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1、1,主 讲:谭宁 副教授办公室:教1楼北305,工程力学,2,3.平面力系的平衡问题,平面力系平衡方程,刚体系统的平衡,静定、静不定问题,作业题,3,平面力系向作用面内任选一点O简化,一般可得一个力和一个力偶,这个力等于该力系的主矢,作用于简化中心 O;这个力偶的矩等于该力系对于O点的主矩。,得到平面力系平衡的充分必要条件是:,主矢,主矩,平面任意力系平衡方程,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,4,充分性:当 时,表明作用于简化中心O的汇交力系是平衡力系;附加力偶系亦是平衡力系,故原力系平衡。,根据力系的简化结果可知道,此时原力系可简化为一个力偶或一个力,与“假设原力系平衡”的前提条件
2、不符,故只有 均为零,原力系才能平衡。,必要性:当原力系平衡时,我们用反设法说明。假设 有一个不为零,即,平面任意力系平衡方程,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,5,平衡条件的解析式:,上面的方程式是力系平衡的充分必要条件,也称为平衡方程的基本方程。,有三个方程,可解三个未知量。,平衡条件的矢量式:,平面任意力系平衡方程,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,平衡方程基本形式,6,二矩式,x轴不得垂直于A、B的连线。,(3)又若该力系又同时满足,而x轴不得垂直于AB连线时,显然力系不可能有合力。这就表明,只要满足以上三个方程及附加条件,该力系必平衡,(1)若力系已满足了,则表明力系
3、不可能简化为一力偶,只可能是作用线通过A点的一个合力,或者是平衡。,(2)若该力系同时满足,则该力系合成结果或者是作用线通过A、B两点的一个合力,或者是平衡。,平面任意力系平衡方程,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,平衡方程其他形式,7,平面任意力系平衡方程,三矩式,A、B、C三点不得共线。,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,平衡方程其他形式,为什么呢?,8,平面平行力系的平衡方程,此时,自然满足。则平面平行力系平衡方程为,只有两个方程,可解两个未知量。,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,思考:是否还有其它的形式?,9,平面汇交力系的平衡方程,各力汇交于一点A,自然满足
4、。则平面汇交力系平衡方程为,只有两个方程,可解两个未知量。,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,思考:是否还有其它的形式?,10,平面力偶系的平衡方程,显然,关于力平衡的方程自然满足。,只有一个方程,可解一个未知量。,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,11,平面任意力系平衡方程,1根据问题条件和要求,选取研究对象。,2分析研究对象的受力情况,画受力图。画出研究对象所受的全部主动力和约束力。,3根据受力类型列写平衡方程。平面一般力系只有三个独立平衡方程。为计算简捷,应选取适当的坐标系和矩心,以使方程中未知量最少。,4求解。校核和讨论计算结果。,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问
5、题,求解步骤:,12,例1:一种车载式起重机,车重P1=26 kN,起重机伸臂重P2=4.5 kN,起重机的旋转与固定部分共重P3=31 kN。尺寸如图所示。设伸臂在起重机对称面内,且放在图示位置,试求车子不致翻倒的最大起吊重量Pmax。,应用举例,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,13,解:取汽车及起重机为研究对象,受力分析如图。,不翻倒的条件是:FA0。,因此,得到,应用举例,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,列平衡方程如下:,14,例2:如图所示是汽车制动机构的一部分。已知司机踩到制动蹬上的力F=212 N,=45。当平衡时,DA铅直,BC水平,试求拉杆BC所受的力。已知
6、EA=24 cm,DE=6 cm点E在铅直线DA上,又B,C,D都是光滑铰链,机构的自重不计。,应用举例,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,15,解:(1).取制动蹬ABD作为研究对象,画出受力图。,(2)列平衡方程,应用三力平衡汇交的条件得到,应用举例,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,16,应用举例,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,17,解:(1)取AB梁,画受力图.,此处,把分布力简化成集中力Q,作用在D点,应用举例,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,18,应用举例,(2)列平衡方程,平面力系平衡方程,3.平面力系的平衡问题,19,刚体系统平衡:是指组成
7、该系统的每一个刚体都处于平衡状态。,外力:外界物体作用于刚体系统上的力称为外力。,内力:系统内部各个刚体之间的相互作用力称为内力。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,刚体系统:由若干个刚体连接而成的系统。,20,对于系统整体画受力图,图上展示的仅是外力;当取系统中的某一部分为研究对象时,此时,该部分与系统其他部分之间的作用力(本来是内力)也变成了作用在该部分上的外力。因此,对不同的研究对象而言,外力、内力是相对的。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,注意!,21,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,系统平衡的特点:,系统整体是平衡的;,物系中每个单体也是平衡的。每个单体可列3个
8、平衡方程,整个系统可列3n个方程(设物系中有n个物体,每个物体都受有平面一般力系作用),由n个刚体组成的物系,其中n1个刚体为二力体或受有平面力偶系作用,n2个刚体受有平面汇交力系或平行力系作用,n3个刚体受有平面一般力系作用,且:n=n1+n2+n3,则整个系统可列出m个独立的平衡方程,且 m=n1+2n2+3n3,可求解m个未知量。,22,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,分析方法:,先以系统整体为研究对象,列出平衡方程,这样的方程中不包含内力,未知量较少,解出部分未知量后,再选择合适的单个物体为研究对象,列出平衡方程,直到求出所有的未知量为止。,整体,局部,以系统的每一个物体为研究
9、对象,列出全部的平衡方程,然后求解。,求解刚体系统的平衡问题,主要依据前面给出的平衡理论。,23,研究刚体系统的平衡问题需要注意以下几点:,分清内力和外力。灵活选取研究对象和列写平衡方程。如系统由n个物体组成,而每个物体在平面力系作用下平衡,则有3n个独立的平衡方程,可解3n个未知量。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,24,已知:a、P、Q。求A、B 的约束反力。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,例一,25,解:(1)考虑整体,受力如图所示,,列平衡方程如下:,(2)考虑左半部,受力分析如图,4个方程,4个未知量,可解。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,这里不需列全部方
10、程,只需有针对性地列出必要的方程!,26,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,27,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,求解方法二,(1)选取研究对象:左刚架,受力分析如图所示。,列平衡方程:,28,(1)选取研究对象:右刚架,受力分析如图所示。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,求解方法二,列平衡方程:,6个方程可解出6个未知量,思考:法一和法二的不同之处在哪里?哪种方法简单?总结两种方法的特点。,29,图示结构,Fp和 l 均已知,分别求两种情况下的约束力。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,例二,30,MA(F)=0:,FBC d-FP 2l=0,解:该系统中,BC为
11、二力杆。以AB为研究对象,作出受力图,Fy=0:,FAy-FP+FBC sin45=0,FAy=-FP,Fx=0:,FAx+FBCcos=0,FAx=-2FP,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,31,解:以整体为研究对象,作出受力图,列平衡方程,此时AB为二力杆。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,正确识别出二力杆,对解题有很大帮助。,32,已知:四连杆机构ABCD 受力P、Q 作用。求:机构平衡时P、Q 的关系。,例三,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,33,解:以整体为研究对象,受力分析如图所示。,列平衡方程,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,AD、BC均为二力杆,
12、34,A,B,C,D处均为光滑铰链,物块重为P,通过绳子绕过滑轮水平地连接于杆AB的E点,各构件自重不计,试求B处的约束力。,P,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,例四,35,解:取整体为研究对象。受力分析如图。,列平衡方程,解得,P,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,36,再取杆AB为研究对象,受力分析如图。,列平衡方程,联立求解可得,P,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,FE=P,37,结构由杆AB与BC在B处铰接而成。结构A处为固定端,C处为辊轴支座。结构在DE段承受均布载荷作用,载荷集度为q;E处作用有外加力偶,其力偶矩为M。若q、l、M等均为已知,试求A、C二处的约
13、束力。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,例五,38,解:以整体为研究对象,受力如图:,分布力化成了集中力Q,且Q=2ql,作用在B点。,列平衡方程,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,39,以BC杆为研究对象,从铰链B处把BC取出来,则BC杆必然受到铰链的作用力,如图:,把分布力化为集中力P,P=ql,作用在G处。得到BC杆的受力图:,列平衡方程,解得,G,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,40,例六,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,平面结构如图所示,不计各杆自重。,已知:,试求:支座A、C处的约束反力,41,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,解:先取ED为研究
14、对象,受力如图。,列平衡方程,42,(2)取EDCB组合体为研究对象,画受力图,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,列平衡方程,思考:怎么列方程简单?,分布力化成了集中力Q,43,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,(3)取整体为研究对象,画出受力图,列平衡方程,求解出FAX、FAY、MA,思考:该题还可以怎么做?,44,齿轮传动机构如图所示。齿轮的半径为r,自重P1。齿轮的半径为R=2r,其上固定一半径为r的塔轮,轮与共重为P2=2P1。齿轮压力角为=20,被提升的物体C重为P=20P1。求:(1)保持物C匀速上升时,作用于轮上力偶的矩M;(2)光滑轴承A,B的约束力。,刚体系统的平
15、衡,3.平面力系的平衡问题,例七,45,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,齿轮某一特定圆上的比值p/和压力角都定为标准值,这个圆称为分度圆,直径用d表示.,压力角啮合力与齿轮分度圆切线的夹角,标准值为20。,相邻两齿同侧齿廓间的弧长称为该圆的齿距p,46,压力角啮合力与齿轮分度圆切线的夹角,标准值为20。,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,47,解:(1).取,轮及重物为研究对象,受力分析如图所示。,列平衡方程,解得,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,48,2.再取轮为研究对象,受力分析如图所示。,列平衡方程,解得,刚体系统的平衡,3.平面力系的平衡问题,49,前面讨论了平面
16、问题中几种力系的平衡问题。注意到:,平面任意力系有3个,,平面力偶系只有1个。,平面汇交力系和平面平行力系各有2个,,因此,对于每一种力系,能求解的未知数的数目也是一定的。,若系统中的未知约束力数目恰好等于独立平衡方程的数目,则这些未知数就可全部由平衡方程求出,这类问题称为静定问题。,若未知约束力的数目多于独立平衡方程的数目,仅仅用刚体静力学平衡方程不能全部求出那些未知数,这类问题称为超静定(或静不定)问题。,静定、静不定问题,3.平面力系的平衡问题,50,图(a),(c)均为静定问题;而图(b),(d)均为超静定问题。,(a),(b),(c),(d),静定、静不定问题,3.平面力系的平衡问题
17、,51,判断下面结构是否静定?,否,是,否,静定、静不定问题,3.平面力系的平衡问题,思考,52,静定、静不定问题,3.平面力系的平衡问题,思考,判断下面结构是否静定?,53,需要指出的是,超静定问题并不是不能求解的问题,而只是不能仅仅用静力学平衡方程来解决的问题。如果考虑到物体受力后的变形,在平衡方程外,加上足够的补充方程也可求出全部未知约束力。这将在材料力学、结构力学等课程中加以研究。,工程上很多结构都是超静定的。由于结构增加了多余约束后,使结构具有更大的刚度,更经济地利用材料,使安全更可靠。,静定、静不定问题,3.平面力系的平衡问题,54,本章小结,3.平面力系的平衡问题,(1)平面力系是静力学的重点内容,要特别注意研究方法和解题技巧及步骤.在解系统平衡问题时,通常需按题意考虑选取整个体系,或选取体系中某几个物体组成的(子)体系,或选取体系中的单个物体为研究对象。注意每个研究对象的受力图应分别画出,不应混在一张图上画。,(3)列平衡方程时,总是希望一个方程式中只含一个未知量,这样既能迅速解出未知量,又不致因计算差错而相互影响。因此,应根据具体情况灵活选择平衡方程的形式以及投影轴和矩心。,(2)平面力系平衡方程的三种形式。,55,3.平面力系的平衡问题,