第1章機械設(shè)計的力學(xué)基礎(chǔ)知識

1、第第1 1章章 機械設(shè)計的力學(xué)基礎(chǔ)知識機械設(shè)計的力學(xué)基礎(chǔ)知識補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力1-2 機械零部件失效形式與設(shè)計準(zhǔn)則機械零部件失效形式與設(shè)計準(zhǔn)則補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)靜力學(xué) 研究物體在力系作用下的平衡研究物體在力系作用下的平衡條件的科學(xué)條件的科學(xué)補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)力力 物體間相互的機械作用物體間相互的機械作用, ,這種作用使物體的機械運這種作用使物體的機械運 動狀態(tài)發(fā)生變化動狀態(tài)發(fā)生變化力的外效應(yīng)力的外效應(yīng)物體運動狀態(tài)發(fā)生變化物體運動狀態(tài)發(fā)生變化力的內(nèi)效應(yīng)力的內(nèi)效應(yīng)物體產(chǎn)生變形物體產(chǎn)生變形

2、剛體剛體 在受力情況下保持形狀和大小不變的物體。它是在受力情況下保持形狀和大小不變的物體。它是 理想化了的力學(xué)模型理想化了的力學(xué)模型力系力系 作用于物體上的一群力作用于物體上的一群力平面力系平面力系空間力系空間力系平面匯交力系平面匯交力系平面平行力系平面平行力系平面一般力系平面一般力系平衡平衡 物體相對于慣性參考系保持靜止或作勻速直線物體相對于慣性參考系保持靜止或作勻速直線 運動運動靜力學(xué)公理靜力學(xué)公理 公理公理1（二力平衡公理）（二力平衡公理）作用于剛體上的二力平衡的必要和充分條件是，此二作用于剛體上的二力平衡的必要和充分條件是，此二力大小相等，方向相反，且沿同一直線。力大小相等，方向相反，

3、且沿同一直線。 補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)作用于剛體的已知力系上，加上或減去任一平衡力系，作用于剛體的已知力系上，加上或減去任一平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用效果。并不改變原力系對剛體的作用效果。 推論推論（力的可傳性）（力的可傳性）作用于剛體上某點的力，可以沿其作用線移至剛體上作用于剛體上某點的力，可以沿其作用線移至剛體上任意一點，而不改變它對剛體的作用效果。任意一點，而不改變它對剛體的作用效果。 靜力學(xué)公理靜力學(xué)公理 公理公理2 2（加減平衡力系公理）（加減平衡力系公理）補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)作用于物體上同一點的兩個力，可以合成一個合力。作用于物體上同一點的兩個力，可

4、以合成一個合力。合力的作用點仍在該點，合力的大小和方向以這兩個合力的作用點仍在該點，合力的大小和方向以這兩個力為邊所做的平行四邊形的對角線來表示力為邊所做的平行四邊形的對角線來表示靜力學(xué)公理靜力學(xué)公理 公理公理3 3（力的平行四邊形公理）（力的平行四邊形公理）補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)兩物體間相互作用的力總是大小相等，方向相反，沿兩物體間相互作用的力總是大小相等，方向相反，沿同一條作用線，并分別作用在這兩個物體上同一條作用線，并分別作用在這兩個物體上靜力學(xué)公理靜力學(xué)公理 公理公理4 4（作用與反作用公理）（作用與反作用公理）補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)變形體在某一力系作用下處于平衡，

5、如將此變形體剛變形體在某一力系作用下處于平衡，如將此變形體剛化為剛體，則平衡狀態(tài)保持不變化為剛體，則平衡狀態(tài)保持不變公理公理5 5（剛化原理）（剛化原理）物體的受力分析物體的受力分析 補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)1. 取分離體取分離體 （研究對象）（研究對象）3. 畫約束反力畫約束反力2. 畫出物體所受的已知力畫出物體所受的已知力 物體的受力分析物體的受力分析 補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)1.1.除重力等主動力以外，物體間只有在接觸處才除重力等主動力以外，物體間只有在接觸處才有力的相互作用。有力的相互作用。2.2.約束反力應(yīng)畫在解除約束的地方，并根據(jù)約束約束反力應(yīng)畫在解除約束的地方，并

6、根據(jù)約束類型畫約束反力。類型畫約束反力。3.3.若約束是二力桿，則其約束反力沿二力構(gòu)件兩若約束是二力桿，則其約束反力沿二力構(gòu)件兩個受力點的連線，不是拉力就是壓力。個受力點的連線，不是拉力就是壓力。4.4.作物體系整體受力圖時，物體之間的相互作用作物體系整體受力圖時，物體之間的相互作用力變成內(nèi)力，不必畫出。力變成內(nèi)力，不必畫出。5.5.物體系中各物體之間的作用力與反作用力，物體系中各物體之間的作用力與反作用力，若其中一個力的方向確定（或假定），則另若其中一個力的方向確定（或假定），則另一個力的方向必與其相反，不必再另行假定。一個力的方向必與其相反，不必再另行假定。物體的受力分析物體的受力分析 補

7、充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)發(fā)動機的曲柄滑塊機構(gòu)如圖所示?；钊l(fā)動機的曲柄滑塊機構(gòu)如圖所示?；钊鸆上作用可燃?xì)怏w的爆發(fā)力上作用可燃?xì)怏w的爆發(fā)力F，曲柄曲柄AB上作用阻力矩上作用阻力矩MA。試畫出曲柄滑塊機構(gòu)的主要構(gòu)件活塞。試畫出曲柄滑塊機構(gòu)的主要構(gòu)件活塞C、連桿連桿BC和曲柄和曲柄AB的受力圖。各構(gòu)件的自重均不計。的受力圖。各構(gòu)件的自重均不計。平面任意力系的平衡條件平面任意力系的平衡條件補充補充: 靜力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)基礎(chǔ)力系的主矢和對于任一點的主矩都等于零力系的主矢和對于任一點的主矩都等于零, ,即即也可以表示為也可以表示為補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)材料力學(xué)研究材料在各種外力

8、作用下產(chǎn)生的研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強度、剛度、穩(wěn)定和應(yīng)變、應(yīng)力、強度、剛度、穩(wěn)定和導(dǎo)致各種材料破壞的極限的學(xué)科導(dǎo)致各種材料破壞的極限的學(xué)科補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)變形變形彈性變形：彈性變形：塑性變形：塑性變形：可恢復(fù)可恢復(fù)不可恢復(fù)不可恢復(fù)強度強度構(gòu)件抵抗塑性變形和斷裂的能力構(gòu)件抵抗塑性變形和斷裂的能力剛度剛度構(gòu)件抵抗彈性變形的能力構(gòu)件抵抗彈性變形的能力穩(wěn)定性穩(wěn)定性構(gòu)件保持其原有平衡形態(tài)能力構(gòu)件保持其原有平衡形態(tài)能力一、強度、剛度、穩(wěn)定性的基本概念一、強度、剛度、穩(wěn)定性的基本概念補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)二、構(gòu)件受力與變形的基本形式二、構(gòu)件受力與變形的基

9、本形式 拉伸或壓縮拉伸或壓縮 剪切剪切 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 彎曲彎曲組合變形組合變形1.1.構(gòu)件受力情況構(gòu)件受力情況機構(gòu)或機械工作時，作用在構(gòu)件上的力稱為載荷機構(gòu)或機械工作時，作用在構(gòu)件上的力稱為載荷集中載荷集中載荷分布載荷分布載荷靜載荷靜載荷動載荷動載荷2.2.構(gòu)件變形的基本形式構(gòu)件變形的基本形式補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)三、直桿的軸向拉伸與壓縮三、直桿的軸向拉伸與壓縮構(gòu)件受外力作用產(chǎn)生彈性變形構(gòu)件受外力作用產(chǎn)生彈

10、性變形時，構(gòu)件內(nèi)部分子間就伴隨著時，構(gòu)件內(nèi)部分子間就伴隨著產(chǎn)生一種抵抗力，它們力求恢產(chǎn)生一種抵抗力，它們力求恢復(fù)構(gòu)件已變形部分的形狀和尺復(fù)構(gòu)件已變形部分的形狀和尺寸。這種抵抗構(gòu)件變形的分子寸。這種抵抗構(gòu)件變形的分子間的力稱為內(nèi)力。間的力稱為內(nèi)力。補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)三、直桿的軸向拉伸與壓縮三、直桿的軸向拉伸與壓縮單位面積上承受的內(nèi)力稱為應(yīng)單位面積上承受的內(nèi)力稱為應(yīng)力。應(yīng)力的單位為兆帕力。應(yīng)力的單位為兆帕（MPaMPa），即），即N/mmN/mm2 2補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)三、直桿的軸向拉伸與壓縮三、直桿的軸向拉伸與壓縮補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)三、直桿的

11、軸向拉伸與壓縮三、直桿的軸向拉伸與壓縮補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)三、直桿的軸向拉伸與壓縮三、直桿的軸向拉伸與壓縮NAlims補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)三、直桿的軸向拉伸與壓縮三、直桿的軸向拉伸與壓縮NllEA /Nl lEA/ E補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)四、剪切四、剪切 QA補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)四、剪切四、剪切QFjyjyjyjyAFtdAjy補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)四、剪切四、剪切補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)五、扭轉(zhuǎn)五、扭轉(zhuǎn) 0 xM補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)五、扭轉(zhuǎn)五、扭轉(zhuǎn)補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)五、

12、扭轉(zhuǎn)五、扭轉(zhuǎn)maxtTW16/3dWt補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)五、扭轉(zhuǎn)五、扭轉(zhuǎn) tWTmax l補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)五、扭轉(zhuǎn)五、扭轉(zhuǎn)補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)六、彎曲六、彎曲梁的基本類型梁的基本類型補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)六、彎曲六、彎曲梁彎曲時的內(nèi)力：梁彎曲時的內(nèi)力：補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)剪力與彎矩的方向剪力與彎矩的方向補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)六、彎曲六、彎曲梁彎曲時的內(nèi)力：剪力與彎矩的方向梁彎曲時的內(nèi)力：剪力與彎矩的方向補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)六、彎曲六、彎曲梁彎曲時的應(yīng)力及強度計算梁彎曲時的應(yīng)力及強度

13、計算maxMW32/3dW補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)六、彎曲六、彎曲梁彎曲時的變形及剛度計算梁彎曲時的變形及剛度計算補充補充: 材料力學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)基礎(chǔ)六、彎曲六、彎曲工作能力工作能力需求需求強度、剛度強度、剛度耐磨性耐磨性振動穩(wěn)定性振動穩(wěn)定性 以傳動為主的零件一般要求有一定的強度和剛度，即在以傳動為主的零件一般要求有一定的強度和剛度，即在工作負(fù)荷下不發(fā)生破壞和過大的變形；具有相對運動并傳力工作負(fù)荷下不發(fā)生破壞和過大的變形；具有相對運動并傳力的零件需要有較好的耐磨性；而高速轉(zhuǎn)動的零件則要具有較的零件需要有較好的耐磨性；而高速轉(zhuǎn)動的零件則要具有較高的振動穩(wěn)定性。高的振動穩(wěn)定性。1-1

14、載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力 在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度，稱在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度，稱為工作能力。為工作能力。按工作條件分按工作條件分按破壞部位和按破壞部位和破壞形式分破壞形式分強度反映機械零件承受載荷時抵抗破壞的能力強度反映機械零件承受載荷時抵抗破壞的能力1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力額定功率或名義功率引入載荷系數(shù)K 計算載荷計算載荷= =K*名義載荷名義載荷載荷指的是使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外載荷指的是使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外力及其它因素。力及其它因素。1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力（a）對稱循環(huán) (b)脈動循環(huán) (c)非對稱循環(huán) 靜應(yīng)力 r=1循環(huán)特

15、性系數(shù)循環(huán)特性系數(shù)minmaxrr=-1 r=0 -1r11-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力bbssrr脆性材料脆性材料 脆性破壞脆性破壞塑形材料塑形材料 塑性變形塑性變形疲勞破壞疲勞破壞工作應(yīng)力：按照材料力學(xué)的基本公式求出的、作用在零件剖工作應(yīng)力：按照材料力學(xué)的基本公式求出的、作用在零件剖面上的應(yīng)力面上的應(yīng)力計算應(yīng)力：零件危險剖面上呈復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時，按照某一強計算應(yīng)力：零件危險剖面上呈復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時，按照某一強度理論求出、與簡單單向拉伸應(yīng)力等效的應(yīng)力。度理論求出、與簡單單向拉伸應(yīng)力等效的應(yīng)力。ca按照強度準(zhǔn)則設(shè)計機械零件時，根據(jù)材料性質(zhì)及應(yīng)力種類而按照強度準(zhǔn)則設(shè)計機械零

16、件時，根據(jù)材料性質(zhì)及應(yīng)力種類而采用材料的某個應(yīng)力極限值。采用材料的某個應(yīng)力極限值。1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力m01NNN疲勞破壞應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有限壽命疲勞極限有限壽命疲勞極限工程上常用對稱循環(huán)工程上常用對稱循環(huán) r=-1 的應(yīng)力極限值的應(yīng)力極限值 和和 作為材料的疲勞極限作為材料的疲勞極限11N0 循環(huán)基數(shù)，對應(yīng)的循環(huán)基數(shù)，對應(yīng)的 和和 稱為稱為 疲勞極限疲勞極限r(nóng)r1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力11()kK11()kK110()()dd110()()d110()()110()()11eK11eK1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力 Slim Slim許用應(yīng)力：計算應(yīng)力允許達到的最大值。在實現(xiàn)條件下許用

17、應(yīng)力：計算應(yīng)力允許達到的最大值。在實現(xiàn)條件下找出極限應(yīng)力值，在現(xiàn)場情況下，考慮各方面的影響，找出極限應(yīng)力值，在現(xiàn)場情況下，考慮各方面的影響，加一個安全系數(shù)。加一個安全系數(shù)。1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力整體強度整體強度 2d4F零件受載時在本體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力為整體強度問題，整零件受載時在本體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力為整體強度問題，整體強度的形式有拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切體強度的形式有拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切 零件受載時，在傳力的接觸表面上產(chǎn)生應(yīng)力，引起零件受載時，在傳力的接觸表面上產(chǎn)生應(yīng)力，引起表面強度問題。表面強度問題。 表面強度表面強度 pPdF1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力接觸應(yīng)力：是在兩個零件通過點

18、接觸或線接觸傳遞接觸應(yīng)力：是在兩個零件通過點接觸或線接觸傳遞載荷時，在接觸部位產(chǎn)生彈性變形，同時產(chǎn)生的很載荷時，在接觸部位產(chǎn)生彈性變形，同時產(chǎn)生的很大的應(yīng)力。此時，零件的工作能力取決于表面的接大的應(yīng)力。此時，零件的工作能力取決于表面的接觸強度。觸強度。1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力1LFZE1E111LFnE22212121nH兩個平行軸圓柱體接觸受壓時，最大接觸應(yīng)力計算：彈性力學(xué)中的赫茲Hertz公式 -作用在圓柱體上的壓力，N -接觸線長度，mm -綜合曲率半徑 -兩圓柱體材料的泊松比 -材料彈性系數(shù)，E1 E2 圓柱體材 料的彈性模量nFL1211112EZ221212111EZEE1-1 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力機械零部件由于某種原因喪失工作能力而不能正常工作時稱為失效。機械零部件由于某種原因喪失工作能力而不能正常工作時稱為失效。1-2 機械零部件失效形式與設(shè)計準(zhǔn)則機械零部件失效形式與設(shè)計準(zhǔn)則1-2 機械零部件失效形式與設(shè)計準(zhǔn)則機械零部件失效形式與設(shè)計準(zhǔn)則1. 控制零件尺寸控制零件尺寸 按強度、剛度等工作能力準(zhǔn)則計算零件尺寸，按強度、剛度等工作能力準(zhǔn)則計算零件尺寸，使在