工业产品静力学设计01绪论及受力分析

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1、工 业 产 品 静 力 学 设 计教 师 ： 邓 武电 话 ： 13640731861办 公 室 ： 工 程 北 楼 334参 考 书 ： 理 论 力 学 (高 等 教 育 出 版 社 哈 尔 滨 工 业 大 学 理 论力 学 教 研 室 主 编 ) 精 通 MATLAB 电 子 工 业 出 版 社 葛 哲 学 编 著 ADAMS实 例 教 程 北 京 理 工 大 学 出 版 社 李 军 编 学 习 方 式 ： 课 内 + 课 外上 课 方 式 ：每 次 课 布 置 作 业下 一 次 课 先 请 每 个 组 派 代 表 上 来 介 绍 作 业 情 况 ， 老 师 再 讲 新课考 核 ： 作 业

2、 （ 个 人 ） ， 作 业 讲 述 （ 小 组 ） ， 闭 卷 考 查 （ 个 人 ） 力 学 总 体 介 绍 通 常 理 解 的 力 学 ， 是 指 一 切 研 究 对象 的 受 力 和 受 力 效 应 的 规 律 及 其 应 用 的学 科 的 总 称 。 人 类 早 期 的 生 产 实 践 活 动是 力 学 最 初 的 起 源 。 什 么 是 力 学 ？ 物 理 学 的 建 立 是 从 力 学 开 始 的 ，当 物 理 学 摆 脱 了 这 种 机 械 (力 学 )的 自然 观 而 获 得 健 康 发 展 时 ， 力 学 则 在 工程 技 术 的 推 动 下 按 自 身 逻 辑 进 一 步

3、 演化 。 最 终 ， 力 学 和 物 理 学 各 自 发 展 成为 自 然 学 科 中 两 个 相 互 独 立 的 、 自 成体 系 的 学 科 分 类 。 在 力 学 与 物 理 学 之间 不 存 在 隶 属 关 系 。 按 研 究 对 象 的 物 态 进 行 区 分 ， 力 学 可 以分 为 固 体 力 学 和 流 体 力 学 。 根 据 研 究 对 象 具 体的 形 态 、 研 究 方 法 、 研 究 目 的 的 不 同 ， 固 体 力学 可 以 分 为 理 论 力 学 、 材 料 力 学 、 结 构 力 学 、弹 性 力 学 、 板 壳 力 学 、 塑 性 力 学 、 断 裂 力 学

4、 、机 械 振 动 、 声 学 、 计 算 力 学 、 有 限 元 分 析 等 等 ，流 体 力 学 包 含 流 体 力 学 、 流 体 动 力 学 等 等 。 根据 针 对 对 象 所 建 立 的 模 型 不 同 ， 力 学 也 可 以 分为 质 点 力 学 、 刚 体 力 学 和 连 续 介 质 力 学 。 连 续介 质 通 常 分 为 固 体 和 流 体 ， 固 体 包 括 弹 性 体 和塑 性 体 ， 而 流 体 则 包 括 液 体 和 气 体 。 力 学 学 科 是 如 何 划 分 的 ？ 许 多 带 “ 力 学 ” 名 称 的 学 科 ，如 热 力 学 、 统 计 力 学 、 相

5、对 论 力 学 、电 动 力 学 、 量 子 力 学 等 ， 在 习 惯 上被 认 为 是 物 理 学 的 其 它 分 支 ， 不 属于 力 学 的 范 围 。 研 究宏观物体运动规 律 的 科 学 物体的空间位形随时间的变化，包括静止、移动、转动、振动、变形、流动、波动、扩散等。力学 Mechanics 力 学 研 究 对 工 业 产 品 的 意 义 渤 海 一 钻 井 平 台 倾 斜 静 力 学 ：研 究 物 体 的 受 力 分 析 、 力 系 的 等 效 替换 （ 或 简 化 ） 、 建 立 各 种 力 系 的 平 衡条 件 的 科 学 。 1、 物 体 的 受 力 分 析 ： 分 析

6、物 体 （ 包括 物 体 系 ） 受 哪 些 力 ， 每 个 力 的 作用 位 置 和 方 向 ， 并 画 出 物 体 的 受 力图 。 2、 力 系 的 等 效 替 换 （ 或 简 化 ） ：用 一 个 简 单 力 系 等 效 代 替 一 个 复 杂 力 系 。 3、 建 立 各 种 力 系 的 平 衡 条 件 ：建 立 各 种 力 系 的 平 衡 条 件 ， 并 应 用 这些 条 件 解 决 静 力 学 实 际 问 题 。 1 深 入 理 解 平 衡 、 约 束 等 重 要 概 念 。2 掌 握 从 物 理 模 型 中 提 取 力 学 模 型 并 建 立 数学 模 型 的 方 法 。3 学

7、 习 平 衡 问 题 的 力 学 特 征 和 数 学 表 达 。4 正 确 运 用 计 算 工 具 Matlab， 掌 握 多 体 系 统平 衡 问 题 的 解 法 。5. 正 确 运 用 工 具 软 件 ADAMS， 掌 握 机 械 系 统的 建 模 方 法 。 静 力 学 学 习 内 容 及 目 标 课程要求准 确 理 解 基 本 概 念熟 练 掌 握 基 本 定 理 并 能 灵 活 应 用物 理 理 解 与 数 学 描 述 结 合 静 力 学 研 究 所 用 到 的 工 具 软 件 MATLAB是 矩 阵 实 验 室 （ Matrix Laboratory）的 简 称 ， 是 美 国 M

8、athWorks公 司 出 品 的 商 业数 学 软 件 ， 用 于 算 法 开 发 、 数 据 可 视 化 、 数据 分 析 以 及 数 值 计 算 的 高 级 技 术 计 算 语 言 和交 互 式 环 境 ， 主 要 包 括 MATLAB和 Simulink两 大 部 分 。 用 于 静 力 学 研 究 时 ， 主 要 利 用 其矩 阵 运 算 功 能 求 解 平 衡 方 程 组 ADAMS， 即 机 械 系 统 动 力 学 自 动 分 析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)， 该 软 件 是 美 国 MDI公 司 (Mech

9、anical Dynamics Inc.)开 发 的 虚 拟 样 机 分 析 软 件 ， 现 已经 并 入 美 国 MSC公 司 。 ADAMS软 件 使 用 交 互式 图 形 环 境 和 零 件 库 、 约 束 库 、 力 库 ， 创 建 完全 参 数 化 的 机 械 系 统 几 何 模 型 ， 其 求 解 器 采 用多 刚 体 系 统 动 力 学 理 论 中 的 拉 格 郎 日 方 程 方 法 ，建 立 系 统 动 力 学 方 程 ， 对 虚 拟 机 械 系 统 进 行 静力 学 、 运 动 学 和 动 力 学 分 析 ， 输 出 位 移 、 速 度 、加 速 度 和 反 作 用 力 曲

10、线 。 力 ： 物 体 间 相 互 的 机 械 作 用 ， 作 用 效 果 使 物 体 的机 械 运 动 状 态 发 生 改 变 。力 的 三 要 素 ： 大 小 、 方 向 、 作 用 点 。 力 是 矢 量 。力 系 ： 一 群 力 。平 衡 ： 物 体 相 对 惯 性 参 考 系 （ 如 地 面 ） 静 止 或作 匀 速 直 线 运 动 。静 力 学 重 要 概 念力 的 效 应 ： 内 效 应 、 外 效 应 力学模型质 点 、 质 点 系 、 刚 体 、 弹 塑 性 体 和 流 体 等 刚 体 ： 绝 对 不 变 形 的 物 体 ， 或 物 体 内 任 意两 点 间 的 距 离 不

11、改 变 的 物 体 。 力 学 模 型 的 图 示 表 达数学模型 矢 量 代 数 方 程 ， 常 微 分 方 程 、 偏 微 分 方 程求解方法 解 析 法 、 试 验 、 数 值 法 研究塔吊不致倾倒，确定所需配重 F 问 题 分 类平 面 问 题 ： 结 构 载 荷空 间 问 题 ： 结 构 载 荷 约 束 ： 对 非 自 由 体 的 位 移 起 限 制 作 用 的 物 体 。约 束 力 ： 约 束 对 非 自 由 体 的 作 用 力 。约束力 大 小 待 定方 向 与 该 约 束 所 能 阻 碍 的 位 移 方 向 相 反作 用 点 接 触 处约 束 和 约 束 力物 体 受 力 分

12、析主 动 力 与 约 束 力 ： 因 与 果 中 文 名 称 ： 自 由 度 英 文 名 称 ： degree of freedom; degrees of freedom 定 义 ： 在 一 个 未 约 束 的 动 力 或 其 他 系 统 中 ，为 了 完 全 确 定 该 系 统 在 给 定 时 刻 的 状 态 所需 要 的 独 立 变 量 的 个 数 。 质 点 自 由 度 一 个 质 点 在 空 间 任 意 运 动 ， 需 用三 个 独 立 坐 标 （ x， y， z） 确 定 其 位 置 。所 以 自 由 质 点 有 三 个 平 动 自 由 度 i = 3。 刚 体 自 由 度 一 个

13、 刚 体 在 空 间 任 意 运 动 时 ， 可 分解 为 质 心 O 的 平 动 和 绕 通 过 质 心 轴 的转 动 ， 它 既 有 平 动 自 由 度 还 有 转 动 自 由度 。 确 定 刚 体 质 心 O 的 位 置 ， 需 三 个 独立 坐 标 （ x， y， z） 自 由 刚 体 有 三 个平 动 自 由 度 t = 3； 确 定 刚 体 通 过 质 心 轴 的 空 间 方 位 三 个 方 位 角 （ ， ， ） 中 只 有 其 中 两个 是 独 立 的 需 两 个 转 动 自 由 度 ； 另外 还 要 确 定 刚 体 绕 通 过 质 心 轴 转 过 的 角度 还 需 一 个 转

14、 动 自 由 度 。 这 样 ， 确定 刚 体 绕 通 过 质 心 轴 的 转 动 ， 共 有 三 个转 动 自 由 度 r = 3。 所 以 ， 一 个 任 意 运动 的 刚 体 ， 总 共 有 6个 自 由 度 ， 即 3个 平动 自 由 度 和 3个 转 动 自 由 度 ， 即 i = t + r = 3 + 3 = 6 平 面 机 构 自 由 度 ： 一 个 刚 体 在 平 面 可 以 由 其 上 任 一 点 A的 坐 标 x和 y， 以 及 通 过 A点 的 直 线 AB与横 坐 标 轴 的 夹 角 等 3个 参 数 来 决 定 ， 因 此杆 件 具 有 3个 自 由 度 。 空 间

15、 机 构 自 由 度 ： 一 个 杆 件 刚 体 ， 在 空 间 上 完 全没 有 约 束 ， 那 么 它 可 以 在 3个 正 交 方向 上 平 动 ， 还 可 以 有 三 个 正 交 方 向的 转 动 ， 那 么 就 有 6个 自 由 度 。 中 文 名 称 ： 运 动 副 英 文 名 称 ： kinematic pair 定 义 ： 两 构 件 直 接 接 触 组 成 的 可 动 连 接 。 两 个 构 件 上 参 与 接 触 而 构 成 运 动 副 的点 、 线 、 面 等 元 素 被 称 为 运 动 副 元 素 。 运 动 副 有 多 种 分 类 方 法 ： 按 照 运 动 副 的

16、接 触 形 式 分 类 :面 和 面接 触 的 运 动 副 在 接 触 部 分 的 压 强 较 低 ，被 称 为 低 副 ， 而 点 线 接 触 的 运 动 副 称 为高 副 ， 高 副 比 低 副 容 易 磨 损 。 按 照 相 对 运 动 的 形 式 分 类 。 构成 运 动 副 的 两 个 构 件 之 间 的 相 对 运动 若 是 平 面 运 动 则 为 平 面 运 动 副 ，若 为 空 间 运 动 则 称 为 空 间 运 动 副 ，两 个 构 件 之 间 只 做 相 对 转 动 的 运 动副 被 称 为 转 动 副 ， 两 个 构 件 之 间 只做 相 对 移 动 的 运 动 副 称

17、为 移 动 副 。 按 照 运 动 副 引 入 的 约 束 分 类 。引 入 一 个 约 束 的 运 动 副 称 为 一 级 副 、引 入 两 个 约 束 的 运 动 副 称 为 二 级 副 ，还 有 三 级 ， 四 级 ， 五 级 副 。 按 照 接 触 部 分 的 几 何 形 状 分类 。 可 以 分 为 圆 柱 副 、 平 面 与 平面 副 、 球 面 副 、 螺 旋 副 等 。 运 动 副 的 表 达 约 束 增 加 ， 自 由 度 就 减 少 ， 机 构 的 自 由 度 为 组 成杆 件 自 由 度 之 和 减 去 运 动 副 的 约 束 。 如 果 一 个 构 件 组 合 体 的

18、自 由 度 F0， 他 就 可 以 成 为一 个 机 构 ， 即 表 明 各 构 件 间 可 有 相 对 运 动 ； 如 果F=0， 则 它 将 是 一 个 结 构 （ structure） ， 即 已 退 化为 一 个 构 件 。 约 束 与 运 动 副 工 程 常 见 的 约 束1、 具 有 光 滑 接 触 面 （ 线 、 点 ） 的 约 束 （ 光 滑 接 触 约 束 ） 光 滑 支 承 接 触 对 非 自 由 体 的 约 束 力 ， 作 用 在 接 触处 ； 方 向 沿 接 触 处 的 公 法 线 并 指 向 受 力 物 体 ， 故称 为 法 向 约 束 力 ， 用 表 示 。 2 、

19、 由 柔 软 的 绳 索 、 胶 带 或 链 条 等 构 成 的 约 束柔 索 只 能 受 拉 力 ， 又 称 张 力 。 用 表 示 。 柔 索 对 物 体 的 约 束 力 沿 着 柔 索 背 向 被 约 束 物 体 。胶 带 对 轮 的 约 束 力 沿 轮 缘 的 切 线 方 向 ， 为 拉 力 。 3 、 光 滑 铰 链 约 束 （ 径 向 轴 承 、 圆 柱 铰 链 、 固 定 铰链 支 座 等 ）（ 1） 、 径 向 轴 承 （ 向 心 轴 承 ） 约 束 力 ： 当 不 计 摩 擦 时 ， 轴 与 孔 在 接 触 为 光 滑接 触 约 束 法 向 约 束 力 。约 束 力 作 用

20、在 接 触 处 ， 沿 径 向 指 向 轴 心 。当 外 界 载 荷 不 同 时 ， 接 触 点 会 变 ， 则 约 束 力 的 大 小与 方 向 均 有 改 变 。可 用 二 个 通 过 轴 心 的 正 交 分 力 表 示 。光 滑 圆 柱 铰 链 ， 轴 承 光 滑 圆 柱 铰 链约 束 特 点 ： 由 两 个 各 穿 孔 的 构 件 及 圆 柱 销 钉 组 成 ，如 剪 刀 。 铰 其 中 有 作 用 反 作 用 关 系 一 般 不 必 分 析 销 钉 受 力 ， 当 要 分 析 时 ， 必 须 把 销钉 单 独 取 出 。 滚 动 支 座 球 铰 链 盆骨与股骨之间的球铰连接 止 推

21、轴 承 机 械 式 螺 纹 千 斤 顶 A （ 1） 光 滑 面 约 束 法 向 约 束 力（ 2） 柔 索 约 束 张 力（ 3） 光 滑 铰 链 球 铰 链 空 间 三 正 交 分 力止 推 轴 承 空 间 三 正 交 分 力（ 4） 滚 动 支 座 光 滑 面（ 5） 螺 纹 约 束（ 6） 复 合 约 束 被 约 束 的 自 由 度 约 束 类 型 约 束 反 力 分 析 约 束 举 例1个 移 动 (单 向 / 双 向 )2个 移 动 (单 向 / 双 向 )3个 移 动 (单 向 / 双 向 )1个 转 动 (单 向 / 双 向 )2个 转 动 (单 向 / 双 向 )3个 转 动

22、 (单 向 / 双 向 )1个 移 动 + 1个 转 动 (单 向 / 双 向 )1个 移 动 + 2个 转 动 (单 向 / 双 向 )2个 移 动 + 1个 转 动 (单 向 / 双 向 )1个 移 动 + 3个 转 动 (单 向 / 双 向 ) 3个 移 动 + 1个 转 动 (单 向 / 双 向 )2个 移 动 + 2个 转 动 (单 向 / 双 向 )2个 移 动 + 3个 转 动 (单 向 / 双 向 )3个 移 动 + 2个 转 动 (单 向 / 双 向 )3个 移 动 + 3个 转 动 (单 向 / 双 向 ) 约 束 设 计 讨 论 1-3 物 体 的 受 力 分 析 和 受 力 图在 受 力 图 上 应 画 出 所 有 力 ， 主 动 力 和 约 束 力 （ 被 动力 ）画 受 力 图 步 骤 ：3、 按 约 束 性 质 画 出 所 有 约 束 （ 被 动 ） 力1、 取 所 要 研 究 物 体 为 研 究 对 象 （ 隔 离 体 ） 画 出 其 简 图2、 画 出 所 有 主 动 力 作 业1： 试 设 计 机 械 手 的 运 动 副 。