《谢奇之-工程力学》回顾课件

《谢奇之-工程力学》回顾本课程回顾工程力学的基础知识。重点介绍力学原理及其在工程中的应用。作者：课程概述11.课程目标培养学生对工程力学的基本理解，掌握基本知识和方法，为后续专业课程打下基础。22.课程内容包括静力学、材料力学、动力学三大模块，涵盖力学的基本概念、原理和应用。33.学习方法理论学习与实践应用相结合，通过课堂讲授、课后练习、实验操作等方式进行。44.评价方式以平时成绩、期中考试、期末考试等方式进行综合评价。力学的基本概念运动学描述物体的运动，不考虑引起运动的原因，只关注物体的位置、速度和加速度的变化。动力学研究力的作用下物体的运动，涉及力和运动的关系，例如牛顿定律。静力学研究物体在力的作用下保持静止或匀速直线运动的平衡问题，例如力矩、重心和力偶。力的分类1外力来自物体外部的作用力2内力物体内部各部分之间的相互作用力3集中力作用在一点上的力4分布力作用在某一面积或体积上的力力的分类是工程力学的基础，不同的力类型对物体的运动和变形有不同的影响。了解力的分类有助于更好地理解力的作用机制，并进行更精准的分析和计算。力的合成与平衡力的合成多个力共同作用于物体时，等效于一个合力，合力的方向取决于各力的方向和大小。力的平衡当物体处于静止或匀速直线运动状态时，作用于物体上的所有力的合力为零，此时物体处于平衡状态。平行四边形法则将两个力作为平行四边形的两条边，合力为平行四边形的对角线，方向指向对角线的末端。多边形法则将多个力首尾相连，合力为首尾相连多边形的闭合边，方向指向末端。刚体的平衡条件平衡状态物体处于静止状态，或做匀速直线运动。合力为零作用在刚体上的所有外力的合力为零，即外力的矢量和为零。合力矩为零作用在刚体上的所有外力的合力矩为零，即外力的矢量和为零。应用平衡条件是工程力学的重要基础，用于分析各种结构的受力情况，例如桥梁、建筑物、机械等。摩擦力摩擦力是阻碍物体相对运动或相对运动趋势的一种力。摩擦力分为静摩擦力和动摩擦力，静摩擦力是物体处于相对静止状态时产生的摩擦力，而动摩擦力是物体处于相对运动状态时产生的摩擦力。摩擦力的大小与接触面的性质和正压力有关，摩擦系数反映了接触面的粗糙程度。自由体图隔离体隔离体是分析的对象，并将其与周围环境分离，便于确定作用在其上的外力。外力表示将作用于隔离体上的外力用箭头表示，包括已知力和未知力，并标明大小和方向。力矩表示如果外力对隔离体产生力矩，则需将其表示出来，并标明力矩的大小和方向。集中力与分布力集中力力作用于物体上的一个很小的区域。分布力力作用于物体上的一个较大的区域。内力与外力内力是物体内部各部分之间相互作用的力，外力则是物体外部作用于物体的力。内力是维持物体形状和运动状态的重要因素，外力则可以改变物体的运动状态或形状。1内力保持物体完整性2外力改变物体运动状态应力分析概念应力是物体内部由于外力作用而产生的抵抗变形的能力。应力是指作用于物体内部单位面积上的力。应力的单位通常为帕斯卡(Pa)。计算应力可以根据作用力的大小和作用面积的大小进行计算。应力分析是工程力学中重要的研究内容之一，它可以帮助我们评估物体在受力情况下的安全性。应力状态1平面应力状态仅在一个平面上存在应力，其他两个平面上应力为零。例如，薄壁容器内的压力。2平面应变状态仅在一个平面上存在应变，其他两个平面上应变为零。例如，厚壁圆筒受内压。3三维应力状态在三个方向上都存在应力。例如，一块被压在三维物体上的立方体。主应力与主应力平面最大应力材料承受的最大应力，称为主应力。主应力平面主应力作用的平面，称为主应力平面。正交性主应力平面彼此正交，即相互垂直。应变分析应变分析是指研究物体在载荷作用下，其几何形状和尺寸发生变化的现象。应变分析是工程力学中重要的研究领域，其应用广泛，例如：桥梁、建筑物、飞机等结构的强度和稳定性分析。在工程力学中，应变分析主要分为两种：线应变和剪应变。线应变是指物体沿某一方向上的长度变化量与原长度之比，剪应变是指物体在切向力作用下，其形状发生改变的程度。应变-应力关系11.胡克定律线性弹性范围内，应力与应变成正比。22.弹性模量表示材料抵抗形变的能力，由应力与应变之比确定。33.泊松比描述材料在单轴拉伸或压缩时，横向应变与纵向应变之比。44.应力-应变曲线通过实验获得，反映材料在不同应力水平下的应变变化情况。材料的力学性能性能定义影响因素强度材料抵抗断裂的能力材料的化学成分，加工工艺刚度材料抵抗变形的能力材料的弹性模量韧性材料在断裂前吸收能量的能力材料的强度和塑性塑性材料在断裂前发生永久变形的能力材料的晶体结构，加工工艺应力-应变关系线性弹性阶段应力与应变成正比，卸载后材料可以完全恢复到原始状态。屈服阶段材料开始发生永久变形，应力不再与应变成正比，但材料仍能承受一定的载荷。强化阶段随着载荷的增加，材料的强度逐渐提高，需要更高的应力才能继续变形。颈缩阶段材料的强度达到峰值，开始出现局部缩颈现象，材料的承载能力迅速下降。断裂阶段材料最终断裂，无法承受任何载荷。轴向载荷1定义作用于杆件轴线上的载荷。2类型拉伸或压缩。3分析应力、应变、位移。4应用建筑、机械、桥梁。轴向载荷在工程中广泛存在，如建筑物中的柱子、桥梁中的钢梁等。对于轴向载荷，我们需要进行应力、应变和位移分析，以确保结构的安全性。扭转载荷扭转应力扭转载荷会导致物体内部产生剪切应力，称为扭转应力。扭转角扭转应力会导致物体发生扭转，称为扭转角。扭转刚度物体抵抗扭转的能力称为扭转刚度，与材料的剪切模量和截面形状有关。扭转强度物体在扭转载荷下所能承受的最大扭转应力称为扭转强度。弯曲载荷1弯曲应力弯曲载荷导致横截面上的拉伸和压缩应力。2弯曲变形横截面发生弯曲变形，通常以挠度和曲率表示。3弯曲强度材料抵抗弯曲载荷的能力。弯曲载荷在工程结构中非常常见，例如梁、板和壳体。组合载荷1定义组合载荷是指多个不同类型载荷同时作用于物体的情况，比如轴向载荷、扭转载荷和弯曲载荷的组合。2分析方法常用的分析方法包括叠加原理、应力-应变关系和有限元方法。3应用组合载荷分析在桥梁、建筑物、机械零件等工程结构的设计和安全评估中具有重要意义。静定结构的位移分析位移概念位移指的是结构在载荷作用下发生的形状变化，包括线位移和角位移。位移分析方法常用的位移分析方法包括力法、位移法和虚拟功法，可以计算出结构的位移量。位移影响因素结构的位移受到载荷大小、材料性质、截面形状和尺寸的影响，需要综合考虑这些因素进行分析。位移分析应用位移分析在结构设计、安全评估、变形控制等方面具有重要意义，可以确保结构的可靠性和使用寿命。虚功原理11.虚功概念虚功是力在虚位移上所做的功，它描述了力的作用效果。22.虚功原理在约束系统中，所有外力及约束力的虚功之和等于零。33.应用范围广泛应用于结构力学、静力学、动力学等领域，用于求解力学问题。44.优势可以解决传统方法难以解决的问题，简化计算过程。动静载荷的转换静载荷结构物承受的固定不变的载荷，例如建筑物的自重。动载荷结构物承受的随时间变化的载荷，例如车辆行驶产生的冲击载荷。转换方法将动载荷等效为静载荷，方便分析结构物的受力情况。屈曲理论与分析概述屈曲是指结构在压缩载荷作用下失去稳定性，发生突然变形。欧拉公式欧拉公式是计算细长杆在压缩载荷作用下的临界屈曲载荷的公式，它描述了临界载荷与杆的长度、截面形状和材料的弹性模量之间的关系。影响因素影响屈曲的因素很多，包括杆的长度、截面形状、材料的弹性模量、边界条件等。应用屈曲理论广泛应用于结构设计中，如桥梁、建筑、航空航天器等结构的稳定性分析。稳定性分析稳定性分析稳定性分析对于工程结构的设计至关重要，它能预测结构在承受载荷或外部扰动时的行为，评估其保持稳定和不发生破坏的能力。例如，桥梁的设计需要考虑风力、地震等因素，确保其稳定性，避免坍塌。方法稳定性分析通常使用有限元分析、屈曲分析等方法，通过数值模拟来评估结构的稳定性。这些方法可以帮助工程师识别潜在的稳定性问题，并采取措施来提高结构的稳定性。疲劳理论与分析疲劳裂纹疲劳裂纹通常从材料表面或内部缺陷开始，随着载荷的反复作用而逐渐扩展。裂纹扩展疲劳裂纹扩展是一个缓慢的过程，其速度受多种因素影响，如载荷幅值、频率和材料性质。疲劳失效分析疲劳失效分析是通过观察断口、材料微观结构和载荷历史来确定疲劳失效原因。断裂力学基础断裂力学是研究材料中裂纹的发生、扩展和断裂的学科。它侧重于分析裂纹尖端的应力场和应变场，并评估材料的断裂韧性。该理论解释了材料在存在缺陷的情况下，如何承受外部载荷。断裂力学广泛应用于工程设计，帮助工程师评估结构的安全性，并预测材料在各种载荷条件下的断裂行为。工程应用案例分析工程力学广泛应用于实际工程领域，解决实际问题。1桥梁设计承重能力、稳定性、抗风性、抗震性2建筑结构安全性、稳定性、抗震性、防风性3机械设计强度、刚度、疲劳