《化工机械基础》稿.docVIP

PAGE  PAGE 65 第一篇 工程力学基础 概 述 工程力学是一门研究物体机械运动以及构件强度、刚度和稳定性的科学。 力是物体间相互的机械作用。作用在物体上的力会引起两种效应：一是引起物体机械运动状态的改变，称为外效应；二是引起物体的变形，称为内效应。 静力学——主要研究力的外效应中的平衡规律。 工程力学的两个基础部分 材料力学——研究杆的强度、刚度和稳定性问题。 工程结构物、机器和设备都是由构件组成的，若要这些构件在外力的作用下能够安全可靠地工作，则需要满足以下力学条件： （1）强度条件 强度：构件抵抗破坏的能力。 构件在外力的作用下发生断裂或显著不可恢复的变形均属于强度失效。构件要有足够的强度。 （2）刚度条件 刚度：构件抵抗变形的能力。 一些构件对变形有一定的要求，在这些构件上若存在较大变形会造??刚度失效。因此，构件要有必要的刚度。 （3）稳定性问题 稳定性：构件保持原有平衡状态的能力。 如细长直杆、薄壁外压容器等构件，在所受压缩外力过大时会突然压弯而失去原有的直的平衡状态。因此，构件要有足够的稳定性。 1 物体的受力分析和静力平衡方程 静力学主要研究以下两个内容： （1）力系的简化 力系：同时作用在刚体上的一群力。若作用在刚体上的力系可用另一力系代替而不改变其对刚体的作用效果，则称这两个力系为等效力系。 力系的简化是用一个简单的等效力系代替作用在刚体上的一个较复杂的力系，以便对刚体的受力情况进行进一步的分析。 （2）刚体的平衡条件 刚体的平衡条件：刚体处于平衡状态时作用于刚体上的力系应满足的条件。 根据平衡条件，可以求出作用在平衡刚体上的某些未知力。 1.1 静力学基本概念 1.1.1 力的概念及作用形式 力：物体间相互的机械作用，单位：N或kN；力是既有大小又有方向的量，即力是矢量，F（力矢，常用黑体字母）或F（白体字表示力矢的大小）表示。沿力的方位画出的直线，称为力的作用线。（图1-1） 力的三要素：大小，方向，作用点。 体积力——分布在物体内部各点的力，如重力、 按力的作用方???可分为 电磁力等。 表面力——作用在物体表面上的力，如接触力、建筑物受到的风力、水坝受到的水压力等。 集中力——当力的作用面面积很小时，可以近 按力作用面积大小可分为 似认为力是作用在一点上。 （图1-2） 分布力——当力的作用范围比较大时。如均质直杆的自重可简化为沿轴线作用的线分布力，其大小用分布力集度q（x）（单位长度力的大小）表示，单位为千牛/米（kN/m）；当q（x）为常数时称为均布力或均布载荷。 1.1.2 刚体的概念 刚体：在力作用下不发生变形的物体。 它是抽象化概念，是一种变形很小情况下（可以忽略）的理想模型。通过这一概念可以更容易地揭示物体受力运动的客观规律。 应该指出，采用刚体模型时要注意研究问题的条件和范围。如果在研究的问题中，物体的变形成为主要因素时，就不能将物体看成刚体，而必须视为变形体。 静力学中主要研究物体所受力系的简化及平衡条件，不研究变形，故可视为刚体。 1.1.3 平衡的概念 平衡状态：物体相对于地球静止或作匀速直线运动时的状态。是物体机械运动的特殊情形。并将作用于该物体上的力系称为平衡力系。 平衡力系：物体处于平衡状态时的力系。 （1）二力平衡原理（公理）：若刚体只受两个力的作用而处于平衡状态，其必要且充分条件是：这两个力一定大小相等，方向相反，并作用在同一直线上（等值、反向、共线）。（图1-3） 二力构件：只受两个力作用而处于平衡的构件。特点是：两力必沿作用点的连线。（图1-4） （2）加减平衡力系原理（公理）：在刚体上加上或减去一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效果。 力的可传性原理：作用于刚体上的力可以沿其作用线移至刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的作用效果。故作用于刚体上力的三要素是大小、方向、作用线。 必须注意，加减平衡力系原理和力的可传性原理都只适用于刚体。 1.1.4 作用和反作用定律 作用和反作用定律：两物体间相互作用的力总是大小相等，作用线相同而指向相反，分别作用在这两个物体上（重力与支持力）。 注意：作用于与反作用力不能与两力平衡中的一对平衡力混淆。 1.2 约束和约束反力 主动力：凡能主动引起物体运动状态改变或使物体有运动状态改变趋势的力。例如物体所受的.重力、风力等，工程上也称为载荷。 自由体：能在空间不受限制作任意运动的物体（例如飞机、火箭、卫星等）。 非自由体：运动受到某些条件限制的物体（例如.悬挂着的灯）。 约束：阻碍非自由体运动的限制条件（装置或设施），例如绳索就是灯的约束，铁轨是火车的约束。 约束反力：根据作用力与反作用力定律，约束对被约束物体的反作用力（简称反