1、一、靜力學(xué)1.靜力學(xué)基本概念 （1）剛體 剛體：形狀大小都要考慮的，在任何受力情況下體內(nèi)任意兩點之間的距離始終保持不變的物體。在靜力學(xué)中，所研究的物體都是指剛體。所以，靜力學(xué)也叫剛體靜力學(xué)。 （2）力 力是物體之間的相互機械作用，這種作用使物體的運動狀態(tài)改變（外效應(yīng)）和形狀發(fā)生改變（內(nèi)效應(yīng)）。在理論力學(xué)中僅討論力的外效應(yīng)，不討論力的內(nèi)效應(yīng)。力對物體的作用效果取決于力的大小、方向和作用點，因此力是定位矢量，它符合矢量運算法則。 力系：作用在研究對象上的一群力。 等效力系：兩個力系作用于同一物體，若作用效應(yīng)相同，則此兩個力系互為等效力系。（3）平衡物體相對于慣性參考系保持靜止或作勻速直線運動。 （

2、4）靜力學(xué)公理 公理1（二力平衡公理）作用在同一剛體上的兩個力成平衡的必要與充分條件為等大、反向、共線。公理2（加減平衡力系公理）在任一力系中加上或減去一個或多個平衡力系，不改變原力系對剛體的外效應(yīng)。 推論（力的可傳性原理）作用于剛體的力可沿其作用線移至桿體內(nèi)任意點，而不改變它對剛體的效應(yīng)。在理論力學(xué)中的力是滑移矢量，仍符合矢量運算法則。因此，力對剛體的作用效應(yīng)取決于力的作用線、方向和大小。 公理3（力的平行四邊形法則）作用于同一作用點的兩個力，可以按平行四邊形法則合成。 推論（三力平衡匯交定理）當(dāng)剛體受三個力作用而平衡時，若其中任何兩個力的作用線相交于一點，則其余一個力的作用線必交于同一點，

3、且三個力的作用線在同一個平面內(nèi)。公理4（作用與反作用定律）兩個物體間相互作用力同時存在，且等大、反向、共線，分別作用在這兩個物體上。 公理5（剛化原理）如變形物體在已知力系作用下處于平衡狀態(tài)，則將此物體轉(zhuǎn)換成剛體，其平衡狀態(tài)不變?？梢?，剛體靜力學(xué)的平衡條件對變形體成平衡是必要的，但不一定是充分的。 （5）約束和約束力1）約束：阻礙物體自由運動的限制條件。約束是以物體相互接觸的方式構(gòu)成的。2）約束力：約束對物體的作用。約束力的方向總與約束限制物體的運動方向相反。表4.1-1列出了工程中常見的幾種約束類型、簡圖及其對應(yīng)的約束力的表示法。其中前7種多見于平面問題中，后4種則多見于空間問題中。表4.1

4、-1 工程中常見約束類型、簡圖及其對應(yīng)約束力的表示約束類型約束簡圖約束力矢量圖約束力描述柔索類作用點：物體接觸點方位：沿柔索方向：背離被約束物體大?。捍筮@類約束為被約束物體提供拉力。ATBTAA光滑面接觸單面約束：作用點：物體接觸點方位：垂直支撐公切面方向：指向被約束物體大?。捍筮@類約束為物體提供壓力。AANANANA雙面約束：假設(shè)其中一個約束面與物體接觸，繪制約束力，不能同時假設(shè)兩個約束面與物體同時接觸。作用點：物體接觸點方位：垂直共切面方向：指向被約束物體大?。捍筮@類約束為物體提供壓力。短鏈桿（鏈桿）作用點：物體接觸點方位：沿鏈桿兩鉸點的連線方向：不定大小：待求中間鉸（連接鉸）作用點

5、：物體接觸點，過鉸中心方位：不定方向：不定大小：待求用兩個方位互相垂直，方向任意假設(shè)的分力，表示該約束處的約束力固定鉸作用點：物體接觸點，過鉸中心方位：不定方向：不定大小：待求用兩個方位互相垂直，方向任意假設(shè)的分力，表示該約束處的約束力輥軸支座（活動鉸）作用點：物體接觸點，過鉸中心方位：垂直支撐面方向：不定大小：待求固定端在約束面內(nèi)既不能移動也不能轉(zhuǎn)動，用兩個方位互相垂直、方向任意假設(shè)的兩個分力表示限制移動的力，用作用面與物體在同一平面內(nèi)的、轉(zhuǎn)向任意假設(shè)的集中力偶表示限制轉(zhuǎn)動的力偶。向心軸承Y向可微小移動，用方位互相垂直、方向任意假設(shè)的兩個分力，表示限制徑向的移動止推軸承三個方向都不允許移動，

6、用三個互相垂直的力表示限制的移動。球形鉸空間任意方向都不允許移動，用方位相互垂直，方向任意的三個分力來代替這個約束力空間固定端三個軸向都不允許移動和轉(zhuǎn)動，用三個方位相互垂直的分力來代替限制空間移動的約束力，并用三個矢量方位相互垂直，轉(zhuǎn)向任意的力偶代替限制轉(zhuǎn)動的約束力偶 （6）受力分析圖 受力分析圖是分析研究對象全部受力情況的簡圖。其步驟是：1）明確研究對象，解除約束，取分離體；2）把作用在分離體上所有的主動力和約束力全部畫在分離體上。（7）注意事項畫約束力時，一定按約束性質(zhì)和它們所提供的約束力的特點畫，并在研究對象與施力物體的接觸處畫出約束力；會判斷二力構(gòu)件和三力構(gòu)件，并根據(jù)二力平衡條件和三力

7、匯交定理確定約束力的方位；對于方向不能確定的約束力，有時可利用平衡條件來判定；若取整體為分離體時，只畫外力，不畫內(nèi)力，當(dāng)需拆開取分離體時，內(nèi)力則成為外力，必須畫上；一定注意作用力與反作用力的畫法，這些力的箭頭要符合作用與反作用定律；在畫受力分析圖時，不要多畫或漏畫力，要如實反映物體受力情況；畫受力分析圖時，應(yīng)注意復(fù)鉸（鏈接兩個或兩個以上物體的鉸）、作用于鉸處的集中力和作用于相鄰剛體上的線分布力等情況的處理方法。2. 力的分解、力的投影、力對點之矩與力對軸之矩（1）力沿直角坐標(biāo)軸的分解和力在軸上的投影式中：、分別是沿直角坐標(biāo)軸、軸的基矢量；、分別為沿直角坐標(biāo)軸的分力；、分別為在直角坐標(biāo)軸、軸上的

8、投影，且分別為(如圖4.1-1)圖4.1-1式中：、分別為與各軸正向間的夾角；則為在平面上的投影，如圖4.1-1所示。（2）力對點之矩（簡稱力矩）在平面問題中，力對矩心的矩是個代數(shù)量，即式中為矩心點至力作用線的距離，稱為力臂。通常規(guī)定力使物體繞矩心轉(zhuǎn)動為逆時針方向時，上式取正號，反之則取負號。 在空間問題中，力對點之矩是個定位矢量，如圖4.1-2，其表達式為圖4.1-2力矩的單位為或。（3）力對軸之矩圖4.1-3力對任一軸之矩為力在垂直軸的平面上的投影對該平面與軸交點之矩，即其大小等于二倍三角形的面積，正負號依右手螺旋法則確定，即四指與力的方向一致，掌心面向軸，拇指指向與軸的指向一致，上式取正

9、號，反之取負號。顯然，當(dāng)力與矩軸共面（即平行或相交）時，力對軸之矩等于零。其單位與力矩的單位相同。從圖4.1-3中可見，的面積等于面積在平面（即面）上的投影。由此可見，力對軸之矩等于力對軸上任一點的矩在軸上的投影，或力對點的矩在經(jīng)過點的任一軸上的投影等于力對該軸之矩。這就是力對點之矩與對通過該點的軸之矩之間的關(guān)系。即（4）合力矩定理當(dāng)任意力系合成為一個合力時，則其合力對于任一點之矩（或矩矢）或任一軸之矩等于原力系中各力對同點之矩（或矩矢）或同軸之矩的代數(shù)和（或矢量和）。 力對點之矩矢 力對點之矩 力對軸之矩3.匯交力系的合成與平衡（1）匯交力系:諸力作用線交于一點的力系。（2）匯交力系合成結(jié)果

10、根據(jù)力的平行四邊形法則，可知匯交力系合成結(jié)果有兩種可能：其一，作用線通過匯交點的一個合力,為；其二，作用線通過匯交點的一個合力等于零，即，這是匯交力系平衡的充要條件。（3）匯交力系的求解求解匯交力系的合成與平衡問題各有兩種方法，即幾何法與解析法，如表4.1-2所示。對于空間匯交力系，由于作圖不方便一般采用解析法。表4.1-2 求解匯交力系的兩種方法 合力平衡條件幾何法按力的多邊形法則，得匯交力系的力的多邊形示意圖，其開口邊決定了合力的大小和方位及指向，指向是首力的始端至末力的終端力的多邊形自行封閉解析法平面匯交力系 、軸不相互平行；有兩個獨立方程，可解兩個未知量空間匯交力系 、軸不共面；有三個

11、獨立方程，可解三個未知量4.力偶理論（1）力偶與力偶矩1）力偶：等量、反向、不共線的兩平行力組成的力系。2）力偶的性質(zhì)：力偶沒有合力，即不能用一個力等效，也不能與一個力平衡。力偶對物體只有旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有移動效應(yīng)。力偶在任一軸上的投影為零。力偶只能與力偶等效或平衡。3）力偶矩：力偶的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)決定于力偶矩，其計算如表4.1-3所述。表4.1-3 力偶矩的計算平面力偶矩空間力偶矩矢逆時針轉(zhuǎn)向取正號；反之取負號大小：方位：依右手螺旋法則，即四指與力的方向一致，掌心面向矩心，拇指指向為力偶矩矢的矢量方向。代數(shù)量自由矢量力偶矩的單位：或力偶的等效條件：等效的力偶矩矢相等推論1：只要力偶矩矢不變，力偶可在其

12、作用面內(nèi)任意轉(zhuǎn)動或移動，或從剛體的一個平面移到另一個相互平行的平面上，而不改變其對剛體的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。推論2：在力偶矩大小和轉(zhuǎn)向不變的條件下，可任意改變力偶的力的大小和力偶臂的長短，而不改變其對剛體的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。力偶矩與力對點之矩的區(qū)別：力偶矩與矩心位置無關(guān)，而力對點之矩與矩心位置有關(guān)表中，為組成力偶的力的大小，為力偶中兩個力作用線間的垂直距離，稱為力偶臂。（2）力偶系的合成與平衡力偶系合成結(jié)果有兩種可能，即一個合力偶或平衡。具體計算時，通常采用解析法，如表4.1-4所述。表4.1-4 力偶的合成與平衡的解析法平面力偶系空間力偶系合成合力偶平衡平衡方程可求解一個未知量 、軸不共面；可求解三個未知量表

13、中，、分別為力偶矩矢在相應(yīng)坐標(biāo)軸上的投影。注意，力偶中兩個力和，對任一軸之矩的和等于該力偶矩矢在同一軸上的投影，即式中，為矢量與軸的夾角。（3）匯交力系和力偶系的平衡問題 首先選取分離體；然后畫分離體受力分析圖，在分析約束力方向時，注意利用力偶只能與力偶相平衡的概念來確定約束力的方向；接下來，列寫平衡方程，對于力的投影方程，盡量選取與未知力垂直的坐標(biāo)軸，使參與計算的未知量的個數(shù)越少越好，盡量使一個方程求解一個未知量，而力偶系的平衡方程與矩心的選取沒有關(guān)系，注意區(qū)分力偶的矢量方向或是轉(zhuǎn)向，確定好投影的正方向；最后求出結(jié)果，結(jié)果的絕對值表示大小，正負號表示假設(shè)方向是否與實際的指向一致，正號代表一致

14、，負號則表示相反。5.一般力系的簡化與平衡 （ 1）力線平移定理 作用在剛體上的力，若其向剛體上某點平移時，不改變原力對剛體的外效應(yīng)，必須對平移點附加一個力偶，該附加力偶矩等于原力對平移點之矩。 同理，根據(jù)力的平移定理可得：共面的一個力和一個力偶可合成為一個合力，合力的大小、方向與原力相等，其作用線離原力作用線的距離為。（2）任意力系的簡化1）簡化的一般結(jié)果根據(jù)力線平移定理，可將作用在剛體上的任意力系向任一點（稱為簡化中心）簡化，得到一個作用在簡化中心的共點力系和一個附加力偶系，進而可以合成為一個力和一個力偶。該力等于原力系向簡化中心簡化的主矢，該力偶的力偶矩等于原力系對簡化中心的主矩。主矢

15、作用線通過簡化中心主矩 注：主矢的方向和大小與簡化中心無關(guān)，只與原力系中各個分力相關(guān)，其作用線仍通過簡化中心；主矩一般與簡化中心的位置有關(guān)。2）簡化的最后結(jié)果任意力系向一點簡化后的最后結(jié)果，見表4.1-5。表4.1-5 任意力系向一點的簡化的最后結(jié)果主矢主矩最后結(jié)果說明或平衡任意力系的平衡條件或合力偶此主矩與簡化中心無關(guān)或合力合力的作用線過簡化中心合力的作用線離簡化中心的距離為力螺旋力螺旋中心軸（力的作用線）過簡化中心與成角力螺旋中心軸（力的作用線）離簡化中心的距離為3）平行分布的線載荷的合成平行分布線載荷和線載荷集度平行分布線載荷：沿物體中心線分布的平行力，簡稱線載荷。線載荷集度：沿單位長度

16、分布的線載荷，以表示，其單位為或。同向線荷載合成結(jié)果同向線荷載合成結(jié)果為一個合力，該合力的大小和作用線位置依據(jù)合力投影定理和合力矩定理求得。均勻分布和線性分布的線載荷合成結(jié)果如表4.1-6所述。表4.1-6 線載荷合成結(jié)果均勻分布的線載荷線性分布的線載荷力學(xué)簡圖合成結(jié)果作用在分布線長度中點的一個合力，其作用線的方向與線載荷的方向一致作用在距離線載荷集度為零的分布長度的處，也就是距離線載荷集度最大的分布長度的處，其作用線的方向與線載荷的方向一致大小 （3）力系的平衡條件與平衡方程任意力系平衡條件：力系向任一點簡化的主矢和主矩都等于零，即表4.1-7列出了各力系的平衡方程。但應(yīng)當(dāng)指出，在空間力系和

17、空間平行力系的平衡方程組中，其投影方程亦可用對軸的力矩方程來替代。當(dāng)然，該力矩方程必須是獨立的平衡方程，即可用它來求解未知量的平衡方程。表4.1-7 力系的平衡方程力系名稱平衡方程的表示形式獨立方程的數(shù)目平面力系匯交力系標(biāo)準(zhǔn)式一力矩式二力矩式2說明（、軸不平行，不重合）(點和匯交點的連線不能垂直軸)(、連線不能通過匯交點)力偶系1平行力系標(biāo)準(zhǔn)式二力矩式2說明（軸不能垂直各力）(、連線不能和各力平行)任意力系標(biāo)準(zhǔn)式二力矩式三力矩式3說明（、軸不平行，不重合）(、連線不能垂直軸)(、三點不共線)空間力系匯交力系標(biāo)準(zhǔn)式一力矩式二力矩式三力矩式3說明(任意兩根軸不能平行、重合)(軸不能通過匯交點；軸不

18、能垂直軸和軸所組成的平面；軸和匯交點所組成的平面不能垂直軸和軸組成的平面)(、軸不能通過匯交點；不能在、軸上找到兩點、,使、和匯交點共線；如、軸有交點,則軸不能垂直此交點和匯交點的連線)(、三軸沒有共同交點；如有一直線經(jīng)過匯交點且和、兩軸有交點,則此直線不能為軸；軸也不能和經(jīng)過匯交點且和、兩軸有交點的直線平行或相交；從匯交點不能引一直線和、三軸相交)力偶系標(biāo)準(zhǔn)式3 平行力系標(biāo)準(zhǔn)式三力矩式3 說明(軸平行各力,面垂直軸)(、三條軸不能有共同交點；如果、軸有交點,經(jīng)過點平行各力的直線為,則軸不能和直線共面;三條軸中任兩條軸都不能共面;不能作出與三條軸都相交且平行的直線)任意力系標(biāo)準(zhǔn)式四力矩式五力矩

19、式六力矩式6說明（、三軸不能平行,重合）(軸不能和軸共面)（、不能在所在平面內(nèi); 、不能都和或軸相交,也不能和或軸共面）(軸與不共面,平面不過點)注：建議各力系的平衡方程用表格中的標(biāo)準(zhǔn)式。6.物體系統(tǒng)的平衡（1）靜定與靜不定問題1）靜定問題若未知量的數(shù)目等于獨立平衡方程的數(shù)目，則應(yīng)用剛體靜力學(xué)的理論，就可以求得全部未知量的問題，如圖4.1-4（a）。2）靜不定（超靜定）問題若未知量的數(shù)目超過獨立平衡方程的數(shù)目，則單獨應(yīng)用剛體靜力學(xué)的理論就不能求出全部未知量的問題，如圖4.1-4（b）。靜不定問題僅用剛體平衡方程式不能完全求解所有未知量，還需考慮作用與物體上的力與物體變形的關(guān)系，再列出某些補充方

20、程來求解。靜不定問題已超出了理論力學(xué)所能研究的范圍，將留待材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程中取研究。圖4.1-43）靜不定次（度）數(shù)在超靜定結(jié)構(gòu)中，總未知量數(shù)與總獨立平衡方程數(shù)之差稱為靜不定次數(shù) （2）物體系統(tǒng)平衡問題的解法和步驟1）判斷物體系統(tǒng)是否屬于靜定系統(tǒng)。物體系統(tǒng)是否靜定，僅取決于系統(tǒng)內(nèi)各物體所具有的獨立平衡方程的個數(shù)以及系統(tǒng)未知量的總數(shù)，而不能由系統(tǒng)中某個研究對象來判斷系統(tǒng)是否靜定。若由個物體組成的靜定系統(tǒng)，且在平面任意力系作用下平衡，則該系統(tǒng)總共可列出個獨立平衡方程能解出個未知量。當(dāng)然，若系統(tǒng)中某些物體受其他力系作用時，則其獨立平衡方程數(shù)以及所能求出的未知量數(shù)均將相應(yīng)變化。2）選取研究對象

21、的先后次序的原則是便于求解。根據(jù)已知條件和待求量，可以選取整個系統(tǒng)為研究對象，也可以取其中的某些部分或是某一物體為研究對象。3）分析研究對象的受力情況并畫出受力分析圖。在受力分析圖上只畫外力而不畫內(nèi)力。在各物體的拆開出，物體間的相互作用力必須符合作用與反作用定律。畫物體系統(tǒng)中某研究對象的受力分析圖時，不能將作用在系統(tǒng)中其他部分上的力傳遞、移動和合成。4）列出平衡方程。平衡方程要根據(jù)物體所作用的力系類型列出，不能多列。為了避免解聯(lián)立方程，應(yīng)妥當(dāng)?shù)剡x取投影軸和矩軸（或矩心）。投影軸應(yīng)盡量選取與力系中多數(shù)未知力的作用線垂直；而矩軸應(yīng)使其與更多的未知力共面（矩心應(yīng)選在多數(shù)未知力的交點上）。力求做到一個

22、平衡方程中只包含一個未知量。5）由平衡方程解出未知量。若求得的約束力或約束力偶為負值。說明力的指向或力偶的轉(zhuǎn)向與受力分析圖中假設(shè)相反。若用它代入另一個方程求解其他未知量時，應(yīng)連同其負號一起代入。6）利用不獨立平衡方程進行校核。7.平面桁架（1）定義由若干直桿在兩端用鉸鏈彼此連接而成幾何形狀不變的結(jié)構(gòu)成為桁架。桿件與桿件的連接點稱為節(jié)點。所有桿件的軸線在同一平面內(nèi)的桁架稱為平面桁架，否則稱為空間桁架。（2）對于桁架的分析計算作如下假設(shè)1）各桿件都用光滑鉸鏈連接。2）各桿件都是直桿。3）桿件所受的外載荷都作用在節(jié)點上。對于平面桁架各力作用線都在桁架平面內(nèi)。4）各桿件的自重或略去不計，或平均分配到桿

23、件兩端的節(jié)點上。根據(jù)以上假設(shè)，桁架中各桿件都是二力構(gòu)件，只受到軸向力作用，受拉或受壓。（3）平面桁架內(nèi)力的計算方法分析桁架的目的就在于確定各桿件的內(nèi)力，通常有兩種計算桁架內(nèi)力的方法，如表4.1-8所述。當(dāng)需要計算桁架中所有桿件的內(nèi)力時，可采用節(jié)點法；若僅計算桁架中某幾根桿件的內(nèi)力，一般以截面法較為方便，但有時也可綜合應(yīng)用節(jié)點法和截面法。在計算中，習(xí)慣將各桿件的內(nèi)力假設(shè)為拉力。若所得結(jié)果為正值，說明桿件是拉桿，反之則為壓桿。表4.1-8 平面桁架內(nèi)力計算方法 節(jié)點法截面法研究對象取節(jié)點為研究對象將桁架沿某個面截成兩部分，取其中一部分為研究對象平衡方程應(yīng)用平面匯交力系平衡方程求解桁架內(nèi)力應(yīng)用平面任

24、意力系平衡方程求解桁架內(nèi)力為簡化計算，一般先要判斷桁架中的零力桿（內(nèi)力為零的桿件），對于表4.1-9所述的三種情況，零力桿可以直接判斷出。表4.1-9桁架零力桿的判斷節(jié)點類型特點條件圖示判斷型節(jié)點節(jié)點上連接兩根桿件，且只有兩根桿件不重合、不共線節(jié)點上不受力兩桿全是零力桿節(jié)點受一集中力，其方位與其中一根桿件的軸線共線桿件軸線不與力方位重合的桿件為零力桿型節(jié)點節(jié)點上連接三根桿件只有三根桿件，其中兩根桿件的軸線共線，另一根桿件與這兩根桿件不重合節(jié)點上不受力桿件軸線不與兩根軸線共線桿件重合的桿件為零力桿9.物體的重心（1）物體的重心是一確定的點，它與物體在空間的位置有關(guān)。（2）物體的重心坐標(biāo)公式1）或

25、式中：、表示物體重心的坐標(biāo)；及表示各微小部分的重量；、及、表示各微小部分重心所在位置的坐標(biāo)；表示物體的總重量。2）當(dāng)物體在同一近地表面時，其重心就是其質(zhì)心，則質(zhì)心坐標(biāo)公式為或式中：、表示物體質(zhì)心的坐標(biāo)；及表示各微小部分的質(zhì)量；、及、表示各微小部分質(zhì)心所在位置的坐標(biāo)；表示物體的總質(zhì)量。3）當(dāng)物體在同一近地表面及均質(zhì)時，其重心就是體積中心，則體積中心的坐標(biāo)公式為或式中：、表示物體體積中心的坐標(biāo)；及表示各微小部分的體積；、及、表示各微小部分體積中心所在位置的坐標(biāo)；表示物體的總質(zhì)量。4) 當(dāng)物體在同一近地表面、均質(zhì)及等厚薄板時，其重心就是形心，則形心的坐標(biāo)公式為或式中：、表示物體形心的坐標(biāo)；及表示各微

26、小部分的面積；、及、表示各微小部分形心所在位置的坐標(biāo)；表示物體的總面積。一、軸向拉伸與壓縮（一）考試大綱1材料在拉伸、壓縮時的力學(xué)性能低碳鋼、鑄鐵拉伸、壓縮實驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；力學(xué)性能指標(biāo)。2拉伸和壓縮軸力和軸力圖；桿件橫截面和斜截面上的應(yīng)力；強度條件；胡克定律；變形計算。（二）考點主要內(nèi)容要求：了解軸向拉（壓）桿的受力特征與變形特征；了解內(nèi)力、應(yīng)力、位移、變形和應(yīng)變的概念；掌握截面法求軸力的步驟和軸力圖的作法；掌握橫截面上的應(yīng)力計算，了解斜截面上的應(yīng)力計算；熟悉胡克定律及其應(yīng)用、拉（壓）桿變形計算；了解常用工程材料（低碳鋼、鑄鐵）拉（壓）時的力學(xué)性能，掌握強度條件的應(yīng)用。1. 引言1) 材

27、料力學(xué)的任務(wù)材料力學(xué)是研究構(gòu)件強度、剛度和穩(wěn)定性計算的學(xué)科。這些計算是工程師選定既安全又最經(jīng)濟的構(gòu)件材料和尺寸的必要基礎(chǔ)。強度是指構(gòu)件在荷載作用下抵抗破壞的能力。剛度是指構(gòu)件在荷載作用下抵抗變形的能力。穩(wěn)定性是指構(gòu)件保持其原有平衡形式的能力。2) 變形固體的基本假設(shè)各種構(gòu)件均由固體材料制成。固體在外力作用下將發(fā)生變形，故稱為變形固體。材料力學(xué)中對變形固體所作的基本假設(shè)如下。連續(xù)性假設(shè)：組成固體的物質(zhì)毫無空隙地充滿了固體的幾何空間。均勻性假設(shè)：在固體的體積內(nèi)，各處的力學(xué)性能完全相同。各向同性假設(shè)：在固體的各個方向上有相同的力學(xué)性能。小變形的概念：構(gòu)件由荷載引起的變形遠小于構(gòu)件的原始尺寸。3) 桿

28、件的主要幾何特征桿件是指長度L遠大于橫向尺寸（高度和寬度）的構(gòu)件。這是材料力學(xué)研究的主要對象。桿件的兩個主要的幾何特征是橫截面的軸線。橫截面：垂直于桿件長度方向的截面。軸線：各橫截面形心的連線。若桿的軸線為直線，稱為直桿。若桿的軸線為曲線，稱為曲桿。2. 軸向拉伸與壓縮圖5-1-1軸向拉伸與壓縮桿件的力學(xué)模型，如圖5-1-1所示。受力特征：作用于桿兩端的外力的合力，大小相等、指向相反、沿桿件軸線作用。變形特征：桿件主要產(chǎn)生軸線方向的均勻伸長（縮短）。3. 軸向拉伸（壓縮）桿橫截面上的內(nèi)力1) 內(nèi)力內(nèi)力是由外力作用而引起的構(gòu)件內(nèi)部各部分之間的相互作用力。2) 截面法截面法是求內(nèi)力的一般方法。用截

29、面法求內(nèi)力的步驟如下。截開：在須求內(nèi)力的截面處，假想沿該截面將構(gòu)件截開分為二部分。代替：任取一部分為研究對象，稱為脫離體。用內(nèi)力代替棄去部分對脫離體的作用。平衡：對脫離體列寫平衡條件，求解未知內(nèi)力。截面法的圖示如圖5-1-2所示。圖5-1-23) 軸力軸向拉壓桿橫截面上的內(nèi)力，其作用線必定與桿軸線相重合，稱為軸力，以或N表示。軸力規(guī)定以拉力為正，壓力為負。4) 軸力圖軸力圖是表示沿桿件軸線各橫截面上軸力變化規(guī)律的圖線，如圖5-1-3。4. 軸向拉壓桿橫截面上的應(yīng)力軸向拉桿橫截面上的應(yīng)力垂直于截面，為正應(yīng)力。正應(yīng)力在整個橫截面上均勻分布，如圖5-1-4所示，其表示為 (5-1-1)式中：為橫截面

30、上的正應(yīng)力，N/m2或Pa；為軸力，N；A為橫截面面積，m2。F2FFFNx(+)(-)F 5. 軸向拉壓桿斜截面上的應(yīng)力斜截面上的應(yīng)力均勻分布，如圖5-1-5，其總應(yīng)力及應(yīng)力分量為總應(yīng)力 (5-1-2)正應(yīng)力 (5-1-3)切應(yīng)力 (5-1-4)式中：為由橫截面外法線轉(zhuǎn)至截面外法線的夾角，以逆時針轉(zhuǎn)動為正；為斜截面m-m的截面積；為橫截面上的正應(yīng)力。以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負。以其對脫離體內(nèi)一點產(chǎn)生順時針力矩時為正，反之為負。軸向拉壓桿中最大正應(yīng)力發(fā)生在的橫截面上，最小正應(yīng)力發(fā)生在的縱截面上，其值分別為最大切應(yīng)力發(fā)生在的斜截面上，最小切應(yīng)力發(fā)生在的橫截面和的縱截面上，其值分別為圖5-1-56.

31、 材料的力學(xué)性能1) 低碳鋼在拉抻時的力學(xué)性能低碳鋼拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5-1-6所示。圖5-1-6 低碳鋼拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變曲線這一曲線分四個階段，有四個特征點，見表5-1-1。表5-1-1階段圖5-1-6中線段特征點說明彈性階段Oab比例極限彈性極限為應(yīng)力與應(yīng)變成正比的最高應(yīng)力；為不產(chǎn)生殘余的最高應(yīng)力屈服階段bc屈服強度為應(yīng)力變化不大而變形顯著增加時的最低應(yīng)力強化階段ce抗拉強度為材料在斷裂前所能承受的最大名義應(yīng)力局部變形階段ef產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象到斷裂應(yīng)力應(yīng)變曲線上還有如下規(guī)律：卸載定律：在卸載過程中，應(yīng)力和應(yīng)變按直線規(guī)律變化，如圖5-1-6中的直線。冷作硬化：材料拉伸到強化階段后，卸除荷

32、載，再次加載時，材料的比例極限提高而塑性降低的現(xiàn)象，稱為冷作硬化，如圖5-1-6中曲線，在圖5-1-6中，段表示未經(jīng)冷作硬化，拉伸至斷裂后的塑性應(yīng)變；段表示經(jīng)冷作硬化，再拉伸到斷裂后的塑性應(yīng)變。主要性能指標(biāo)表5-1-2。表5-1-2 主要性能指標(biāo)表性能性能指標(biāo)說明彈性性能彈性模量當(dāng)時，強度性能屈服強度材料出現(xiàn)顯著的塑性變形抗拉強度材料的最大承載能力塑性性能延伸率材料拉斷時的變形程度截面收縮率材料的塑性變形程度2) 低碳鋼的力學(xué)性能低碳鋼在壓縮時的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5-1-7中實線所示。低碳鋼壓縮時的比例極限、屈服強度、彈性模量與拉伸時基本相同，但測不出抗拉強度。3) 鑄鐵拉伸時的力學(xué)性能鑄鐵拉伸

33、時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5-1-8所示。應(yīng)力與應(yīng)變無明顯的線性關(guān)系，拉斷前的應(yīng)變很小，實驗時只能測到抗拉強度。彈性模量E以總應(yīng)變?yōu)?.1%時的割線斜率來度量。4) 鑄鐵壓縮時的力學(xué)性能鑄鐵壓縮時的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5-1-9所示。鑄鐵壓縮時的抗壓強度比拉伸時大45倍，破壞時破裂面與軸線成角，宜于作抗壓構(gòu)件。5) 塑性材料和脆性材料延伸率的材料稱為脆性材料。6) 屈服強度對于沒有明顯屈服階段的塑性材料，通常用材料產(chǎn)生0.2%的殘余應(yīng)變時所對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強度，并以表示，如圖5-1-10所示。7. 強度條件1) 許用應(yīng)力材料正常工作容許采用的最高應(yīng)力，由極限應(yīng)力除以安全系數(shù)求得。塑性材料脆性材料式中

34、：為屈服強度；為抗拉強度；ns、nb為安全系數(shù)。2) 強度條件構(gòu)件的最大工作應(yīng)力不得超過材料的許用應(yīng)力。軸向拉壓桿的強度條件為強度計算的三大類問題：強度校核截面設(shè)計確定許可荷載，再根據(jù)平衡條件，由計算。8. 軸向拉壓桿的變形胡克定律1) 軸向拉壓桿的變形桿件在軸向拉伸時，軸向伸長，橫向縮短；而在軸向壓縮時，軸向縮短，橫向伸長，如圖5-1-11所示。軸向變形 (5-1-8)軸向線應(yīng)變 (5-1-9)橫向變形 (5-1-10)橫向線應(yīng)變 (5-1-11)2) 胡克定律當(dāng)應(yīng)力不超過材料比例極限時，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即式中 E為材料的彈性模量?；蛴幂S力及桿件變形量表示為 式中：為桿的抗拉(壓

35、)剛度，表示抗拉壓彈性變形的能力。3) 泊松比當(dāng)應(yīng)力不超過材料的比例極限時，橫向線應(yīng)變與軸向線應(yīng)變之比的絕對值為一常數(shù)，即泊松比是材料的彈性常數(shù)之一，無量綱。二、剪切（一）考試大綱剪切和擠壓的實用計算；剪切面；擠壓面；抗剪強度；擠壓強度。（二）考點主要內(nèi)容要求：熟悉連接件與被連接件的受力分析；準(zhǔn)確判定剪切面與擠壓面，掌握剪切與擠壓的實用計算；準(zhǔn)確理解切應(yīng)力互等定理的意義，了解剪切胡克定律及其應(yīng)用。1. 剪切的概念及實用計算 (1) 剪切的概念 剪切的力學(xué)模型如圖5-2-1所示。 受力特征：構(gòu)件上受到一對大小相等、方向相反，作用線相距很近且與構(gòu)件軸線垂直的力作用。 變形特征：構(gòu)件沿內(nèi)力的分界面有

36、發(fā)生相對錯動的趨勢。剪切面：構(gòu)件將發(fā)生相對錯動的面。剪力：剪切面上的內(nèi)力，其作用線與剪切面平行，用或表示。(2) 剪切實用計算1) 名義切應(yīng)力假定切應(yīng)力沿剪切面是均勻分布的。若為剪切面面積，為剪力，則名義切應(yīng)力為 (5-2-1)2) 許用切應(yīng)力按實際的受力方式，用實驗的方法求得名義剪切極限應(yīng)力，再除以安全因數(shù)n。3) 剪切條件剪切面上的工作切應(yīng)力不得超過材料的許用切應(yīng)力 (5-2-2)2. 擠壓的概念及實用計算(1) 擠壓的概念擠壓：兩構(gòu)件相互接觸的局部承壓作用。擠壓面：兩構(gòu)件間相系接觸的面。擠壓力：承壓接觸面上的總壓力。(2) 擠壓實用計算1) 名義擠壓應(yīng)力假設(shè)擠壓力在名義擠壓面上均勻分布，

37、則名義擠壓應(yīng)力為 (5-2-3)式中：Abs為名義擠壓面面積。當(dāng)擠壓面為平面時，則名義擠壓面面積等于實際的承壓接觸面面積；當(dāng)擠壓面為曲面時，則名義擠壓面面積各取為實際承壓接觸面在垂直擠壓力方向的投影面積，如圖5-2-2所示。鍵的名義擠壓面面積 鉚釘?shù)拿x擠壓面面積為2) 許用擠壓應(yīng)力根據(jù)直接實驗結(jié)果，按照名義擠壓應(yīng)力公式計算名義極限擠壓應(yīng)力，再除以安全系數(shù)。3) 擠壓強度條件擠壓面上的工作擠壓應(yīng)力不得超過材料的許用擠壓應(yīng)力，即3. 切應(yīng)力互等定理剪切胡克定律(1) 純剪切純剪切：若單元體各個側(cè)面上只有切應(yīng)力而無正應(yīng)力，則稱為純剪切。純剪切引起的剪應(yīng)變，如圖5-2-3所示。剪應(yīng)變：在切應(yīng)力作用下

38、，單元體兩相互垂直邊間直角的改變量。單位為rad，無量綱。在材料力學(xué)中規(guī)定以單元體左下直角增大時，為正，反之為負。(2) 切應(yīng)力互等定理在互相垂直的兩個平面上，垂直于兩平面交線的切應(yīng)力，總是大小相等，且共同指向或背離這一交線（圖5-2-3），即(3) 剪切胡克定律當(dāng)切應(yīng)力不超過材料的剪切比例極限時，切應(yīng)力與剪應(yīng)變成正比，即式中G為剪切彈性模量。對各向同性材料，E、G、間只有二個獨立常數(shù)，它們之間的關(guān)系為三、扭轉(zhuǎn)（一）考試大綱扭矩和扭矩圖；圓軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力；切應(yīng)力互等定理；剪切胡克定律；圓軸扭轉(zhuǎn)的強度條件：扭轉(zhuǎn)角計算及剛度條件。（二）考點主要內(nèi)容要求：了解桿件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的受力特征與變形特征；了解

39、傳動軸的外力偶矩計算，掌握求扭矩和作扭矩圖的方法；掌握橫截面上切應(yīng)力分布規(guī)律和切應(yīng)力的計算；掌握圓截面極慣性矩、抗扭截面系數(shù)計算公式。1. 扭轉(zhuǎn)的概念(1) 扭轉(zhuǎn)的力學(xué)模型扭轉(zhuǎn)的力學(xué)模型如圖5-3-1所示。受力特征：桿兩端受到一對力偶矩相等、轉(zhuǎn)向相反、作用平面與桿件軸線相垂直的外力偶作用。變形特征：桿件表面縱向線變成螺旋線，即桿件任意兩橫截面繞桿件軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。扭轉(zhuǎn)角：桿件任意兩橫截面間相對轉(zhuǎn)動的角度。(2) 外力偶矩的計算軸所傳遞的功率、轉(zhuǎn)速與外力偶矩間有如下關(guān)系： (5-3-1) (5-3-2)式中：傳遞功率N的單位為千瓦（kW）或公制馬力（，）；轉(zhuǎn)速n的單位為轉(zhuǎn)每分（r/min），M

40、e的單位為kN·m。2. 扭矩和扭矩圖扭矩：受扭桿件橫截面上的內(nèi)力，是一個橫截面平面內(nèi)的力偶，其力偶矩稱為扭矩，用表示，見圖5-3-2，其值用截面法求得。扭矩符號：扭矩的正負號規(guī)定，以右手法則表示扭矩矢量，當(dāng)矢量的指向與截面外向的指向一致時，扭矩為正，反之為負。扭矩圖：表示沿桿件軸線各橫截面上扭矩變化規(guī)律的圖線。3. 圓桿扭轉(zhuǎn)時的切應(yīng)力及強度條件(1) 橫截面上的切應(yīng)力1) 切應(yīng)力分布規(guī)律橫截面上任一點的切應(yīng)力，其方向垂直于該點所在的半徑，其值與該點到圓心的距離成正比，見圖5-3-3。2) 切應(yīng)力計算公式橫截面上距圓心為的任一點的切應(yīng)力 (5-3-3)橫截面上的最大切應(yīng)力發(fā)生在橫截面

41、周邊各點處其值為(5-3-4)3) 切應(yīng)力計算公式的討論公式適用于線彈性范圍（），小變形條件下的等截面實心或空心圓直桿。為所求截面上的扭矩。p稱為極慣性矩，t稱為抗扭截面系數(shù)，其值與截面尺寸有關(guān)。對于實心圓截面（圖5-3-4(a)）(5-3-5) 對于空心圓截面（圖5-3-4(b)） (5-3-6)其中：。(2) 圓桿扭轉(zhuǎn)時的強度條件強度條件：圓桿扭轉(zhuǎn)時橫截面上的最大切應(yīng)力不得超過材料的許用切應(yīng)力，即 (5-3-7)由強度條件可對受扭圓桿進行強度校核、截面設(shè)計和確定許可荷載三類問題的計算。4. 圓桿扭轉(zhuǎn)時的扭轉(zhuǎn)角計算及剛度條件(1) 圓桿的扭轉(zhuǎn)角計算單位長度扭轉(zhuǎn)角 (5-3-8)式中：的單位為

42、扭轉(zhuǎn)角 (5-3-9)式中：的單位為若長度L內(nèi)T、G、IP均為常量，則 (5-3-10)公式適用于線彈性范圍，小變形下的等直圓桿。表示圓桿抵抗扭轉(zhuǎn)彈性變形的能力稱為抗扭剛度。(2) 圓桿扭轉(zhuǎn)時的剛度條件剛度條件：圓桿扭轉(zhuǎn)時的最大單位長度扭轉(zhuǎn)角不得超赤規(guī)定的許可值，即由剛度條件，同樣可對受扭圓桿進行剛度校核、截面設(shè)計和確定許可荷載三類問題的計算。（三）例題分析例題1：某傳動軸，承受外力偶作用，軸材料的許用切應(yīng)力為，試分別按橫截面為實心圓截面，直徑為；橫截面為的空心圓截面，外徑為，內(nèi)徑為，確定軸的截面尺寸，并確定其重量比。（A）（B）（C）（D）答案：（D）解析：1）橫截面為實心圓截面設(shè)軸的直徑為

43、，則所以有2）橫截面為空心圓截面，設(shè)橫截面的外徑為，得所以有3）重量比較，由于兩根軸的材料和長度相同，其重量之比就等于兩者的橫截面面積之比，利用以上計算結(jié)果得：結(jié)果表明，在滿足強度的條件下，空心圓軸的重量是實心圓軸重量的一半。例題2：某傳動軸，轉(zhuǎn)速n=300 r/min(轉(zhuǎn)/分），輪1為主動輪，輸入的功率P1=50 kW，輪2、輪3與輪4為從動輪，輸出功率分別為P2=10 kW，P3=P4=20 kW。(1) 試畫軸的扭矩圖，并求軸的最大扭矩。(2) 若將輪1與論3的位置對調(diào)，軸的最大扭矩變?yōu)楹沃担瑢S的受力是否有利。8008008001432P4P3P2P1解：(1) 計算各傳動輪傳遞的外力

44、偶矩；(2) 畫出軸的扭矩圖，并求軸的最大扭矩；T(Nm) x(+)318.31273.4636.7(-)(3) 對調(diào)論1與輪3，扭矩圖為；T(Nm) x(+)636.7955636.7(-)所以對軸的受力有利。例題3：圖示受扭圓桿，沿平面ABCD截取下半部分為研究對象，如圖b所示。試問截面ABCD上的切向內(nèi)力所形成的力偶矩將由哪個力偶矩來平衡？解題分析：由切應(yīng)力互等定理可知截面ABCD上的切向內(nèi)力分布及其大小。該截面上切向內(nèi)力形成一個垂直向上的力偶矩。在圖b中，左右兩個橫截面上的水平切向內(nèi)力分量形成垂直于截面ABCD的豎直向下的力偶矩，正好與截面ABCD上切向內(nèi)力的合力偶矩平衡。解：1、計算

45、長為 l 的縱截面ABCD上切向內(nèi)力的合力偶矩。如圖c所示，在縱截面上取一微面積 ，其上切向內(nèi)力的合力即微剪力對z軸的微力矩為積分得到縱截面上切向內(nèi)力對z軸的合力偶矩為，方向豎直向上。2、計算兩端橫截面切向內(nèi)力的水平分量形成的力偶矩如圖d所示，微面積上切向內(nèi)力的水平分量為右端橫截面上剪力的水平分量為左右兩個橫截面上水平剪力形成繞z軸的力偶矩為，豎直向下。所以，截面ABCD上的切向內(nèi)力所形成的力偶矩將由左右兩個橫截面上水平剪力形成的力偶矩平衡。例題4：已知鉆探機桿的外徑D = 60 mm，內(nèi)徑d = 50 mm，功率P = 7.46 kW，轉(zhuǎn)速n =180 r/min，鉆桿入土深度l = 40

46、m，G = 80 GPa，= 40 MPa。設(shè)土壤對鉆桿的阻力是沿長度均勻分布的，試求：(1) 單位長度上土壤對鉆桿的阻力矩M；(2) 作鉆桿的扭矩圖，并進行強度校核；(3) 求A、B兩截面的相對扭轉(zhuǎn)角。解題分析：根據(jù)題意，此題為圓軸扭轉(zhuǎn)問題。土壤對鉆桿的阻力形成扭力矩作用在鉆桿上，并沿鉆桿長度方向均勻分布。解：1、求阻力矩集度M設(shè)鉆機輸出的功率完全用于克服土壤阻力，則有單位長度阻力矩 2、作扭矩圖，進行強度校核鉆桿的扭矩圖如圖c所示。最大扭矩出現(xiàn)在A截面，所以A截面為危險截面。其上最大切應(yīng)力為滿足強度要求。3、計算A、B兩截面的相對扭轉(zhuǎn)角例題5：直徑的鋼圓桿，受軸向拉力作用時，在標(biāo)距為的長度

47、內(nèi)伸長了。當(dāng)其承受一對扭轉(zhuǎn)外力偶矩時，在標(biāo)距為的長度內(nèi)相對扭轉(zhuǎn)了的角度。試求鋼材的彈性常數(shù)E,G和。解：求彈性模量E計算切變模量，由公式，求得由公式計算泊松比例題6：圖示圓軸，已知，；，；，；，；試校核該軸的強度和剛度，并計算兩端面的相對扭轉(zhuǎn)角。解：計算扭矩并作扭矩圖其扭矩見圖。計算切應(yīng)力和強度校核由于AB段內(nèi)的扭矩最大，而BC段的直徑小，因而不能直接確定最大切應(yīng)力發(fā)生在哪一段截面上，需分別計算兩段截面上最大切應(yīng)力值。AB段BC段滿足強度要求。剛度校核進行剛度校核時，需計算最大單位扭轉(zhuǎn)角此軸不滿足剛度條件。計算兩端面的相對扭轉(zhuǎn)角因AB、BC段上的扭矩和截面各自不變，要分別計算兩段的相對扭轉(zhuǎn)角，

48、然后相加；分析與討論：對截面、扭矩變化的軸必須計算出全軸中的最大切應(yīng)力和最大單位扭轉(zhuǎn)角，然后從強度和剛度分別考慮，才能保證軸安全正常工作。計算相對扭轉(zhuǎn)角時應(yīng)注意分段，總扭轉(zhuǎn)角為各段扭轉(zhuǎn)角的代數(shù)和。各段的扭轉(zhuǎn)角的正、負號，可由該段扭矩的正、負表示。注意：階梯狀圓軸在兩段連接處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，在以上計算中對此并未考慮。例題7：圖示圓截面軸，AB與BC段的直徑分別為d1與d2，且d1=4d2/3，材料的切變模量為G。若扭力偶矩M=1 kNm，許用切應(yīng)力 =80 MPa，單位長度的許用扭轉(zhuǎn)角=0.5 0/m，切變模量G=80 GPa，（1） 試確定軸徑； （2） 試求軸內(nèi)的最大切應(yīng)力與截面C的轉(zhuǎn)角；（

49、3） 若將BC段設(shè)計為空心的，內(nèi)外徑之比，則BC段實心與空心的用材量之比為多少？MllMACB解：(1) 確定軸徑考慮軸的強度條件；考慮軸的剛度條件；綜合軸的強度和剛度條件，確定軸的直徑； (2) 求軸內(nèi)的最大切應(yīng)力與截面C的轉(zhuǎn)角畫軸的扭矩圖；2MTx(+)M 求最大切應(yīng)力； 比較得 求C截面的轉(zhuǎn)角；（3）若將BC段設(shè)計為空心的，內(nèi)外徑之比，則BC段截面尺寸考慮軸的強度條件；考慮軸的剛度條件；綜合軸的強度和剛度條件，就取空心軸外徑 比較BC實心與空心的用材量之比軸的材料、長度相同，則質(zhì)量比等于軸的橫截面面積之比分析與討論：切應(yīng)力的分布規(guī)律知，實心軸圓心附近的切應(yīng)力還很小，這部分材料沒有充分發(fā)揮作用，空心軸可以提高材料的利用率。所以空心軸的重量比實心軸輕。從截面幾何性質(zhì)分析，空心軸的材料分布離軸心愈遠，其搞扭截面系數(shù)和極慣性矩愈大，從而提高了軸的搞扭強度和剛度。但應(yīng)注意過薄的圓筒受扭時容易發(fā)生皺折，還要注意加上成本和構(gòu)造上的要求等因素。五、彎曲（一）考試大綱梁的內(nèi)力方程；剪力圖和彎矩圖；分布荷載、剪力、彎矩之間的微分關(guān)系；正應(yīng)力強度條件