平面力系(工程力学).ppt
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1、第2章 平面力系,2.1 平面任意力系的简化,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,2.3 静定与超静定问题 物系的平衡,2.4 考虑摩擦时的平衡问题,2.0 平面任意力系引论,小结,平面力系:力系中各力的作用线都在同一平面内。,可化为平面力系的空间力系 条件:1.构件具有一对称平面;,2.力系的分布又对称于此平面。,2.0 平面任意力系引论,平面力系的分类,1.平面汇交力系:各个力的作用线都汇交于一点。,2平面平行力系:各个力的作用线都相互平行。,3平面力偶系:平面内各个力组成了一组力偶。,4.平面任意力系:各个力的作用线在平面内任意分布。,2.0 平面任意力系引论,2.1 平面任意力系的简化
2、,平面任意力系向一点简化,1.主矢(平面汇交力系各力的矢量和):,在平面直角坐标系oxy中,根据合力投影定理有,2.1 平面任意力系的简化,主矢大小:,主矢方向:,注意:(1)主矢方向角是 与x轴夹的锐角,的指向由 和 的正负号决定;,(2)主矢 与简化中心O位置的选择无关。,2.主矩(附加平面力偶系的合力偶):,注意:(1)一般情况下主矩 与简化中心O位置的 选择有关。,(2)原力系与主矢和主矩的联合作用等效。,2.1 平面任意力系的简化,3.结论:平面力系向一点(简化中心)简化的一般结果是一个力和一个力偶;这个力作用于简化中心,称为原力系的主矢,它等于原力系中所有各力的矢量和;这个力偶称为
3、原力系对简化中心的主矩,它等于原力系中所有各力对于简化中心力矩的代数和。,2.1 平面任意力系的简化,2.1.2 简化结果的讨论,1主矢,主矩(一般情况),合力的大小、方向与主矢 相同;合力 的作用线与简化中心O点的垂直距离,2.1 平面任意力系的简化,2主矢,主矩,作用于简化中心的主矢 就是原力系的合力,简化中心O恰好选在了原力系的合力 的作用线上。,2.1 平面任意力系的简化,3主矢,主矩,原力系简化的最后的结果为一个力偶(主矩),此力偶称为平面力系的合力偶;因此,主矩与简化中心的位置无关。,2.1 平面任意力系的简化,4主矢,主矩,原力系合成为零力系,则原力系是平衡力系。,平面任意力系平
4、衡的必要和充分条件为:主矢,主矩,2.1 平面任意力系的简化,例2.1 一端固定于墙内的管线上受力情况及尺寸如图2.3a所示,已知F1=600N,F2=100N,F3=400N。试分析力系向固定端A点的简化结果,并求该力系的合力。,解:力系向A点简化的主矢为:,N,N,N,F,F,F,F,x,Rx,8,.,382,45,cos,400,100,45,cos,3,2,-,=,-,-,=,-,-,=,=,N,N,N,F,F,F,Ry,Rx,R,2,.,962,),8,.,882,(,),8,.,382,(,),(,),(,2,2,2,2,=,-,+,-,=,+,=,N,N,N,F,F,F,F,y,
5、Ry,8,.,882,45,sin,400,600,45,sin,3,1,-,=,-,-,=,-,-,=,=,2.1 平面任意力系的简化,主矢 指向第三象限,力系向A点简化的主矩MA为:,主矩MA方向为顺时针;,主矢 和主矩MA继续简化可得到力系的合力,合力 与主矢 的大小相等,方向相同,作用线与A点的垂直距离,m,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,2.2.1 平面任意力系的平衡方程,1.平面任意力系平衡方程的基本形式,平面任意力系平衡的必要和充分条件为:主矢,主矩,2平面任意力系平衡方程的其它形式,二矩式:,附加条件:投影轴x(或y)不能与矩心A、B两点的连线相垂直。,2.2 平面力系的平
6、衡方程及其应用,问题:在应用平面力系二矩式平衡方程时,所选择的矩心A、B,投影轴x为什么要满足附加条件?,如右图所示,一刚体只受一个力F作用(显然刚体不平衡,二矩式平衡方程不能成立),若所选的矩心A、B和投影轴x,违背附加条件的要求,则二矩式平衡方程也 成立,因此就出现了错误。所以,在使用二矩式平衡方程时,选择矩心和投影轴时必须满足附加条件,即:投影轴不能与矩心A、B两点的连线相垂直。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,三矩式:,附加条件:矩心A、B、C三点不能在一条直线上。,问题:在应用平面力系三矩式平衡方程时,矩心A、B、C三点为什么要满足附加条件?,如果一刚体只受一个力F作用(显然刚体
7、不平衡,三矩式平衡方程不能成立),若在选择矩心时,违背附加条件的要求,即:A、B、C选在一条直线上,如右图所示,则三矩式平衡方程也成立,因此就出现了错误。所以,在使用三矩式平衡方程时,三矩心的选择必须满足附加条件,即:三点不能在一条直线上。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,2.2.2 解题步骤与方法,例22 如图2.4(a)所示。已知:梁长l=2m,F=100N,求固定端A处的约束力。,解:1)取梁AB为分离体,画受力图AB梁受到已知力F和固定端A点的约束力FAx,FAy,约束力偶MA作用为一平面任意力系。2)选择直角坐标系Axy,矩心A点,列平衡方程:,2.2 平面力系的平衡方程及其应用
8、,3)求解未知量将已知条件代入以上平衡方程解得,4)校核,选择B点为矩心,重新计算约束力偶MA,所以计算结果正确,计算结果为正值说明未知力实际方向与图(b)中的方向相同。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,解题方法与步骤,1确定研究对象,画其受力图;,注意:一般应选取有己知力和未知力共同作用的物体为研究对象,取出分离体画受力图;,2.选取投影坐标轴和矩心,列平衡方程;,注意:1)由于坐标轴和矩心的选择是任意的,在选择时应遵循以下,原则(1)坐标轴应与尽可能多的未知力垂直(或平行);,(2)矩心应选在较多未知力的汇交点处。,2)列平衡方程时要注意力的投影和力矩的“+、-”号。,3.解平衡方程,
9、求得未知量;,4.校核。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,例23 悬臂吊车如图 所示,横梁AB长 l=2.5m,自重G1=1.2kN;拉杆CD倾斜角=30,自重不计;电葫芦连同重物共重G2=7.5kN。当电葫芦在图示位置时平衡,a=2m,试求拉杆的拉力和铰链A的约束力。,解 1)选取横梁AB为研究对象,画受力图;,2)选取投影坐标轴xAy和矩心A,列平衡方程:,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,4)校核、讨论,校核:若取B点为矩心,列力矩方程:,解得FAy=2.1kN,或,取C点为矩心,列力矩方程:,解得FAx=11.43kN,说明以上计算结果正确。,讨论:通过以上分析可知,1)如果取平
10、衡方程 即二矩式,同样可以求解;,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,2)如果取平衡方程即三矩式,同样也可以求解。,因此,只要便于解题,平面任意力系平衡方程的三种形式可以任选。,2.2.3 平面特殊力系的平衡方程,1平面汇交力系平衡方程,如右图所示,力系中各力对汇交中心O的力矩恒等于零,即。因此,平面汇交力系独立的平衡方程为两个投影方程,即:两个平衡方程只能解两个未知量。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,2平面力偶系的平衡方程,平面力偶系平衡的充要条件:力偶系中各力偶矩的代数和等于零。即 平面力偶系的平衡方程,只能求解一个未知量。,3平面平行力系平衡方程,如右图所示,很显然力系中各个力在x
11、坐标轴上的投影恒等于零,即 因此,平面平行力系独立的平衡方程为:称为基本形式。只能求解两个未知量。,也可表示为二矩式:,附加条件:矩心A、B两点的连线不能与各力的作用线平行。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,问题:如果不满足附加条件,即矩心A、B两点的连线与各力的作用线平行,将会出现什么情况?,如右图所示,一平面平行力系,A、B两矩心的连线与各个力的作用线平行,于是。若平面平行力系平衡,可建立二矩式平衡方程 两个独立的平衡方程就变成了一个独立平衡方程,只能解一个未知量。因此,平面平行力系平衡在应用二矩式平衡方程时,必须满足附加条件。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,例2.4 如图a所示
12、,已知定滑轮一端悬挂一物重G=500N,另一端施加一倾斜角为30的拉力FT,使物体A匀速上升。求定滑轮支座O处的约束力。,解:1)选取滑轮与重物为研究对象,画受力图如图b所示,2)建立直角坐标系Oxy,列平衡方程,3)解方程求未知量,FR为正值,FR实际方向与图中假设方向相同,FR与x轴夹角为60(在第一象限内)。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,例2.5 图a所示为一夹具中的连杆增力机构,主动力F作用于A点,夹紧工件时连杆AB与水平线间的夹角=15。试求夹紧力FN与主动力F的比值(摩擦不计)。,解 1)取滑块A为研究对象,画受力图,如图b所示,选取水平方向为x轴,竖直方向为y轴,解得,2
13、)取滑块B为研究对象,画受力图,如图c所示,选取水平方向为x轴,竖直方向为y轴,解得,于是,所以愈小夹紧力与主动力的比值愈大,增力效果愈明显。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,例2.6 用多孔钻床在一水平放置的工件上同时钻四个直径相同的孔如图a所示,设每个钻头作用在工件上的切削力偶矩的大小为M1=M2=M3=M4=M=15Nm。问此时工件受到的总切削力偶矩为多大?若不计摩擦,加工时用两个螺钉A,B固定工件,试求螺钉受力。,2)求螺钉A,B受力 取工件为研究对象,画受力图如图b所示。,建立平面力偶系平衡方程求解,FA=FB=300N(方向如图所示),,螺钉A,B受力与FA,FB互为作用与反作
14、用力关系。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,例2.7 电动机的功率是通过联轴器传递给工作轴的,联轴器由两个法兰盘和连接两者的螺栓所组成。如图所示,四根螺栓A,B,C,D均匀分布在同一圆周上,圆周直径D=200mm。已知电动机轴传给联轴器的力偶矩M=2.5kNm,设每根螺栓的受力相等,试求螺栓的受力F。,解 1)取法兰盘为研究对象,画受力图如图所示。,2)建立平面力偶系平衡方程,求解,故 N=6.25kN,每根螺栓的受力均为F=6.25kN,与法兰盘上四点受力互为作用与反作用力关系。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,例2.8 图a为卧式密闭容器结构简图。设容器总重量沿筒体轴向均匀分布,集
15、度为q=20kN/m,容器两端端部折算重力为G=10kN,力矩为M=800kNm,容器鞍座结构可简化为一端为固定铰链支座,另一端为活动铰链支座,容器计算简图如图b所示。试求支座A,B的约束力。,解 1)取容器整体为研究对象,画受力图如图c所示为一平面平行力系。图中q表示均布载荷大小。,2)选取坐标系Axy,列平衡方程:,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,均布载荷简介 均布载荷:载荷在一定范围内连续均匀分布。载荷集度q=常数。,均布载荷一般分为体均布载荷、面均布载荷、线均布载荷。,实际中许多均布载荷都可以简化为线均布载荷,其载荷集度q单位为N/m或N/km。列平衡方程时,常将均布载荷简化为一个
16、集中力F,其大小为(l为载荷作用长度),作用线通过作用长度中点。,3)代入已知量,解平衡方程,求得未知量 FA=FB=210kN,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,例2.9 图a所示为一塔式起重机简图。已知机身重G=700kN,重心与机架中心线距离为4m,最大起重量G1=200kN,最大吊臂长为12m,轨距为4m,平衡块重G2,G2的作用线至机身中心线距离为6m。试求保证起重机满载和空载时不翻倒的平衡块重。若平衡块重为750kN,试分别求出满载和空载时,轨道对机轮的法向约束力。,2.2 平面力系的平衡方程及其应用,解 取整个起重机为研究对象,画受力图,如图所示,空载时(G1=0),解 FA=
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