工程力学受力分析论文

  工程力学是和工程密切联系的一门专业基础课,是高等教育机械类、土木类、材料类、电子类等的一门重要的必修课。下面小编带来的是工程力学受力分析论文,希望对你有所帮助!

  摘 要: 在工程力学教学中,对物体正确进行受力分析是学好工程力学的第一步。作者总结出一些有关构件正确的受力分析和画受力图的方法,使学生通过学习,基本能够掌握受力分析的方法,减少常出现的错误,为以后的学习打下牢固的基础。

  关键词: 工程力学 受力分析 受力图 学习方法

  在工程力学教学中,对物体进行受力分析并画出受力图是学生学好工程力学的第一步。这部分内容占有非常重要的地位,几乎所有的力学计算,如构件平衡与运动时未知力的计算、构件承载能力的安全校核计算等,都需要首先进行受力分析并画出有关的受力图后才能进行。而所画受力图的准确性直接影响到计算的正确性。受力图的绘制一旦有误,不仅会使计算出现错误,而且有可能进一步使后续的机械设计出现重大失误,其损失可能是巨大的。所以,正确地对构件进行受力分析,准确无误地画出受力图,在工程力学计算中往往能起到事半功倍的作用。

  我们通过研究发现,在教学过程中,学生刚开始接触到受力分析时,因为有中学物理基础,有轻视心理,对约束和约束反力的概念没有加以深入理解,所以所画构件受力图错误比较多。他们普遍反映受力分析和受力图这部分内容在理论上没有难以理解的地方,但在画构件的受力图时却总是出错。其实,受力分析和受力图这部分内容的理论并不深奥,是学生没有从理解概念入手,把画受力图和运用概念密切地联系在一起,并且没有深刻理解力学公理和原理,缺乏一些灵活的技巧和方法。

  为此,我们总结出一些有关构件正确的受力分析和画受力图的方法,使学生通过学习,基本能够掌握受力分析的方法,对所画受力图出现的错误能有效地检查出来,使所画受力图中的错误大大地减少,为以后的学习和应用打下牢固的基础。

  一、理解概念,掌握力、约束、约束反力三者之间的内在联系

  力是物体之间相互的机械作用。凡是限制物体运动的其它物体称为约束。作用在物体上的限制物体运动的力称为约束反力。这些是力、约束、约束反力的定义。老师在讲课时应该把力的定义反复突出地强调,同时适时地和约束、约束反力的定义联系在一起,将三者之间内在的联系揭示出来,并反复强调相互作用的结果,加深学生对约束产生约束反力的理解。另外,把约束的定义从广义上去讲解,不宜把物体和约束截然分开,孤立地认为约束是被限制的物体。应该突出物体和约束之间的限制是相互的,是对等的。约束可以是物体,物体也可以是约束。

  如图1所示,球O放在拱形地面上。由于它们之间有相互作用,在其相互作用面上就有力产生。这时应该认为这两个物体都是约束,互相限制对方的运动。它们均为光滑接触面约束,其约束反力根据光滑接触面约束的性质应为:沿接触面公法线方向,指向被约束物体。图中球O所受的力N即为拱形地面给它的约束反力。突出强调相互作用产生约束反力,可使得学生画受力图时多画力或少画力的现象大为减少,提高所画受力图的准确性。

  二、明析“二力杆件”和固定铰链约束的特殊关系

  在画受力图时,对固定铰链约束的约束反力有时要画互相垂直的两个分力,而有时又只要画一个力,不少学生感到不好掌握,时常画错。老师在讲课中,应该把固定铰链约束从广义上去讲解:固定铰链只能限制物体间的相对径向移动,不能限制物体绕圆柱销轴线的转动和平行于圆柱销轴线的移动。由于圆柱销与圆柱孔是光滑接触面接触,这个光滑的回转面就是它的约束面,则约束反力应是沿接触线上的一点到圆柱销中心的连线上,垂直于轴线。但是由于物体在回转过程中与固定铰链约束接触面的位置是变化的,不固定的,因此这个光滑面约束反力的方向是不能预先确定的,只能用两个方向待定的垂直分力来代替。力的方向不能预先确定是固定铰链约束反力画为两个互相垂直的分力的原因,这一点要向学生反复强调。

  当力的方向能确定时,就可以只画一个力,这时要引入“二力杆件”和固定铰链约束的特殊关系。“二力杆件”是指只受两个力作用而平衡的杆件。“二力杆件”平衡时,二力必沿作用点的连线,且两作用力的大小相等,方向相反。当“二力杆件”和固定铰链约束联接时,固定铰链约束反力的作用线是能确定的,它必然通过“二力杆件”上二力作用点的连线。给学生讲清楚这个特殊关系,在受力分析时,对于“二力杆件”,在其与固定铰链联接处只需要画出一个约束反力。这样就能很好地解决问题。

  三、运用作用力与反作用力公理,检测受力图的准确性

  作用力与反作用力公理即牛顿第三定律,它揭示了物体间相互作用的结果。两物体间的作用力与反作用力总是同时存在的,且两力的大小相等、方向相反、沿着同一直线,分别作用在相互作用的两个物体上。

  对物体进行受力分析过程,灵活地运用该公理,不仅可以提高画受力图的效率,而且可以用来检验受力图的准确性。当相互作用的两个物体中一个物体的受力图画出后,可以利用该公理画出另一个物体的受力图,无须判别约束类型再画受力。如图1中,当球O的受力图画出后,就可以根据该公理迅速画出拱形地面所受的压力来。用该公理还可以检查受力图中的错误。若相互作用的构件之间的相互作用力不符合该公理,则这个地方的受力图肯定是错误的。如在图2中,当误把铰链A处的约束反力画成两个分力X和Y时,利用该公理可以检查出这两个分力和AB杆上的A点处力R′不符合作用力与反作用力公理。“二力杆件”AB杆在A点只可能有沿AB连线的力,根据作用力与反作用力公理,在AC杆的A点只能有和R′存在作用力与反作用力关系的力R。故图中两力X和Y的画法是错误的。

  四、正确三力平衡汇交原理应用

  值得一提的是,学生中有一个错误犯得比较多,那就是在应用三力平衡汇交原理作图时存在滥用现象,特别是物体受四个力作用平衡时,很多学生出现四个力中的三个力汇交于一点的错误。这是不对的,物体只在受三个力作用下平衡时才存在平衡汇交原理,四个力或四个力以上的力作用时不存在平衡汇交原理,这时不能够确定的固定铰链约束力需用两个互相垂直的力来表示。

  多年的教学实践证明,在讲课中若突出以上几个方面重点讲解,并多加练习,能取得较好的教学效果。学生在画受力图时,既可以利用约束的性质分析画图,又可以利用作用力与反作用力公理分析画图;在检查受力图时,既可以检查是否有相互作用,又可以看是否符合作用力与反作用力公理,较好地掌握了受力分析和画受力图的方法。

  参考文献

  [1]刘英卫,何世松,张洪涛.工程力学[M].北京:北京理工大学出版社,2010.

  [2]梅建云,李俊彬,黄文华.工程力学[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2009.

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  [4]刘晓燕.关于《平面汇交力系的合成与平衡的解析法》教学设计[J].专业教学研究,2007,5:88-89.

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