工程力学静力学第三章平面一般力系.ppt
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1、工程力学Engineering Mechanics,2,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,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.如图起重机横梁。,平面一般力系,G,Q,FAy,FAx,FT,5,F,A,O,F,F,A,O,F,M,=,因此:作用于刚体上的力
2、,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,6,作用于简化中心O点的平面汇交力系可合成为一个力,称为该力系的主矢,其作用线过简化中心点O。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,7,Fn,F1,O,mn,.,m3,m1,F2,F3,m2,O简化中心,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,8,讨论:主矢 R=Fi 其大小,R主矢 R=Fi 与简化中心无关 MO主矩 MO=mo(
3、Fi)与简化 中心有关,R=Fi 与简化中心无关,9,力系向一点简化:通过简化中心的平面汇交力系 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)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),10,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,11,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
4、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,12,0,MO 0,为最一般的情况。此种情况还可以继续简 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。,13,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。,14,=0 为力平衡 MO=0 为力偶也平衡
5、,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,15,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有三个,对一个物体来讲,只能解三个未知量,不得多列!,16,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:,17,二矩式的证明:,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。
6、,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。,18,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,19,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:,20,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
7、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。,21,例 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,22,例 已知:P=20kN,m=16kNm,q=20kN/m,a=0.8m 求:A、B的支反力。,解:研究AB梁,解得:,平面一般力系,23,例: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:,Fy,Fx,F
8、B,y,x,Fx-FBsin30=0 Fy+FBcos30-2F=0-Fa-2Fa+3aFBcos30=0,即:,求得:FB=2.3KN Fx=1.15KN Fy=2KN,24,例:如图示为铁路起重机,起重机重力G1=500kN,重心C在两铁轨的对称面内,最大起重力F=200kN。为保证起重机在空载和满载时都不致翻倒,求平衡重力G及其距离x。尺寸如图所示。,A,B,平面平行力系(平面力系中各力的作用线互相平行,则称为平行力系)的平衡,25,空载时,以A点为矩心,列平衡方程:GX-0.75G1=0(1),解:设左边铁轨对起重机的支撑力为FA,右边铁轨对起重机的支撑力为FB。则:空载时,此时FB=
9、0;满载时,FA=0。,满载时,以B点为矩心,列平衡方程:G(X+1.5)+0.75G1-6F=0(2),由(1)、(2)可得:G=300KN X=1.25m,A,B,26,例: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-=0,27,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,28,29,30,例:如图所示一三铰拱桥。左右两半拱通过铰链C联接起来,通过铰链A、B与桥基联接。已知G=40kN
10、,P=10kN。试求铰链A、B、C三处的约束反力。,31,解:取整体为研究对象画出受力图,并建立如图所示坐标系。列平衡方程,解之得:,32,取左半拱为研究对象画出受力图,并建立如图所示坐标系。列解平衡方程:,解之得:,所以:,33,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,34,35,36,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,37,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,38,桁架的优点:减轻结构物的重量
11、,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,39,力学中的桁架模型(基本三角形)三角形有稳定性,40,工程力学中常见的桁架简化计算模型,平面一般力系,41,一、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。,42,解:研究整体,求支座反力,依次取A、C、D节点研
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