工程力學電子教案

工程力學電子教案一、課程的教學目的和規(guī)定工程力學是一門理論性較強的技術(shù)基礎(chǔ)課，是高等院校工科專業(yè)的必修課，也是高職高專土建有關(guān)專業(yè)的必修課。1目的通過本課程的學習，使學生掌握物體問題，初步學會分析、處理某些簡樸的工程實際問題培養(yǎng)學生處理工程計算中有關(guān)強度、剛度和穩(wěn)定性問題的能力，以及計算能力和試驗?zāi)芰?，為工程設(shè)計打下必要的基礎(chǔ)。2規(guī)定2.1理論知識方面（1）能對的地選用分離體并畫出受力圖，比較完整地理解力、力矩和力偶的基本概念和性質(zhì)，能純熟計算力的投影和力矩；（2）掌握運用各類平面力系的平衡方程求解單個物體及簡樸物系的平衡問題的知識；（3）掌握分析桿件內(nèi)力并做對應(yīng)內(nèi)力圖的基本知識；（4）掌握分析桿件的應(yīng)力、應(yīng)變，進行強度和剛度計算的基本知識；（5）對應(yīng)力狀態(tài)和強度理論有一定認識，并能進行組合變形下桿件強度計算；（6）初步學會分析簡樸壓桿的臨界載荷，并進行壓桿穩(wěn)定性的校核；2.2能力、技能方面（1）具有從簡樸的實際問題中提出理論力學問題并進行分析的初步能力；（2）初步具有計算強度、剛度、穩(wěn)定性的計算及構(gòu)件設(shè)計的能力；（3）初步具有合理選材及對常用材料基本力學性能進行測試的能力。二、教學措施：1、課堂教學手段重要采用黑板板書。2、采用啟發(fā)式教學，鼓勵學生自學，以“少而精”為原則，精講多練；3、加強與學生的溝通，增長課堂討論，調(diào)動學生的主觀能動性。三、學習措施提醒：1、提前預習，以提高聽課效率；2、認真做好課堂筆記；3、課后認真復習，以鞏固所學知識；4、獨立準時地完畢課后作業(yè)，以便掌握課程學習的實際狀況。四、成績評估措施：1、平時（包括考勤、作業(yè)、課堂練習、課堂提問）成績占30%；2、期末考試成績占70%。五、期末考核方式：閉卷。第一章緒論一、教學目的：使學生理解本課程的研究對象、研究內(nèi)容，明確學習本課程的目的。二、教學重要內(nèi)容：1.通過實例，闡明本課程與工程實踐和生活實踐的緊密關(guān)系。2.通過課程教學，使學生理解工程力學的研究對象及重要內(nèi)容、工程力學在工程中的地位和作用、學習工程力學的基本規(guī)定和措施。三、重點和難點力學在實際工程中力學的應(yīng)用，及本課程的有關(guān)名詞術(shù)語四、教學規(guī)定（1）理解工程力學的研究對象；（2）明確學習工程力學的基本任務(wù)。五、教學措施黑板板書、講解。六、思索題與習題1工程力學研究的對象與基本任務(wù)1.1研究對象工程中多種各樣的建筑物、機械等都是由若干構(gòu)件按照一定的規(guī)律組合而成的，稱為構(gòu)造。構(gòu)造和構(gòu)件都是肉眼能辨別的，并且相對于地球靜止或以速度遠不不小于光速而運動的宏觀物體，他們就是工程力學研究的對象。1.2研究任務(wù)（1）當物體處在平衡狀態(tài)，根據(jù)平衡狀態(tài)由作用于物體上的已知力爭出未知力，這一過程成為靜力學分析，對于平衡狀態(tài)的物體進行靜力學分析是工程力學的一項任務(wù)；（2）研究物體運動時其位置變化規(guī)律—軌跡、速度、加速度等，建立物體的運動狀態(tài)的變化與作用于其上之間的關(guān)系是工程力學的又一項任務(wù)；（3）研究構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性問題，提供有關(guān)的理論措施和試驗技術(shù)，合理確定構(gòu)件的材料和形狀尺寸，到達安全和經(jīng)濟美觀的規(guī)定，是工程力學的第三項任務(wù)。2工程力學中的力學模型與研究措施2．1研究模型工程力學的研究對象往往比較復雜，在對其進行力學分析時，首先必須抓住問題的性質(zhì)，抓住其重要特性，忽視此藥特性，需要對其進行簡化，抽象出力學模型。在受力是保持形狀大小不變的力學模型成為剛體。質(zhì)點是指具有質(zhì)量而形狀大小可忽視不計的力學模型。一種物體究竟應(yīng)當看作是質(zhì)點還是剛體，完全取決于所研究問題的性質(zhì)，而不取決于物體自身的形狀和尺寸。當分析強度、剛度和穩(wěn)定性問題是，由于這些問題都與變形親密有關(guān)，因而雖然是極其微小的變形也必須加以考慮，這時就必須把物體抽象為變形體這一力學模型。2．2研究措施理論分析、試驗分析和計算機分析是工程力學中三種重要的研究措施。第二章剛體靜力分析基礎(chǔ)一、教學目的：使學生理解力和力矩的概念和性質(zhì)；力偶的概念和性質(zhì)；約束與約束力的概念，工程中常見的約束與約束力，物體的受力分析與受力圖等。二、教學重要內(nèi)容：1.通過實例，力和力偶存在于我們生活中，深入探求力矩和力偶的概念、力偶的三要素及力偶的等效定理，以及有關(guān)力和力偶的多種定理，規(guī)律。2.通過課程教學，使學生理解工程中常見的約束與約束力，并將其簡化為幾種方式。3.掌握力和力偶的有關(guān)概念性質(zhì)及約束與約束力的存在形式，深入對構(gòu)件進行受力分析，作出受力簡圖，這一部分需要由簡入繁，由易到難，規(guī)定學生加強課堂及課后練習。三、重點和難點本章講授的重點是“力和力偶的概念、性質(zhì)”，“約束和約束反力”“物體的受力分析和受力圖”。難點是平面力偶系的合成與平衡方程求解，作受力圖和對構(gòu)件進行受力分析。四、教學規(guī)定1、使學生理解本課程的研究對象、研究內(nèi)容，明確學習本課程的目的；2、掌握力和剛體的概念及靜力學公理；3、掌握約束及約束反力的基本知識；4、初步掌握物體及簡樸物系的受力分析，合理選擇分離體并畫出受力圖。五、教學措施黑板板書、講解。六、思索題與習題P15思索題2-32-92-11習題2-12-22-32-32-1力與力偶1力的概念力是物體間互相的機械作用，這種作用的效應(yīng)使物體的運動狀態(tài)和形狀發(fā)生變化。前者稱為力的外效應(yīng)，后者稱為力的內(nèi)效應(yīng)。靜力學部分僅研究力的外效應(yīng)。

實踐證明，力對物體的作用效應(yīng)取決于力的大小、方向和作用點，我們稱這三者為力的三要素。

在國際單位制中，力的基本單位是牛頓（Ｎ），常用單位尚有千牛頓（kＮ）等。

力是矢量，常用一帶有箭頭的線段表達，線段的長度表達力的大?。ò匆欢ǖ谋壤撸?，線段的方位和箭頭的指向表達力的方向，線段的起點或終點表達力的作用點。一般用黑體字母表達力矢量（手寫時在字母上加箭頭或短橫線），而與之對應(yīng)的一般體字母僅表達力的大小。2、剛體在力的作用下，任何物體都會產(chǎn)生變形。但在工程實際中，許多零部件受力后所產(chǎn)生的變形與其自身的尺寸相比顯得非常小，對研究物體的外效應(yīng)及問題的本質(zhì)影響極小，可以忽視不計。為了便于研究，常略去物體受力后變形。這種略去受力后變形的物體稱為剛體。剛體是一種科學抽象后的力學模型，在靜力學中，一般將所研究的物體均視為剛體。3、力的性質(zhì)（1）二力平衡公理；（2）加減平衡力系公理及力的可傳性原理；（3）剛化原理；（4）力的平行四邊形法則及三角形法則；（5）力的作用與反作用定律；（6）三力平衡匯交定理。2-1-2力對點之矩1.力矩的概念M0(F)=+FdO點稱為矩心；d稱為力臂；式中正負號用來區(qū)別力F使物體繞O點裝懂的方向，規(guī)定：力F使物體繞O點逆時針轉(zhuǎn)動為正，順時針轉(zhuǎn)動為負，如辦螺絲刀。2.合力矩定理M0(FR)=M0(F1)+M0(F2)+M0(F3)+…+M0(Fn)=∑M0(Fi)合力對平面內(nèi)任一點之矩等于各分力對同一點之矩的代數(shù)和—合力矩定理。例題p7，例2-12-1-2力偶的概念和性質(zhì)1.力偶的概念大小相等，方向相反，作用線平行的兩個力對物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)，而不產(chǎn)生移動效應(yīng)，把它稱為力偶（F,F’）表達，如辦方向盤，擰水龍頭等。力偶作用面—力偶所在的平面；力偶臂—力偶兩個力作用線間的距離稱為力偶臂；力偶矩—M=+Fd式中正號規(guī)定：力偶的專向是逆時針，反之為負；力偶三要素：力偶的大小、轉(zhuǎn)向和力偶作用面的方位。2.力偶的性質(zhì)P83.平面力偶系的合成若有n個力偶作用于剛體的某一平面內(nèi)，這種力系稱為平面力偶系。采用力偶系合成可得一種力偶，合力偶矩等于力偶系中個力偶矩的代數(shù)和：M=M1+M2+…+Mn=∑Mi2-2約束與約束力2-2-1約束與約束力的概念自由體—在空間可以做任意運動的物體；非自由體—物體受到某種限制，在某些方向不能運動，這樣的物體稱為非自由體；約束—阻礙物體運動的限制條件稱為約束；約束力—約束對物體作用一定的力以阻礙物體運動，這種力稱為約束力；積極力或荷載—能積極使物體運動或有運動的趨勢的力，稱為積極力或荷載，如重力、壓力等。2-2-2工程中常見的約束與約束力1.柔索約束柔索約束力的方向沿著他的中心線且背離物體，及為拉力。2.光滑接觸面光滑接觸面約束力的方向沿著接觸面在接觸點出的公法線，及為壓力。3.光滑鉸鏈亦稱為鉸鏈或鉸。鉸鏈約束力作用在垂直于銷釘軸線的平面內(nèi)，通過圓孔中心，方向由系統(tǒng)的構(gòu)造與受力狀況確定。4.固定鉸支座固定鉸支座約束力與鉸鏈的情形相似。5.活動鉸支座活動鉸支座的約束力垂直于支承面，通過鉸鏈中心，指向待定。6.固定端固定端約束力為一種方向待定的力和一種轉(zhuǎn)向待定的力偶。2-3受力分析與受力圖受力分析與受力圖部分重要通過大量例題的受力分析和作受力圖過程來指導學生學會對構(gòu)件進行簡化，做受力分析，作受力圖。例題見p13、p14、p17、p18第三章平面力系一、教學目的：工程中最常見的是平面力系，本章要學生理解平面力系的簡化，并根據(jù)平面力系的平衡條件，建立平衡方程，著重討論平衡方程的應(yīng)用和物體系平衡問題的解法。二、教學重要內(nèi)容：本講簡介工程中的平面匯交力系問題，包括其合成的幾何法及幾何條件，解析法及平衡方程的求解。三、重點和難點本章講授的重點是“平面力系的簡化”，“平衡條件確定”“平衡方程求解”。前三點既是本章的重點，也是本章的難點。同步，本章也是剛體靜力分析的重點。四、教學規(guī)定1、掌握平面匯交力系合成的幾何措施和解析措施；2、掌握平面匯交力系平衡方程求解及應(yīng)用。五、教學措施黑板板書、講解。六、思索題與習題P41思索題3-33-63-8習題3-13-23-53-123-143-1平面力系向一點的簡化位于同一平面內(nèi)的諸力其作用線既不匯交于一點，也不互相平行的力系。工程計算中的諸多實際問題都可以簡化為平面一般力系來處理。圖3-1某鋼桁橋梁簡化圖3-1-1力的平移定理作用于剛體上的力可以平行移動到剛體內(nèi)任一指定點，但必須同步附加一種力偶，此附加力偶的矩等于原理對指定點之矩。平面力系向一點簡化的理論基礎(chǔ)是力的平移定理。3-2-1平面力系向一點的簡化設(shè)在某一剛體上作用著平面一般力系F1,F2,…,Fn。顯然像平面匯交力系那樣，用力的平行四邊形法則來合成它很困難。應(yīng)用力線平移定理，將該力系中的各個力逐一向剛體上的某一點O（稱為簡化中心）平移（圖4-8b),再將所得的平面匯交力系和平面力偶系分別合成（圖4-8c)。過程為：合力FR’等于原力系中各力的矢量和，稱為原力系的主矢，力偶矩MO等于原力系中各力對簡化中心之矩的代數(shù)和，稱為原力系對簡化中心O的主矩。3-2-2平面一般力系的三種簡化成果：1.力系簡化為力偶力系合成為一力偶，因此主矩與簡化中心的位置無關(guān)。2.力系簡化為合力FR′就是原力系的合力，合力的作用線通過簡化中心。（1）（2）力系仍可簡化為一種合力，但合力的作用線不通過簡化中心。3.平衡力系合力矩定理：平面一般力系假如有合力，則合力對該力系作用面內(nèi)任一點之矩等于力系中各分力對該點之矩的代數(shù)和。例題p293-2-3靜定與超靜定問題所研究的平衡問題的未知量的數(shù)目等于對應(yīng)獨立平衡方程的數(shù)目,則未知量就可所有由平衡方程求得,此類問題稱為靜定問題.超靜定問題將在第二分冊中研究，因此本學期不作該問題的教學。3-2-4物體系的平衡問題求靜定物體系的平衡問題一般有如下兩種措施:(1)先取整個系統(tǒng)為研究對象,列出平衡方程,求出所有未知量.再取系統(tǒng)中某些物體為研究對象,列出平衡方程,求出所有未知量;(2)逐一取系統(tǒng)中每個物體為研究對象,列出平衡方程,求出所有未知量.本節(jié)重要以講解例題為主,同步加入部分課堂練習及課后練習題.例題講解以教材上例題為主,p32例3-7,例3-8,例3-9.課后部分習題在課堂上練習,并作一定的講解,p42,3-6,p433-12,3-13.3-3考慮摩擦是的平衡問題3-3-1滑動摩擦定律靜摩擦力：將重物放在水平面上，并施加一水平力F，當F較小是，物塊雖有沿水平面滑動的趨勢，但仍保持靜止狀態(tài)，這是由于接觸面間存在一種阻礙物塊華東的力Ff，這個力稱為靜滑動摩擦力。當F增大到某一數(shù)值時，物塊處在將動而未動的臨界平衡狀態(tài)，這是的靜摩擦力到達最大值，稱為最大靜摩擦力Ffmax大量試驗證明，最大靜摩擦力的大小與接觸面間的正壓力FN成正比。Ffmax=fsFN式中：fs為比例常數(shù)，稱為摩擦原因，它的大小與接觸物體的材料，接觸面的粗糙度、濕度、溫度等狀況有關(guān)。動摩擦力：當作用于物塊上的積極力不小于最大靜摩擦力是，物塊將滑動，滑動時接觸面產(chǎn)生阻礙滑動的力，這種阻力稱為動滑動摩擦力，用F’f表達。其大小與量物體間的正壓力成正比。F’f=fFN式中f稱為動摩擦原因3-3-2考慮摩擦時的平衡問題考慮摩擦時的平衡問題，加上靜摩擦力之后，求解同沒有摩擦時的平衡問題同樣，本節(jié)在講解考慮摩擦的平衡問題時同沒有摩擦的平衡問題同樣，通過講解例題。其中例題以教材上的為主，p37例3-10，3-11.3-3-3摩擦角和自鎖現(xiàn)象本節(jié)規(guī)定學生理解摩擦角的概念及自鎖現(xiàn)象。全約束力：假設(shè)放在水平面上的物塊在積極力作用下，有向右滑動的趨勢，水平面作用與物塊的力有法想約束力FN和摩擦力Ff，他們的合力FR稱為全約束力。摩擦角：設(shè)全約束力與法向約束力之間的夾角為φ，當摩擦力Ff到達最大值Ffmax時，角φ也到達它的最大值φf稱為摩擦角。第4章彈性變形體靜力分析基礎(chǔ)一教學目的本章簡介彈性變形體靜力分析中幾種重要的基本概念和措施，規(guī)定學生理解變形固體的基本假設(shè)、內(nèi)力和求內(nèi)力的截面法，對應(yīng)力、變形與應(yīng)變以及胡克定律有所理解；規(guī)定學生對變形形式詳細掌握，以便于下章學習。二、教學重要內(nèi)容：本章開始研究桿件的強度、剛度和穩(wěn)定性計算，重要簡介彈性變形體靜力分析中幾種重要基本概念和措施，包括變形固體的基本假設(shè)、內(nèi)力和求內(nèi)力的截面法、應(yīng)力、變形與應(yīng)變以及胡克定律。對變形形式也作了簡介。三、重點和難點本章講授的重點是“內(nèi)力與應(yīng)力”，“變形與應(yīng)變”“桿件的變形形式”。難點是對內(nèi)力、應(yīng)力及變形的分析。四、教學規(guī)定1、掌握內(nèi)力中應(yīng)力的種類和基本概念；2、掌握桿件變形的幾種形式。五、教學措施黑板板書、講解。六、思索題與習題P564-1p564-14-1變形固體的基本假設(shè)幾種基本概念：彈性變形—在外力撤去后能消失的變形成為彈性變形；塑性變形—在外力撤去后不能消失而遺留下的變形成為塑性變形；完全彈性體—當所受外力不超過一定程度時，絕大多數(shù)工程材料在外力撤去后，其變形可完全消失，具有這種變形性質(zhì)的變形固體稱為完全彈性體；部分彈性體—當外力撤去后，其變形可部分消失，而遺留一部分不能消失變形，這種變形體稱為部分彈性體?；炯僭O(shè)：（1）持續(xù)性假設(shè)：即認為構(gòu)成固體的物質(zhì)毫無間隙地充斥物體的幾何容積；（2）均勻性假設(shè)：即認為固體各部分的力學性能是完全相似的；（3）各向同性假設(shè)：即認為固體沿各個方向的力學性能都是相似的。4-2內(nèi)力與應(yīng)力4-2-1內(nèi)力的概念由于外力作用而引起的構(gòu)件內(nèi)部各部分之間的互相作用力的該變量，稱為內(nèi)力。4-2-2截面法截面法是求構(gòu)件內(nèi)力的基本措施：（1）截開；（2）取出；（3）替代；（5）平衡。該過程通過講解例題，例4-1課后習題4-1.4-2-3應(yīng)力應(yīng)力為在微面積ΔA范圍內(nèi)單位面積上內(nèi)力的平均集度：Pm=ΔF/ΔA一般把應(yīng)力p分解成垂直與截面的法向分量σ和與截面相切的切向分量τ，σ稱為M點處的正應(yīng)力，τ稱為M點處的切應(yīng)力。τ=psinа；σ=pcosа4-3桿件的變形形式1、基本變形（1）軸向拉伸與壓縮：在一對大小相等、方向相反軸向外力作用下，桿件重要發(fā)生沿軸向的伸長與縮短。（2）剪切：在一對很近、大小相等、方向相反的橫向外力作用下，桿件的相鄰橫截面發(fā)生相對錯動。（3）扭轉(zhuǎn)：在一對大小相等、方向相反、作用面垂直與桿軸的外力偶作用下，桿件的任意兩個橫截面發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。（4）彎曲：在一對大小相等、方向相反、作用于通過桿軸平面內(nèi)的外力偶作用下，桿件的軸線變?yōu)榍€。2、組合變形兩種或兩種以上的基本變形的組合，成為組合變形。第5章桿件的內(nèi)力一、教學目的：本章是對桿件進行強度、剛度和穩(wěn)定性計算的基礎(chǔ)，規(guī)定學生掌握桿件在拉壓、扭轉(zhuǎn)以及彎曲時的內(nèi)力計算和內(nèi)力圖的繪制。二、教學重要內(nèi)容：本章的重要內(nèi)容是對桿件在拉壓、扭轉(zhuǎn)時內(nèi)力計算和內(nèi)力圖的繪制，其中內(nèi)力計算和內(nèi)力圖繪制時本章的重點。三教學規(guī)定1、掌握桿件在拉壓、扭轉(zhuǎn)時內(nèi)力的計算；2、掌握軸力圖、扭矩圖、剪力圖及彎矩圖的繪制。四、教學措施黑板板書、講解。六、思索題與習題P725-35-9p745-15-25-35-45-55-65-1桿件拉（壓）時的內(nèi)力1、基本概念：拉（壓）桿—承受軸向拉伸或壓縮的桿件；軸力—內(nèi)力FN的作用線與桿件的軸線重疊，稱為軸力；軸力圖—為了表達軸力隨橫截面位置的變化狀況，用平行于桿軸線的坐標表達橫截面的位置，以垂直于桿軸線的坐標表達軸力的數(shù)值，繪出軸力與橫截面位置關(guān)系的圖線。稱為軸力圖。2、內(nèi)力計算及軸力圖繪制內(nèi)力計算及軸力圖繪制部分通過講解例題與習題練習來指導學生掌握該部分內(nèi)容。注意壓力的指向問題，判斷軸力的正負問題，當軸力的方向與橫截面的外法線一致時，桿件受拉伸長，軸力為正，反之桿件受壓，軸力為負。內(nèi)力計算過程及軸力繪制過程見例5-1及習題5-1.5-2桿件扭轉(zhuǎn)時的內(nèi)力1、外力偶矩的計算外力偶矩計算公式：Me=9549P/n式中：P為傳遞功率；n為軸的轉(zhuǎn)速。2、扭矩與扭矩圖按右手螺旋法則，讓四個指頭與扭矩T的轉(zhuǎn)向一直，大拇指伸出的方向（即扭矩T方向）與截面的外法線方向一致時，T為正，反之為負。扭矩計算及扭矩圖繪制：用截面法計算扭矩，先假設(shè)扭矩為正，然后根據(jù)計算構(gòu)造確定扭矩實際方向，若作用于軸上的外力偶矩多出兩個，也與拉伸問題中繪制軸力圖相仿，以橫坐標表達橫截面的位置、縱坐標表達對應(yīng)橫截面上的扭矩，用圖線來表達各橫截面上扭矩沿軸線變化狀況。詳細操作見例5-2，及對應(yīng)習題。5-3桿件彎曲時的內(nèi)力1、平面彎曲概念梁—以彎曲為重要變形的桿件稱為梁。平面彎曲—假如作用于梁上的所有外力都在縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，則變形后梁的軸線也將在此對稱平面內(nèi)彎曲成一條平面曲線，這種彎曲稱為平面彎曲。為了便于分析計算簡圖，一般對梁自身、荷載和支座進行簡化。根據(jù)支座狀況，靜定梁可分為三種基本形式：懸臂梁、簡支梁、外伸梁（見教材p64圖5-13）2、剪力和彎矩在截面法中截面上必然有內(nèi)力Fs和M，F(xiàn)s和M分別稱為剪力和彎矩。剪力和彎矩正負號規(guī)定：凡剪力對所取微段梁內(nèi)任一點的力矩是順時針轉(zhuǎn)向時為正，反之為負；凡彎矩使所取微段產(chǎn)生上凹下凸彎曲變形的為正，反之為負。剪力和彎矩計算過程見例5-3（p65）。確定梁上橫截面的剪力和彎矩符號：（1）梁任一橫截面上的剪力，其數(shù)值等于該截面的任一邊（左邊或右邊）梁上所有橫向外力的代數(shù)和，截面左邊梁上向上的外力或右邊梁上向下的外力為正，反之為負。（2）梁任一橫截面上的彎矩，其數(shù)值等于該截面的任一邊（左邊或右邊）梁上所有外力對截面形心的力矩代數(shù)和，截面左邊梁上的外力對該截面形心之矩為順時針