工程力学第四章

yC

Wi yi W

zC
Wi zi W

二、均质物体的重心公式 若单位体积的重量γ=常量。以ΔVi表示微小部分Mi的体积，
以V=∑ΔVi表示整个物体的体积，则有 Wi Vi 和W V ，
代入重心公式得：
xC

Vi xi
V

yC

Vi
V
xC

FN Bl W
第二节 截面的几何性质
一、静矩
Sx
ydA
A
,
Sy

xdA
A
静矩可正，可负，可为零，具有长度的三次方量纲。
设该平面图形的形心C的坐标为xC 、yC ，
xc
xdA
A

Sy
AA
,
yc
A ydA S x AA
S x yC A , S y xC A
20
解：（一）组合法 取Oxy坐标系如图所示。
1
单位:mm
2
100
A1 (120 20) 20 2000 mm 2
x1 10 mm
y1

20

120 2
20

70 mm
A2 100 20 2000mm2
x2 50mm y2 10mm
120 20
xC

Ai xi A
第四章
重心及平面图形的几何性质
第一节 第二节
物体重心坐标公式
平面图形的几何性质
本章重点：
计算均质物体的重心坐标。
第一节 重心
重心：物体重力合力的作用点。重心相对于刚体的位置固定不变。

———合力矩定理
M O ( R ) mO ( Fi )
n i 1
由于简化中心是任意选取的，故此式有普遍意义。 即：平面任意力系的合力对作用面内任一点之矩等于力系 中各力对于同一点之矩的代数和。
§4-2
平面任意力系的平衡条件与平衡方程
由于 F ' =0 为力平衡 R MO=0 为力偶也平衡 所以平面任意力系平衡的充要条件为：
解得：
qa m 200.8 16 RB 2 P 220 12( kN) 2 a 2 0.8 Y A P qa RB 20 200.81224(kN)
§4-4 物体系统的平衡、静定与超静定问题的概念
一、静定与超静定问题的概念 我们学过： 平面汇交力系 X 0 Y 0 力偶系 两个独立方程，只能求两个独立 未知数。 一个独立方程，只能求一个独立未知数。
主矩MO =0
所以 平面平行力系的平衡方程为：
Y 0
mO ( Fi ) 0
mA ( Fi ) 0
实质上是各力在x 轴上的投影 恒等于零，即
X 0
一矩式
二矩式
mB ( Fi ) 0
条件：AB连线不能平行 于力的作用线
恒成立
的未知数。
，所以只有两个
独立方程，只能求解两个独立
mi 0
X 0 平面 Y 0 任意力系
三个独立方程，只能求三个独立未知数。 mO ( Fi ) 0
当：独立方程数目≥未知数数目时，是静定问题（可求解） 独立方程数目<未知数数目时，是静不定问题（超静定问题）
[例]
M
静定（未知数三个）
超静定（未知数四个）
超静定问题在强度力学（材力,结力,弹力）中用位移 谐调条件来求解。

轴力FN的大小由平衡条件确定，取m-m截面左段为研究 对象，则
∑Fx=0 FN-F=0 FN=F 取m-m截面右段为研究对象， 则
FN和 互为作用力与反作用力， 对同一截面若选取不同 部分为研究对象， 所求得的内力必然大小相等、 方向相反。 为保证无论取左段还是取右段为研究对象， 所求同一截面上 的轴力正负号一致， 对轴力的正负号规定如下： 轴力的方向 与所在横截面的外法线方向一致时， 轴力为正； 反之为负。 也就是说， 杆受拉轴力为正， 受压轴力为负。
(2) 截面法。 与理论力学中计算物系内力的方法相仿，用假想的截面 将杆件截为两部分，任取杆件的一部分为研究对象，利用静 力平衡方程求内力的方法称为截面法。
4.2.2 轴力与轴力图
为了对拉(压)杆进行强度计算，首先分析其内力。设拉杆 在外力的作用下处于平衡(见图4.3 (a))。运用截面法， 将杆件 沿任一截面m-m假想分为两段(见图4.3 (b)、 (c))。因拉(压) 杆的外力均沿杆轴线方向，由其共线力系平衡条件可知，其 任一截面内力的作用线也必通过杆轴线，这种内力称为轴力， 常用符号FN表示。
4.2.1 内力与截面法
(1) 内力。构件内部各部分之间存在着相互作用的力， 它维持构件各部分之间的相互联系和原有形状。若构件受到 外力(主动力和约束反力)作用而发生变形，则其内部各部分 之间相互作用力也随之改变。这个因外力的作用而引起构件 内部相互作用力的改变量，称为附加内力，简称内力。内力 随外力的增大而增大，到达某一限度时就会引起构件破坏。 所以，内力与构件的承载能力密切相关。内力分析是材料力 学的基础。
根据上述现象可作如下假设：横截面变形前为平面，变 形后仍为平面，仅沿轴向发生了平移，此假设称为平面假设。 根据平面假设，任意两横截面间的各纵向纤维的伸长量相同， 即变形相同。由此可知, 它们受力也应相等，内力在横截面上 均匀分布，即横截面上各点处的应力大小相等，方向沿杆轴 线，垂直于横截面，故为正应力, 如图 4.6 (c) 所示，计算公式 为

（３） 列平衡方程，求解未知量。列力矩方程时，通常 选未知力较多的交点为矩心。
（４） 结果分析或校核。
第4章 平面任意力系
例4-2 摇臂吊车如图4-9（a）所示。横梁AB的A端为固定 铰链支座，B端用拉杆BC与立柱相连。已知梁的重力G1＝4kN, 载荷G2＝12 kN，横梁长l＝６ｍ，α＝30°，求当载荷距A端距 离x＝4 ｍ时， 拉杆BC的受力和铰支座A的约束反力。
第4章 平面任意力系
3. 平面力偶系是特殊的力系，根据力偶的性质，在基本方程 中的投影方程自然满足，所以只有一个方程，
MO (F) 0
第4章 平面任意力系
4.2.3
（１） 根据题意，选取适当的研究对象；对所选研究对 象进行受力分析并画受力图。
（２） 选取适当的直角坐标系。坐标轴应与较多的未知 反力平行或垂直。一般情况下，水平和垂直的坐标轴可以不画， 但其它特殊方向的坐标轴必须画出。
第4章 平面任意力系
（3） 该力系上述的三种简化结果，从形式上是不同的， 但都与原力系等效。所以，三种情况的简化结果是等效的。
第4章 平面任意力系
4.1.3 固定端约束
固定端约束是工程中一种常见的约束。如图4-6所示，夹紧 在卡盘上的工件（图(a)），固定在刀架上的车刀（图(b)）， 嵌入墙中的雨罩（图(c)）等都属于固定端约束。由约束的性质 可知， 固定端约束能限制物体沿任何方向的移动，也能限制物 体在约束处的转动。所以，固定端Ａ处的约束反力可用两个正
主矢FR′的大小和方向分别为：
FR' (FRx )2 (FRy )2 2002 1502 250N
tan FRy 150 0.75
FRx 200
第4章 平面任意力系

13
4.2 横截面上的正应力
1638年：材料力学的开端 《关于两种新科学的对话》
伽利略像
开创了用实验观察——假 设——形成科学理论的方 法
14
研究方法： 实验观察
4.2 横截面上的正应力
作出假设
理论分析
实验验证
1、实验观察
F
a a b b
c c
F
d d
变形前： ab // cd
变形后： ab / /cd
22
低碳钢的拉伸试验
4.3 常温静载下材料的力学性能
试验原理：将试件两端安装在试验机的夹具中，然后缓慢加
载，试件逐渐伸长，直至拉断为止。记下一系列载荷 F 的数
值和与它对应的工作段的伸长量ΔL值。
23
4.3 常温静载下材料的力学性能
低碳钢的拉伸试验
拉伸图（F—ΔL曲线）：以ΔL为横坐标、F为纵
坐标，万能试验机上附有自动绘图设备。
F—ΔL曲线不能反映材料的力学性能：F与ΔL的
对应关系与试件尺寸L有关。
σ—ε曲线（应力—应变曲线）：以F/A=σ作为 纵坐标、ΔL/L=ε作为横坐标。
σ—ε曲线与试件的尺寸无关，反映材料本身的
力学性能。
σ—ε曲线应与F—ΔL曲线相似：A及L均为常数。
– 3kN
9
例 1：图(a)所示杆件在A、C、D三处受力，B处为固定端约束。试求此杆各段的
轴力，并绘出轴力图。
解 ：分别计算AC、CD、DB段的轴力。
AC段：取左段为研究对象，设其上轴力为正 方向。AC段的轴力为 FN1 = F(拉力)
CD段：取左段为研究对象，设其上轴力为正方 向。CD 段的轴力为 FN2=－2F (压力)

2
即空间一般力系平衡的解析条件是力系中所有各力 在任一轴上投影的代数和为零，同时力系中各力对任一 轴力矩的代数和为零。式（4.2）称为空间一般力系的平 衡方程（equationsofequilibrium ofthreedimensionalforcesystem inspace）。 应当指出，由空间一般力系平衡的解析条件可知， 在实际应用平衡方程时，所选各投影轴不必一定正交， 且所选各力矩轴也不必一定与投影轴重合。此外，还可 用力矩方程取代投影方程，但独立平衡方程总数仍然是 6个。
30
4.3.1 有主次之分物体系统的平衡 有主次之分的物体系统，其荷载传递规律是：作用 在主要部分上的荷载，不传递给相应的次要部分，也不 传递给与它无关的其他主要部分；而作用在次要部分上 的荷载，一定要传递给与它相关的主要部分。
31
32
据此，先分析次要部分BD，其受力图如图4.11（b） 所示。建立图示参考系Oxy，列平衡方程并求解。由于 本题只要求出D处的约束反力，而不必要求出B处的约 束反力，故
12
13
建立参考系 Bxy，列平衡方程，求未知力。
14
15
例4.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 图4.5所示为一管道支架，其上搁有管道，设 每一支架所承受的管重G1=12kN，G2=7kN，且架重不计。 求支座A和C处的约束反力，尺寸如图所示。
16
17
解 取刚架AB为研究对象，其上所受力有：已知的 集中力F、集度为q的均布荷载，集中力偶；未知的3个 约束反力FAx，FAy，MA。刚架AB的受力图如图4.6（b） 所示。各力组成一平面一般力系。建立图示Oxy坐标系， 列平衡方程求解
9
2.平面一般力系平衡方程的其他形式 （1）二矩式平衡方程

力的平衡
总结词
力的平衡条件与平衡状态
详细描述
力的平衡是指物体在受到力的作用时，处于静止或匀速直线 运动的状态。平衡状态下的物体所受的合力为零，即合力矩 为零。在工程实践中，通过合理布置支撑、加强结构等措施 ，可以保证物体的平衡状态。
力的合成与分解
总结词
力的合成法则与力的分解法则
VS
详细描述
力的合成是指两个或多个力共同作用在物 体上，可以用一个等效的力来代替它们。 力的合成遵循平行四边形法则或三角形法 则。力的分解则是将一个力分解为两个或 多个等效的分力。力的合成与分解在解决 工程实际问题中具有重要意义。
案例三：建筑结构的抗震设计
总结词
抗震设计是确保建筑物在地震中保持稳定的关键因素 ，通过合理的抗震设计，可以减少建筑物在地震中的 损坏和人员伤亡。
详细描述
建筑结构的抗震设计主要考虑建筑物在地震作用下的动 态响应和稳定性。通过建立建筑物的动力学模型，可以 模拟建筑物在不同等级地震下的变形、应力和破坏情况 。这有助于工程师优化建筑物的结构设计、地基处理和 材料选择，提高建筑物的抗震性能和安全性。同时，抗 震设计还需要考虑建筑物的使用功能和成本效益等因素 ，以满足实际需求。
静力学还涉及到工程中的许多问题， 如物体的稳定性、压杆的稳定性等， 这些问题都需要通过静力学分析来解 决。
静力学在桥梁、建筑、机械等领域都 有广泛应用，例如建筑设计时需要计 算建筑结构的受力情况，以确保结构 的稳定性。
动力学应用
动力学主要研究物体运动状态的变化规律，包括运动物体的速度、加速度、力等物理量的分 析。
材料力学在土木工程、机械、航空航天等领域有广泛应用，例如桥梁和 建筑结构需要承受各种载荷的作用，机械零件也需要承受各种应力和应

代入平衡方程
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工程力学第四章
第四章 材料力学概述
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材料力学的分析方法
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工程力学第四章
材料力学的分析方法
分析构件受力后发生的变形，以及由于变 形而产生的内力，需要采用平衡的方法。但 是，采用平衡的方法，只能确定横截面上内 力的合力，并不能确定横截面上各点内力的 大小。研究构件的强度、刚度与稳定性，不 仅需要确定内力的合力，还需要知道内力的 分布。
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工程力学第四章
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“材料力学”的研究内 容
所谓强度是指构件受力后不发生破坏 或不产生不可恢复的变形的能力；
所谓刚度是指构件受力后不发生超过 工程允许的弹性变形的能力；
所谓稳定性是指构件在压缩载荷的作 用下，保持平衡形式不发生突然转变的能 力（例如细长直杆在轴向压力作用下，当 压力超过一定数值时，在外界扰动下，直 杆会突然从直线平衡形式转变为弯曲的平 衡形式）。
工程力学第四章
“材料力学”的研究内 容
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1940年11月，华盛顿州的Tacoma Narrows 桥，由于桥面刚度太差，在42 英里/小时风速 的作用下，产生“Galloping Gertie”(驰振）。
工程力学第四章
“材料力学”的研究内 容
1999年1月4日，我国重庆市綦江县彩虹 桥发生垮塌，造成：
变形前
变形不协调
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变形不协调
变形协调一致
工程力学第四章
弹性体受力与变形特征
例题1
图示直杆ACB在两端A、B处固定。关 于其两端的约束力有四种答案。试分析 哪一种答案最合理。
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M Fd M B ( F )
即力向一点平移时所附加力偶的力偶矩 等于原力对平移点之矩。
图4-1
力的平移定理是力系向一点简化的理论依据,它不仅给出了 平移作用于刚体上的一个力的等效条件,而且可直接用来分 析和解决工程实际中的力学问题。
例如,用丝螺纹攻螺纹时,必须两手同时用力,且等值反向。若仅在扳手的 一端作用力F(图4-2a),则这个力与作用在中心处的一个力F'和一个矩为M 的力偶等效(图4-2b),这个力偶使丝螺纹转动,而这个力F'却往往容易使丝 螺纹折断。又如图4-3所示转轴上的齿轮受有周向力F作用,将力F平移至 轴心点O,则力F'使轴弯曲,而矩为M的力偶将使轴产生扭转效应。
图4-2
图4-3
4.2
平面一般力系向作用面内一点简化
设刚体受一个平面力系(F1、F2、…、Fn)作用,现将该力系进行简化。为 简单起见,以三个力F1、F2、F3作用在刚体上(图4-4a)为例说明。在力系 作用平面内任选一点O,将该力系向点O简化,点O称为简化中心。应用 力的平移定理,将各力平移至点O,同时加上相应的附加力偶。这样,原 力系变为作用在点O的平面汇交力系(F' 1、F' 2、F' 3),以及力偶矩为 M1=MO(F1)、M2=MO(F2)、M3=MO(F3)的附加力偶系(图4-4b)。
图4-6
4.3
简化结果分析
平面一般力系向简化中心简化,其主矢F'R和对简化中心的主矩MO 可能有四种情况 1)F'R=0,MO=0 主矢和主矩都等于零。说明简化后的平面汇交力 系和平面力偶系都处于平衡状态,因而原平面一般力系是一个平 衡力系。 2)F'R=0,MO≠0 主矢等于零,主矩不等于零。说明原力系简化为一个 合力偶,其力偶矩等于原力系对简化中心的主矩。若将力系再向其 他简化中心简化,其主矩应等于此合力偶对新简化中心之矩,由力偶 理论知,两者是相同的。说明原力系与一个同平面内的力偶等效。 此时,力系的主矩与简化中心的选择无关。

外力、内力与截面法
一、外 力
1.外力的定义：外部物体对构件的作用力，称为外 力，包括载荷和约束力。 2.外力的分类：
表面力： 作用在构件表面的外力。
外力
按作用方式
体积力：作用在构件各质点上的外力。
自重、惯性力
集中力 表面力 分布力 集中力
当力作用面积很小，则可将其抽象为 一个点，这时作用力称为集中力。
轴力
弯矩
FN－轴力：产生轴向的伸长或缩短变形；
FQy 或 FQz －剪力：产生剪切变形； Mx－扭矩：产生扭转变形； My或Mz －弯矩:产生弯曲变形。
§ 5-3
外力、内力与截面法
平面一般问题内力分量有几个？ 答：3个。 轴力：FN； 剪力： FQ； 弯矩：M
30
用截面法确定的内力，是截面上分布内力系 的合成结果，它表明该分布力系的分布规律，为 了该研究构件的强度，只知道内力是不够的，比 如，两根不同粗细的杆件，若他们所受的外力相 同，那么横截面上的内力也是相同的。但是，当 外力增大时，细杆先破坏。这是因为横截面面积 小，内力分布的密集程度大的缘故。 应力—分布在内力一点处的集度
三、截面法
F1 F2 F3
F4
假想截面
为求出平衡构件 在外力作用下指定 截面的内力，可以 假想用一个截面将 弹性体在该处截开。
一分为二，每一 部分在截面处存 在一分布内力系。
根据平衡的要求， 每个截开平衡部 分也必须是平衡 的，所以，作用 在每个部分的外 力必须与截面上 分布的力系相平 衡。
F3
材料力学要研究的内力，指在外力的作用下，构 件各部分之间相互作用力因外力而引起的附加值 ，是一种附加内力。
F1 F3
F2
F4
三、截面法