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工程力学研究对象与内容概述

时间:2023-07-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:工程力学研究自然界以及各种工程中机械运动的最普遍、最基本的规律,以指导人们认识自然界,正确从事工程技术工作。工程力学的研究内容,用下面的实例来说明。

工程力学研究对象与内容概述

1.力学工程力学

人类对力的认识,可以追溯到史前时代。力学是研究物体宏观机械运动规律的科学,是物理学、天文学和许多工程学的基础,机械、建筑等的合理设计都必须以力学为基本依据。

在人类社会的发展进程中,一种最基本的要求和愿望支配着人类的社会活动和生产活动,这就是要求使用的生产工具、制造的机械设备、建造的工程结构,既要经久耐用又要造价低廉。经久耐用,是指使用的时间长久,且在使用过程中不会轻易损坏;造价低廉,是指所用的材料易于得到,用量最少,生产成本低廉。在这种需求下,力学的理论体系和研究方法发展起来。工程力学作为力学的一个重要分支,是20世纪50年代末由中国学者钱学森首先提出的,随后工程力学迅速发展,其研究范畴涵盖了物质在力的作用下的机械运动和变形机理,目前已广泛应用于机械、建筑、航天和船舰等各个领域。

工程力学是从研究构件的受力分析开始,研究构件的平衡和运动规律,以及构件的变形和破坏规律,为工程构件的设计和制造提供基本的理论依据和实用计算方法的学科。工程力学是将力学原理应用于实际工程系统的学科,是连接自然科学的基础理论和工程实践的桥梁

2.工程力学的研究对象

工程力学是机械、建筑等专业的一门理论性较强的重要技术基础课。自然界以及工程技术过程都包含机械运动。工程力学研究自然界以及各种工程中机械运动的最普遍、最基本的规律,以指导人们认识自然界,正确从事工程技术工作。工程力学主要包括静力学(研究质点系受力作用时的平衡规律的科学)、材料力学(研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度,稳定性和导致各种材料破坏的极限的科学)、运动学(描述和研究物体位置随时间的变化规律的科学)和动力学(主要研究作用于物体的力与物体运动之间的关系的科学),为工程技术人员提供重要的理论依据和技术支持。

工程力学是研究工程中力学的基本概念和基本理论的学科。它的研究对象不是完整的机器或建筑物,而是简单的工程构件。所谓构件,是指组成机械和工程结构的零部件。工程力学研究构件最普遍、最基本的受力、变形、破坏以及运动规律,为工科专业的后续课程,如机械原理、机械零件等技术基础课和一些专业课的学习打下必要的基础。

工程力学研究两大类机械运动:研究物体的运动,研究作用在物体上的力与物体运动之间的关系;研究物体的变形,研究作用在物体上的力与物体变形之间的关系。第一类属于静力学、运动学和动力学的问题,第二类属于材料力学的问题。两类问题互相交叉、渗透和融合。

3.工程力学的研究内容

工程力学是一门研究物体机械运动和构件承载能力的科学。所谓机械运动是指物体在空间的位置随时间的变化,而构件承载能力则指机械零、部件和工程结构在工作时安全、可靠地承担外载荷的能力。例如,工程中常见的起重机,设计时要对各构件在静力平衡状态和运动状态下进行受力分析,确定构件的受力情况,对构件进行运动和动力分析,然后根据各构件的变形情况,按照保证起重机安全、正常工作,各构件不发生破坏或产生过大变形条件,而确定的各构件的截面形状和尺寸;再如机械中常用的零、部件齿轮、轴等,设计时要对其进行受力分析,确定其承受的载荷,再按照载荷,确定零、部件的尺寸。

按照研究的步骤,工程力学分为静力学、材料力学、运动力学和动力学四部分。静力学主要研究物体受力后的平衡条件以及它在工程中的应用;材料力学主要研究构件在外力作用下的变形、受力和破坏的规律,为合理设计构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法;运动力学研究质点的运动和刚体的基本运动,动力学研究受力物体的运动与作用力之间的关系。工程力学的研究内容,用下面的实例来说明。

图0-1 房屋结构

例0-1 图0-1所示为木制房屋结构,它由一些水平、竖直和倾斜的杆件组成。为设计这个结构,从力学计算来说,包括下述两方面的内容:

(1)必须确定作用在各个杆件上的力的大小,即对处于静止状态的物体进行受力分析。这是静力学所要研究的问题。

(2)在确定了作用在杆件上的外力以后,根据杆件所选择的材料,确定合理的截面尺寸,以保证杆件既工作可靠又经济合理。所谓“安全可靠”是指在载荷作用下,构件不会破坏(即有足够的强度),也不会产生过度的变形(即有足够的刚度)。对于某些细长的受压构件,还应考虑不发生纵向弯曲而丧失其原有的平衡状态(即有足够的稳定性)。上述这些则是材料力学所要讨论的问题。(www.xing528.com)

例0-2 图0-2所示为塔式起重机,右侧吊钩起吊重物,左侧是使起重机保持平衡的配重,机身的重心在C点。

首先,要确定使起重机满载时能够正常工作、不倒塌的配重的最小值,还需要确定使起重机空载时不倒塌的配重的最大值,这属于静力学的范畴。

其次,根据地基的材质确定所需的最小受力面积、根据起吊重物的最大值确定起吊重物的钢丝绳所需的最小直径、根据塔身各杆的受力大小和材料确定杆件的最小尺寸等,这属于材料力学的范畴。

例0-3 图0-3所示为卷扬机,其开动时,鼓轮转动,重物以某一加速度上升。如果要设计该轴,在力学计算中,应包括下述内容:

图0-2 塔式起重机

首先,应用静力学和动力学的知识,根据重物的重力及其加速度确定卷扬机工作时轴所受到的力。

其次,应用材料力学的知识,根据轴的受力和轴的材料确定合适的轴的直径,以保证其有足够的强度和刚度。

图0-3 卷扬机

例0-4 桥梁如图0-4所示,根据桥梁上通过的车辆的最大重量,设计该桥梁,即确定桥梁需用的钢材尺寸。

应根据通过汽车的最大重量和汽车到达桥梁中间的最危险的情况,确定桥梁危险截面的弯矩,再根据此弯矩和桥梁的钢材截面形状确定钢材的型号和面积。

图0-4 桥梁

由以上实例可以看到,任何工程结构或机械的设计都离不开力学知识。

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