根据应力类型进行分类，例如正应力或剪应力。最后，我们需要进行强度校核，确保杆件的应力值不超过材料的强度极限，满足强度要求。杆件强度验算1确定杆件材料根据实际情况选择合适的材料，例如钢材、铝合金、木材等。2计算杆件截面尺寸根据杆件的受力情况和材料性能，确定合适的截面尺寸，以确保杆件能够承受设计荷载。3进行强度验算根据杆件的受力情况和材料性能，计算杆件的应力，并与材料的许用应力进行比较。杆件稳定验算杆件稳定验算指的是对杆件在承受外力作用下保持其稳定性的计算分析。在进行稳定验算时，需要考虑杆件的几何形状、材料特性以及外部载荷的影响。确保杆件在承受载荷时不会发生失稳现象，如弯曲、扭转或拉伸。1临界载荷杆件在保持稳定状态下所能承受的最大载荷。2稳定系数实际载荷与临界载荷之比。3安全系数稳定系数与临界载荷之比。4验算标准根据安全系数的大小来判断杆件的稳定性是否满足要求。通过稳定验算，可以确定杆件的稳定性是否满足设计要求。如果验算结果表明杆件不稳定，则需要采取相应的措施，如增加杆件截面尺寸或采用更强的材料。杆的特殊应用桥梁设计杆模型广泛应用于桥梁设计，例如，悬索桥、拱桥等，帮助工程师评估结构强度和稳定性。建筑结构在高层建筑、大型体育场馆等建筑结构中，杆件作为重要组成部分，起到支撑、传递荷载的作用。机械设计杆模型在机械设计中也发挥着重要作用，例如，机械臂、机床等，帮助设计人员优化结构、提高效率。杆模型的优缺点精确性杆模型可以准确描述杆件的受力情况和变形特点，对结构的分析和设计具有较高的精确度。简化性杆模型将复杂结构简化为杆件，简化了分析过程，便于计算和分析。局限性杆模型只考虑杆件的轴向受力，忽略了其他因素，例如杆件的横截面形状和材料的非线性特性。绳模型与杆模型对比绳模型主要用于分析柔性体的受力，例如绳索、钢丝绳等。杆模型主要用于分析刚性体的受力，例如梁、柱、杆等。绳模型假设绳索没有质量，也不考虑弯曲变形，只考虑拉伸变形，而杆模型假设杆件是刚性的，不考虑变形。绳模型主要应用于悬索桥、吊车等结构，而杆模型主要应用于建筑、桥梁等结构。选用模型的原则11.结构特点结构本身的形状、材料和连接方式决定模型选择。22.受力情况根据外力作用方式和方向，选择能准确反映受力情况的模型。33.计算精度要求根据实际工程需要，选择合适的模型保证计算精度。44.简化程度在保证精度的前提下，选择简化程度高的模型，提高计算效率。实例一:悬挂桥梁的设计1桥面结构钢筋混凝土结构2悬索高强度钢缆3桥塔钢筋混凝土结构4基础岩石或桩基悬索桥的设计需要考虑桥面结构、悬索、桥塔和基础等多个方面。桥面通常采用钢筋混凝土结构，而悬索则由高强度钢缆组成，桥塔一般也是钢筋混凝土结构，基础则需要根据地质条件选择岩石或桩基。实例二:悬臂起重机的分析起重机结构悬臂起重机由起重臂、支腿、旋转机构、起升机构等组成，用于在有限空间内进行起重作业。受力分析起重臂承受悬挂重物的重量，并传递给支腿和旋转机构。支腿承受起重臂和重物的合力，旋转机构提供旋转动力。杆模型应用悬臂起重机的起重臂可简化为杆模型，分析其受力情况，计算杆件的内力、应力和强度。稳定性分析通过杆模型分析，可评估悬臂起重机的稳定性，确保起重作业的安全，避免因重力或外力导致翻倒。实例三:塔吊的受力分析1塔身承受自重、吊臂、起升机构及负载产生的力2吊臂承受负载的力，并传递至塔身3起升机构提供提升、下降负载所需的力4回转机构提供塔吊旋转所需的力塔吊的设计需要考虑各种受力情况，例如风力、负载重量等。应用杆模型分析塔吊各个部件的受力，确保安全性和稳定性。本章小结绳模型绳模型简化了实际问题的分析，适用于拉力为主的结构。忽略了绳的刚度和质量，方便计算受力情况。杆模型杆模型用于分析受力情况，适用于承受轴向力的杆件。考虑了杆的刚度和质量，可以进行应力分析。思考题本章学习了绳模型和杆模型，这两个模型在工程力学中有着广泛的应用。思考题旨在帮助学生更深入地理解这两个模型的特点、假设和应用范围。请同学们认真思考以下问题，并尝试用自己的语言解释：思考题一：绳模型和杆模型分别适用于哪些工程问题？思考题二：绳模型和杆模型的适用范围有什么区别？思考题三：在实际工程中，如何判断使用绳模型还是杆模型？思考题四：绳模型和杆模型各自有哪些优缺点？作业要求11.独立完成结合课堂内容,利用绳模型和杆模型,分析具体实例.22.提交报告包含问题描述、模型选择、分析过程、结果展示和总结.