《理论力学实验》讲义

《理论力学实验》讲义（草稿）福州大学机械工程及自动化学院机械设计系《工程力学》组编二O O四年十月目录前言 3 第一项实验静力学、运动学和动力学创新应用实验 4 (一）静力学部分 4 (一）曲柄滚轮挤水拖把的受力分析与过程 4 (二）桑塔那汽车用的千斤顶受力分析与自锁条件 6 (三）膨胀螺钉的应用技术与约束反力分析7 (四）管子钳的受力分析与剪刀钳的受力分析7 (五）兔子挠骨抗扭强度测试仪——空间力偶等效理论的应用8 (六）挖掘机部件的受力分析与求解各油缸的推力或拉力9 (七）静、动滑动摩擦因数的测定装置9 (八）压延机的摩擦因数问题10 (九）滑动摩擦不自锁——自动关门的摇皮10 (十）翻倒问题与起重机的稳定度10 (十一）螺旋压榨机或螺旋拔销爪11 (十二）桁架在桥梁设计中的应用与计算12 (十三）应力集中概念、空间杠杆原理和弯曲技术在磁砖切割机上的综合应用14 (二）运动学部分14 (一）计算机驱动器变角速度的控制14 (二）旋转式、往复式剃须刀的比较，曲柄框架机构与外壳振动控制的技术15 (三）推土机的机构运动与分析16 (四）多功能万花尺——刚体平面运动时，平面图形上各点有不同的轨迹17 (五）剥线钳的运动特征17 (六）跳“的嗒”舞（“踢踏舞”）音乐鞋的传动机构与运动分析17 (七）绕线器的转速比与圈数指示器18 (八）悬浮平衡与气流速度测定仪18 (九）不可见轴转速的测定方法18 (十）评估房屋抗震特性的方法与分析18 (三）动力学部分19 (一）非均质发动机摇杆对轴转动惯量的等效方法19 (二）拳击机拳击力的标定方法——动力学普遍定理的综合应用与恢复系数20 (三）单自由度振动系统在工程中的应用21 (四）汽车振动两自由度模型22 (五）质点系动量定理的演示23 (六）振动电机及其在工程中的应用23 (七）平衡的四个问题24 (八）振动产生优美动听的音乐26 (九）隔振理论及各种隔振器27 第二项实验动力学参数测定实验29 第三项实验运动学与动力学计算机模拟仿真实验33前 言科学和经济的发展，市场经济体系的建立，人才聘用的市场化，都对大学生的实际能力提出了很高的要求。

培养和训练大学生的分析问题、解决问题的能力，培养和训练大学生的实践动手能力，是课程建设和课程教学的基本目标，为此，我们突破长期以来《理论力学》课程教学无实验的状态，初步建设了理论力学实验室，开展了《理论力学》实践教学活动。

《理论力学实验》作为《理论力学》新教学体系的重要组成部分，目的是通过这样一组实践教学环节的实施，开阔学生的眼界，加强《理论力学》的工程概念，了解这门课程与工程实际的紧密关系，培养、锻炼学生的创新思维和科研能力。

大量与《理论力学》相关的产品和科研成果作为《理论力学实验》实践教学的内容，通过参观图片实物、实验演示以及学生自己观察、分析和动手实践达到实验的目的。

实验的结果考核将采取填写实验报告、撰写小论文和交习作的形式进行。

目前，《理论力学实验》主要包括三项内容：1、静力学、运动学和动力学创新应用实验。

2、动力学参数测定实验3、运动学和动力学计算机模拟仿真实验。

第一项实验 静力学、运动学和动力学创新应用实验一． 实验目的1、通过大量工业产品和科技成果向学生展示《理论力学》的工程意义和工程应用，开阔学生的眼界。

2、通过学生对大量工业产品和科技成果的观察分析，通过学生动手操作，加深对《理论力学》基本概念的理解，巩固力学分析方法的掌握。

3、培养、训练学生的创新思维，提高、锻炼他们建立力学模型的能力。

二． 仪器设备1、挂图、照片。

2、40余套产品、模型、设备和零部件。

三． 实验内容（一）静力学部分（一）曲柄滚轮挤水拖把的受力分析与过程其计算简图如图2，应用虚位移原理可以得出和的关系。

D F BFsin cos 1[sin 22θθθOA AB OA ODOA F F B D −+⋅⋅⋅=二者的过程关系如下图：（二）桑塔那汽车用的千斤顶受力分析与自锁条件千斤顶受到平面汇交力系的作用，已知车重G ，容易求得和。

进一步，利用虚位移原理，可以求得手柄作用力1F 2F F ：dM F G M F E =⋅=,δδ 当螺纹升角小于摩擦角（m ϕα<）时，千斤顶还将发生自锁现象：（三）膨胀螺钉的应用技术与约束反力分析如图，膨胀螺钉的约束反力是一空间力系：F之所以能固接在墙中，机理如图，越大，静摩擦力也越大。

N（四）管子钳的受力分析与剪刀钳的受力分析管子钳的设计充分利用了力学原理：（五）兔子挠骨抗扭强度测试仪——空间力偶等效理论的应用测试仪利用空间力偶等效理论，对下图的挠骨进行扭矩和转角的实验：得到二者的关系如图：其中右图为扭矩和愈合天数的关系曲线图。

四． 实验要求：1、积极动脑、动手，观察、讨论。

2、每人至少完成1篇小论文。

论文要求WORD文档，AUTOCAD绘图，字数至少1000个汉字，A4纸打印。

期末考试之前交。

3、爱护实验室内所有仪器、设备、模型、实物。

第二项实验 动力学参数测定实验一. 实验目的1、加深对动力学参数的理解。

2、掌握动力学参数测定某些方法。

3、锻炼分析能力、实验方法设计能力和实验操作能力。

二. 仪器设备1、多功能试验台。

2、常规测量仪器。

三. 实验内容1、转动惯量的测定和误差分析。

2、固有频率的测定和分析。

3、求重心的实验方法。

4、四种载荷的区别和实验。

5、转子动平衡和动不平衡实验。

6、自激振动实验。

四. 实验要求1、认真观看“理论力学多功能实验台ZME－1型介绍”光盘，了解六个实验的具体内容、使用仪器及操作步骤。

做好实验前的准备工作。

2、自己动手操作实验。

3、认真填写实验报告。

4、爱护试验台和实验仪器、设备。

理论力学多功能实验台ZME －1型实验报告班级__________学号 ___________姓名____________日期____________一、实验前的准备工作1、 观看“理论力学多功能实验台ZME －1型介绍”光盘（约15分钟），了解六个实验的具体内容、使用仪器及操作步骤。

2、 观看理论力学实验（一）的喷墨板，了解六个实验的内容与方法。

二、按序进行六个实验，并记录数据（三学时左右）1、 求弹簧质量系统的固有频率已知：高压输电线模型的质量m=0.138(kg)，砝码规格分别为100克和200克。

方法：分次挂砝码，记录振体的竖向变形 计算：单自由度的等效刚度砝码重W （N ） W 1＝1 W 2＝2 W 3＝3 W 4＝4 变形l （mm ）==l W k eq Δ/____________（N/m ） 固有振动频率==m k f eq o /21π____________（Hz ）2、 观察自激振动、自由振动、受迫振动的现象， 记录电压、转速、风速、振幅的数据，绘制振幅与风速的关系曲线。

电压（V ） 80 100 120 140 160 180 200转速（rpm ） 风速（m/s ）振幅（mm ）3、 实验方法求重心（1） 悬吊法对组合型钢悬吊两次，图示出重心位置（2）设法对连杆水平搁置，用台秤称出连杆重量_____(N) =+=21N N F F W 求出连杆的重心=⋅=WlF x N C 1_________(cm)4、 观察四种不同载荷，画出力与时间的关系曲线（示意图）F （N ）渐加F （N ）冲击F （N ）t(s) t(s)振动F （N ）突加t(s)t(s)5、 用三线摆求圆盘的转动惯量，并示出线长l 对测量误差的影响已知：圆盘直径，D=100(mm)，厚度3.5=δ(mm)，材料比重5.7=γg/cm 3，吊线半径r=38mm 。

圆盘转动惯量的理论计算==2)2(21DM Jo __________________(kgm 2)通过秒表测量三线摆周期，按公式lMgr T J O 22)2(π=′计算转动惯量OJ ′＝_______(kgm 2) 线长l （cm ） 20 30 40 50 60 70转动惯量(kgm OJ ′2) 误差（％）6、 用等效方法求非均质发动机摇臂的转动惯量选择误差可接受的三线摆线长（60cm ）， 已知等效用圆柱直径d ＝20mm ，高h ＝18mm ， 材料比重4.7=γ g/cm 3，两个圆柱对中心轴转 动惯量的计算公式为]2(21[222s m mr Jo +=距离S （mm ） 30 40 50 60周期T （s ）转动惯量(kgm OJ ′2)测量与两个圆柱等重的非均质发动机摇臂的扭振周期T ′＝_______(s)应用上表及插入法，求得摇臂的转动惯量＝_______(kgm OJ ′2) 三、请简述通过这次实验的收获1、 如何利用现有的实验装置与配件，演示受迫振动？2、 四种不同载荷分别作用于同一座桥上时，哪一种最不安全？3、 分析发动机摇臂质心与轴心相距较大时，对实验精度的影响。

4、 请简述通过这次实验的收获。

第三项实验 运动学与动力学计算机模拟仿真实验一、 实验目的1、学习、掌握静力学、运动学和动力学模拟仿真方法。

2、学习、了解、熟悉国际上通用软件的使用。

3、学习培养工程问题的力学建模能力、力学模型的创新设计能力。

二、 实验工具1、硬件：计算机。

2、软件：《理论力学求解器》。

三、 实验内容1、静平衡分析：定义结构，自由度分析，仿真计算，确定结构的平衡位形。

2、运动学分析：定义结构、参考基和约束，自由度分析，仿真计算，以数据、曲线和动画输出分析结果。

3、动力学分析：定义结构、参考基和约束，定义载荷，自由度分析，仿真计算，以数据、曲线和动画输出分析结果。

四、 实验步骤1、建立、打开或保存文件。

静力学、运动学和动力学分析分别以（*.xyy）、（*.xh）、（*.hxh）的格式储存和调用。

2、图形操作2.1 图形单位：千米、米、分米、厘米（默认）或毫米。

2.2 图幅定义：默认值为1600×1600。

2.3 原点定义：惯性基基点（a, b）定义在屏幕左上角，其中，a向右为正值，b向下为正值。

2.4 图形放大或缩小3、系统参数3.1 定义物体输入外形参数（长度和高度），构件的位形（连体基基点位置和姿态角）。

3.2 定义铰滑移铰：铰号、参考点坐标、方向角θ、内接物体Bβ、外接物体Bα。

旋转铰：铰号、参考点坐标。

齿轮副：铰号、内接物体号β、内接节园半径Rβ、内接物体x轴到连心线的转角ψβ（逆时针方向）、内接物体转轴在该物体连体基上的坐标(a Q，b Q)；外接物体号α、外接节园半径Rα、外接物体x轴到连心线的转角ψα（逆时针方向）、外接物体转轴位置(a P，b P)。

目前软件仅提供外接齿轮类型。

齿轮齿条副：铰号、齿条是否作用在基座的选择、齿轮所附的物体号α、齿轮半径Rα、参考线转角（逆时针方向）、齿轮轴位置(a P ，b P)；齿条所附的物体号β、齿条方向角ψβ（逆时针方向）、啮合点位置(a Q，b Q)。