簡介:,平面任意力系各力的作用線位于同一平面內(nèi),但既不匯交于一點又不相互平行的力系叫平面任意力系。,研究方法,平面任意力系未知,平面匯交力系已知,,,平面力偶系已知,§4–1力的平移,定理作用在剛體上的力可以平行移動到剛體上的任一點而不改變其對剛體的作用效應,但必須同時附加一個力偶,其力偶矩等于原來的力對新的作用點的力矩。,,,∴,,,平移,等效,可知平移時力的大小、方向不變,M隨平移點的位置而變。,∴,,平移,,§4–2平面任意力系向一點簡化,一、平面任意力系向一點簡化,平面任意力系,平面匯交力系,平面力偶系,平面匯交力系合力,平面力偶系合力偶矩,MO,的作用線過O點,稱為平面任意力系的主矢。,稱MO為平面任意力系對簡化中心O點的主矩。,,平面任意力系,平面匯交力系,平面力偶系,平面匯交力系合力,平面力偶系合力偶矩,MO,結論平面任意力系向一點簡化,可得到一個力和一個力偶,這個力等于該力系的主矢,力的作用線通過簡化中心O點,這個力偶的力偶矩等于該力系對簡化中心O點的主矩。,可知O點位置不同時,主矢不變,主矩MO不同。,,,,MO,取坐標系OXY,則,,O,主矢的解析式,,對O點主矩的解析式,,固定端插入端的約束力,如,雨棚,車刀,,,認為固定端受一平面任意力系作用;,將平面任意力系向A點簡化,得,一力,一力偶MA,,限制物體移動。,限制物體轉動。,固定端約束力,二、平面任意力系簡化的最后結果,簡化結果,1平面任意力系簡化為一個力偶,若,此時原力系簡化為一力偶,其力偶矩為,且為一常量。,即MO與O點位置無關力偶對平面內(nèi)任一點的矩都相同。,2平面任意力系簡化為一個合力,若,合力的作用線過O點。,原力系簡化為一合力,且,若,原力系簡化為一力,一力偶,可進一步簡化為一力。,MO,,作用線通過A點,,,,3平面任意力系平衡的情形,若,則平面任意力系平衡。,MOFRD,§4–3平面任意力系的平衡條件,一、平面任意力系平衡方程的基本形式,簡化結果主矢,主矩MO,若時,力系向其他點簡化也均為零,,力系一定平衡充分性;,反之,若要力系平衡,、MO必須為零必要性。,∴平面任意力系的平衡條件、MO均為零。,即,,而,∴得平衡方程,,力系各力在X軸上投影的代數(shù)和為零;,力系各力在Y軸上投影的代數(shù)和為零;,力系各力對任一點之矩的代數(shù)和為零。,二、平面任意力系平衡方程的二力矩形式與三力矩形式,其中A、B為任意兩點,但A、B連線不得垂直于X軸或Y軸。,,1二力矩形式,2三力矩形式,,其中A、B、C為任意三點,但A、B、C三點不得共線。,當平面任意力系平衡方程用于平面匯交力系時,,對力系匯交點總有,∴只需,當平面任意力系平衡方程用于平面力偶系時,總有,∴只需,三、平面平行力系的平衡條件,平面平行力系力系中各力作用線位于同一平面且相互平行。,設力系各力平于Y軸,即總有,∴只需,可求解二各未知量。,則各力在X軸上的投影均為零,,,也可用二力矩形式,其中A、B連線不得與各力平行。,,,例1支架的橫梁AB與斜桿DC彼此以鉸鏈C連接,并各以鉸鏈A、D連接于鉛直墻上,如圖所示。已知桿ACCB,桿DC與水平線成45o角;載荷F10KN,作用于B處。設梁和桿的重量忽略不計,求鉸鏈A的約束力和桿DC所受的力。,1取AB桿為研究對象;,3選坐標系,列平衡方程,解,2作受力圖;,SFX0FAXFCCOS45o0,SFY0FAYFCSIN45o–F0,SMAF0FCCOS45oL–F2L0,4求解,FC2828KN,FAX–20KN,FAY–10KN,,例2伸臂式起重機如圖所示,勻質伸臂AB重P2200N,吊車D、E連同吊起重物各重F1F24000N。已知L43M,A15M,B09M,C015M,A25o。試求A處的約束力,以及拉索BH的拉力。,解,1取伸臂AB為研究對象,2受力分析如圖,3選如圖坐標系,列平衡方程,SFX0FAX–FBCOSA0,SFY0FAY–F1–P–F2FBSINA0,SMAF0,4聯(lián)立求解,FB12456NFAX11290NFAY4936N,例3外伸梁的尺寸及載荷如圖所示,F(xiàn)12KN,F(xiàn)215KN,M12KNM,L115M,L225M。試求支座A及支座B的約束力。,1取梁為研究對象,解,2受力分析如圖,3選坐標系,列平衡方程,SFX0FAX–F2COS60o0,SFY0FAYFB–F1–F2SIN60o0,SMAF0,FBL2–M–F1L1–F2SIN60oL1L20,4求解,FB356KNFAX075KNFAY–0261KN,例4如圖所示為一懸臂梁,A為固定端,設梁上受分布集度為Q的均布載荷作用,在自由端B受一集中力F和一力偶M作用,梁的跨度為L。試求固定端的約束力。,2受力分析如圖,1取梁為研究對象,解,3選坐標系,列平衡方程,SFX0FAX–FCOS45o0,SFY0FAY–QL–FSIN45o0,SMAF0,MA–QLL/2–FCOS45oLM0,4求解,FAX0707FFAYQL0707F,解,1取梁AB為研究對象,2受力分析如圖,其中FQAB300N,作用在AB的中點C處。,3選坐標系,列平衡方程。,SFX0FAX0,SFY0FAY–FFD0,SMAF0,例5梁AB上受到一個均布載荷和一個力偶作用,已知載荷集度即梁的每單位長度上所受的力Q100N/M,力偶矩M500NM。長度AB3M,DB1M。試求活動鉸支座D和固定鉸支座A的約束力。,例5梁AB上受到一個均布載荷和一個力偶作用,已知載荷集度即梁的每單位長度上所受的力Q100N/M,力偶矩M500NM。長度AB3M,DB1M。試求活動鉸支座D和固定鉸支座A的約束力。,3選坐標系,列平衡方程。,SFX0FAX0,SFY0FAY–FFD0,SMAF0,4聯(lián)立求解,FD475NFAX0FAY–175N,例6某飛機的單支機翼重G78KN。飛機水平勻速直線飛行時,作用在機翼上的升力F27KN,力的作用線位置如圖示,其中尺寸單位是MM。試求機翼與機身連接處的約束力。,解,1取機翼為研究對象,2受力分析如圖,3選坐標系,列平衡方程。,SFX0FAX0,SFY0FAY–GF0,SMAF0,4聯(lián)立求解,FAX0NFAY192KNMA386KNM順時針),例7塔式起重機如圖所示。機架重G1700KN,作用線通過塔架的中心。最大起重量G2200KN,最大懸臂長為12M,軌道AB的間距為4M。平衡荷重G3到機身中心線距離為6M。試問1保證起重機在滿載和空載時都不翻倒,求平衡荷重G3應為多少2若平衡荷重G3180KN,求滿載時軌道A,B給起重機輪子的約束力,解,1取起重機為研究對象,2受力分析如圖,SMBF0,3列平衡方程,SMAF0,G362G12–G2122–FA40,G36–2–G12–G2122FB40,4起重機不翻倒時平衡荷重G3,1滿載時G2200KN不繞B點翻倒,應有FA≥0,即,臨界情況下為FA0,可得G3MIN,8G3MIN2G1–10G20,∴G3MIN75KN,2空載時G20不繞A點翻倒,應有FB≥0,即,臨界情況下為FB0,可得G3MAX,2G1–4G3MAX0,∴G3MAX350KN,∴有75KN<G3<350KN,5取G3180KN,求滿載G2200KN時軌道A,B對起重機的約束力FA、FB。,210KN,870KN,§4–5靜定與靜不定問題的概念,匯交力系,未知力數(shù),平衡方程,平行力系,未知力數(shù),平衡方程,F1、F2,FA、FB,任意力系,未知力數(shù),平衡方程,FAX、FAY、MA,靜定問題未知力數(shù)≤靜力平衡方程數(shù),匯交力系,未知力數(shù),平衡方程,平行力系,未知力數(shù),平衡方程,、F3,、FC,F1、F2,FA、FB,任意力系,未知力數(shù),平衡方程,FAX、FAY、MA,、FB,,,在靜定問題上再加上多余約束,則成為靜不定問題。,此時僅由靜力平衡方程不能求解全部未知量。,靜不定問題超靜定問題未知力數(shù)靜力平衡方程數(shù),須建立補充方程求解,在材料力學中研究。,注意實際中多余約束可提高結構的強度、剛度、穩(wěn)定性,并不多余。多余約束只是針對結構平衡而言是多余的。,,,如,物系外力物系外其他物體對物系的作用力叫物系外力。,剛體系由若干個剛體通過約束所組成的系統(tǒng)。又稱為物系。,§4–4剛體系的平衡,物系內(nèi)力物系內(nèi)部各物體之間的相互作用力叫物系內(nèi)力。,如主動力、約束力。,如左圖中AC桿與CE桿在C鉸鏈處的相互作用力。,物系平衡的特點,①物系靜止,②物系平衡時,其中每一物體也處于平衡狀態(tài),滿足各自的平衡條件。,③對每一物體都可列出相應的獨立平衡方程,其總和即為物系具有的獨立平衡方程的數(shù)目。,設物系由N個物體組成,每個物體均受平面任意力系作用,其平衡方程數(shù)為3,則物系的獨立平衡方程數(shù)為3N個,可求解3N個未知量。,當物系中某些物體受平面匯交力系或平面平行力系作用時,其平衡方程數(shù)應相應減少。,若物系未知量數(shù)不多于物系的獨立平衡方程數(shù)時,為靜定問題,否則為靜不定問題。,未知力數(shù),平衡方程數(shù)326,FAX、FAY、MA、FCX、FCY、FB,未知力數(shù),∴為靜定問題。,FAX、FAY、MA、FCX、FCY、FBX、FBY,平衡方程數(shù)326,∴為靜不定問題。,對靜定問題,可列出每一物體的平衡方程,再組成方程組聯(lián)立求解,但常要進行較繁的數(shù)學運算。,在解題時,若能選取適當?shù)难芯繉ο?,列出必須足夠的平衡方程,可使運算過程簡便。,求解物系平衡問題的一般方法,例7如圖所示為曲軸沖床簡圖,由輪I,連桿AB和沖頭B組成。A,B兩處為鉸鏈連接。OAR,ABL。如忽略摩擦和物體的自重,當OA在水平位置,沖壓力為F時系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。求1作用在輪I上的力偶矩M的大小;2軸承O處的約束反力;3連桿AB受的力;4沖頭給導軌的側壓力。,解,1取沖頭為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,求解得,2取輪I為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,求解得,例8三鉸拱橋及尺寸如圖所示,由左右兩段用鉸鏈C連接,又用鉸鏈A,B與基礎相連接。已知每段重G40KN,重心分別在D,E處,且橋面受一集中載荷F10KN。設各鉸鏈都是光滑的,試求平衡時各鉸鏈中的力。,解,1取AC段為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,SFX0FAX–FCX0,SFY0FAY–G–FCY0,SMCF0,FAX6–FAY6G50,2取BC段為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,SFX0FBXFCX0,SFY0FBYFCY–G–F0,SMCF0,FBX6FBY6–F3–G50,列平衡方程,SFX0FAX–FCX0,SFY0FAY–G–FCY0,SMCF0,FAX6–FAY6G50,列平衡方程,SFX0FBXFCX0,SFY0FBYFCY–G–F0,SMCF0,FBX6FBY6–F3–G50,聯(lián)立求解得,FAXFBXFCX917KN,FAY425KNFBY475KNFCY25KN,此時求解過程較繁。,若先取整體為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,SFX0FAXFBX0,SFY0FAYFBY–G–G–F0,SMAF0,FBY12–F9–G1–G110,再取BC段為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,SFX0FBXFCX0,SFY0FBYFCY–G–F0,SMCF0,FBX6FBY6–F3–G50,∴FBY475KN,FAY425KN,FBX917KN,FCX917KN,FCY25KN,FAX917KN,例9組合梁AC和CE用鉸鏈C相連,A端為固定端,E端為活動鉸鏈支座。受力如圖所示。已知L8M,F(xiàn)5KN,均布載荷集度Q25KN/M,力偶矩的大小M5KNM。試求固定端A,鉸鏈C和支座E處的約束力。,解,1取CE段為研究對象,2受力分析如圖,3列平衡方程,SFY0,SMCF0,4聯(lián)立求解,FE25KN,F(xiàn)C25KN,6列平衡方程,SFY0,SMAF0,7聯(lián)立求解,FA125KN,MA30KNM,5取AC段為研究對象,受力分析如圖,例10剛架結構的尺寸和載荷如圖所示。試求A,B支座及C鉸鏈處的約束力。,解,1取剛架整體為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,SFX0FAXFBXQB0,SFY0FAYFBY–G0,SMBF0,求解得,2取剛架左半部為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,SFX0FAXFCXQB0,SFY0FAYFCY0,SMCF0,求解得,一、力的平移定理,1一力偶,二、平面任意力系向一點簡化的最后結果,本章小結,平面任意力系習題課,是力系簡化的理論基礎。,,平移,,2一合力,3平衡,基本形式,A、B連線不得⊥X軸,A、B、C不得共線,三、平面一般力系的平衡方程,平面平行力系的平衡方程,A、B連線不得與各力平行,二力矩形式,三力矩形式,二力矩形式,若力系各力平于Y軸,平面匯交力系的平衡方程,平面力偶系的平衡方程,四、靜定與靜不定問題的概念,五、物系平衡問題,靜不定問題未知力數(shù)獨立的靜力平衡方程數(shù),靜定問題未知力數(shù)≤獨立的靜力平衡方程數(shù),物系平衡時,其中每一物體也處于平衡狀態(tài)。,求解物系平衡問題的一般方法,六、解題步驟與技巧,1解題步驟①選研究對象②畫受力圖(受力分析)③選坐標、取矩心、列平衡方程④求解未知數(shù),2解題技巧與注意事項①選研究對象應能應聯(lián)系已知力和未知力;②不要漏掉固定端約束處的約束力偶;③選坐標軸最好與未知力⊥或∥,取矩心最好選在未知力的匯交點上;④充分發(fā)揮二力桿的直觀性;⑤靈活使用合力矩定理;⑥力偶矩M常數(shù),它對任一點之矩都相等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,G2,FA,G1,G3,,,,,G,FB,B,30M,25M,,18M,,,,,20M,,例11一車載式起重機,車重G126KN,起重機伸臂重G245KN,起重機的旋轉與固定部分共重G331KN。尺寸如圖所示。設伸臂在起重機對稱面內(nèi),且放在圖示位置。試求車子不致翻倒的最大起吊重量GMAX。,八、例題分析,G,解,1取汽車及起重機為研究對象,2受力分析如圖,3選坐標系,列平衡方程,SFY0,FAFB–G–G1–G2–G30,SMBF0,4聯(lián)立求解,5由不翻倒的條件FA≥0,得,∴最大起吊重量為GMAX75KN,,例12A,B,C,D處均為光滑鉸鏈,物塊重為G,通過繩子繞過滑輪水平地連接于桿AB的E點,各構件自重不計。試求B處的約束力。,解,1取整體為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,SFX0FAXFBX–FE0,求解得FAX25G,FBX–15GFBY–2G,SMCF0G5R–FAX2R0,2取桿AB為研究對象,受力分析如圖,列平衡方程,SMAF0,FBX2R–FBY2R–FER0,聯(lián)立求解,得,求解得,例13已知各桿均鉸接,B端插入地內(nèi),F(xiàn)1000N,AEBECEDE1M,各桿重不計。求AC桿所受的力B點的約束力,解,1取整體為研究對象,受力分析如圖,選坐標如圖,取矩心B點,列平衡方程,SFX0FBX0,SFY0FBY–F0,SMBF0MB–FBY10,MB1000NM,2再研究CD桿,受力如圖,取E為矩心,列平衡方程,求解得,SMEF0,–FCASIN45o1–F10,例14已知F100N,AC16M,BC09M,CDEC12M,AD2M,AB水平,ED鉛垂,BD垂直于斜面。求桿BD的受力FBD以及A支座約束力,解1研究整體,畫受力圖,選坐標列平衡方程,SMBF0–FA25–F120,SFX0,FAXSINA–FAYCOSAFSINA0,求解得,FAX–136NFAY–48N,2研究AB桿,受力如圖,SMCF0,–FBSINA09–FAY160,求解得,例15已知連續(xù)梁上,F(xiàn)10KN,Q50KN,CE鉛垂,不計梁重求A、B和D處的約束力。,(看出未知數(shù)多余三個,不能先整體求出,要拆開),解1研究起重機,畫受力圖,列平衡方程,SMHF0,FG2–Q1–F50,求解得,FG50KN,精品課件,精品課件,3再研究整體,2再研究梁CD,,SMCF0,FD6–FG10,∴FD833KN,SMAF0,FB3FD12–F10–Q60,∴FB100KN,SFY0FAYFBFD–F–Q0,∴FAY–4833KN,
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