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土木建筑工程：结构力学考试答案（题库版）1、问答题潜体或浮体在重力G和浮力P的作用，会出现哪三种情况？正确答案：1）重力大于浮力，则物体下沉至底；2）重力等于浮力，则物体可在任一水深处维持平衡；3）重力小于浮力，则（江南博哥）物体浮出液体表面，直至液体下部分所排开的液体重量等于物体重量为止。
2、名词解释牛顿流体正确答案：在一维剪切流动情况下，当有剪切应力于定温下施加到两个相距dr 的流体平行层面并以相对速度dv运动，剪切应力与剪切速率成线性关系的流体称为牛顿流体.3、名词解释拉格朗日法正确答案：通过描述每一质点的运动达到了解流体运动的方法称为拉格朗日法。
4、问答题为什么流体静压强的方向必垂直作用面的内法线？正确答案：由于流体在静止时，不能承受拉力和切力，所以流体静压强的方向必然是沿着作用面的内法线方向。
5、填空题流体紊流运动的特征是（），处理方法是（）。
正确答案：脉动现行；时均法6、单选在一个储水箱的侧面上、下安装有两只水银U形管测压计（如图二），当箱顶部压强p0=1个大气压时，两测压计水银柱高之差△h=h1-h2=760mm（Hg），如果顶部再压入一部分空气，使p0=2个大气压时。
则△h应为（）A.△h=-760mm（Hg）B.△h=0mm（Hg）C.△h=760mm（Hg）D.△h=1520mm（Hg）正确答案：C7、填空题作用于曲面上的水静压力的铅直分力等于（）。
正确答案：其压力体内的水重8、判断题粘滞性是引起流体运动能量损失的根本原因。
正确答案：对9、判断题当AB杆件刚度系数时，杆件的B端为定向支座。
正确答案：错10、问答题什么是水力半径？什么是当量直径？正确答案：水力半径R的定义为过流断面面积和湿周之比，即；当量直径。
11、名词解释水力光滑管与水力粗糙管.正确答案：流体在管内作紊流流动时，用符号△表示管壁绝对粗糙度，δ0表示粘性底层的厚度，则当δ0>△时，叫此时的管路为水力光滑管。
浮体简介什么是浮体？浮体就是一些浮板之类的物体，在泥面或者水面上，陆上设备无法操作，只能安装在“浮体”之类的物体上，借助液体对它的浮力，让人能够借助浮体在水面或者泥面上作业。
抽沙管，排沙管线专用浮体，外壳由抗挤压强度高，韧性优异的中密度聚乙烯原料制成。
塑料壳内填充高强度高浮力的聚氨酯发泡材料。
该浮体抗冲击抗风浪，结构紧凑合理，安装简单，性能优异，作为水上排泥管线的漂浮材料成为当今抽沙管道客户的首选。
一、浮体的特性：1、该浮体抗冲击抗风浪，结构紧凑合理，安装简单，性能优异，作为水上排泥管线的漂浮材料成为当今输排泥沙客户的首选产品性能特点:2、韧性好，抗环境应力开裂性强，适合于海上及湖泊的施工。
3、重量轻，耐磨性强，便于安装和搬运，运输转移成本低。
4、耐腐蚀，耐气候性强，寿命长，是钢浮筒寿命的3倍。
5、组装简易、快速、灵活、造型多样。
6、价格低，性价比明显优于钢浮筒。
7、因质量稳定、造型新颖、价格合理、服务优良等，深受用户的欢迎。
二、浮体性能特点：a、质量轻、浮力大b、抗冲击、耐酸碱等腐蚀c、吸收率低d、施工简单、维修费用低e、耐温范围-60-80℃三、浮体用途：主要用于海洋、江湖等挖沙船、吹沙船、疏浚输送管道的水上敷设。
四、浮体功能：a、保证输送管线的水上漂浮b、桔红色的外观颜色可作为警示标志，防止撞击管线c、方便输送管线的检查维修d、缩短施工工期，降低造价，减少维护费用五、浮体的结构序号No. 结构名称Structure Name材料Material1 聚乙烯塑料外壳Polyethylene Hull聚乙烯塑料等Polyethylene2 聚氨酯硬泡内芯Hard Polyurethane foam闭孔塑料硬泡Closed-cell Polyureshane3 连接螺栓Steel Bolts金属材料Metal六、浮体的主要性能指标项目Item 外壳性能指标Technical Index ofHull项目Item内部性能指标Inside TechnicalIndex拉伸强度Tensile Strength ≥13.1MPa吸水率WaterAbsorption1-2g/100cm2断裂伸长率Bteak Elingation ≥11.1%断裂强度BreakingStrength0.08-0.1MPa冲击强度Impact Strength ≥32.4KJ/m2断裂伸长度BreakingElingation4-6%弯曲强度Bending Strength ≥15.7 MPa压缩强度Compressive0.1-0.24MPaStrength耐侯性Weather Resistance浮体总计接受≥3.5GJ/m2老化能量后After tital aging energy≥3.5GJ/m2 断裂伸长率Break Elingation %≥10氧化诱导时间200℃mm≥Oxidative Induction Time 200℃mm≥10七、浮体的质量保证：本产品经746C级UL-94HB火焰试验表明，具有良好的抗侯性及抗冲击破坏性，可以承受波浪冲击、冰冻、船撞击等造成的破坏，不受石油、化学剂等之侵蚀；筒体表面采用的是网纹设计，防滑，安全稳固，四边造型密度高支撑力强，每平方米能负载350kg。
浮体与潜体的稳定性分析在浮岛、渔礁的实际工作状态中，他们的稳定性是很重要的。
浮岛是浮在水面上要稳，渔礁是下沉过程和浮在水中两种状态要稳定，下沉过程过多的翻滚容易造成沉底时的撞击位置不对收到破坏，这边从浮体和潜体的受力情况进行分析并进行总结。
1、浮体的几个力学概念重心：重力的合力作用点浮心：浮力的合力作用点，取为排开水体部分的重心稳心：船舶浮心曲线的曲率中心，船正浮时的浮力作用线与非正浮时的浮力作用线的交点。
首先稳心是个交点——两条浮力作用线的交点——正浮状态下和非正浮状态下两条浮力作用线的交点。
浮心不能太高，太高时，船舶摇摆周期会缩短，让在船舶上的人员乘坐很不舒服,因此船底做成弧形成不是宽扁形状，这样稳心会比较低。
2、浮体与潜体的受力分析对于一个物体，他的重心C是固定不变的，而浮心P则跟排水状态有关。
图1中，物体全部浸在水中，图a中B在上C在下，当物体发生翻滚时B、C的合力矩将物体拉回平衡状态；图b中B 在下C在上，B、C的合力矩将物体拉回重心在下的平衡状态；图C中为达到平衡状态时B、C的合力在同一竖直线上，物体稳定下沉。
由以上分析，我们可以知道渔礁下沉的时候浮心为礁体的几何中心，重心则为物理中心,为了使下沉过程中礁体能得自我调节平衡应该让重心低于礁体的几何中心，重心越底调节能力越强，礁体应该尽量对称让几何中心礁体中心点，从而使重心浮心在同一竖直线上稳定下沉，沉底的时候不会发生太大的翻转使礁体脆弱的边角部分首先着地撞坏。
假如礁体均匀物理重心跟几何中心重合，则重心与浮心重合，那么下沉过程中两个力就不能起到调节作用，礁体则由下沉过程中在任意外力作用下随便翻转。
浮体分析:图2浮体受力图重心位置：重心位置影响平衡的状态，如图，当船受外边影响的时候，船会向一边倾斜（如向边倾斜），那么浮心也会向右倾斜，而重心是不弯的，浮心和重心上两边的合力矩将船身拉回平衡状态使浮力重心在同一竖直线上，因此，船体的重心最好是不变的，不然船体受影响倾斜后，重心改变，回力合矩重新拉回的平衡状态将与新的重心平衡，从而达不到原本理想的平衡状态（如在浮岛铁盒内放水，倾斜后水往一边跑，重心改变了，重新平衡后船体还是斜的）。
2 浮体水动力分析的基本理论2.1 势流理论流场中速度场是标量函数（即速度势）梯度的流称为势流（Potential Flow ）。
特点是无旋、无黏、不可压缩。
简谐传播的波浪中具有浮动刚体的流场速度势可以分为三个部分：∅(x,y,z,t )=∅r +∅ω+∅d 1 （2-1）∅r 为浮体运动产生的辐射势；波浪未经浮体扰动的入射势表示为∅ω；∅d 为波浪绕射势，是波浪穿过浮体后产生的。
需要满足的边界条件有：① 普拉斯方程（Laplace Equation ）：ð2∅ðx 2+ð2∅ðy 2+ð2∅ðz 2=0 （2-2）② 底边界条件：ð∅ðz=0，z =−ℎ （2-3）③ 由表面条件：ð2∅ðt 2+g ð∅ðz =0，z =0 （2-4）④ 没物体表面条件：ð∅ðn=∑v j f j (x,y,z)6j=1 （2-5） ⑤辐射条件：辐射波无穷远处速度势趋近于0lim R→∞∅=0 （2-6）2.1.1 波浪力的组成浮体浸入水中受到的力和力矩分别为：⎰⎰-=Sn p dS )*(F （2-7）dS n r p S⎰⎰-=)*(*M （2-8）S 表示浮体湿表面，n ⃗ 的方向是由浮体内指向流场。
用线性化的伯努利方程以速度势表达压力：gz tdt t r gz t p ρδδφδδφωδδφρρδδφρ-++-=--=)( （2-9） 则s d r F F F F +++=ωF （2-10） s d r M M M M +++=ωM （2-11）辐射载荷表达为r F 、r M ，是由浮体强迫振动产生的；浮体固定时，入射波浪产生的载荷表示为ωF 、ωM ；浮体固定时，产生的绕射波载荷表示为d F 、d M ；静水力载荷表示为s F 、s M 。
2.1.2 附加质量与辐射阻尼当浮体发生强迫振动时，其在j 方向和k 方向产生的耦合水动力包含附加质量和辐射阻尼两个部分：⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂-=⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂-=⎰⎰⎰⎰S kj S k j kjdS n dS n M φφρωφφρIm N ，Re kj （2-12）⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂-=⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂-=⎰⎰⎰⎰S jk Sj kdS n dS n M φφρωφφρIm N ，Re kj jk （2-13） 如图2.1所示为波激力、附连质量力、阻尼力和回复力的叠加。
【关键字】质量提高内容一、基本概念1、流体静压强：运动流体作用在单位面积上的力。
设微小面积上的总压力为，则平均静压强：点静压强：即流体单位面积上所受的垂直于该表面上的力。
单位：N/m2 (Pa)2、总压力：作用于某一面上的总的静压力。
P单位：N (牛)3、流体静压强单位：国际单位：N/m2＝Pa物理单位：dyn/cm21N=105dyn ，1Pa=10 dyn/cm2工程单位：kgf/m2混合单位：1kgf/cm2 = 1at (工程大气压) ≠ 1atm (标准大气压)1 at=1 kgf/cm2 =9.8×104Pa=10m水柱1atm＝1.013×105Pa＝10.3 m水柱二、流体静压强特性1、静压强作用方向永远垂直并指向作用面——方向特性。
2、运动流体中任何一点上各个方向的静压强大小相等，而与作用面的方位无关，即只是位置的函数——大小特性。
（各向相等）3、运动流体中任一点的压强p由两部分组成，即液面压强p0与该点到液面间单位面积上的液柱重量。
推广：已知某点压强求任一点压强4、运动流体中，压强随深度呈线性变化用几何图形表示受压面上压强随深度而变化的图，称为压强分布图。
大小：静力学基本方程式方向：垂直并且指向作用面（特性一）例题：5、同种连续运动流体中，深度相同的点压力相同。
连通器：三、测压计1、分类：根据适用范围、适用条件的不同，分为液式、金属式、电测式。
2、液式测压计原理：（p、p0的标准必须一致，用表压）方法：找等压面（性质5：两种互不相混的运动流体的分界面必为等压面）特点：结构简单、使用方便、制造简单，常用于实验室中。
a.液面计b.测压管c．U形管测压计d．组合式U形管测压计e．U形管压差计f．组合式U形管压差计先找等压面：a—a面、b－b面写出等压面压力表达式：a－a面上所以当两测点在同一水平面上时：所以四、运动流体的浮力1、 潜体：完全潜没在流体当中的物体。
潜体浮体设计研究报告课程名称：流体力学
院（系）：机电学院
专业：机械工程
班级： 130105
学号： ********/********/******学生姓名：程明/常斌/王浥尘
指导教师：***
2015 年 10 月 26 日
一.设计要求相关
1.在静止平衡的流体中，底部固定一个均质材料构成的箱体。
当释放固定装置时，箱体上浮。
设计要求一：上浮到自己指定的位置停止（潜体）；
设计要求二：上浮到静止平衡流体的上表面，形成浮体。
2.设计的附加要求：
不论是潜体，还是浮体，在指定位置，必须指定一个箱体姿态，同时要求，前提姿态不能和固定状态的姿态一样。
浮体的姿态必须是稳定的姿态。
这个要求要有理论证明（因为没有做出实体，所以采用理论证明你能够达到）
3.箱体内部可以增加内容，增加的内容没有限制，只要求最简单即可；箱体只规定形状，尺寸、壁厚、材料、质量均由设计者设计完成。
质量根据选用的材料，查工程手册得到密度即可算出。
4.所选形状：矩形+单边圆弧形
二．具体形状尺寸确定和材料选择
1.选用矩形加半圆弧为底面，拉伸一定长度构成箱体外形(如下图)。
2.确定箱体材料和各项尺寸
取g=10m/s²
尺寸：a=20cm，b=30cm，c=20cm，r=10cm，箱体壁厚均匀厚度t=1cm； (如下图)
3.确定箱体和填充物材料及密度
(1)根据最大浮力F和材料强度确定箱
体的材料为聚丙烯(ρ1=0.9g/cm3);
(2)根据箱体的重力G1=ρ1gV=24.90N
和最大浮力F=151.42N确定填充物的
大致范围；最终选定填充厚度为10cm，
填充材料为：石膏（ρ2 =2.2g/cm3)；
(3)石膏的填充位置（如右图）石膏重
力G2=18×18×10×2.2/100=71.28N.
三．潜体数据
成为潜体时箱体总重力与最大浮力相等即：G1+G2+G3=F=151.42N；
成为潜体时应该注入的水的体积为V=(F-G1-G2) ×1000=5524cm3
即注水深度h=5524/18²=17.1cm≈17cm
（距离填充物上表面）
分布情况如右图
四．确定浮心和重心
1.浮心的确定
(1)因为一物体潜于水中，且假设水为均质，
则浮心位置等于其排开的水的重心位置，求该物体浮心即求同形态体积的水的重心。
水的重心一定在下图正视图的中心线l1上，也一定在左视图中心线l2上。
半圆形心和下方矩形形心位置如图所示，A半圆=πr^2/2 A矩形=ac
整体正视图形心 z0=[（πr2/2）×（4r/3π+b）+ab²/2]/ [（πr²/2）+ab]
(2)将a ，b ，c ，r 的值代入后得z 0=18.99cm ≈19cm ；
所以其浮心空间坐标为（10,10,19）。
2.重心的确定
设长方体三维空间长度沿坐标轴数值分别为20,30x y cm z cm ===，壳体厚度
为1t cm =，填充物石膏高度为10d cm =，注水高度为17h cm =，壳体密度为
130.9/g cm ρ=，填充物石膏密度为23
2.2/g cm ρ=，水的密度331.0/g cm ρ=。
(1)空壳体质心计算：
①圆柱体：
外圆柱体质心：
20,,z 10,10,3022
x y y ππ⎛⎫⎛⎫+=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 外圆柱体质量：
2
1190022y x g πρπ⎛⎫= ⎪⎝⎭ 内圆柱体质心：
218,,z 10,10,3022
x y y t ππ-⎛⎫⎛⎫+=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 内圆柱体质量：
()2
1122656.122y t x t g πρπ-⎛⎫-= ⎪⎝⎭ ②外长方体： 质心：(),,10,10,15222x y z ⎛⎫= ⎪⎝⎭
质量：110800xyz g ρ=
③内长方体： 质心：(),,10,10,15.5222x y z t +⎛⎫= ⎪⎝⎭
质量：()()()1228164.8x t y t z t g ρ---=
④结构重心（质心）：
()()()()()()()()221111*********
102
11222222222221122222222c c c x x cm y y cm y y y t y t z z t x z x t z xyz x t y t z t z y y t x x t xyz x t y t z t πρπρρρπππρπρρρ====--+⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫+--++---- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭==-⎛⎫⎛⎫--+---- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
()()
,,10,10,23.96c c c x y z =(2) 加填充物未注水质心计算： ①填充物质心：(),,10,10,6222x y d t ⎛⎫+= ⎪⎝⎭
填充物质量：()()2227128x t y t d g ρ--=
②新的结构质心：
()()()()()(()()()()()221111*********
102
1122222222222211222222222c c c x x cm y y cm y y y t y t z z t x z x t z xyz x t y t z t x t z y y t x x t xyz x t y t z t x t y πρπρρρπππρπρρρ====--+⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫+--++----+- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭=-⎛⎫⎛⎫--+----+- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
()()()
2215190.276530.611.80243.99763.2
,,10,10,11.80c c c t d cm x y z ρππ-+==+=(3)加填充物注水质心计算： ①水静止时质心：(),,10,10,19.5222x y h t d ⎛⎫++= ⎪⎝⎭
②水的质量：()()3225508x t y t h g ρ--=
③新的结构质心：
()()()()()()()22111122211102
102
11222222222222211222222c c c x x cm y y cm y y y t y t z z t x z x t z xyz x t y t z t x t y t d z y y t x x t x πρπρρρρπππρπρ====--+⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛+--++----+-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝=-⎛⎫⎛⎫--+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
()()()()()(()()
112222215190.2183936.614.44243.915271.2
,,10,10,14.44c c c yz x t y t z t x t y t d x cm x y z ρρρππ----+--+-+==+=3.计算结论
(1)浮心空间坐标A(10,10,19.00)；
(2)未注水时的质心空间坐标B(10，10，11.80)；
(3)注水平衡时的质心空间坐标C(10，10，14.44)。
五．浮体潜体上浮过程分析
1.水底
其质心B与浮力中心A不在竖直的一条线上，两个力会形成一个逆时针方向的力偶，这个力偶会使其翻转。
2.上升
上升过程的摆动会在浮力F与重力G形成的恢复力偶的作用下逐渐停止。
(如下图)
3.注水调节成为潜体
形成固定于某个深度的潜体需要一个反馈调节系统，反复的注入排除水来达到悬停于固定深度的目的。
最终成为潜体时F=G+G3=G1+G2+G3，质心C位于浮心A竖直正下方，恢复力偶值始终为0，所以其会保持这个姿态。
4.浮出水面后
在潜体排除注入的水时，箱体上升，浮出水面时箱体内部的水全部被排尽；
经过一定时间的摆动其平衡后的姿态如下图，质心B位于浮心A竖直正下方，恢复力偶值始终为0，所以其会保持这个姿态。
此时箱体入水深度为24.1cm。
六．分工
程明：提出箱体形状及潜体浮体设计方向，分配任务，计算确定材料尺寸及填充物，书写报告；
常斌：提出箱体形状及潜体浮体设计方向，计算确定质心；
王浥尘: 提出箱体形状及潜体浮体设计方向，计算确定浮心。
