理論力學試驗

1、理論力學實驗講義11 1冃Ij S科學和經濟的發(fā)展，市場經濟體系的建立，人才聘用的市場化，都對大學生的實際 能力提出了很高的要求。培養(yǎng)和訓練大學生的分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)和訓練 大學生的實踐動手能力，是課程建設和課程教學的基本LI標，為此，我們突破長期以來 理論力學課程教學無實驗的狀態(tài)，初步建設了理論力學實驗室，開展了理論力學 實踐教學活動。理論力學實驗作為理論力學新教學體系的重要組成部分，U的是通過這樣 一組實踐教學環(huán)節(jié)的實施，開闊學生的眼界，加強理論力學的工程概念，了解這門 課程與工程實際的緊密關系，培養(yǎng)、鍛煉學生的創(chuàng)新思維和科研能力。大量與理論力 學相關的產品和科研成果作為理論力

2、學實驗實踐教學的容，通過參觀圖片實物、 實驗演示以及學生自己觀察、分析和動手實踐達到實驗的的。實驗的結果考核將采取 填寫實驗報告、撰寫小論文和交習作的形式進行。訂前，理論力學實驗主要包括三項容：1、靜力學、運動學和動力學創(chuàng)新應用實驗。2、動力學參數測定實驗3、運動學和動力學訃算機模擬仿真實驗。第一項實驗靜力學、運動學和動力學創(chuàng)新應用實驗.實驗目的1、通過大呈:工業(yè)產品和科技成果向學生展示理論力學的工程意義和工程應用，開闊學生的眼 界。2、通過學生對大量工業(yè)產品和科技成果的觀察分析，通過學生動手操作，加深對理論力學基 本概念的理解，鞏固力學分析方法的掌握。3、培養(yǎng)、訓練學生的創(chuàng)新思維，提髙、鍛煉

3、他們建立力學模型的能力。二.儀器設備1、掛圖、照片。2、40余套產品、模型、設備和零部件。三.實驗容(-)靜力學部分(一)曲柄滾輪擠水拖把的受力分析與過程其汁算簡圖如圖2,應用虛位移原理可以得出和F的關系。圖21+|OA|cos-網sin&0.250.200.133 0.100.05C *! C1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 120.0 120.0 160.0圖：3二者的過程關系如下圖:1.000.75No 0.500.250.00 卜 | 1 | 1 1 | 1 1 1 1 | 1 1 | 1 1 1 1 | I0.04.08.012.016.020.010N

4、OA=3 0 mm.。= 10 時（二）桑塔那汽車用的千斤頂受力分析與自鎖條件千斤頂受到平而匯交力系的作用，已知車重G,容易求得巴和F-進一步，利用虛位移原理，可以求得手柄作用力F：M=G f=t當螺紋升角小于摩擦角 g（p 時，千斤頂還將發(fā)生自鎖現象:（三）膨脹螺釘的應用技術與約束反力分析如圖，膨脹螺釘的約束反力是一空間力系:*%Fy0F圖8X之所以能固接在墻中，機理如圖，F”越大，靜摩擦力也越大。（四）管子鉗的受力分析與剪刀鉗的受力分析管子鉗的設計充分利用了力學原理：（五）兔子撓骨抗扭強度測試儀一一空間力偶等效理論的應用測試儀利用空間力偶等效理論，對下圖的撓計進行扭矩和轉角的實驗:得到二者

5、的關系如圖:d超聲波理療愈合右自然愈合對比曲綻圖15其中右圖為扭矩和愈合天數的關系曲線圖“（六）挖掘機部件的受力分析與求解各油缸的推力或拉力靈活、正確的選取研究對象是求解靜力學問題的訣竅，如圖所示的挖掘機受力分析:（七）靜.動滑動摩擦因數的測定裝置利用圖示測左裝置可以測左材料靜、滑動摩擦因數:簡化得到力學模型:利用臨界條件和newton定律可以求得靜、動摩擦因數。（八）壓延機的摩擦因數問題壓延機的壓延厚度和摩擦因數有關。如圖所示，要使得壓延產生，必須使合力向右，進而可以 求得厚度和因數的關系:剝毛豆機是一應用實例。（九）滑動摩擦不自鎖一一自動關門的搖皮該設訃同樣應用了自鎖原理，當升角（或傾角）

6、不小于摩擦角時，機構無法實現靜平衡。（十）翻倒問題與起重機的穩(wěn)定度這是典型的平而平行力系的平衡問題，利用臨界條件，可以求岀平衡塊的限重和穩(wěn)左度:（十一）螺旋壓榨機或螺旋拔銷爪利用虛位移原理，可以求出主動力M和反作用力F之間的關系:F =Mr tana苴中：/為螺旋半徑，為螺紋升角。（十二）桁架在橋梁設計中的應用與計算工程實際中的橋梁設訃廣泛應用了理論力學的知識：A.拱橋材料一般為脆性材料，單個構件受到平面匯交力系作用:圖対楔塊的受力分析B 桁架結構橋構件受到平面匯交力系或一般力系的作用，應用節(jié)點法或截面法可以求解:500 kN250 kN 250 kN 2:50 kNF門4圖25截面法下圖為一

7、跨瑜架在自重和一般載荷作用下的受力圖:500 kN500 kl-I26101418222630S19V/?X33|359131521 232527、4亠8:X 121162024_2832”250 kiT 250 kiI250 kN 250 kN250 kW 250 kN 250 kNB250 kN 250 iN250 kN- 2:50 kN 250250 kN 250 kN切簽100 kN 4000 kN 10 500104 10500 kN 10 500 k!4 10 500kN 4000 k!44000kbl-7 5007 500 kN -2 577M-I2，?7kN -7 JOO kl

8、T -7 5001cNN3(a)跨主桁架荷載分布(b)各桁架桿靜載時的受力分布圖26C. 懸索橋懸索上的每一個節(jié)點為一平而匯交力系作用點：D. 斜拉橋E. 公路橋必須指出，以上各種橋梁除了需要進行靜力平衡分析外，還需要進行動力計算，如模態(tài)分析, 固有頻率計算等。(十三)應力集中概念、空間杠桿原理和彎曲技術在磁磚切割機上的綜合應用瓷磚切割機綜合應用了材料力學中的應力集中、理論力學中的杠桿原理和彎曲技術：2）滾刀輪勿劃應力集中痕跡4 巧（b）杠桿原理應用圖28（二）運動學部分（一）計算機驅動器變角速度的控制驅動器中包含有渦輪蝸桿機構、摩擦傳動和凸輪緊固等。為保證線速度不變，在信號接受點不斷變動的情

9、況下，驅動器轉盤的角速度也是時變的：圖29（二）旋轉式、往復式剃須刀的比較，曲柄框架機構與外殼振動控制的技術下圖為剃須刀的示意圖，其中包括可剃須區(qū)和不可剃須區(qū)：在電機轉速為d值的情況下，根據切削速度和轉速的正比關系容易確定出最佳效果的剃須區(qū)域。應用曲柄框架機構，將電機轉動變?yōu)榈镀钠絼樱@然比上面的旋轉式更為合理和有效：為了避免振動，可以采取兩種方法：一是在曲柄上裝偏心塊：二是采用兩排運動方向相反的動 刀片。（三）推土機的機構運動與分析圖35其中OABC為一四連桿機構。（四）多功能萬花尺一一剛體平面運動時，平面圖形上各點有不同的軌跡小齒輪作平而運動，各個點的運動軌跡不同。（五）剝線鉗的運動特征

10、機構把剝線的兩個過程統(tǒng)一起來。（六）跳“的嗒”舞（“踢踏舞”）音樂鞋的傳動機構與運動分析跳舞鞋利用剛體定軸轉動理論中的多級齒輪傳動和凸輪傳動，左右兩只鞋的凸輪設訃成相位差45度,即可實現“的嗒”傳拍。（七）繞線器的轉速比與圈數指示器利用剛體左軸轉動的角速度（轉速）和齒數之間成反比的關系，容易實現圈數的汁算。的角速度圖4i曲櫛t塊機構（八）懸浮平衡與氣流速度測定儀利用懸浮力和流速的關系可以實現 懸浮平衡和物料輸送，還可以測立流速。（九）不可見軸轉速的測定方法利用曲柄滑塊機構把轉動變?yōu)槠絼拥奶攸c，可以通 co o（十）評估房屋抗震特性的方法與分析通過安裝加速度傳感器的方法來模擬地謖，進而設（三）動

11、力學部分（一）非均質發(fā)動機搖桿對軸轉動慣量的等效方法A. 均質圓盤轉動慣量求法與誤差分析z圖42三線擺的扭振理論值計算公式：兒Srri從線性振動微分方程推導，利用實測數據得出的計算公式：幾7 半 經過驗證，擺長對于測量誤差有重要影響(越長精度越髙)。B. 等效方法在物體為非均質的情況下，如果(a), (b)兩者的質量和擺周期相同，則它們的轉動慣量亦相同，而后一種情形的轉動慣量是可以汁算得到的。C. 髙科技上的拓寬應用(二) 拳擊機拳擊力的標定方 一動力學普遍定理的綜合應用與恢復系數數字竜伏表S3心圖44利用動能立理、動量上理和碰撞理論中恢復系數的左義，可以求出拳擊力和恢復系數:(1 + R)j

12、2g/(l-costZ|)+m2（三）單自由度振動系統(tǒng)在工程中的應用A. 復擺應用在“小爬蟲”上使一個貧困村致富B. 音樂的節(jié)拍器擺動周期和轉動慣量的平方根成正比。C電視塔用一串單擺控制“風振氣流1一叫亠4用4匚b m 0-叫9jn91010/xx/xxx/z/xxz/xx/xzz/xxx/x/zy包）高聞翻結構電視塔用IVITMD圖E47利用11個質量不同、擺長不同的單擺構成的頻帶同塔自身的一階模態(tài)和氣流風譜頻帶相仿，使得塔振動產生的能量由單擺消除，達到控制“風振”的目的。D.扭振減振器控制曲軸振動（a）曲軸（b）扭轉減振器圖48 發(fā)動機曲軸系統(tǒng)的減振減震器的頻率設汁和曲軸的頻率一樣，使得曲

13、軸系統(tǒng)的部分能量轉化為減震器的能量，從而減 少了曲軸的農動，提髙了使用壽命。（四）汽車振動兩自由度模型汽車在鉛直平而的振動可以簡化為二自由度系統(tǒng)的模型:其兩個主振型如圖:（五）質點系動量定理的演示圖示的彈性球系在理想情況下滿足動能守恒和動量守恒:（六）振動電機及其在工程中的應用這是一種新型電機，它將動力源和振動源合在一起能產生可變的激振力:以上是兩種振動電機。（七）平衡的四個問題A.靜力不平衡B.靜力平衡C.動力不平衡-V777圖56動力不平衡D.動力平衡（八）振動產生優(yōu)美動聽的音樂A. 吉它琴的弦振動根據上圖可以寫出數理方程，進一步求岀振動頻率。B. 八音琴的梁振動利用勢能一動能的相互轉化和

14、振動理論設訃的八音琴:圖60簡化為單自由度振動系統(tǒng)的音鍵圖6 2非連續(xù)變截而懸臂梁的音灌C. 汽車喇叭的膜振動圖63電喇叭基本結構示意圖消聲箱I信號源I功放電喇叭振動頻率測試系統(tǒng)簡圖j聲級計（九）隔振理論及各種隔振器A.確左性振動的隔振理論隔振的兩種方法一一主動隔振和被動隔振:B.各種減振器及應用四.實驗要求：1、積極動腦、動手，觀察、討論。2、每人至少完成1篇小論文。論文要求WORD文檔，AUTOCAD繪圖，字數至少1000個漢 字，A4紙打印。期末考試之前交。3、愛護實驗室所有儀器、設備、模型、實物。第二項實驗動力學參數測定實驗.實驗目的1、加深對動力學參數的理解C2、掌握動力學參數測左某

15、些方法。3、鍛煉分析能力、實驗方法設計能力和實驗操作能力。二. 儀器設備1、多功能試驗臺。2、常規(guī)測量儀器。三. 實驗容1、轉動慣量的測定和誤差分析。2、固有頻率的測怎和分析。3、求重心的實驗方法。4、四種載荷的區(qū)別和實驗。5、轉子動平衡和動不平衡實驗。6、自激振動實驗。四. 實驗要求1、認真觀看“理論力學多功能實驗臺ZME-1型介紹”光盤，了解六個實驗的具體容、使用儀器 及操作步驟。做好實驗前的準備工作。2、自己動手操作實驗。3、認真填寫實驗報告。4、愛護試驗臺和實驗儀器、設備。理論力學多功能實驗臺ZME-1型實驗報告班級學號日期一、實驗前的準備工作1、觀看理論力學多功能實驗臺ZME-1型介

16、紹”光盤（約15分鐘），了解六個實驗的具體 容、使用儀器及操作步驟。2、觀看理論力學實驗（一）的噴墨板，了解六個實驗的容與方法。二、按序進行六個實驗，并記錄數據（三學時左右）1、求彈簧質量系統(tǒng)的固有頻率已知：髙壓輸電線模型的質Sm=O.138（kg）,璉碼規(guī)格分別為100克和200克。方法：分次掛祛碼，記錄振體的豎向變形祛碼重W（N）W=lW2=2W3=3W4=4變形/ (mm)剛度計算：單 自由度 的等效ke(/ = W / Al = (N/m)固有振動頻率2、觀察自激振動、自由振動、受迫振動的現彖, 記錄電壓、轉速、風速.振幅的數據，繪制振幅電壓（V）8010012014016018020

17、0轉速（rpm ）風速（m/s）振幅（mm）與風速的關系曲線。風速u振幅4轉速九（mm）電壓（卩）風速2.； (m/s)3、實驗方法求重心（1）懸吊法對組合型鋼懸吊兩次，圖示出重心位巻（2）設法對連桿水平擱宜，用臺秤稱出連桿重量W = FV1 + FN2 =(N)求出連桿的重心Xc = 7 =（cm）W4、觀察四種不同載荷，畫出力與時間的關系曲線（示意圖）F (N) 漸加F (N)沖擊t(s)l(S)F (Nh突加F (N)振動t(s)l(S)5、用三線擺求圓盤的轉動慣咼，并示出線長/對測量誤差的影響已知：圓盤直徑，D= 100(mm),厚度J = 5.3(mm),材料比重/ = 7.5g/c

18、m吊線半徑r=38mm。1 n r圓盤轉動慣量的理論計算列中-=通過秒表測量三線擺周期，按公式/； =()-計算轉動慣量兒=(kgm2)2/r/線長/ (cm)2()3040506070轉動慣量兒(kgnP)誤差()6、用等效方法求非均質發(fā)動機搖臂的轉動慣量選擇誤差可接受的三線擺線長(60cm), 已知等效用圓柱直徑d=20mm,髙h=18mm, 材料比重/ = 7.4 g/cn,兩個圓柱對中心軸轉1 C動慣量的計算公式為Jo = 2-mr2 +m(-)22 2距離S (mm)3()405060周期T (s)轉動慣量丿厶(kgm?)測量與兩個圓柱等重的非均質發(fā)動機搖皆的扭振周期廠=應用上表及插

19、入法，求得搖臂的轉動慣量丿：=(kgm2)三、請簡述通過這次實驗的收獲1、如何利用現有的實驗裝宜與配件，演示受迫振動？2、四種不同載荷分別作用于同一座橋上時，哪一種最不安全？3、分析發(fā)動機搖臂質心與軸心相距較大時，對實驗精度的影響。4、請簡述通過這次實驗的收獲。第三項實驗運動學與動力學計算機模擬仿真實驗一、實驗目的1、學習、掌握靜力學、運動學和動力學模擬仿真方法。2、學習、了解、熟悉國際上通用軟件的使用。3、學習培養(yǎng)工程問題的力學建模能力、力學模型的創(chuàng)新設計能力。二、實驗工具1、硬件：計算機。2、軟件：理論力學求解器。三、實驗容1、靜平衡分析：逹義結構，自由度分析，仿真計算，確泄結構的平衡位形

20、。2、運動學分析：逹義結構、參考基和約朿，自由度分析，仿真計算，以數據、曲線和動畫輸 岀分析結果。3、動力學分析：左義結構、參考基和約朿，泄義載荷，自由度分析，仿真計算，以數據、曲 線和動畫輸岀分析結果。四、實驗步驟1、建立、打開或保存文件。靜力學、運動學和動力學分析分別以（*.xyy）、（*.xh）、（*.hxh）的格式儲存和調用。2、圖形操作2.1圖形單位：千米、米、分米、厘米（默認）或毫米。2.2圖幅定義:默認值為1600X1600。2.3原點泄義：慣性基基點（“）楚義在屏幕左上角，其中，向右為正值，向下為正值。 2.4圖形放大或縮小3、系統(tǒng)參數3.1定義物體輸入外形參數（長度和髙度），

21、構件的位形（連體基基點位置和姿態(tài)角）。3.2定義較滑移鐵：絞號、參考點坐標、方向角、接物體員、外接物體民。旋轉錢：狡號、參考點坐標。齒輪副：絞號、接物體號風接節(jié)園半徑屆、接物體x軸到連心線的轉角兒（逆時針方 向）、接物體轉軸在該物體連體基上的坐標（引，b）：外接物體號】、外接節(jié)園半徑兄、外接物 體x軸到連心線的轉角巾“（逆時針方向）、外接物體轉軸位置（血，S）。目前軟件僅提供外接 齒輪類型。齒輪齒條副：較號、齒條是否作用在基座的選擇、齒輪所附的物體號、齒輪半徑凡、參 考線轉角（逆時針方向）、齒輪軸位置（龍，Q:齒條所附的物體號0、齒條方向角P,（逆時 針方向）、嚙合點位置（a,員）。注:對于連接制作的齒輪副和齒輪-齒條副，在泄義時應通過點擊系統(tǒng)參數菜單中的齒輪 副和齒輪-齒條副參數項，再點擊繪圖板區(qū)域中的支座，然后在彈出的對話框中的步驟來左義。 3.3定義力元（運動學分析中無此項）彈簧元：接物體號0、外接物體號、在接物體上的位置&，揄、在外接物體上的位置（令， 彈簧原長，彈簧特性中的參數選擇。3.4外載（運動學分析中無此項）軟件當前僅提供四種外載荷類型：重力、集中力、分布力合力偶。重力：重力加速度的大小和方向。集中力：受力物體號、力的作用點在該物體連體基的坐標（a, 3、力的大小、力的方向與 x軸的夾角以及該軸所屬的參考基（慣性基或連體基）