机械设计基础2静力学基础
机械设计基础静力学和动力学分析
机械设计基础静力学和动力学分析在机械设计中，静力学和动力学是两个重要的分析方法。
静力学主要研究物体在平衡状态下的力学性质，而动力学则研究物体在运动过程中的力学变化。
本文将深入探讨机械设计基础中的静力学和动力学分析方法。
一、静力学分析静力学是机械设计中必不可少的基础知识。
它主要研究物体受力平衡时的力学性质。
在这种情况下，物体上受到的合力和合力矩都为零。
静力学分析一般包括以下几个方面：1. 牛顿第一定律：牛顿第一定律也被称为惯性定律，它指出物体在受力平衡时保持匀速直线运动或静止状态。
我们可以利用这个定律来分析物体是否处于受力平衡的状态。
2. 受力图：受力图是通过画出物体上所有受力的向量图形来分析受力平衡状态。
通过受力图，我们可以清楚地看到物体上的所有力以及它们的大小和方向。
3. 平衡条件：物体在受力平衡时，满足合力和合力矩为零的条件。
通过使用平衡条件，我们可以得到物体上各个力的大小和方向。
二、动力学分析动力学是研究物体在运动过程中的力学性质的学科。
与静力学不同，动力学分析需要考虑物体受到的外力以及物体的质量、加速度等因素。
在机械设计中，动力学分析通常包括以下几个方面：1. 牛顿第二定律：牛顿第二定律建立了力、质量和加速度之间的关系。
它表达为F=ma，其中F是物体所受合力，m是物体的质量，a是物体的加速度。
通过这个定律，我们可以计算物体所受的合力。
2. 运动学分析：在动力学分析中，我们需要分析物体的速度和位移随时间的变化关系。
通过使用运动学方程，我们可以计算物体在特定时间内的速度和位移。
3. 动量和动量守恒定律：动量是物体运动时的一个重要物理量，它等于质量乘以速度。
动量守恒定律指出，在不受外力作用的情况下，物体的总动量保持不变。
通过使用动量守恒定律，我们可以分析碰撞等情况下物体的动量变化。
结论静力学和动力学是机械设计基础中重要的分析方法。
在静力学分析中，我们通过牛顿定律和平衡条件来分析物体在受力平衡时的力学性质。
机械设计基础中的静力学与动力学
机械设计基础中的静力学与动力学机械设计是现代工程领域中至关重要的一部分。
作为机械设计师，了解和掌握静力学和动力学原理对于设计出安全、可靠的机械系统至关重要。
在本文中，我们将介绍机械设计基础中的静力学与动力学的基本概念与应用。
一、静力学静力学是机械设计中的一个基本概念，研究物体在平衡状态下的力学原理。
在机械系统中，当物体处于静止或平衡时，所受到的合力和合力矩均为零。
通过静力学的分析，我们可以确定物体的平衡条件，从而设计出稳定的机械结构。
在静力学中，力的平衡可以通过平衡方程来描述。
平衡方程通常包括力的合成、分解和力矩的计算。
通过力的平衡分析，我们可以计算出各个支撑点所受到的力和力矩，从而确定系统的平衡性。
静力学的应用非常广泛，例如在桥梁设计中，我们需要通过静力学分析来确定桥梁各部分的力学特性，以确保桥梁可以承受各种荷载条件下的安全使用。
二、动力学动力学是机械设计中的另一个基本概念，研究物体在运动状态下的力学原理。
在机械系统中，当物体处于动态运动时，所受到的力会导致物体产生加速度，从而改变物体的速度和位置。
通过动力学的分析，我们可以确定物体的运动状态，了解系统的动态特性。
在动力学中，牛顿第二定律是一个重要的原理，它指出物体的加速度与作用在物体上的合力成正比，与物体的质量成反比。
利用牛顿第二定律，我们可以计算物体在给定力的作用下的加速度和速度变化。
此外，动力学还涉及到能量和动量守恒的原理，通过这些原理，我们可以更好地理解和分析机械系统的动态行为。
动力学的应用非常广泛，例如在汽车设计中，我们需要通过动力学分析来确定汽车在不同行驶状态下的加速度和速度变化情况，以确保车辆的稳定性和行驶安全。
三、静力学与动力学的关系静力学与动力学是机械设计中不可分割的两个方面。
静力学主要研究物体在平衡状态下的力学特性，而动力学则研究物体在运动状态下的力学特性。
这两个概念之间存在着密切的联系。
在机械系统设计中，我们需要综合考虑静力学和动力学的原理，以确保机械系统在平衡和动态运动中的安全性和可靠性。
机械设计基础2静力学基础
利用力矩平衡原理设计各种平衡装置，如平衡锤 、平衡轮等，以抵消不平衡力矩的影响。
旋转运动分析
通过分析力矩和转速的关系，可以研究旋转运动 的特性，如旋转速度、扭矩等。
05
力的线分布与重心
力的线分布
力的线分布概念
力的线分布是指力在物体上分布的情况，包括力的方向、大小和 作用点。
力的平行四边形法则
不规则形状的重心计算
03
对于不规则形状的物体，需要通过实验方法或数值分析方法计
算出其重心位置。
重心的应用
1 2 3
平衡问题
重心在解决平衡问题中具有重要作用，例如在确 定天平的平衡点时需要用到重心概念。
结构设计
在机械结构设计中，重心的位置会影响到结构的 稳定性和承重能力，因此需要合理设计结构以减 小重心偏移。
机械设计基础2静力学基础
汇报人：
汇报时间：202X-12-29
目录
• 静力学基础概念 • 受力分析 • 平衡方程 • 力的矩与力矩平衡 • 力的线分布与重心 • 弹性力学基础
01
静力究物体在力系作用下处于平 衡状态的性质和规律的科学。
02
平衡状态
物体相对于地球保持静止或做 匀速直线运动的状态。
约束反力
约束对被约束物体的作用力，方向与主 动力相反。表示方法为矢量。
集中力
作用在物体上的力，可以表示为作用点 上的矢量。
分布力
作用在物体上的力，表示为分布载荷集 度与作用面积的乘积。
受力图绘制
画出研究对象的轮廓线
根据物体的几何形状画出轮廓线 。
画出约束反力
根据约束的类型和约束反力的方 向，画出约束反力。
静不定问题
适用于分析存在部分未知 约束反力的静不定问题， 通过平衡方程求解未知反 力。
机械设计基础机械系统的静力学原理
机械设计基础机械系统的静力学原理机械系统是由多个机械部件组成的集合体，通过相互作用来完成特定的工作。
在进行机械设计时，了解机械系统的静力学原理是非常重要的。
静力学原理主要研究物体在不受外力作用时的平衡条件。
1. 基本概念机械系统的静力学分析是在静止状态下进行的，忽略速度和加速度的影响。
在进行静力学分析时，常用到以下基本概念：1.1 力：力是物体之间相互作用的结果，用矢量表示。
力的大小用牛顿（N）作为单位。
1.2 力矩：力矩是力绕点旋转的趋势。
力矩的大小等于力的大小乘以力臂的长度，用牛顿·米（N·m）作为单位。
1.3 平衡条件：一个物体处于静止平衡时，对于物体上的任意一点，受到的合力与合力矩都为零。
2. 静力学原理的应用在机械设计中，静力学原理广泛应用于机械系统的受力分析和设计优化中。
2.1 受力分析：静力学原理可以帮助工程师计算机械系统中各个部件所受的力和力矩，并判断其是否处于平衡状态。
通过受力分析，可以确定机械系统的稳定性和结构强度，从而指导设计和优化。
2.2 设计优化：在机械设计中，静力学原理用于优化机械系统的结构和布局。
通过合理选择构件的位置、尺寸和形状，可以减小系统中的应力集中，提高系统的工作效率和可靠性。
3. 示例：悬臂梁的静力学分析为了更好地理解静力学原理的应用，我们以悬臂梁为例进行静力学分析。
悬臂梁是一种常见的机械系统，由一根固定在一端的梁杆组成。
在悬臂梁上加上一个施加向下的力F，我们可以通过静力学原理计算出悬臂梁上的各个点所受的力和力矩。
通过对悬臂梁进行受力分析，可以得出以下结论：3.1 在固定端（支点）附近，由于固定点对梁的约束，该点受到的力和力矩为零。
3.2 在悬臂梁的自由端，由于受到向下的外力F的作用，该点受到一个向上的力F和一个逆时针的力矩MF。
3.3 在悬臂梁上的其他点，受力和力矩的大小和方向根据静力学原理可以得到。
通过这样的分析，我们可以确定悬臂梁上各个点的受力情况，并判断悬臂梁是否处于平衡状态。
机械设计中的力学基础知识
机械设计中的力学基础知识在机械设计领域中，力学基础知识是非常重要的。
正确理解和应用力学原理，对于设计出安全可靠、高效的机械结构至关重要。
本文将介绍机械设计中的力学基础知识，包括静力学和动力学两个方面。
一、静力学基础知识静力学研究物体在静止状态下的平衡条件和力的作用关系。
以下是几个常见的静力学概念：1. 力的平衡条件：对于一个物体处于平衡状态，力的合力与力的合力矩均为零。
合力是各个力合成的结果，合力矩是各个力对某一点产生的力矩的矢量和。
2. 受力分析：通过受力分析可以确定物体所受的各个力的大小、方向和作用点。
常用的受力分析方法有自由体图法和切线力图法。
3. 支承条件：在机械设计中，合理的支承条件对于确保机械结构的稳定性和可靠性至关重要。
常见的支承形式包括固定支承、铰支承和滑动支承等。
二、动力学基础知识动力学研究物体在运动状态下的力学关系和运动规律。
以下是几个常见的动力学概念：1. 牛顿定律：牛顿第一定律又称为惯性定律，指出物体若无外力作用，将保持静止或匀速直线运动。
牛顿第二定律描述了物体在受力作用下的加速度与力的关系，公式为F=ma，其中F为物体所受合外力，m为物体质量，a为物体加速度。
牛顿第三定律指出，相互作用的两个物体对彼此施加的作用力大小相等、方向相反。
2. 动力学方程：动力学方程描述了物体在受力作用下的运动规律。
常见的动力学方程有直线运动的位移-时间关系方程、速度-时间关系方程和加速度-时间关系方程等。
3. 惯性力：惯性力是由于参考系选择不当而出现的形式力。
在非惯性系中，物体在运动过程中需要受到惯性力的补偿，以保持动力学方程的正确性。
综上所述，力学基础知识在机械设计中起着重要的作用。
准确理解和应用静力学和动力学的原理，能够帮助工程师设计出更加安全、可靠和高效的机械结构。
因此，熟练掌握力学基础知识是机械设计人员必备的能力之一。
通过不断学习和实践，我们可以不断提高自己的机械设计水平，为实现工程目标做出更大的贡献。
《机械设计基础》课件第1章静力学基础与理论
（2）力与轴不共面：
过力 F 的起点 和终点分别作 平面垂直于x轴，
则 X=±ABˊ
= ± ab
（3）正负号规定：
若a为F 与x轴正向的夹角，则X=Fcos a 若a为锐角，则X=±Fcos a ，用观察法确定正负，即：
如果从力的起点的投影到终点的投影与投影轴的正向一致 者为正，反之为负。
平行四边形的对角线来表示。即 RF1F2
力三角形→
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
公理2 二力平衡条件
作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是： 这两个力大小相等、方向相反、作用线共线，作用于同一 个物体上。
(简称等值、反向、共线）
注意：
F1F2 F1F2
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
（1）平面问题中的力偶矩是代数量，大小等于力偶中的力的 大小与力偶臂的乘积：
'
mm(F,F)Fd 规定：逆时针转向为正，反之为负 。
单位：N.m，kN.m 《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
（2）空间问题中的力偶矩是矢量，其对物体的作用决定于力 偶三要素：
●力偶矩的大小 ：m Fd
●力偶作用面在空间的方位
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
1.1 静力学基本知识
1.1.1力、刚体、平衡
（1）力的概念
1）定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的 运动状态发生改变或使物体产生变形。
2） 力的效应： ①运动效应(外效应) ②变形效应(内效应)。
（如无特别声明，本课程只研究力的外效应） 3）力的三要素：大小，方向 ，作用点。
MO FR
机械基础 静力学基础知识
（三)约束和的束反力
四种常见的约束类型：光滑接触面约束、柔性约束、光滑铰链约束、固定端约束
1、光滑接触面约束组成：由光滑接触表面组成的约束特点：不论接触面是平面或曲面， 都不能限制物体沿接触面切线方向的运动，只能限制物体沿接触面的公法线指向约束物 体方向的运动方向：通过接触点，沿着接触面公法线方向，指向被约束的物体，通常用FN表示
FNA
FNA FNB
B
A
A
（三)约束和的束反力
2、柔性约束组成：由柔性绳索、胶带或链条等柔性物体构成 特点：只能受拉；不能受压反力方向： 作用在接制点：方沿柔体的中心线背离物体
F1 F1’ F
G G
F2
F2’
（三)约束和的束反力
3、光滑铰链约束
光滑铰链约束是由铰链构成的约束，包括固定铰链支座，活动较链支座和连接铰链三种 (1)固定链约束反力：用过轴心两个互相垂直的分力代替 (2)活动较链约束反力：用通过链中心且垂直于固定面的力表示 (3)连接链约束反力：用过链中心的两个互相垂直的分力来表示
注意：(1)受力图只画研究对象的简图和所受的全部力； (2)每画一力都要有依据，不多不漏 (3)不要画错力的方向，反力要和约束性质相符， 物体间的相互约束力要符合作用与反作用公理
填空 1、力是矢量，力的三要素为力的大小、力的方向、力的作用点 [分析]本题要求建立力的概念，熟悉力的三要素 2、光滑铰链约束特点是限制两物体的径向相对运动，而不能限制两物体绕铰链中心的相对转动 [分析]本题要求熟悉铰链约束所能限制的运动方向，能在画受力图时对其进行正确判断 3、柔性约束其反力是沿柔体中心，背离被约束物体的拉力 [分析]本题要求明确约束反力的性质、方向，能将其正确用于画受力图 判断 1、二力构件，因其上两作用力位于同一直线上，所以一定是直杆。() [分析]错误，二力杆的受力特点是等值、反向，共线的条件与杆件几何形状无关。所以共线不一定是直杆 2、作用力与反作用力总是同时存在。 [分析]正确，本题要熟悉作用与反作用公理 3、二力平衡条件是：大小相等，方向相反，作用在同一物体上 [分析]错误，本题考察概念是否清楚，二力平衡的三要素为等值、反向、共线。若二力不共线则不平衡 4、光滑接触面的约束反力方向是沿接触面法线方向，指向被约束的物体 [分析]正确，本题要求能正确分析不同约束反力的方向和位置 5、约束反力是阻碍物体运动的力 [分析]正确，本题要求了解约束反力的性质 6、阻碍物体运动的力一定是约束反力，() 分析错误，阻碍物体运动的力不一定是约束反力，还可能是摩擦力。
机械设计基础知识大全
机械设计基础知识大全1. 材料力学材料力学是机械设计的基础知识，主要包括材料的弹性、塑性、断裂、疲劳等力学性质。
了解材料的力学性质，有助于选取适宜的材料和确定材料的可靠强度。
2. 静力学静力学是机械设计的重要基础，它包括平面力学、三维力学、力的合成分解、重心和力矩等重要内容。
静力学的应用广泛，可用于设计机械结构和判断结构的稳定性。
3. 动力学动力学是机械设计中不可忽视的重要知识，它包括牛顿定律、功和能量、动量守恒等内容。
了解机械系统的动力学特性，可以帮助设计机械运动控制系统。
4. 机械制图机械制图是机械设计的重要环节，它用于描述机械装配的结构、功能和零件之间的关系。
掌握机械制图的基本要素，有助于绘制出高质量的图纸。
5. 液压传动液压传动是机械设计中广泛应用的技术，它利用液体传递压力和能量，在机械运动控制、能量转换和电控系统中发挥着重要作用。
了解液压控制系统的原理和组成，有助于设计出高效可靠的液压系统。
6. 传动系统传动系统是机械运动和动力传递的重要环节，它包括齿轮传动、皮带传动、链传动等多种形式。
了解每种传动系统的优缺点和适用场合，可以选择适宜的传动方式，优化机械结构。
7. 机械加工机械加工是机械设计中不可或缺的环节，它包括加工工艺、刀具选择和加工精度等内容。
了解机械加工的基本原理和方法，可以提高机械零件的制造精度和质量。
8. 机械设计软件机械设计软件是机械设计中必不可少的工具，它包括CAD、CAM、CAE 等多种类型。
了解常用的机械设计软件的功能和应用，可以提高机械设计的效率和质量。
9. 机械标准机械标准是机械设计的重要参考依据，它规定了机械零件的尺寸、形状、公差和材料等方面的标准化要求。
了解机械标准的内容和应用，可以避免设计中出现不合规范的问题，提高机械产品的质量。
10. 机械维修机械维修是机械设计的延伸，它包括机械设备的故障检测、维修和保养等方面。
了解机械维修的基本原理和方法，可以保持机械设备的正常运转，延长机械产品的使用寿命。
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静力学基础
铰杆约束（二力杆约束）
两端以铰链与其它物体连接，中间不受力且不计自 重的刚性直杆称链杆。约束反力只限制物体沿链杆轴线 方向运动，约束力沿杆两端铰链中心连线，指向不定， 指向或为拉力或为压力。 链杆属于二力杆的特殊情形。
辅 助 支 承
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
q
BC A
空间约束：（1）空间球铰约束 （2）空间柱状铰约束和蝶状铰约束 （3）空间固定端约束 （4）滑动轴承约束和止推轴承
（5）弹性约机束械设Hale Waihona Puke 基础2静力学基础2静力学基础
静力学基础
1、柔性约束(由柔软的绳索、链条或皮带构成的约束)
缆索
缆索
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
柔索只能受拉，其约束反力作用在接触点，方向 沿绳索背离物体。用符号F或T表示.
A
F NA
G
C
F NC
B
F NB
光滑面约束
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
FR
滑槽与销钉
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
3、光滑圆柱铰链的约束 构件通过圆柱销连接在一起，称为铰链连接。光
滑铰链约束是在相互连接的两个构件上钻同样大小的 圆孔，并用与圆孔直径相同的光滑销钉连接形成的。
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
受力分析与受力图
对物体进行受力分析是静力学计算（如求解约束力） 中最重要的一步，也是动力学计算（求解物体受力与 运动状态变化间的关系）中的重要环节。
一、受力分析
解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体， 即选择研究对象；然后根据已知条件，约束类型并结 合基本概念和公理分析它的受力情况，这个过程称为 物体的受力分析。
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
铰 铰
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
光滑铰链约束的约束力作用在垂直于销钉轴线平 面内，通过销钉中心，方向不定。
为便于计算，铰链约束的约束力常用过铰链中心 两个大小未知的正交分力XA，YA来表示。两分力的 指向可假设
静力学基础
恐龙骨骼的铰链连接
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
固定铰约束
将构件用圆柱销与支座连接，并将支座固定在支承物上形 成的约束。固定铰支座的约束反力的特点：作用线在垂直于 销钉轴线平面内通过销子的中心，方向不确定。
表示为可以表示为单个力FA和未知角α，或者两个正交分 力FAx、FAy。其中FA是FAx和FAy的合力。
C
F co
C
M
E
D
O
O
O
Foc
C
F
D
E
A
B
G
FDE
F ED
工程结构中的链杆（二力杆）
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
4、固定端约束 构件与支承物通过嵌固、焊接、铆接、螺栓等
各种方式固定在一起，构件在固定端既不能沿任何 方向移动，也不能转动，构件所受到的这种约束称 为固定端支座约束。固定端的约束力，一般用两个 正交分力和一个约束力偶来代替，方向不定。
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
FR
辊轴
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
FB F
A
F
F
Ay
Ax
F By
B
F Bx
C
F NC
F
C
D
F
F
B
E
F
A
F
FF
机械设光计基滑础圆2静力柱学铰基础链2静约力学束
基础
静力学基础
球铰链
组成: 球碗与球头
性质: 三维光滑面
方位: 不能事先确定时，常用三分力表示
A
FAx
FAy
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
FRy FRx
滚 珠 ( 柱 ) 轴 承 机械设计基础2静力学基础2静力学
基础
静力学基础 活动铰约束
在固定铰支座底部安放若干滚子并与支承面接触构成活 动铰支座，又称辊轴支座。广泛应用于桥梁、屋架结构中。
活动铰支座只限制构件沿支承面垂直方向的移动不能阻 止物体沿支承面运动或者绕轴转动。约束反力通过铰链中心， 垂直于支承面，指向不确定。
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础 二、约束力特点：
①大小未知； ②方向与约束所限制的物体的位移方向相反； ③作用点是物体与约束相接触的点。
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
三、工程中几种常见的约束及其约束反力
平面约束：（1）柔性体约束（绳索、皮带、链条等） （2）光滑接触 面（线、点）约束 （3）光滑圆柱铰链约束和固定铰支座约束 （4）滚动铰支座约束 （5）链杆约束和链杆约束 （6）固定（嵌入）端约束 （7）定向约束（双链杆约束）
缆索
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
2、光滑接触面的约束 (光滑指不计摩擦) 完全光滑是指支承面不会产生阻碍被约束物体
沿接触处切面内任何方向位移的阻力
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
光滑面约束的约束力作用在接触点处，方向沿公 法线，指向受力物体，为压力。这类约束力也称法 向约束力。常用FN 表示
机械设计基础2静力学基础
目录
1
约束与约束反力
2
受力分析与受力图
3
受力分析实例
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
约束与约束反力
一、基本概念与术语
自由体：位移不受限制的物体叫自由体。 非自由体：位移受限制的物体叫非自由体。 约束：非自由体的运动受到周围其它物体的限制条件。 约束力：约束作用于该物体上的限制其运动的力。 主动力：作用于被约束物体上的约束力以外的力。
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础
中间铰约束
销钉对物体的约束力通过物体圆孔中心。由于接触 点不确定，故中间铰链对物体的约束力的特点是：作用 线通过销钉中心，垂直于销轴线，方向不定。
表示为单个力FR 和未知角α，或者两 个正交分力FRx、FRy。 其中FR是FRx和FRy的 合力。
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
指向: 假定
约束特征： 限制物体在接触点处各个方向的移动, 不限 制物体绕该点的转动。
约束反力特征：方位和指向都不定，常假定三个正交分 量Fx、Fy、Fz。
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
静力学基础 其它铰链约束
滑动轴承
焊接点
铰
活页铰(蝶形铰)约束
铆接点
铰
沥清麻刀
铰
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础
机械设计基础2静力学基础2静力学 基础