工程力学应用（静力学、材料力学）.pdf

国家示范性（骨干）高职院校建设项目成果 高等职业教育教学改革系列规划教材 工程力学应用 （静力学、材料力学）辛 岚 张夕琴 主 编 黄晓萍 副主编 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书是根据高职高专院校工科类教学标准，针对高职高专机械类、建筑类及相关专业“工程力学”课程特点编写的。全书由基础篇、拓展篇和应用篇组成。基础篇主要包括静力学和材料力学，拓展篇的内容适用于参加力学竞赛和对力学兴趣浓厚的学生进一步提高，应用篇为部分“全国高职高专大学生基础力学邀请赛”真题及答案。本书所涵盖的内容以“必需、够用”为度，重点培养学生分析问题和解决实际问题的能力。本书不仅适合高职高专、应用型本科学生使用，也可供成人高校有关师生及参加竞赛的同学参考使用。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 工程力学应用.静力学、材料力学/辛岚，张夕琴主编.北京：电子工业出版社，2017.7 ISBN 978-7-121-31643-2.工 .辛 张 .工程力学高等学校教材静力学高等学校教材材料力学高等学校教材 .TB12O312TB301 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2017）第 118963 号 策划编辑：王艳萍 责任编辑：王艳萍 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：12.5 字数：320 千字 版 次：2017 年 7 月第 1 版 印 次：2017 年 7 月第 1 次印刷 定 价：31.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（010）88254574，。前 言 本书根据高职高专院校工科类教学标准编写，内容以“必需、够用”为度，是编者在教学过程中所积累的经验总结和近年来的教学改革成果。全书由基础篇、拓展篇和应用篇三部分内容组成。全书内容由浅入深，循序渐进，符合学生的认知规律。基础篇适用于 4856 课时的基本教学；拓展篇的内容根据“全国高职高专大学生基础力学邀请赛”（即江苏省大学生“高职组”力学竞赛，中国力学学会教育工作委员会主办）的考纲编写，适用于参加力学竞赛和对力学兴趣浓厚的学生进一步提高；应用篇则是部分“全国高职高专大学生基础力学邀请赛”的真题，适用于学生竞赛前的实战演练或对知识学习的检验。本书主要有以下特点：（1）本书在编写过程中力求针对高职高专院校力学课程教学的特点，基础篇部分以项目形式编写，体现任务驱动的教学理念。为避免项目教材中理论知识系统性的欠缺，在每个项目前编绘了知识分布网络图，使读者对该项目涵盖的知识脉络一目了然。（2）本书在编写过程中紧密结合工程实践，突出工程观念的培养和力学在工程实际中的应用；力求概念清楚，重点突出，叙述简明，易学易懂，在兼顾理论严密性的同时，重点培养学生分析问题和解决实际问题的能力。（3）本书内容简洁实用，删除了繁杂的理论推导，注重实用性，便于培养学生理论联系实际的能力。为便于学生复习掌握每章节的基本知识和基本技能，培养分析问题和解决问题的能力，本书每个项目后面都进行了内容小结，并给出了一定的练习题，不同专业学生可以根据具体情况选用。（4）本书为 11 个重点、难点知识点配备了微课，可通过扫描二维码的方式进行学习。全书由常州机电职业技术学院辛岚、张夕琴担任主编，南京机电职业技术学院黄晓萍担任副主编。辛岚负责编写基础篇中项目 1 的 1.1、1.2，项目 3，项目 4 的 4.1 及拓展篇；张夕琴负责编写基础篇中项目 1 的 1.3，项目 4 的 4.2、4.3，黄晓萍负责编写项目 2、应用篇及附录 A，感谢张吉玲、陈秀珍、孙立芸等在编写中给予的支持与帮助。全书由辛岚统稿并制作了微课。本书配有免费的电子教学课件和习题答案，请有需要的教师登录华信教育资源网（）免费注册后下载，如果有问题请在网站留言或与作者联系（E-mail:）。由于编者水平有限，书中难免会有疏漏之处，恳请各位同行和广大读者批评指正。编 者 V 目 录 一 基础篇 项目 1 吊装减速器绳索的受力分析（1）任务 1.1 确定吊装结构的约束形式与受力（2）1.1.1 静力学引言（3）1.1.2 静力学的基本概念（3）1.1.3 约束与约束力（5）任务 1.2 绘制吊装结构的受力图（8）1.2.1 受力分析与受力图（9）1.2.2 受力图的画法（9）任务 1.3 校核吊装结构的受力情况（11）1.3.1 平面特殊力系的平衡方程及应用（12）1.3.2 平面任意力系的平衡方程及应用（22）1.3.3 物体系统的平衡、静定与静不定的概念（26）思考题（29）习题（30）项目 2 起重吊钩尾部螺栓的强度校核（34）任务 2.1 绘制螺栓的轴力图（35）2.1.1 材料力学引言（36）2.1.2 轴向拉伸与压缩的概念（37）2.1.3 轴向拉伸与压缩时的内力轴力（38）任务 2.2 螺栓的强度计算（39）2.2.1 轴向拉伸与压缩时的横截面上的应力（40）2.2.2 轴向拉伸与压缩时的变形胡克定律（42）2.2.3 材料在拉伸与压缩时的力学性能（44）2.2.4 轴向拉伸与压缩时杆件的强度计算（48）思考题（51）习题（52）项目 3 起重吊钩销钉的直径设计（54）3.1 剪切与挤压的概念（56）3.2 剪切与挤压的实用计算（57）思考题（59）习题（60）项目 4 减速器输出轴的强度校核（62）任务 4.1 输出轴受扭分析（64）VI 4.1.1 圆轴扭转概念（65）4.1.2 圆轴扭转时横截面上的内力（65）4.1.3 圆轴扭转时的应力与变形（67）4.1.4 圆轴扭转时的强度和刚度计算（70）任务 4.2 输出轴受弯分析（72）4.2.1 直梁弯曲（74）4.2.2 梁弯曲时横截面上的内力剪力和弯矩（75）4.2.3 梁弯曲时横截面上的正应力（82）4.2.4 梁弯曲时的强度计算（85）4.2.5 提高梁弯曲强度的措施（89）任务 4.3 输出轴弯扭组合变形分析（92）4.3.1 拉伸（压缩）与弯曲组合变形的强度计算（92）4.3.2 弯曲与扭转组合变形的强度计算（94）思考题（98）习题（98）部分习题参考答案（102）二 拓展篇 拓展知识 1 平面简单桁架的内力计算（103）习题（107）拓展知识 2 考虑摩擦时的平衡问题（109）习题（113）拓展知识 3 物体的重心（116）习题（120）拓展知识 4 斜截面上的应力、切应力互等定律（122）习题（125）拓展知识 5 截面的几何性质（126）习题（132）拓展知识 6 梁的变形及提高梁弯曲刚度的措施（134）习题（141）拓展知识 7 斜弯曲变形（143）习题（145）拓展知识 8 拉伸（压缩）超静定问题（147）习题（153）三 应用篇 第七届江苏省大学生力学竞赛（专科组）试卷（155）第八届江苏省大学生力学竞赛（专科组）试卷（159）第九届江苏省大学生力学竞赛（专科组）试卷（163）参考答案及评分标准（167）附录 A 常用型钢规格表（176）1 项目 1 吊装减速器绳索的受力分析 一 基 础 篇 项目 1 吊装减速器绳索的受力分析 知识分布网络图 学习目标 1了解约束的种类及其特点；2掌握受力分析，会画受力图；3能将简单的工程问题抽象为力学问题进行分析。学习任务 永进机械厂设计处接到任务，要对一台减速器的吊装及其关键组件进行检测。根据分工，2 工程力学应用（静力学、材料力学）设计一室需对图 1-1-1 所示吊装结构的受力情况进行分析检测。图 1-1-1 减速器的吊装 任务分析 通过对吊装减速器结构的观察可知，起吊减速器使用的是金属链条。起吊后，链条需要承受因减速器重量所产生的力的作用，才能成功实施吊装工作。此工作过程属于静力学范畴。经研究，工作过程如下：（1）确定该吊装结构的约束形式；（2）对吊装结构进行受力分析并画出受力图；（3）校核此次起吊工作能否完成。任务 1.1 确定吊装结构的约束形式与受力 学习目标 1能区分不同约束形式；2掌握各种约束力的特点；3进行吊装结构的受力分析，给出结论。学习任务 任务呈现：如图 1-1-1 所示实施起吊减速器工作，试确定吊装结构的约束形式。任务分析 链条对减速器的约束力作用在链条与箱盖的接触点上，方向沿链条的中心线，其指向背 3 项目 1 吊装减速器绳索的受力分析 离受力体。此约束形式属于柔索约束。1.1.1 静力学引言 工程静力学研究的是刚体在力系作用下的平衡规律。它包括确定研究对象、进行受力分析、简化力系、建立平衡条件及求解未知量等内容。1刚体 所谓刚体，就是在力的作用下大小和形状都不变的物体。刚体是静力学中对物体进行分析简化得到的力学模型，是一种理想化的模型。2平衡 所谓平衡，是指物体保持静止或做匀速直线运动的状态，是物体各种运动状态中的特殊情形，是相对的。3力系 力系是指作用在物体上的一群力。如果力系可使物体处于平衡状态，则称这个力系为平衡力系；两个效应相等的力系称为等效力系；若一个力与一个力系等效，则该力称为力系的合力，力系中的每个力就称为力系的分力。1.1.2 静力学的基本概念 1力的概念 力的概念来自于实践，人们在劳动或日常生活中推、拉、提、举物体时，肌肉有紧张感，逐渐产生了对力的感性认识。大量的感性认识经过科学的抽象，并加以概括，形成了力的概念。力是物体之间的相互机械作用。这种作用对物体产生两种效应，即引起物体机械运动状态的变化或使物体产生变形。前者称为力的外效应或运动效应，是静力学和运动力学研究的内容；后者称为力的内效应或变形效应，属于材料力学的研究范围。力的作用离不开物体，因此谈到力时，必须指明相互作用的两个物体，并且要根据研究对象的不同来明确受力体和施力体。实践证明，力对物体的作用效应取决于力的大小、方向和作用点，这三个因素称为力的三要素。当这三个要素中有任何一个改变时，力的作用效应也将改变。为了表示力的大小，必须确定力的单位。本书采用国际单位制（SI），以“牛顿”作为力的单位，记做“N”；有时也以“千牛顿”作为单位，记做“kN”。2力的表示法 力是一种有大小和方向的量，又满足平行四边形计算法则，所以力是矢量（简称力矢）。如图 1-1-2 所示，力常用一带箭头的线段表示，线段长度 AB 按一定比例表示力的大小；线段的方位和箭头的指向表示力的方向；线段的起点（或终点）表示力的作用点；与线段重合的直线称为力的作用线。本书中，矢量用黑体字母表示，如 F；力的大小是标量，用一般字母表示，如 F。4 工程力学应用（静力学、材料力学）3静力学的基本公理 公理 1二力平衡公理 刚体上仅受两力作用而平衡的必要与充分条件：此两力必须等值、反向、共线，即 F1=-F2，如图 1-1-3 所示。这一性质揭示了作用于刚体上最简单的力系平衡时所必须满足的条件。工程上常将只受两个力作用而平衡的构件称为二力构件。根据公理 1，二力构件上的两力必沿两力作用点的连线，且等值、反向。图 1-1-2 力的表示形式 图 1-1-3 二力平衡公理 公理 2加减平衡力系公理 在已知力系上，加上或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。推论 1 力的可传性：作用在刚体上的某力可沿其作用线移动到该刚体上任一点而不改变此力对刚体的作用效应。证明：设力 F 作用于刚体上的 A 点，如图 1-1-4（a）所示，在其作用线上任取一点 B，并在 B 点处添加一对平衡力 F1和 F2，使 F、F1、F2共线，且 F2=-F1=F，如图 1-1-4（b）所示。根据公理 2，将 F、F1所组成的平衡力系去掉，刚体上仅剩下 F2，且 F2=F，如图 1-1-4（c）所示，由此得证。图 1-1-4 力的可传性 力的可传性说明，对刚体而言