工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)-工業(yè)設(shè)計力學(xué)基礎(chǔ)-課件

工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)

第二章工業(yè)設(shè)計力學(xué)基礎(chǔ)引言

INTRODUCTION在產(chǎn)品設(shè)計的過程中，設(shè)計師可以依據(jù)自身的設(shè)計經(jīng)驗開展產(chǎn)品的創(chuàng)意設(shè)計，解決產(chǎn)品的造型問題。然而工業(yè)設(shè)計的對象最終要落實成為具有實際功能的物質(zhì)產(chǎn)品。因此，形態(tài)、材料、結(jié)構(gòu)等都是設(shè)計中應(yīng)該考慮的因素。掌握一定的力學(xué)基礎(chǔ)知識，有利于設(shè)計師綜合考慮這些設(shè)計因素，優(yōu)化設(shè)計方案。目錄2.1力的基本知識2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)知2.1力學(xué)基本知識力學(xué)是關(guān)于力與運(yùn)動的學(xué)科，是研究通常尺寸的物體在受力下的形變，以及速度遠(yuǎn)低于光速的運(yùn)動過程的一門自然科學(xué)。人們在建筑、灌溉等勞動中使用杠桿、斜面、汲水等原理及器具，逐漸積累起對物體受力情況的認(rèn)識，并逐步了解了一些運(yùn)動規(guī)律。通過不斷的實踐驗證，人們形成了一系列重要的力學(xué)概念、理論和研究方法，建立了科學(xué)的力學(xué)理論體系。

2.1力學(xué)基本知識2.1.1力的相關(guān)概念2.1.2

力的分類2.1.3力的平衡2.1力學(xué)基本知識

（1）力

①力的定義：力是物體和物體間的相互作用

②力的三要素：大小、方向、作用位置2.1.1力的相關(guān)概念2.1力學(xué)基本知識

（1）力

③力的圖示：力的圖示、力的示意圖2.1.1力的相關(guān)概念2.1力學(xué)基本知識

（2）其他幾個概念

①力系：作用在物體上的力的集合

②力矩：

③力偶：

④載荷：集中載荷、分布載荷、動載荷、恒定載荷2.1.1力的相關(guān)概念

力矩力偶（其中M為力矩；F為作用力；L為力臂）

（其中M

′為力偶；F為力偶中的一個力；d為力偶臂）

2.1力學(xué)基本知識2.1.1力的相關(guān)概念2.1.2

力的分類2.1.3力的平衡2.1力學(xué)基本知識

（1）萬有引力與重力

萬有引力：由于物體具有質(zhì)量而產(chǎn)生的相互吸引的力。兩個普通物體之間的萬有引力極其微小，我們察覺不到它。但是，由于天體的質(zhì)量很大，天體系統(tǒng)中的萬有引力就起著重要作用。2.1.2力的分類（式中，

m

1、m2分別為兩物體的質(zhì)量；R為兩者之間的距離；G

為引力常數(shù)，其公認(rèn)值為：N·m2/kg2）2.1力學(xué)基本知識

（1）萬有引力與重力

重力：常用重力近似的描述地球?qū)Φ孛娓浇矬w的引力。2.1.2力的分類

（式中p是地表物體所受的重力；g為地表物體所受的重力加速度，經(jīng)測量驗證，赤道附近的g值為9.82m2/s，計算時通常取其值為9.8m2/s；m為物體質(zhì)量）2.1力學(xué)基本知識

（1）萬有引力與重力我們可利用重力設(shè)計產(chǎn)品，如蹺蹺板、座鐘、滑梯、壓路機(jī)、沙漏等。2.1.2力的分類

2.1力學(xué)基本知識

（2）彈力

彈力：發(fā)生變形的物體，由于要恢復(fù)到原狀而產(chǎn)生的對外界的力。

彈力產(chǎn)生的條件：兩物體直接接觸；物體發(fā)生彈性形變。

2.1.2力的分類2.1力學(xué)基本知識

（2）彈力

人們利用彈力的特點設(shè)計了出各種各樣有用的產(chǎn)品，比如沙發(fā)、手壓手電筒、球類玩具、減震裝置等。2.1.2力的分類2.1力學(xué)基本知識

（3）摩擦力

摩擦力：滾動摩擦力、滑動摩擦力和靜摩擦力

靜摩擦力與動摩擦力的差異：2.1.2力的分類（式中，F(xiàn)為摩擦力；N為正壓力大??；為摩擦系數(shù)）2.1力學(xué)基本知識

（3）摩擦力

2.1.2力的分類2.1力學(xué)基本知識2.1.1力的相關(guān)概念2.1.2

力的分類2.1.3力的平衡2.1力學(xué)基本知識

力的合成法則（1）力的合成與分解

①力的平行四邊形合成法則

②力的多邊形合成法則

③力的分解2.1.3力學(xué)平衡

力的分解不唯一（2）力矩合成與分解

可通過力的分解與合成求解力矩的分解與合成。2.1力學(xué)基本知識

2.1.3力學(xué)平衡（3）力的平衡與產(chǎn)品造型設(shè)計

①力的平衡：通常情況下，物體受到多個力的作用。如果各個力的作用效果互相抵消，使得物體保持原有的運(yùn)動狀態(tài)（靜止或者勻速運(yùn)動），這種不發(fā)生變化的運(yùn)動狀態(tài)，稱為平衡狀態(tài)。

平衡條件：

（式中，F(xiàn)x為平面力系在X軸上分力的矢量和，F(xiàn)y為平面力系在Y軸上分力的矢量和，Mo（F）為力系中所有力對力系作用面內(nèi)任意一點的合力矩）2.1力學(xué)基本知識

（3）力的平衡與產(chǎn)品造型設(shè)計

②平衡與產(chǎn)品造型設(shè)計：平衡是造型美的形式法則之一

關(guān)鍵詞：使過產(chǎn)品重心的豎直線落在支撐面內(nèi)、增大支撐面、降低物體重心。

2.1.3力學(xué)平衡

TizioLamp2.1力學(xué)基本知識

（3）力的平衡與產(chǎn)品造型設(shè)計

②平衡與產(chǎn)品造型設(shè)計：平衡是造型美的形式法則之一。

關(guān)鍵詞：使過產(chǎn)品重心的豎直線落在支撐面內(nèi)、增大支撐面、降低物體重心。

2.1.3力學(xué)平衡

DENTSUKYUSHU返回2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識產(chǎn)品總是由許多構(gòu)件組成，每個組成部分在工作中的安全可靠是產(chǎn)品整體安全可靠的必要條件。研究材料的力學(xué)性能，依據(jù)材料力學(xué)的原理開展設(shè)計工作，有助于設(shè)計出力學(xué)性能合理的產(chǎn)品。2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.1材料力學(xué)基本認(rèn)識2.2.2材料的力學(xué)性能2.2.3應(yīng)力集中2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識（1）材料力學(xué)基本概念

①變形體性質(zhì)的基本假設(shè)：連續(xù)均勻性、各向同性

②彈性體的幾何分類：殼、桿、板、體2.2.1材料力學(xué)基本認(rèn)識2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識（2）桿件受力與變形的幾種形式軸向拉伸或壓縮：2.2.1材料力學(xué)基本認(rèn)識2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識（2）桿件受力與變形的幾種形式剪切：2.2.1材料力學(xué)基本認(rèn)識2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識（2）桿件受力與變形的幾種形式扭轉(zhuǎn)：2.2.1材料力學(xué)基本認(rèn)識2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識（2）桿件受力與變形的幾種形式彎曲：2.2.1材料力學(xué)基本認(rèn)識2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識（2）桿件受力與變形的幾種形式綜合變形：2.2.1材料力學(xué)基本認(rèn)識2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.1材料力學(xué)基本認(rèn)識2.2.2材料的力學(xué)性能

2.2.3應(yīng)力集中2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.2材料的力學(xué)性能

關(guān)鍵詞：強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性強(qiáng)度——描述的是構(gòu)件在外力作用下抵抗破壞的能力。通常要求構(gòu)件或零部件在確定的外力作用下，不發(fā)生破裂或過量的塑性變形；剛度——描述的是構(gòu)件在外力作用下抵抗變形的能力。通常要求構(gòu)件或零部件在確定的外力作用下，其彈性變形或位移不超過正常工作所允許的范圍；穩(wěn)定性——描述的是構(gòu)件或零部件在某種受力形式下，維持平衡形式不變的能力。2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.2材料的力學(xué)性能

（1）材料自身屬性對構(gòu)件力學(xué)性能的影響：①低碳鋼拉伸時的力學(xué)性能

關(guān)鍵詞：比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度、強(qiáng)度極限、伸長率、斷面收縮率拉伸實驗采用的標(biāo)準(zhǔn)試件低碳鋼試件拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.2材料的力學(xué)性能

（1）材料自身屬性對構(gòu)件力學(xué)性能的影響：②低碳鋼壓縮時的力學(xué)性能

關(guān)鍵詞：拉伸壓縮性能對比2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.2材料的力學(xué)性能

（1）材料自身屬性對構(gòu)件力學(xué)性能的影響：③其他幾種材料的力學(xué)性能

關(guān)鍵詞：塑性材料、脆性材料幾種材料拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線灰鑄鐵拉伸及壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.2材料的力學(xué)性能

（1）材料自身屬性對構(gòu)件力學(xué)性能的影響：③其他幾種材料的力學(xué)性能

關(guān)鍵詞：性能與應(yīng)用受熱絕緣件200拉30-39

壓39-56聚丙烯（PP）轎車車身、齒輪108-116拉53-56

壓70耐熱ABS燈頭、開關(guān)、裝飾板30拉45-50

壓56-91碳聚氯乙烯（PVC）輕質(zhì)木制品和構(gòu)件拉79

壓36杉木（順紋）輪胎、膠鞋650-90017-29天然橡膠油箱、油管、液體容器104102553A21（LF21鋁合金板材）機(jī)殼、泵體、支架拉147-372壓640-1300灰鑄鐵各種較大尺寸的彈簧件898078565M（合金彈簧鋼）傳動軸、齒輪、鍵1660035545（優(yōu)質(zhì)碳素鋼）拉桿、螺釘、支架26375-460235Q235（碳素結(jié)構(gòu)鋼）應(yīng)用舉例伸長率（%）抗拉強(qiáng)度極限/MPa(抗拉、抗壓)屈服強(qiáng)度/MPa材料名稱、牌號2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.2材料的力學(xué)性能

（2）材料的分布對力學(xué)性能的影響：

①加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品力學(xué)性能的影響

關(guān)鍵詞：塑料制品、殼體2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.2材料的力學(xué)性能

（2）材料的分布對力學(xué)性能的影響：②空間結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品力學(xué)性能的影響

關(guān)鍵詞：桁架結(jié)構(gòu)、體育館、火車站2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.2材料的力學(xué)性能

（2）材料的分布對力學(xué)性能的影響：③型材截面結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品力學(xué)性能的影響

關(guān)鍵詞：L型、T型、U型、O型、工字型截面2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.2材料的力學(xué)性能

（2）材料的分布對力學(xué)性能的影響：④合理的形狀對產(chǎn)品力學(xué)性能的影響

關(guān)鍵詞：合理造型、三角形2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.1材料力學(xué)基本認(rèn)識2.2.2材料的力學(xué)性能2.2.3應(yīng)力集中2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.3應(yīng)力集中（1）應(yīng)力集中現(xiàn)象

關(guān)鍵詞：孔、轉(zhuǎn)折、臺階、缺口、溝槽、尖角電吹風(fēng)、拖線板、手機(jī)充電器

2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.3應(yīng)力集中（2）避免應(yīng)力集中

①盡可能使用變化平緩的結(jié)構(gòu)

關(guān)鍵詞：倒角、漸變2.2材料力學(xué)基礎(chǔ)知識2.2.3應(yīng)力集中（2）避免應(yīng)力集中

②改變應(yīng)力集中處的應(yīng)力場分布，使應(yīng)力分散

關(guān)鍵詞：圓孔過度、底槽返回2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識汽車空氣動力學(xué)特性對汽車性能有很大的影響：空氣對汽車產(chǎn)生的氣動阻力會降低汽車的加速能力；空氣對汽車的升力及側(cè)向力會影響汽車行駛的穩(wěn)定性。此外，汽車空氣動力特性對汽車的經(jīng)濟(jì)性影響也很大。實驗表明，空氣阻力系數(shù)每降低10%，燃油節(jié)省7%左右。伴隨著汽車空氣動力學(xué)的發(fā)展，汽車車身造型發(fā)生了極大的變化。2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識2.3.1流體力學(xué)基本知識2.3.2

汽車空氣動力學(xué)認(rèn)知2.3.3汽車造型設(shè)計與空氣動力學(xué)2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識（1）流體的粘性

關(guān)鍵詞：粘性、不規(guī)則熱運(yùn)動、摩擦、壓力分布2.3.1流體力學(xué)基本知識2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識（2）描述流體流動的基本概念

①流場、流線和流譜②邊界層、層流和湍流

關(guān)鍵詞：速度分布、壓力分布2.3.1流體力學(xué)基本知識2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識（3）物體在流體中的受力關(guān)鍵詞：物體形狀、位置、流速2.3.1流體力學(xué)基本知識2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識2.3.1流體力學(xué)基本知識2.3.2

汽車空氣動力學(xué)認(rèn)知2.3.3汽車造型設(shè)計與空氣動力學(xué)2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識（1）汽車外部流場關(guān)鍵詞：多維、壓力分布不均2.3.2汽車空氣動力學(xué)認(rèn)知2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識（2）汽車空氣動力學(xué)分析①升力及縱傾力矩

關(guān)鍵詞：操作穩(wěn)定性、汽車動力性能、質(zhì)量輕的汽車

②側(cè)向力和橫擺力矩關(guān)鍵詞：直線行駛的性能、旋轉(zhuǎn)③側(cè)傾力矩關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向性能、側(cè)翻④縱向阻力關(guān)鍵詞：阻力

2.3.2汽車空氣動力學(xué)認(rèn)知2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識2.3.1流體力學(xué)基本知識2.3.2

汽車空氣動力學(xué)認(rèn)知2.3.3汽車造型設(shè)計與空氣動力學(xué)2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識（1）汽車造型的演變

①馬車型汽車和箱型汽車

關(guān)鍵詞：舒適性、安全性、空氣阻力2.3.3汽車造型設(shè)計與空氣動力學(xué)2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識（1）汽車造型的演變

②甲殼蟲型汽車

關(guān)鍵詞：流線型、橫風(fēng)不穩(wěn)定性2.3.3汽車造型設(shè)計與空氣動力學(xué)2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識（1）汽車造型的演變

③船型汽車關(guān)鍵詞：融于一體2.3.3汽車造型設(shè)計與空氣動力學(xué)2.3汽車空氣動力學(xué)認(rèn)識（1）汽車