静力学第三章平面一般力系.ppt

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1、静力学第三章平面一般力系,工 程 力 学Engineering Mechanics,静力学第三章平面一般力系,2,第三章 平面一般力系的平衡,静力学第三章平面一般力系,3,31 平面一般力系向作用面内任一点简化 32 平面一般力系的简化结果分析 3-3 平面一般力系的平衡条件与平衡方程 3-4 平面桁架 3-5 静定与静不定问题的概念 3-6 摩擦,基本力系,静力学第三章平面一般力系,4,第一节 平面一般力系向作用面内任一点简化,平面一般力系(coplanar arbitrary force system) ：各力的作用线在同一平面内，既不汇交为一点又不相互平行的力系叫平面一般力系.如图起重机

2、横梁。,平面一般力系,G,Q,FAy,FAx,FT,静力学第三章平面一般力系,5,F,A,O,F,F,A,O,F,M,=,因此：作用于刚体上的力，可平移到刚体上的任意一点，但必须附加一力偶，其附加力偶矩等于原力对平移点的力矩。,d,d,力线平移定理,平面一般力系的简化,静力学第三章平面一般力系,6,任意多个力组成的力系中所有力的矢量和，称为该力系的主矢。主矢只有大小和方向。 各附加力偶组成的平面力偶系的合力偶矩，称为该力系的主矩。主矩等于各分力对简化中心的力矩的代数和，作用在力系所在的平面上，如图示:,静力学第三章平面一般力系,7,Fn,F1,O,mn,.,m3,m1,F2,F3,m2,O简化

3、中心,MO,R,R主矢 R=Fi 与简化中心无关 MO主矩 MO =mo(Fi) 与简化中心有关,力学与实践2004年3期关于力系简化中主矢是不是力的讨论,静力学第三章平面一般力系,8,力系向一点简化的特殊情况（1）通过简化中心的平面汇交力系：简化为通过简化中心的力，与简化中心的位置无关。（绝对的，主矢决定于原力系中各力的大小和方向）（2）平面力偶系：与简化位置有关（相对的，主矩的大小和转向取决于简化中心的位置）,静力学第三章平面一般力系,9,R,MA,YA,平面一般力系简化结果的应用 固定端约束的反力,MA,XA,简图：,固定端约束反力有三个分量：两个正交分力，一个反力偶,静力学第三章平面一

4、般力系,10,R 主矢 R=Fi 与简化中心无关 MO主矩 MO =Mo(Fi) 与简化中心有关, =0,MO0 即简化结果为一合力偶, MO=M 此时刚 体等效于只有一个力偶的作用，因为力偶可以在刚体平 面内任意移动，故主矩与简化中心位置无关。, =0， MO =0，力系平衡，与简化中心位置无关，下节专门讨论。, 0,MO =0,即简化为一个作用于简化中心的合力。这时， 简化结果就是合力（这个力系的合力）, 。（此时与简化中心有关，换个简化中心，主矩不为零）,平面一般力系,第二节 平面一般力系的简化结果分析,静力学第三章平面一般力系,11, 0,MO 0,为最一般的情况。此种情况还可以继续简

5、 化为一个合力 。,平面一般力系,力线平移定理,利用主矩的转向来确定合力R的作用线在简化中心的哪一侧。,静力学第三章平面一般力系,12,合力矩定理：当平面一般力系具有合力时，合力对平面内任一点之矩就等于该力系的各分力对同一点之矩的代数和。,静力学第三章平面一般力系,13,= 0 为力平衡 MO = 0 为力偶也平衡,第三节 平面一般力系的平衡条件与平衡方程,平面任意力系平衡的充要条件为： 力系的主矢 和主矩 MO 都等于零，即：,由于,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,14,上式有三个独立方程，只能求出三个未知数。,平面一般力系,注意：不论采用哪种形式的平衡方程，其独立的平衡方程的个数只

6、有三个，对一个物体来讲, 只能解三个未知量,不得多列！,静力学第三章平面一般力系,15, 平衡方程的其它形式的证明,1 二矩式： X = 0,A、B 连线不垂直于x 轴,A、B、C 三点不 在同一条直线上,附加条件：,附加条件：,2 三矩式：,静力学第三章平面一般力系,16,二矩式的证明：,必要性,即,平 衡,二矩式成立, 平衡, ， MO0,则，力系的主矢在任一轴上的投影为零；对任一点的矩为零。 二矩式成立。,即,平 衡,二矩式成立,充分性, 力系不可能合成为合力偶，只可能合成为合力或平衡。,静力学第三章平面一般力系,17,若有合力，则合力作用线过A点。,若有合力，则合力作用线过B点。,合力

7、作用线过AB,又有 X = 0 且 x 轴不与AB连线垂直, 必有：合力为零，即力系平衡。,证毕,三矩式的证明类似，请大家自己证明。,由,由,静力学第三章平面一般力系,18,特殊力的平衡方程,平面汇交力系：平面平行力系： 有力平行于x轴平面力偶系:,静力学第三章平面一般力系,19,求解平面一般力系平衡问题的一般方法步骤,1. 选取正确的研究对象，取分离体，作受力图。2. 建立适当的坐标系（一般为平面直角坐标系） 坐标轴的选择： a：坐标轴的选择应尽可能使较多的力与坐标轴平行或垂直。 b：尽可能将坐标原点设在较多的力的汇交处。3. 列出平衡方程求出未知力 a：尽可能列一个方程求解一个未知数，注意

8、列出的次序 b：矩心的选择尽可能在比较多的力（未知力）的汇交处。,静力学第三章平面一般力系,20,例1 已知：P, a , 求：A、B两点的支座反力？,解：选AB梁研究 画受力图（以后注明 解除约束，可把支反 力直接画在整体结构 的原图上）,解除约束,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,21,例2 已知：P=20kN, m=16kNm, q=20kN/m, a=0.8m 求：A、B的约束反力。,解：研究AB梁,解得：,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,22,例3求图示梁支座的约束反力。已知 ：,a,a,a,F,F,A,B,解:取梁为研究对象。受力图如图示。建立坐标系，列平衡方程：,F

9、y,Fx,FB,y,x,Fx- FBsin30=0 Fy+ FBcos30-2F=0-Fa-2Fa+ 3aFBcos30=0,即：,求得：FB =2.3KN Fx = 1.15KN Fy =2KN,静力学第三章平面一般力系,23,例4：图示简支梁，求A、B两处的约束反力。,解：研究AB，受力如图：,建坐标如图,XA=0,YA+ NB - =0,静力学第三章平面一般力系,24,下面讨论分布载荷合力Q的大小：,0,l,= 分布载荷的面积,分布载荷合力Q的作用位置：,利用合力矩定理，设合力Q的作用点,到原点的距离为C，向O点取矩有：,l,0,作用在分布载荷的形心图形的几何中心,静力学第三章平面一般力

10、系,25,例5：,静力学第三章平面一般力系,26,静力学第三章平面一般力系,27,例6：伸臂式起重机如图所示，匀质伸臂AB 重P=2200N，吊车D、E 连同吊起重物各重QD=QE=4000N。有关尺寸为：l = 4.3m，a = 1.5m，b = 0.9m，c = 0.15m, =25。试求铰链A 对臂AB 的水平和垂直反力，以及拉索BF 的拉力。,静力学第三章平面一般力系,28,解： 1、取伸臂AB为研究对象 2、受力分析如图 3、列平衡方程：,静力学第三章平面一般力系,29,4、联立求解，可得：T = 12456 NFAx= 11290 NFAy= 4936 N,静力学第三章平面一般力系

11、,30,由若干个杆件彼此在两端铰接而成的一种结构,受力后其几何形状不发生改变，如: 桥梁、井架、高压电线杆、起重机架等，称之为桁架。,第四节 平面桁架,静力学第三章平面一般力系,31,静力学第三章平面一般力系,32,静力学第三章平面一般力系,33,由物系的多样化，引出仅由杆件组成的系统桁架,平面简单桁架的内力分析,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,34,桁架(plane truss )：由杆组成，用铰联接，受力不变形的系统。,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,35,桁架的优点：减轻结构物的重量，节省材料，使杆件只受到拉压以充分发挥材料的拉压性能。桁架的主要用途：高耸，轻载，大跨度结

12、构。,若桁架的所有杆件都在统一平面内，则称为平面桁架为了简化计算，常作以下假设： .各杆都是直的; .所有外力均作用在桁架平面内,且均作用在节点上; .各杆件间彼此均用光滑铰链连接; .各杆自重略去不计,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,36,力学中的桁架模型 ( 基本三角形) 三角形有稳定性,静力学第三章平面一般力系,37,工程力学中常见的桁架简化计算模型,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,38,一、节点法: (method of joints ),各节点均构成一平面汇交力系，从只有两个未知力的节点开始，逐个讨论各节点，联立求解。,静力学第三章平面一般力系,39,解：研究整体，求

13、支座反力,依次取A、C、D节点研究，计算各杆内力。,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,40,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,41,解:所有节点均超过两个未知力，所以，先研究整体，求出外反力：,YA,NB,XA+P=0,YA+NB -Q =0,NB(2a+2b)-Q(a+b)-Pc=0,由此解出三个外反力。,XA,A,静力学第三章平面一般力系,42,S1,B,再从只有两个未知力且受力个数较少的节点开始-B点:,NB,S2,画受力图时注意:各节点处的已知力不能画错,未知力必须背离该节点,设为拉力,若算出来为负号,则意为压力.,列出平面汇交力系的平衡方程,-S2cos-S1=0,S2s

14、in+NB=0,下来再依次研究G、H、F、E、D、C各点即可。,静力学第三章平面一般力系,43,二、截面法 (method of sections ),有时只需求出部分杆件的内力，可假想的将桁架从某一截面截开，利用平面一般力系的平衡方程求解。所截截面的未知力不能超过三个。,静力学第三章平面一般力系,44,解： 研究整体求支反力,例 已知：如图，h，a，P 求：4，5，6杆的内力。,I,I,A,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,45,例:求图示8、9、10三杆的内力。,解：一般情况下，应先求出整体的外反力，此处反力已求得。 再从只有三个未知力的截面处截开，此处即8、9、10三杆处。 弃去一

15、部分，保留另一部分，这里保留左半部：作受力图,静力学第三章平面一般力系,46,A,零杆：若某节点只受三个力，且两力共线，则第三力必为零。,列平衡方程：,静力学第三章平面一般力系,47,题1 ：图示桁架，水平、铅直各杆长均相等，求6、7、8三杆的内力并说明是拉力还是压力。,解：先找出零杆,L型结点,静力学第三章平面一般力系,48,题2 ：图示桁架，ABC为等边三角形，E、F为两腰中点，求CD杆的内力。,解：先找出零杆ED，,0,沿m-m截面截开，研究右侧，受力如图,静力学第三章平面一般力系,49,说明： 节点法：用于设计、计算全部杆内力，工作量比较大，但留有一个节点可以进行校核 截面法：用于校核

16、，计算部分杆内力 先把杆都设为拉力，计算结果为负时，说明是压力，与所设方向相反。,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,50,第五节 静定与静不定问题的概念,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） 独立方程数目未知数数目时，是不稳定结构,一、静定与静不定问题的概念我们学过：平面汇交力系 两个独立的静力学平衡方程，只能求两个独立未知数。 一个独立的静力学平衡方程，只能求一个独立未知数。,平面力偶系,平面任意力系,三个独立的静力学平衡方程，只能求三个独立未知数。,（Problems statically determinate

17、and statically indeterminate）,平面一般力系,静力学第三章平面一般力系,51,静定与静不定概念,静力学第三章平面一般力系,52,静定与超静定问题的判断：,受到二力平衡、力偶的构件数为 ，可以列出 个方程平面汇交力系，平行力系作用的构件数 ，可以列出 个方程平面一般力系作用的构件数 ，可以列出 。那么整个力系可列出平衡方程的数目为,静力学第三章平面一般力系,53,如果刚体上未知约束力的总数为k个，则k=m时，刚体系统是静定的； 当km时，刚体是静不定的。,静力学第三章平面一般力系,54,物系（刚体系统）的平衡,物系：由若干个构件彼此用铰链联结而构成的系统，这个系统又以

18、铰链形式与其他物体（基础物）相联系。物系的外力：物系外其它物体施加于物系上的力。物系的内力：物系中各子系统之间的相互作用力。解物系平衡问题的依据： 物系平衡时，其内部各子系统也处于平衡状态。,静力学第三章平面一般力系,55,求解物系平衡问题的技巧：,1. 物系中各部分的连接充分，自身可处于平衡状态（稳定结构）。 可先以整体为研究对象，求出所有外力，然后再分各子系统，根据要求求出内力。2. 物系中各部分连接不充分（不稳固结构），各部分之间可以相对运动 先以某子系统为研究对象，求出部分未知力，再以整体为研究对象，求出所有未知力。,静力学第三章平面一般力系,56,例：图示三铰拱。已知P=6kN，M=

19、5kNm，A=1m。求支座A、B的反力。,(2)研究对象：BC, AC,(1)研究对象：整体,6个未知力，6个独立平衡方程,4个未知力，3个独立平衡方程,静力学第三章平面一般力系,57,MA,B,M,q,A,解：先以BC为研究对象，做受力图,列平衡方程,XB=0,YB+NC-ql=0,NCl-ql2/2=0,XA-XB=0,YA-YB=0,MA+M-YBl=0,联立求解即可。,B,C,NC,YB,XB,B,A,XB,YB,XA,YA,再研究AB：（或整体ABC）,请同学们研究整体ABC，与上述结果比较。,静力学第三章平面一般力系,58,例：图示构架，P=1kN，AE=BE=CE=DE=1m，求

20、A处的反力及BC的内力。,解：先整体求A处反力：,拆开CD：,静力学第三章平面一般力系,59,本节主要介绍静滑动摩擦及考虑摩擦时物体的平衡问题。,摩擦,滑动摩擦,滚动摩擦,静滑动摩擦,动滑动摩擦,第六节 考虑摩擦时的平衡问题,静力学第三章平面一般力系,60,0 F Fmax,作用位置: 作用在两物体的接触面上沿公切线,动摩擦定律:当水平力FT超过Fmax时，物体开始加速滑动，此时物体所受到的摩擦阻力已由静摩擦力转化为动摩擦力。实验证明，动滑动摩擦力的大小与接触表面间的正压力FN成正比，即：,式中比例常数f称为动摩擦系数，其大小除了与两接触物体的材料及表面情况有关外，还与两物体的相对滑动速度有关

21、。,静力学第三章平面一般力系,61,2、摩擦角和自锁现象,(1) 摩擦角的概念,把全反力的最大值FRmax与法线FN间的夹角max称为摩擦角,用表示,静力学第三章平面一般力系,62,3. 有摩擦的平衡问题,有摩擦的平衡问题的解法与平面一般力系的解法基本相同，只是在分析受力时要考虑摩擦力，并正确地判断出摩擦力的方向，考虑临界状态并补充摩擦定律。其结果往往有一个范围。 需要注意摩擦力的方向与滑动趋势方向相反，不能随意假定。,静力学第三章平面一般力系,63,例: 重为G的物体放在倾角为的斜面上，今在该物体上作用一水平力Q，问能使该物体保持平衡时Q的范围。已知 f=0.5.,解: 解除约束，作受力图

22、考察该物体可能的运动趋势，分别考虑每一运动趋势，画出对应的摩擦力 建立适当的坐标系，列平衡方程,静力学第三章平面一般力系,64,N,F1,F2,G,若不告诉物体的尺寸，则属汇交力系，否则属于一般力系。 在临界状态并补充摩擦定律 Fmax=Nf 将各种趋势的结果比较分析，得出待求的范围.,(1). 下滑时:摩擦力朝上,Qcos+F-Gsin=0,-Qsin+N-Gcos=0,Fmax=Nf,Q1=G(sin-fcos)/(cos+fsin),(2). 上滑时:摩擦力朝下,Q2=G(sin+fcos)/(cos-fsin), Q1 Q Q2,静力学第三章平面一般力系,65,本章结束,平面一般力系,