工程力学在材料中的应用
工程力学在材料中的应用
首先要了解什么叫工程力学，工程力学是干什么的？
工程力学一般包括理论力学的静力学和材料力学的有关内容，是研究物体机械运动的一般规律和有关构建的强度、刚度、稳定性理论的科学，是一门理论性和实践性都较强的专业基础课。
这里我们只对工程力学在材料中应用进行讨论，即材料力学。
材料力学在生活中的应用十分广泛。大到机械中的各种机器建筑中的各个结构小到生活中的塑料食品包装很小的日用品。各种物件都要符合它的强度、刚度、稳定性要求才能够安全、正常工作所以材料力学就显得尤为重要。生活中机械常用的连接件如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形在设计时应主要考虑其剪切应力。汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的变形属于扭转变形。火车轴、起重机大梁的变形均属于弯曲变形。有些杆件在设计时必须同时考虑几个方面的变形如车床主轴工作时同时发生扭转、弯曲及压缩三种基本变形钻床立柱同时发生拉伸与弯曲两种变形。
在20世纪50年代出现了一些极端条件下的工程技术问题所涉及的温度高达几千度到几百万度压力达几万到几百万大气压应变率达百万分之一亿分之一秒等。在这样的条件下介质和材料的性质很难用实验方法来直接测定。为了减少耗时费钱的实验工作需要用微观分析的方法阐明介质和材料的性质在一些力学问题中出现了特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况因而必须从微观结构分析入手处理宏观问题出现一些远离平衡态的力学问题必须从微观分析出发以求了解耗散过程的高阶项由于对新材料的需求以及大批新型材料的出现要求寻找一种从微观理论出发合成具有特殊性能材料的“配方”或预见新型材料力学性能的计算方法。在这样的背景条件下促使了工程力学的建立。工程力学之所以出现一方面是迫切要求能有一种有效的手段预知介质和材料在极端条件下的性质及其随状态参量变化的规律另一方面是近代科学的发展特别是原子分子物理和统计力学的建立和发展物质的微观结构及其运动规律已经比较清楚为从微观状态推算出宏观特性提供了可能
材料力学研究的主要问题是杆件的强度、刚度和稳定性问题，因此，制成杆件的物体就应该是变形固体，而不能像理论力学中那样认为是刚体。变形固体的变形就成为它的主要基本性质之一，必须予以重视。例如，在土建、水利工程中，组成水闸闸门或桥梁的个别杆件的变形会影响到整个闸门或桥梁的稳固，基础的刚度会影响到大型坝体内的应力分布；在机电设备中，机床主轴的变形过大就不能保证机床对工作的加工精度，电机轴的变形过大就会使电机的转子与定子相撞，使电机不能正常运转，甚至损坏等等。因此，在材料力学中我们必须把组成杆件的各种固体看做是变形固体．．．．。固体之所以发生变形，是由于在外力作用下，组成固体的各微粒的相对位置会发生改变的缘故。在材料力学中，我们要着重研究这种外力和变形之间的关系。大多数变形固体具有在外力作用下发生变形，但在外力除去后又能立刻恢复其原有形状和尺寸大小的特性，我们把变形固体的这种基本性质称为弹性．．，把具有这种弹性性质的变形固体称为完全弹性体．．．．．。若变形固体的变形在外力除去后只能恢复其中一部分，这样的固体称为部．分弹性体．．．．。部分弹性体的变形可分为两部分；一部分是随着外力除去
而消失的变形，称为弹．性变形．．．；另一部分是在外力除去后仍不能消失的变形，称为塑性变形．．．．（残余变形或永久变形）。严格地说，自然界中并没有完全弹性体，一般的变形固体在外力作用下，总会是既有弹性变形也有塑性变形。不过，实验指出，像金属、木材等常用建筑材料，当所受的外力不超过某一限度时，可看成是完全弹性体。为了能采用理论的方法对变形固体进行分析和研究，从而得到比较通用的结论，在材料力学中，有必要根据固体材料的实际性质，进行科学的抽象假定，正像在理论力学中，可以把固体当做绝对刚体一样。这是因为真实固体的性质非常复杂，每一门科学都只能从某一角度来研究它，即只研究其性质的某一方面。为了研究上的方便，就有必要将那些和问题无关或影响不大的
次要因素加以忽略，而只保留与问题有关的主要性质。为此提出如下有关变形固体的基本假定。
连续均匀假定根据近代物力学的知识，组成固体的各微粒之间都存在着空隙，而并不是密实的、连续的；同时，真实固体的结构和性质也不是各处均匀一致的。例如，所有金属都是结晶体物质，具有晶体的结构，若在同一金属物体中取出几个小块，其大小和晶粒的大小差不多，则在几个晶粒内交接处所取出的小块的性质，显然与在一个晶粒内所取出的小块的性质不会相同。不过在材料力学中所研究物体的大小比晶体要大得多，从同一金属物体不同部分所取的任何小的试件里，都会包含着非常多的、排列错综复杂的晶粒。故在这些试件之间，由于个别晶粒性质不同所引起的差别，就忽略不计了。又如混凝土物体也有类似情况，在混凝土物体中，石块、砂子和水泥是混杂地固结在一起的，若只考虑个别的石块、砂子和水泥微粒，它们的性质是很不同的，但因一般混凝土建筑物的体积都比较大，我们从建筑物中取出的任一块混凝土试件，都必定会包含很多的石块、砂子和水泥在内，故可认为混凝土也是均匀材料。另外，对比组成固体的微粒大很多的物体来讲，考虑微粒间空隙的存在也是没有意义的。故可认为，材料是毫无空隙地充满在物体的整个几何容积中．，且物体的性质在各处都均匀一致的。
人类从长期生产、生活实践中不断制造和改造各种工具、建筑房屋，舟车工具等。这就不能不使用各种材料，从最初使用的天然材料：石、竹、木材等到后来使用的砖、铜、铁、水泥、塑料及各种合金等，并在长期使用过程中逐渐认识了材料的性能，并能结合构件受力特点正确使用材料。
当建筑物承受到外力的作用（或其它外在因素的影响）时，组成该建筑物的各杆件都必须能够正常地工作，这样才能保证整个建筑物的正常工作。为此，要求杆件不发生破坏。如建筑物的大梁断裂时，整个结构就无法使用。不破坏并不一定能正常工作，若杆件在外力作用下发生过大的变形，也不能正常工作。如吊车梁若因荷载过大而发生过度的变形，吊车也就不能正常行驶。又如机床主轴若发生过大的变形，则引起振动，影响机床的加工质量。此外，有一些杆件在荷载作用下，其所有的平衡形式可能丧失稳定性。例如，受压柱如果是细长的，则在压力超过一定限度后，就有可能明显地受弯。直柱受压突然变弯的现象称为丧失了稳定性。杆件失稳将造成类似房屋倒塌的严重后果。总而言之，杆件要能正常工作，必须同时满足以下三方面的要求：（1）不会发生破坏，即杆件必须具有足
够的强度．．。（2）不产生过大变形，发生的变形能限制在正常工作许可的范围以内，即杆件必须具有足够的刚度．．。（3）不失稳，杆件在其原有形状下的平衡应保持为稳定的平衡，即杆件必须具有足够的稳定性．．．。这三方面的要求统称为构件的承载能力。一般来说，在设计每一杆件时，应同时考虑到以上三方面的要求，但对某些具体的杆件来说，有时往往只需考虑其中的某一主要方面的要求（例如以稳定性为主），当这些主要方面的要求满足了，其它两个次要方面的要求也就自动地得到满足。当设计的杆件能满足上述三方面的要求时，就可认为设计是安全的，杆件能够正常工作。一般说来，只要为杆件选用较好的材料和较大的几何尺寸，安全总是可以保证的，但这样又可能造成财力、人力和物力上的浪费，不符合经济原则。显然，过分地强调安全可能会造成浪费，而片面地追求经济可能会使杆件设计不安全，这样安全和经济就会产生矛盾。材料力学正是解决这种矛盾的一门科学。根据材料力学的知识，就能知道怎样在保证安全的条件下尽量地使杆件消耗最少的材料。也正是由于这种矛盾的不断出现和不断解决，才促使材料力学不断地向前发展。为了能既安全又经济地设计杆件，除了要有合理的理论计算方法外，还要了解杆件所使用材料的力学性能。固然有的材料的力学性能从有关手册中可以找到，但是有的情况下还必须自己测定，因此还必须掌握材料力学的试验技术。通过杆件的材料力学试验，一方面可以测定各种材料的基本力学性质；另一方面，对于现有理论不足以解决的某些形式复杂的杆件设计问题，有时也可根据试验的方法得到解决。故试验工作在材料力学中也占有重要的地位。综上所述，我们可得出如下结论：材料力学是研究杆件的强度、刚度和稳定性的学科，它提供了有关的基本理论、计算方法和试验技术，使我们能合理地确定杆件的材料和形式尺寸，以达到安全与经济的目的。
工程中为了对杆件进行设计，需要深入到杆件内部研究其内效应。当物体不受外力作用是，杆件内部分子之间保持一定距离，分子间的吸力与斥力相互平衡，此即为分子间的结合力，它使物体保持一定形状。当杆件受到外力作用时，相邻分子间的距离发生改变，分子间相互作用力也相应发生改变。这种杆件材料内部分子之间相互作用力的改变量称为附加内力，简称内力．．。由于物体在外力作用下，随着变形的产生，同时会有内力产生，这种内力又具有力图保持物体原状，抵抗变形的性质，故有时也称它为抗力．．。正如当我们用两手张拉一根橡皮棒时，手就感觉到一股相反方向的力作用一样。这个力就是橡皮棒的内力，即抗力。
利用材料力学中卸载与在加载规律得出冷作硬化现象工程中常利用其原理以提高材料的承受能力。
为什么我们能看到各式各样的铝合金廊子为什么我们身边的建筑样式各异为什么同样是钢铁不同的工具会有不同的用途在学习材料力学这门课程之前我一直天真的认为这些都是艺术是艺术家创造了这个世界创造了各种各样的工具又创造了各式各样的建筑。其实所有材料的使用都是严格遵循材料力学定理的材料不同相应的强度、硬度、韧性等性能不同这就决定了它们的不同使用场合决定了它们的构造。本文就以我身边的材料力学为实例通过简单抽象成力学模型分析受力特征与强度校核进而得到一些简单的结论。希望这篇论文能够与大家产生共鸣在日常生活中留心我们身边的材料力学的使用做到理论与实践相结合切实掌握这门课程。我们都知道纯铝这种金属材料是一种强度硬度都很低的材料加之我
们国家铝矿稀少开采成本高虽然其韧性很好但是在很长一段时间里都不被广泛应用。后来铝镁合金的合成先是给国防事业带来了一次革命然后随着铝镁合金技术的成熟与成本的降低普通的百姓也开始喜欢上了这种材料因为它具有光亮的表面质量轻强度重量比高稳定性好吸震性好散热快抗静电等诸多优良特点。在这种大趋势下不但城市里各个高楼大厦使用铝合金门窗代替木门窗连我们小镇那些平房也都开始赶潮流了纷纷换了铝合金门窗封了铝合金的廊子。
§2.4 材料拉伸时的力学性能
三 卸载定律及冷作硬化
1、弹性范围内卸载、再加载
σε
o a b c
e
f αP σe σs σb σ2、过弹性范围卸载、再加载
d d 'g h f ' 材料在卸载过程中应力和应变是线性关系，这
就是卸载定律。 材料的比例极限增高，
延伸率降低，称之为冷作硬化或加工硬化。
布置，学了材料力学这门课程，我们不禁要提问了，窗格尺寸的极限是多么大才能保证支撑它的铝合金材料安全，不会变形？走在大街上，我们可以看到各式各样的廊子样式，可以看到大小不一的窗格
现在就将这个模型抽象出来，假设铝合金材料是空心铝管，厚度可以任意选择，屈服强度取，只受玻璃给的压力（设玻璃居中，由于给定一段铝合金，主要承载件是玻璃，而且玻璃的相对总质量远远大于承载的铝合金的质量），外力是均匀分布力，设普通玻璃的密度是（忽略玻璃的宽度），玻璃高度为H ，取长度a mm 的铝合金材料，宽度为b mm ，高为h mm ，如图二所示： §2.4 材料拉伸时的力学性能 o σ
ε
bt
σ 对于脆性材料（铸铁），拉伸时的应力应
变曲线为微弯的曲线，没有屈服和径缩现象，
试件突然拉断。断后伸长率约为0.5%。为典
型的脆性材料。 σbt —拉伸强度极限（约为140MPa ）。它是衡量脆性材料（铸铁）拉伸的唯一强度指标。
图二玻璃安装示意图
该结构危险点在铝合金与玻璃接触处，并且中间部位有一定的挠度（只要有承载，就一定有挠度），当承载到一定极限时，挠度太大不满足装配要求了，或者承载到一定极限就会使铝合金破坏。
情形（一）：挠度w不满足装配要求——
将图二简化为图三(a)所示的力学简图，装配要求挠度值为[w]，只要w≤[w]即可。
首先，做外力矩，单位力力矩图，如图三(b)所示。
图三(a) 简化模型图三(b) 弯矩图
运用图乘法可以求的w=，进而，，可以满足装配要求。如果给定了最大允许装配误差[w]，知道铝合金管的宽b，还知道所使用的玻璃的密度ρ，
那么，也就是玻璃不可能无限高，是有一个极限值的。
情形（二）：剪切破坏——
因为玻璃是有一定的厚度的，设厚为δ在玻璃与铝合金接触的地方，有剪切力存在，考虑剪切面是矩形面，最大的剪切应力τ=，力学简图如图四所示。
1/4
M F
h
b
铝合金
玻璃
a
b
h
玻
璃
铝合金
图四铝合金侧面示意图
每个截面上，剪力F Q=，切面面积, (t为铝合金厚度)，最大剪力为τ=，可见，最大剪力是一个跟铝合金长度a，宽度b，高h无关的量。如果使之满足
τ≤[τ]，可以得到，或者，从这个结果我们可以看到，可
以通过增加铝合金的厚度提高承载玻璃重量，也可以通过降低玻璃的高度，从而使结果安全。
以上的讨论是将铝合金结构与玻璃理想化了的，在实际应用中，玻璃不是直接与铝合金接触，中间会有玻璃紧固条，相当于加宽了玻璃的宽度，还要考虑安装工艺，如果玻璃紧固条与铝合金是通过螺钉固定的，那么会导致应力集中，玻璃是脆性材料，应力集中是非常危险的。所以尽量避免使用螺钉固定，如果非用不可，可以在螺钉与玻璃之间加上松软的垫。采用规格厚的铝合金，尽量减小窗格的高度可以有效地提高整个结构的强度与稳定。
虽然铝镁合金在最近几年得到了广泛的应用，但是铝镁合金的使用量仍然不能跟钢铁相提并论。自从几千年前我们进入铁器时代，铁这种金属材料一直都扮演着人们日常生活必不可少的材料之一，直到今天，甚至更久的将来。铁的绝对优势首先源于铁矿石的价格相对其他金属要便宜，其次就是钢铁的热处理简单，技术成熟，可以制造出强度，刚度，韧性要求不同的材料，以满足人类某一方面的需求。在我们的日常生活中，铁或者钢处处可见，家里的拖拉机几乎就是一堆钢铁的组合，各种田间劳作的工具，各种交通工具……下面，就以我们常见的机械式千斤顶为例，利用材料力学的知识，分析它的规格参数与强度要求。
机械式千斤顶（如图五(a)示），设其丝杠长度为l,有效直径为d，弹性模量E，材料抗压强度为，承载力大小为F，规定稳定安全因数为。
图五(a) 千斤顶示意图 图五(b) 千斤顶丝杠简化图
首先，计算丝杆柔度，判断千斤顶丝杆为短粗杆，中等柔度杆，还是细长杆。 丝杆可以简化为一端固定，另一端自由的压杆（如图五(b)所示），长度因数。圆截面的惯性半径为
，可计算柔度，查阅千斤顶这种
材料的柔度表，将得到的与之比较，确定千斤顶丝杆的性质（一般千斤顶丝杆为中等柔度杆，但是针对具体千斤顶，应该具体分析），最后计算临界力。
如果千斤顶丝杆是细长杆，临界力用欧拉公式
计算，
其中E 是丝杆的弹性模量；如果千斤
顶丝杆是中等柔度杆，还要查阅丝杆材料数据手册，利用经验公式
，其中a ，b 都是常数，可以从表里查阅到；如果千斤顶的丝杆是
短粗杆，它只会发生强度破坏，不会发生失稳。
计算所得的是临界力，实际生活中，我们是不能直接加载到这个力大小的，因为稍微一个小的扰动，或者材料的不均匀，都会使千斤顶失稳，严重的可能造成千斤顶的破坏，或者是支撑物的损坏，也就是我们还要人为加进去一个安全因数（大于1的常数），使加载力，确定好最大的安全加载力后，还要校正一下丝杆的强度，先假设力F 作用在圆心处，且与轴线平行，此时只要满足就可以认为加载力安全。
考虑实际生活中，千斤顶使用时承载力并不是集中力，即使将所有的力向圆心处等效，由于力作用面可能不对称，也会产生一个等效的力偶作用，假设等效l F B A B
A
力大小为，等效力偶为M’，受力简图如图六所示。
图六实际千斤顶受力向圆心简化结果
此时，千斤顶的丝杠发生拉伸与扭转的组合变形，危险截面在在丝杠边缘上各个位置。
从A-A截面截开，在最靠近我们的点处取应力单元体，受力分析如图，其中是压应力，是切应力。
图七A-A截面边缘单元体受力情况
，，是截面的抗扭截面系数，对于千斤顶丝杠来说，
，，只要给定直径d，截面面积A与截面的抗扭截面系数都是已知量。
最后校核这种受力状态下的丝杠强度。如果采用第三强度理论校核，则第一主应力（最大应力），如果采用第四强度理论校核，则第一主应力，选择其中一种校核，如果丝杠的第一主应力，
F
M’
A A
则等效后合力与合力偶满足强度要求，如果不满足这个不等式，则要想法减小，
有两个途径，第一，可以减小，通过减小承载力F或者增大丝杠的直径d可以达到减小压应力的要求；第二，可以减小，可以通过合理分布载荷F，使分布载荷对圆心的合力偶尽量小达到要求。
从这个实例的讨论中，我们不难得出这样的结论，使用千斤顶时，尽量使载荷对称分布，合理摆放千斤顶的位置，可以有效地提高千斤顶的稳定性，保证千斤顶的安全使用。
以上的讨论是将铝合金结构与玻璃理想化了的在实际应用中玻璃不是直接与铝合金接触中间会有玻璃紧固条相当于加宽了玻璃的宽度还要考虑安装工艺如果玻璃紧固条与铝合金是通过螺钉固定的那么会导致应力集中玻璃是脆性材料应力集中是非常危险的。所以尽量避免使用螺钉固定如果非用不可可以在螺钉与玻璃之间加上松软的垫。采用规格厚的铝合金尽量减小窗格的高度可以有效地提高整个结构的强度与稳定。虽然铝镁合金在最近几年得到了广泛的应用但是铝镁合金的使用量仍然不能跟钢铁相提并论。自从几千年前我们进入铁器时代铁这种金属材料一直都扮演着人们日常生活必不可少的材料之一直到今天甚至更久的将来。铁的绝对优势首先源于铁矿石的价格相对其他金属要便宜其次就是钢铁的热处理简单技术成熟可以制造出强度刚度韧性要求不同的材料以满足人类某一方面的需求。在我们的日常生活中铁或者钢处处可见家里的拖拉机几乎就是一堆钢铁的组合各种田间劳作的工具各种交通工具…使用。
当我们讨论完这两个实例后回头再想想我们材料力学课程的几大知识点发现它们之间的联系是那么的密切实际生活中我们遇到的承载材料一般都不是绝对的拉压杆轴或者梁它们往往是几种基本变形的组合在分析时几乎要用到我们材料力学课程里所有的知识点。材料力学是一门实用的学问当我们学会了书本中的理论知识的同时也就掌握了挑选材料制造工具的能力作为工科专业的大学生我们应该努力达到理论知识应用于实际的能力善于发现身边的材料力学的应用善于分析各种现象的原因善于总结各种结构的特性做一个富于创新的大学生。
载能力例如建筑用的钢筋与起重的链条但冷作硬化使材料变硬、变脆是加工发生困难且易产生裂纹这时应采用退火处理部分或全部地材料的冷作硬化效应。在生活中我们用的很多包装袋上都会剪出一个小口其原理就用到了材料力学的应力集中使里面的食品便于撕开。但是工程设计中要特别注意减少构件的应力集中。在工程中静不定结构得到广泛应用如桁架结构。静不定问题的另一重要特征是温度的变化以及制造误差也会在静不定结构中产生应力这些应力称为热应力与预应力。为了避免出现过高的热应力蒸汽管道中有时设置伸缩节钢轨在两段接头之间预留一定量的缝隙等等以削弱热膨胀所受的限制降低温度应力。在工程中实际中常利用预应力进行某些构件的装配例如将轮圈套装在轮毂上或提高某些构件承载能力例如预应力混凝土构件。[2]螺旋弹簧是工程中常用的机械零件多用于缓冲装置、控制机构及仪表中如车辆上的缓冲弹簧发动机进排气阀与高压容器安全阀中的控制弹簧弹簧称中的测力弹簧等。生活中很多结构或构件在工作时对于弯曲变形都有一定的要求。一类是要求构件的位移不得超过一定的数值。例如行车大量在起吊重物时若其弯曲变形过大则小车行驶时就要发生振动若传动
轴的弯曲变形过大不仅会使齿轮很好地啮合还会使轴颈与轴承产生不均匀的磨损输送管道的弯曲变形过大会影响管道内物料的正常输送还会出现积液、沉淀和法兰结合不密等现象造纸机的轧辊若弯曲变形过大会生产出来的纸张薄厚不均匀称为废品。另一类是要求构件能产生足够大的变形。例如车辆钢板弹簧变形大可减缓车辆所受到的冲击又如继电器中的簧片为了有效地接通和断开电源在电磁力作用下必须保证触电处有足够大的位移。生活中处处都是材料力学的应用它与我们的生活密切相关。而我们需要一双发现的眼睛处处留心皆学问我们需要熟练掌握材料力学的知识才能明白其中的奥秘。材料力学让我们明白了很多以前生活不能明白的问题。我们受益匪浅而它也是学习机械方面的基础是最关键的一门学科以后学习工作的一种工具。
在许许多多工程实践中，经常会遇到比较细长的压杆，如内燃机的气门挺杆，螺旋千斤顶丝杆，液压油缸活塞杆，内燃机连杆和桁架及起重机机臂的压杆，等等。由于制成这些杆件的材料不会绝对均匀；杆件的加工和安装不可能没有误差；作用在杆上的轴力不可能和杆201的轴线完全重合；而且在工作过程中不可能不受某种偶然因素的干扰。这就要求压杆必须是稳定的，因为压杆一旦失稳，往往会造成严重事故。现在高强度钢和超高强度钢的广泛应用，使压杆稳定性问题更加突出。它已成为结构设计中极为重要的部分。除了压杆外，其它弹性薄壁构件，只要壁内有压应力，就同样有可能出现失稳现象。所以研究压杆问题对实际生产及生活是非常有必要的。
沉淀和法兰结合不密等现象；造纸机的轧辊，若弯曲变形过大，会生产出来的纸张薄厚不均匀，称为废品。另一类是要求构件能产生足够大的变形。例如车辆钢板弹簧，变形大可减缓车辆生活中机械常用的连接件，如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形，在设计时应主要考虑其剪切应力。汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的变形属于扭转变形。火车轴、起重机大梁的变形均属于弯曲变形。有些杆件在设计时必须同时考虑几个方面的变形，如车床主轴工作时同时发生扭转、弯曲及压缩三种基本变形；钻床立柱同时发生拉伸与弯曲两种变形。利用材料力学中卸载与在加载规律得出冷作硬化现象，工程中常利用其原理以提高材料的承载能力，例如建筑用的钢筋与起重的链条，但冷作硬化使材料变硬、变脆，是加工发生困难，且易产生裂纹，这时应采用退火处理，部分或全部地材料的冷作硬化效应。在生活中我们用的很多包装袋上都会剪出一个小口，其原理就用到了材料力学的应力集中，使里面的食品便于撕开。但是工程设计中要特别注意减少构件的应力集中。在工程中，静不定结构得到广泛应用，如桁架结构。静不定问题的另一重要特征是，温度的变化以及制造误差也会在静不定结构中产生应力，这些应力称为热应力与预应力。为了避免出现过高的热应力，
蒸汽管道中有时设置伸缩节，钢轨在两段接头之间预留一定量的缝隙等等，以削弱热膨胀所受的限制，降低温度应力。在工程中实际中，常利用预应力进行某些构件的装配，例如将轮圈套装在轮毂上，或提高某些构件承载能力，例如预应力混凝土构件。螺旋弹簧是工程中常用的机械零件，多用于缓冲装置、控制机构及仪表中，如车辆上的缓冲弹簧，发动机进排气阀与高压容器安全阀中的控制弹簧，弹簧称中的测力弹簧等。生活中很多结构或构件在工作时，对于弯曲变形都有一定的要求。一类是要求构件的位移不得超过一定的数值。例如行车大量在
起吊重物时，若其弯曲变形过大，则小车行驶时就要发生振动；若传动轴的弯曲变形过大，不仅会使齿轮很好地啮合，还会使轴颈与轴承产生不均匀的磨损；输送管道的弯曲变形过大，会影响管道内物料的正常输送，还会出现积液、所受到的冲击；又如继电器中的簧片，为了有效地接通和断开电源，在电磁力作用下必须保证触电处有足够大的位移。生活中处处都是材料力学的应用，它与我们的生活密切相关。而我们需要一双发现的眼睛，处处留心皆学问，我们需要熟练掌握材料力学的知识才能明白其中的奥秘。材料力学让我们明白了很多以前生活不能明白的问题。我们受益匪浅，而它也是学习机械方面的基础，是最关键的一门学科，以后学习工作的一种工具。
经典的结构力学也称狭义结构力学主要研究由杠杆组成的体系更多涉及平面杠杆系。广义结构力学除了研究可变形的杠杆体系外还包括可变形的连续体如平板、壳体、块体等等。现实生活中结构体的应用无处不存在像建筑、桥梁、汽车、日常的用具都是由不同的结构组成它们的设计都离不开结构力学理论。结构力学的应用不管是在安全和保护环境上还是在经济效益和稳固上往往能给我们带来意想不到的效果。在原始时代就已经出现了桥梁那时跨越水道和峡谷是利用自然倒下的树木自然形成的石梁或石拱。在17世纪以前桥梁一般是用的木、石材料建造的并按建桥材料分为石桥和木桥。19世纪50年代以后随着酸性转炉炼钢和平炉炼钢技术的发展钢材成为重要的造桥材料钢的抗拉强度大抗冲击性能好尤其是19世纪70年代出现钢板和矩形轧制断面钢材为桥的部件在厂内组装创造了条件石桥的结构更加稳固。因为只是凭经验修桥曾使19世纪80-90年代得许多铁路桥发生重大事故;从那时起正在发展中的结构力学理论得到了重视在它的静力分析理论完全确立并广泛普及之后桥梁因强度不足而造成的事故大为减少。到了现代桥梁按建桥材料可分为预应力钢筋混凝土桥、钢筋混凝土桥。混凝土抗拉强度很低但其价格却远低于钢材为了增加其抗拉能力设计了钢筋混凝土这类复合建筑材料使其既能承受拉力又能承受压力但限于混凝土材料本身所具有的力学性能将其作为梁式桥结构用材跨度仍远逊色于传统的拱桥结构。而预应力钢筋混凝土桁架拱桥尽管有受力钢筋在承载但在受拉区仍然不可避免地会出现一些裂缝若对钢筋施加一定的张力作用可以克服此弊端即通过张拉预应力筋使得受拉区事先储备一定数值的压应力当外荷载作用时混凝土可不出现拉应力或不超过某个临界值的拉应力从而极大地提高了混凝土结构的抗裂性能刚度和承载能力进而导致了预应力混凝土桥梁结构的出现。众所周知一辆普通的小桥车从侧面看上去两个轮子的位置既不在最边上也不在非常靠中间这是为什么呢平常我们都认为这是理所当然的却不知其原理。其实这就是结构力学内力分析在生活中的应用。当轮子分别位于车左右四分之一处时这样可以使车身在同样的荷载下的车身的弯矩最小也就是内矩最小可以使车身材料得到充分的利用同时也更加安全。同样的原理在现实生活中也有很多的应用如对于自重较大的杠件式物件采用两点起吊时两点应该选在杠件两端四分之一处。
工程力学期末试卷
(A) (B)(C) (D) 《工程力学》期末试卷（A ） 考生班级 姓名 学号 1、关于内力和应力的说法正确的是（ ）。 A 、内力就是应力，都是物体内部的相互作用力。 B 、内力是矢量，应力是标量。 C 、内力是物体内部的相互作用力，应力是内力在横截面上分布的密集程度。 D 、内力和应力的大小都和横截面面积有关。 2、下图所示受扭圆轴横截面上的切应力分布图，正确的切应力分布应是（ ）。 3、图示受拉直杆，其中AB 段与BC 段内的轴力及应力关系为（ ）。 A 、F AB = F BC σAB =σBC B 、F AB = F BC σAB ＜σBC C 、F AB = F BC σ AB ＞σBC D 、F AB ＞ F BC σ AB =σBC 4、脆性材料的极限应力是( )。 A 、σe B 、σp C 、 σs D 、σb 5、下列关于中性层的说法，不正确的是 （ ）。 A 、中性层是梁中既不伸长也不缩短的一层纤维。 B ．中性层就是中性轴。 C 、中性层以上纤维层受压，以下纤维层受拉。 D 、中性层以下纤维层受压，以上纤维层受拉。 6、轴的扭转剪应力公式适用于如下截面轴( ) A 、矩形截面轴 B 、椭圆截面轴 C 、圆形截面轴 D 、任意形状截面轴 7、截面C 处扭矩的突变值为（ ）。 A 、A m B 、C m C 、c A m m + D 、)(2 1 c A m m + 8、图示木拉杆榫接接头，其剪切面为( )。 A 、ab 面 B 、cd 面 C 、be 面和cf 面 D 、bc 面 9、扭转轴的变形可用（ ）来度量。 A 、变形量ΔL B 、扭转角φ C 、挠度ω D 、转角θ 10、若弯曲梁的材料和尺寸均不变，作用在梁上的外力发生变化，则以下数值也 随之发生变化的是（ ）。 A 、弹性模量E B 、剪切弹性模量G C 、抗弯截面系数W Z D 、弯矩M 二、绘图题：（共30分） 1、画出轴力图并指出1、 2、3截面的轴力。（10分） 2、画出轴的扭矩图，并指出max T 。已知M B =M C =1.64KN.m M D =2.18 KN.m （10分） ρρρτI T =
工程力学试卷和答案
1. 表示扭转变形程度的量(B )。A. 是扭转角ψ，不是单位长度扭转角θ B. 是单位长度扭转角θ，不是扭转角ψ C. 是扭转角ψ和单位长度扭转角θ D. 不是扭转角ψ和单位长度扭转角θ 满分：5 分 2. 平面汇交力系平衡的充分且必要的几何条件是（A）。A. 力多边形自行封闭 B. 所有力共线 C. 所有力相交 满分：5 分 3. 梁的挠度是(B )。A. 横截面上任意一点沿梁轴线垂直方向的线位移 B. 横截面形心沿梁轴垂直方向的线位移 C. 横截面形心沿梁轴方向的线位移 D. 横截面形心的位移 满分：5 分 4. 理想均匀直杆与轴向压力P＝Pcr时处于直线平衡状态。当其受到一微小横向干扰力后发生微小弯曲变形，若此时解除干扰力，则压杆(C )。A. 弯曲变形消失，恢复直线形状 B. 弯曲变形减小，不能恢复直线形状 C. 微弯变形状态不变 D. 弯曲变形继续增大 满分：5 分 5. 一圆轴用碳钢制作，校核其扭转角时，发现单位长度扭转角超过了许用值。为保证此轴的扭转刚度，采用哪种措施最有效(C )。A. 改用合金钢材料 B. 增加表面光洁度 C. 增加轴的直径 满分：5 分 6. 当平面力系的主矢不等于零，主矩等于零时，此力系合成为（A）。A. 合力 B. 合力偶 C. 力螺旋 满分：5 分 7. 一拉伸钢杆，弹性模量E＝200GPa，比例极限为200MPa，今测得其轴向应变ε＝0.0015，则横截面上的正应力(C )。A. σ＝Eε＝300MPa B. σ＞300MPa C. 200MPa＜σ＜300MPa D. σ＜200MPa 满分：5 分 8. 作用在刚体上的三个力使刚体处于平衡状态，则这三个力必然（C）。A. 相交 B. 共线 C. 共面 满分：5 分 9. 在下列有关压杆临界应力σcr的结论中，( A)是正确的。A. 细长杆的σcr值与杆的材料无关 B. 中长杆的σcr值与杆的柔度无关 C. 中长杆的σcr值与杆的材料无关 D. 粗短杆的σcr值与杆的柔度无关
工程力学材料力学_知识点_及典型例题
作出图中AB杆的受力图。 A处固定铰支座 B处可动铰支座 作出图中AB、AC杆及整体的受力图。 B、C光滑面约束 A处铰链约束 DE柔性约束 作图示物系中各物体及整体的受力图。 AB杆：二力杆 E处固定端 C处铰链约束
（1）运动效应：力使物体的机械运动状态发生变化的效应。 （2）变形效应：力使物体的形状发生和尺寸改变的效应。 3、力的三要素：力的大小、方向、作用点。 4、力的表示方法： （1）力是矢量，在图示力时，常用一带箭头的线段来表示力；（注意表明力的方向和力的作用点！） （2）在书写力时，力矢量用加黑的字母或大写字母上打一横线表示，如F、G、F1等等。 5、约束的概念：对物体的运动起限制作用的装置。 6、约束力（约束反力）：约束作用于被约束物体上的力。 约束力的方向总是与约束所能限制的运动方向相反。 约束力的作用点，在约束与被约束物体的接处 7、主动力：使物体产生运动或运动趋势的力。作用于被约束物体上的除约束力以外的其它力。 8、柔性约束：如绳索、链条、胶带等。 (1)约束的特点：只能限制物体原柔索伸长方向的运动。 (2)约束反力的特点：约束反力沿柔索的中心线作用，离开被约束物体。（） 9、光滑接触面：物体放置在光滑的地面或搁置在光滑的槽体内。 （1）约束的特点：两物体的接触表面上的摩擦力忽略不计，视为光滑接触面约束。被约束的物体可以沿接触面滑动，但不能沿接触面的公法线方向压入接触面。 （2）约束反力的特点：光滑接触面的约束反力沿接触面的公法线，通过接触点，指向被约束物体。（） 10、铰链约束：两个带有圆孔的物体，用光滑的圆柱型销钉相连接。 约束反力的特点:是方向未定的一个力；一般用一对正交的力来表示，指向假定。（）11、固定铰支座 （1）约束的构造特点：把中间铰约束中的某一个构件换成支座，并与基础固定在一起，则构成了固定铰支座约束。
工程力学期末考核试卷(带答案)
工程力学期末考核试卷（带答案） 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 得分 一、判断题（每题2分，共10分） 1、若平面汇交力系的力多边形自行闭合，则该平面汇交力系一定平衡。（ ） 2、剪力以对所取的隔离体有顺时针趋势为正。（ ） 3、合力一定比分力大。 （ ） 4、两个刚片构成一个几何不变体系的最少约束数目是3个。 （ ） 5、力偶可以用一个力平衡。（ ） 二、填空题（每空5分，共35分） 1、下图所示结构中BC 和AB 杆都属于__________。当F=30KN 时，可求得N AB =__________ ，N BC =__________。 2、分别计算右上图所示的F 1、F 2对O 点的力矩:M(F 1)o= ,M(F 2)o= 。 3、杆件的横截面A=1000mm 2 ，受力如下图所示。此杆处于平衡状态。P=______________、 σ1-1=__________。 命题教师： 院系负责人签字： 三、计算题（共55分） 1、钢筋混凝土刚架，所受荷载及支承情况如图4－12（a ）所示。已知 得分 阅卷人 得分 阅卷人 得分 阅卷人 班 级： 姓 名： 学 号： …………………………………………密……………………………………封………………………………线…………………………
= kN ? =Q m q，试求支座处的反力。（15分） P 4= = kN/m, 20 kN m, 10 kN, 2 2、横截面面积A=10cm2的拉杆，P=40KN，试求α=60°斜面上的σα和τα. （15分） 3、已知图示梁，求该梁的支反力，并作出剪力图和弯矩图。（25分）
专升本工程力学试卷答案
专升本工程力学试卷答案
专升本《工程力学》 一、（共75题,共150分） 1. 关于力对轴的矩，下列说法错误的是（）。（2分） A.力与轴相交，力对轴无矩 B.力与轴平行，力对轴无矩 C.力与轴共面，力对轴无矩 D.力与轴交叉，力对轴无矩 .标准答案：B,C 2. 下列结论哪些是正确的__________: （2分） A.构件的强度表示构件抵抗破坏的能力， B.构件的刚度表示构件抵抗变形的能力， C.构件的稳定性表示构件维持其原有平衡形式的能力， D.构件的强度、刚度和稳定性愈高愈好。 .标准答案：A,B,C 3. 图示A、B两物体，自重不计，分别以光滑面相靠或用铰链C相联接，受两等值、反向且共线的力F1、F2的作用。以下四种由A、B所组成的系统中，哪些是平衡的？( )。 （2分） A. .标准答案：B,D 4. 以下四种说法，哪一种是错误的( )。（2分） A.力在平面内的投影是个矢量； B.力对轴之矩等于力对任一点之矩的矢量在该轴上的投影； C.力在平面内的投影是个代数量； D.力偶对任一点O之矩与该点在空间的位置有关。 .标准答案：B,C,D 5. 下列说法正确的是( ) （2分） A.理论力学中我们把所有的物体都抽象化为变形体。 B.在理论力学中我们把所有的物体都抽象化为刚体。 C.稳定性是指结构或构件保持原有平衡状态。 D.理论力学是在塑性范围内，大变形情况下研究其承截能力。 .标准答案：C 6. 三力平衡定理是( )。（2分） A.共面不平行的三个力相互平衡必汇交于一点； B.共面三力若平衡，必汇交于一点； C.三力汇交于一点，则这三个力必互相平衡。 .标准答案：A 7. 图示系统只受F=10KN作用而平衡，L=10m,C截面的弯矩应为( )。题3图（2分） A.10KN.m； B.20KN.m； C.-5KN.m； D.25KN.m；。 .标准答案：D 8. 将受扭空心圆轴的内、外直径均缩小为原尺寸的一半，则该轴的最大剪应力是原来的（）倍。（2分） A.2 B.4 C.8 D.16 .标准答案：C 9. 两根截面面积相等但截面形状和材料不同的拉杆受同样大小的轴向拉力，它们的应力是否相等？（）（2分） A.不相等； B.相等； C.不能确定； .标准答案：B 10. 图所示受扭圆轴，正确的扭矩图为图（）。题6图 A. B. C. D. （2分） .标准答案：B
工程力学在材料中的应用
工程力学在材料中的应用 首先要了解什么叫工程力学，工程力学是干什么的？ 工程力学一般包括理论力学的静力学和材料力学的有关内容，是研究物体机械运动的一般规律和有关构建的强度、刚度、稳定性理论的科学，是一门理论性和实践性都较强的专业基础课。 这里我们只对工程力学在材料中应用进行讨论，即材料力学。 材料力学在生活中的应用十分广泛。大到机械中的各种机器建筑中的各个结构小到生活中的塑料食品包装很小的日用品。各种物件都要符合它的强度、刚度、稳定性要求才能够安全、正常工作所以材料力学就显得尤为重要。生活中机械常用的连接件如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形在设计时应主要考虑其剪切应力。汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的变形属于扭转变形。火车轴、起重机大梁的变形均属于弯曲变形。有些杆件在设计时必须同时考虑几个方面的变形如车床主轴工作时同时发生扭转、弯曲及压缩三种基本变形钻床立柱同时发生拉伸与弯曲两种变形。 在20世纪50年代出现了一些极端条件下的工程技术问题所涉及的温度高达几千度到几百万度压力达几万到几百万大气压应变率达百万分之一亿分之一秒等。在这样的条件下介质和材料的性质很难用实验方法来直接测定。为了减少耗时费钱的实验工作需要用微观分析的方法阐明介质和材料的性质在一些力学问题中出现了特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况因而必须从微观结构分析入手处理宏观问题出现一些远离平衡态的力学问题必须从微观分析出发以求了解耗散过程的高阶项由于对新材料的需求以及大批新型材料的出现要求寻找一种从微观理论出发合成具有特殊性能材料的“配方”或预见新型材料力学性能的计算方法。在这样的背景条件下促使了工程力学的建立。工程力学之所以出现一方面是迫切要求能有一种有效的手段预知介质和材料在极端条件下的性质及其随状态参量变化的规律另一方面是近代科学的发展特别是原子分子物理和统计力学的建立和发展物质的微观结构及其运动规律已经比较清楚为从微观状态推算出宏观特性提供了可能 材料力学研究的主要问题是杆件的强度、刚度和稳定性问题，因此，制成杆件的物体就应该是变形固体，而不能像理论力学中那样认为是刚体。变形固体的变形就成为它的主要基本性质之一，必须予以重视。例如，在土建、水利工程中，组成水闸闸门或桥梁的个别杆件的变形会影响到整个闸门或桥梁的稳固，基础的刚度会影响到大型坝体内的应力分布；在机电设备中，机床主轴的变形过大就不能保证机床对工作的加工精度，电机轴的变形过大就会使电机的转子与定子相撞，使电机不能正常运转，甚至损坏等等。因此，在材料力学中我们必须把组成杆件的各种固体看做是变形固体．．．．。固体之所以发生变形，是由于在外力作用下，组成固体的各微粒的相对位置会发生改变的缘故。在材料力学中，我们要着重研究这种外力和变形之间的关系。大多数变形固体具有在外力作用下发生变形，但在外力除去后又能立刻恢复其原有形状和尺寸大小的特性，我们把变形固体的这种基本性质称为弹性．．，把具有这种弹性性质的变形固体称为完全弹性体．．．．．。若变形固体的变形在外力除去后只能恢复其中一部分，这样的固体称为部．分弹性体．．．．。部分弹性体的变形可分为两部分；一部分是随着外力除去
工程力学试题及答案 A
《工程力学Ⅱ》期末考试试卷 （ A 卷） （本试卷共4 页） 一、填空题（每空2分，共12分） ? 1、强度计算问题有三种：强度校核， ，确定许用载荷。 2、刚度是指构件抵抗 的能力。 3、由等值、反向、作用线不重合的二平行力所组成的特殊力系称为 ，它对物体只产生转动效应。 4、确定杆件内力的基本方法是： 。 5、若钢梁和铝梁的尺寸、约束、截面、受力均相同，则它们的内力 。 6、矩形截面梁的横截面高度增加到原来的两倍，最大正应力是原来的 倍。 二、单项选择题（每小题5分，共15分） 1、实心圆轴直径为d,所受扭矩为T ，轴内最大剪应力多大？（ ） A. 16T/πd 3 B. 32T/πd 3 C. 8T/πd 3 D. 64T/πd 3 2、两根拉杆的材料、横截面积和受力均相同，而一杆的长度为另一杆长度的两倍。下面的答案哪个正确？（ ） A. 两杆的轴向变形都相同 B. 长杆的正应变较短杆的大 C. 长杆的轴向变形较短杆的大 D. 长杆的正应力较短杆的大 3、梁的弯曲正应力（ ）。 A 、与弯矩成正比 B 、与极惯性矩成反比 C 、与扭矩成正比 D 、与轴力正比 三、判断题（每小题3分，共15分） 1、平面一般力系向一点简化，可得到主失和主矩。（ ） 2、力偶在坐标轴上的投影不一定等于零。（ ） 3、材料的弹性模量E 和泊松比μ都是表征材料弹性的常量。（ ） 题号 一 二 三 四 五 六 总分 得分 得分 阅卷人 得分 阅卷 得分 阅卷人
4、杆件变形的基本形式是：轴向拉伸、压缩、扭转、弯曲（ ） 5、外伸梁、简支梁、悬臂梁是静定梁。（ ） 四、计算题（本题满分20分） 矩形截面木梁如图所示，已知P=10kN ，a =，木材的许用应力 [ ]=10MPa 。设梁横截面的高宽比为h/b =2，试：（1）画梁的弯矩图； (2)选择梁的截面尺寸b 和h 。 五、计算题（本题满分20分） 传动轴AB 传递的功率为Nk=, 轴的转速n=360r/min.轴的直径D=3cm,d=2cm. 试：(1)计算外力偶矩及扭矩； (2)计算AC 段和BC 段轴横截面外边缘处剪应力； (3)求CB 段横截面内边缘处的剪应力。 得分 阅卷人 得分 阅卷 人
工程力学试题以及答案
一、单项选择题(本大题共10小题，每小题2分，共20分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1.如图所示的平面汇交力系中，F 1=4kN ，F 2，F 3=5kN ，则该力系在两个坐标轴上的投影为( ) A.X= 12B. X=12, Y=0 D. X=-12 2.如图所示，刚架在C 点受水平力P 作用，则支座A 的约束反力N A 的方向应( ) A.沿水平方向 B.沿铅垂方向 C.沿AD 连线 D.沿BC 连线 3.如图所示，边长a=20cm 的正方形匀质薄板挖去边长b=10cm 的正方形，y 轴是薄板对称轴，则其重心的y 坐标等于( ) A.y C =1123 cm B.y C =10cm C.y C = 712 cm D.y C =5cm 4.如图所示，边长为a 的正方体的棱边AB 和CD 上作用着大小均为F 的两个方向相反的力，则二力对x 、y 、z 三轴之矩大小为 ( ) A.m x (F )=0，m y (F )=Fa ，m z (F )=0 B.m x (F )=0，m y (F )=0，m z (F )=0 C. m x (F )=Fa ，m y (F )=0，m z (F )=0 D. m x (F )=Fa ，m y (F )=Fa ，m z (F )=Fa 5.图示长度为l 的等截面圆杆在外力偶矩m 作用下的弹性变形能为U ，当杆长为2l 其它条件不变时，杆内的弹性变形能为( ) A.16U
B.8U C.4U D.2U 6.图示结构为( ) A.静定结构 B.一次超静定结构 C.二次超静定结构 D.三次超静定结构 7.工程上，通常脆性材料的延伸率为( ) A.δ<5％ B. δ<10％ C. δ<50％ D. δ<100％ 8.如图，若截面图形的z轴过形心，则该图形对z轴的( ) A.静矩不为零，惯性矩为零 B.静矩和惯性矩均为零 C.静矩和惯性矩均不为零 D.静矩为零，惯性矩不为零 9.图示结构，用积分法计算AB梁的位移时，梁的边界条件为( ) A.y A≠0 y B=0 B.y A≠0 y B≠0 C.y A=0 y B≠0 D.y A=0 y B=0 10.图示为材料和尺寸相同的两个杆件，它们受到高度分别为h和2办的重量Q的自由落体的冲击，杆1的动荷系数K d1和杆2的动荷系数K d2应为( ) A.K d2>K d1 B.K d1=1 C.K d2=1 D.K d2 静力学 静力学的基本概念 1、平衡——平衡是物体机械运动的特殊形式，是指物体相对地球处于静止或匀速直线运动状态。 2、刚体——在外界的任何作用下形状和大小都始终保持不变的物体。或者在力的作用下，任意两点间的距离保持不变的物体。 刚体是一种理想化的力学模型。 一个物体能否视为刚体，不仅取决于变形的大小，而且和问题本身的要求有关。 3、力——力是物体相互间的机械作用，其作用结果使物体的形状和运动状态发生改变。 1. 静力学公理 基本概念 力系——作用于同一物体或物体系上的一群力。 等效力系——对物体的作用效果相同的两个力系。 平衡力系——能使物体维持平衡的力系。 合力——在特殊情况下，能和一个力系等效 的一个力。 公理一 (二力平衡公理) 要使刚体在两个力作用下维持平衡状态，必须也只须这两个力大小相等、方向相反、沿同一直线作用。 公理二 (加减平衡力系公理) 可以在作用于刚体的任何一个力系上加上或去掉几个互成平衡的力，而不改变原力系对刚体的作用。 推论 (力在刚体上的可传性) 作用于刚体的力，其作用点可以沿作用线在该刚体内前后任意移动，而不改变它对该刚体的作用。 公理三 (力平行四边形公理) 作用于物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的一个力，即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢来表示。 即，合力为原两力的矢量和。 矢量表达式：R= F1+F2 推论 (三力汇交定理) 当刚体在三个力作用下平衡时，设其中两力的作用线相交于某点，则第三力的作用线必定也通过这个点。 公理四 (作用和反作用公理) 任何两个物体间的相互作用的力，总是大小相等，作用线相同，但指向相反，并同时分别作用于这两个物体上。 公理五 (刚化公理) 设变形体在已知力系作用下维持平衡状态，则如将这个已变形但平衡的物体变成刚体（刚化），其平衡不受影响。 2. 力对点之矩 力矩：表示力使物体绕某点转动效应的量称为力对点之矩简称力矩。 它的大小为力F的大小与力臂d的乘积，它的正负号表示力矩在平面上的转向。 由力矩的定义可知： a 当力的作用线通过矩心时，力臂值为0，力矩值也为0. b 力沿其作用线滑移时，不会改变力对点之矩的值，因为此时并未改变力，力臂的大小及力矩的转向。 合力矩定理 平面力系的合理对平面上任一点之矩，等于所有各分力对同一点力矩的代数和。 3 力偶的性质： 1、力偶的第一性质：力偶的作用效果是使刚体发生转动，不能与一个力等效——没有合力，也不能用一个力与之平衡——只有一个反转向的力偶才能与之平衡。因此力偶和力是静力学的两个基本要素（机械作用量）。 2、力偶的第二性质：力偶对物体的转动效应，用力偶矩来度量，其大小为力偶中力F与力偶臂h的乘积。同平面力偶的等效定理 3、同一平面内的两个力偶，如果力偶矩相等，则此二力偶相等。 4、力偶可在其作用面内任意移动（或移动到另一平行平面），而不改变对刚体的作用。 5、只要力偶的转向和力偶矩的大小不变（F、h可变），则力偶对刚体的作用效应就不变， 4. 力的平移定理 力的平移定理表明，作用于刚体上的力可以平移到刚体内任意一点，但必须附加一力偶。此附加力偶的力偶矩等于原力对平移点之矩。 5. 约束和约束反力 基本概念： 1、自由体：可以任意运动（获得任意位移）的物体。 2、非自由体：不可能产生某方向的位移的物体。 3、约束：由周围物体所构成的、限制非自由体位移的条件。 4、约束反力：约束对被约束体的反作用力。 5、主动力：约束力以外的力。 几种常见约束力 （一）光滑接触面约束 性质：光滑支承面对物体的约束力，作用在接触点处，方向沿接触表面的公法线， 《工程力学（一）》串讲讲义 （主讲：王建省工程力学教授，Copyright 2010-2012 Prof. Wang Jianxing） 课程介绍 一、课程的设置、性质及特点 《工程力学（一）》课程，是全国高等教育自学考试机械等专业必考的一门专业课，要求掌握各种基本概念、基本理论、基本方法，包括主要的各种公式。在考试中出现的考题不难，但基本概念涉及比较广泛，学员在学习的过程中要熟练掌握各章的基本概念、公式、例题。 本课程的性质及特点： 1．一门专业基础课，且部分专科、本科专业都共同学习本课程； 2．工程力学（一）课程依据《理论力学》、《材料力学》基本内容而编写，全面介绍静力学、运动学、动力学以及材料力学。按重要性以及出题分值分布，这几部分的重要性排序依次是：材料力学、静力学、运动学、动力学。 二、教材的选用 工程力学（一）课程所选用教材是全国高等教育自学考试指定教材（机械类专业），该书由蔡怀崇、张克猛主编，机械工业出版社出版（2008年版）。 三、章节体系 依据《理论力学》、《材料力学》基本体系进行，依次是 第1篇理论力学 第1章静力学的基本概念和公理受力图 第2章平面汇交力系 第3章力矩平面力偶系 第4章平面任意力系 第5章空间力系重心 第6章点的运动 第7章刚体基本运动 第8章质点动力学基础 第9章刚体动力学基础 第10章动能定理 第2篇材料力学 第11章材料力学的基本概念 第12章轴向拉伸与压缩 第13章剪切 第14章扭转 第15章弯曲内力 第16章弯曲应力 第17章弯曲变形 第18章组合变形 第19章压杆的稳定性 第20章动载荷 第21章交变应力 考情分析 一、历年真题的分布情况 结论：在全面学习教材的基础上，掌握重点章节内容，基本概念和基本计算，根据各个章节的分数总值， 请自行给出排序结果。 二、真题结构分析 全国2010年1月自学考试工程力学(一)试题 课程代码：02159 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题2分，共20分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 2008/2009学年第 2 学期考试试卷( )卷 本卷共 7 页，考试方式： 闭卷笔试 ，考试时间： 120 分钟 题 号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总 分 得 分 阅卷人 一、判断题（正确打√，错误打×）：（本题共10小题，每小题1分，共10分） 1．三力平衡定理指出：刚体上三力汇交于一点，则这三个力必然互相平衡。（ ） 2．同一个平面内的两个力偶，只要它们的力偶矩大小相等，这两个力偶就一定 等效。 （ ） 3．作用在刚体上的一个力，其作用点可以平行移动到该刚体内任意指定点，但 必须附加一个力偶，附加力偶矩的大小等于原力对指定点的矩。 （ ） 4．平面力系向某点简化之主矢为零，主矩不为零。则此力系可合成为一个合力 偶，且此力系向任一点简化之主矩与简化中心的位置无关。 （ ） 5．胡克定律的适用范围是构件的应力不超过材料的比例极限。 （ ） 6．一圆截面直杆，两端承受拉力作用，若将其直径增大一倍，并且材料由低碳钢变为铸铁，其他条件不变，则其轴力也不会改变。 （ ） 7．梁弯曲时的内力图中，在集中力作用处，剪力图发生转折，弯矩图发生突变。 （ ） 8．材料、长度、截面形状完全相同的两根梁，当受力相同，其变形和位移也一 定相同。 （ ） 9．塑性材料在任何载荷条件下都会表现出塑性。 （ ） 10．并不是所有的压杆都会存在失稳的可能，有的压杆仅需要校核强度。 （ ） 专业班级： 姓 名： 学 号： 密 封 线 装 订 线 二、单项选择题：（本题共10小题，每小题2分，共20分） 1. 在下述原理中，属于静力学推论的有（ ）。 ① 二力平衡原理； ② 力的平行四边形法则；③ 加减平衡力系原理； ④ 力的可传性原理； ⑤ 作用与反作用定理； ⑥ 三力汇交原理。 A ．②③④⑥ B ．①②③⑤ C ．①②③④⑥ D ．④⑥ 2、物体受到两个共点力的作用，无论是在什么情况下，其合力（ ）。 A．一定大于任意一个分力 B．至少比一个分力大 C．不大于两个分力大小的和，不小于两个分力大小的差 D．随两个分力夹角的增大而增大 3、已知有一个力F 的投影Fx 不等于零，而力F 对x 轴的矩为Mx （F ）=0，由此可 判定力F （ ）。 A ．不在过x 轴的平面上但垂直于x 轴 B ．不在过x 轴的平面上且不垂直于x 轴 C ．在过x 轴的平面上且垂直于x 轴 D ．在过x 轴的平面上但不垂直于x 轴 4、关于低碳钢材料在拉伸试验过程中，所能承受的最大应力是（ ）。 A ．比例极限p σ B ．屈服极限s σ C ．强度极限b σ D ．许用应力[]σ 5、长为l 、直径为d 的两根由不同材料制成的圆轴，在其两端作用相同的扭转力偶矩m ，以下结论中正确的是（ ）。 A .最大切应力相同，两端相对扭转角不同 B .最大切应力相同，两端相对扭转角相同 C .最大切应力不同，两端相对扭转角相同 D .最大切应力不同，两端相对扭转角不同 6．下列结论中哪些是正确的（ ）。 ① 杆件的变形的基本形式有四种，即拉伸（或压缩）、剪切、扭转和弯曲； ② 当杆件产生轴向拉伸变形时，杆件横截面只产生正应力； ③ 当圆轴产生扭转变形时，杆件横截面只产生切应力； ④ 当杆件产生弯曲变形时，杆件的横截面可能同时有正应力和切应力。 A ．① B ．①②③④ C ．①②③ D ．②③ 试卷代码： 5200351 南京城市职业学院2011-2012学年度第一学期 工程力学基础 考试试题 专业： 学号： 姓名： 2011年12月 题 号 一 二 三 四 五 总分 合分人 分 数得分 评卷人 一、选择题（每题2分，共20分） 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 选择 1.二力平衡公理适用于（ ）。 a ．刚体； b ．非刚体； c ．变形体； d ．固体。 2. 力对刚体的作用效果决定于（ ）。a ．刚体的质量，力的大小，方向和作用点； b ．力的大小，方向和作用线； c ．刚体的质量，力的大小，方向和作用线； d ．力的大小、方向和作用点。 3. 当力F 沿两个相互垂直的坐标轴x 、y 方向分解为F x 、F y 时两个分力与力F 此 两轴上的投影关系是（ ）。a ．大小分别相等，都是代数量； b ．大小分别不相等，都是矢量； c ．大小分别相等，力的投影是代数量，分力是矢量； d ．大小分别不相等，力的投影是矢量，分力是代数量。 设技术含线槽、管架等多项方式，为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题，合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则：在分线盒处，案以及系统启动方案；对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中有关高中资料试卷电气系统接线等情况 ，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。 技术作，来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此，电力高中资料试卷保护装置调试技术，要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护 4.若平面汇交力系中的各力在任意两个互相不平行的轴上投影的代数和为零， 则此平面汇交力系一定处于（）。 a．平衡状态；b．不平衡状态；c．暂时平衡状态；d．相对平衡状态。Array 5.力F对O点之矩和力偶对于作用面内任一点之矩，它们与矩心位置的关系是（）。 a．都与矩心位置有关； b．都与矩心位置无关； c．力F对O点之矩与矩心位置有关；力偶对于作用面内任一点之矩与矩心 位置无关； d．以上都不正确。 6.设一平面任意力系向某一点O简化得到一合力；如另选适当的点为简化中心O’，力系向该简化中心简化得到（）。 a．一力偶；b．一合力；c．一合力和一力偶；d．平衡；e．以上都不正确。 7.在一条绳索中间挂一很小的重物，两手握紧绳索两端往两边拉，若不计绳索的 自重和不考虑绳索的拉断，在水平方向能将绳索拉成（）。 a．水平；b．直线；c．不可能拉成直线；d．以上都不正确。 8.若已知力偶(F1，F1’)与力偶(F2，F2’)中的力F1=F2=200N，则此二力偶的矩( )。 a．相等；b，不相等；c．可能相等；d．以上都不正确。 9.若平面平行力系平衡时，此力系的合力为零。若平面平行力系的合力为零，则 此力系一定（）。 a．平衡；b．相对平衡；c．暂时平衡；d．不平衡；e．不一定平衡。 10.只要平面力系的合力为零时，它就平衡。此平面力系是（）。 a．共线力系；b．汇交力系；c．力偶系；d．平面平行力系；e，平面任意 力系。 《工程力学》复习资料 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL- 平面汇交力系平衡的必要与充分条件是：_该力系的合力为零__。该力系中各力构成的力多边形_自行封闭__。 一物块重600N，放在不光滑的平面上，摩擦系数 f=，在左侧有一推力150N，物块有向右滑动的 趋势。F max=_____180N_____,所以此物块处于静 止状态，而其F=__150N__。 刚体在作平动过程中，其上各点的____轨迹形状 ______相同，每一瞬时，各点具有___相同____ 的速度和加速度。 在考虑滑动摩擦的问题中，物体处于平衡状态时主动力的合力与接触面法线间的最大夹角称为__摩擦角__. 某简支梁AB受载荷如图所示，现分别用R A、R B表示支座A、B处的约束反力，则它们的关系为( C )。 2009-2010学年二学期工程力学期末考试模拟试卷(A 卷) 一、选择题（10小题，共20分） [1] 三力平衡汇交定理是（ ）。 A 、共面不平行的三个力相互平衡必汇交于一点； B 、共面三力若平衡，必汇交于一点； C 、若三力汇交于一点，则这三个力必互相平衡； D 、若三力作用在同一平面内，则这三个力必互相平衡。 [2] 如图所示的系统只受F 作用而平衡，欲使A 支座约束反力的作用线与AB 成30°角，则倾斜面的倾角应为（ ） 。 A 、 0° B 、 30° C 、 45° D 、60° [3] 平面力系向点1简化时，主矢F R ′=0，主矩 M 1≠0，如将该力系向另一点2简化，则（ ）。 A 、F R ′=0，M 2≠M 1 B 、F R ′=0，M 2≠M 1 C 、F R ′≠0，M 2=M 1 D 、F R ′=0，M 2=M 1 [4] 若将图（a ）中段内均分布的外力用其合力代替，并作用于C 截面处，如图（b ）所示，则轴力发生改变的为（ ）。 A 、A B 段 B 、B C 段 C 、C D 段 D 、三段均发生改变 [5] 阶梯杆ABC 受拉力P 作用，如图所示。AB 段的横截面积为A 1，BC 段的横截面积为A 2， 各段杆长均为L ，材料的弹性模量为E ．此杆的最大线应变εmax 为（ ） 。 A 、12P P EA EA + B 、1222P P EA EA + C 、2P EA D 、1 P EA [6] 图示等直圆轴，若截面B 、A 的相对扭转角φAB =0，则外力偶M 1和M 2的关系为（ ）。 A 、M 1= M 2 B 、M 1= 2M 2 C 、M 2= 2M 1 D 、M 1= 3M 2 [7] 剪力图如图所示，作用于截面B 处的集中力（ ）。 A 、大小为3KN ，方向向上 B 、大小为3KN ，方向向下 C 、大小为6KN ，方向向上 D 、大小为6KN ，方向向下 Fs [8] 一悬臂梁如图所示，当集中力P 按理论力学中力的平移定理在AB 段上作等效移动时，A 截面的（ ）。 A 、挠度和转角都改变 B 、挠度和转角都不变 C 、挠度改变，转角都不变 D 、挠度不变，转角改变 [9] 用吊索将一工字钢吊起，如图所示，在自重和吊力作用下，AB 段发生的变形是（ ）。 A 、单向压缩 B 、平面弯曲 C 、 压弯组合 D 、斜弯曲 [10] 若cr σ表示受压杆件的临界应力，则下列结论中正确的是（ ）。 A 、cr σ不应大于材料的比例极限p σ B 、cr σ不应大于材料的弹性极限e σ 工程力学复习资料 一、填空题(每空1分，共16分) 1.物体的平衡是指物体相对于地面__________或作________运动的状态。 2.平面汇交力系平衡的必要与充分条件是：_____。该力系中各力构成的力多边形____。 3.一物块重600N，放在不光滑的平面上，摩擦系数f=0.3， 在左侧有一推力150N，物块有向右滑动的趋势。 F max=__________,所以此物块处于静止状态，而其 F=__________。 4.刚体在作平动过程中，其上各点的__________相同，每一 瞬时，各点具有__________的速度和加速度。 A、O2B质量不计，且 5.AB杆质量为m，长为L，曲柄O O1A=O2B=R，O1O2=L，当θ=60°时，O1A杆绕O1轴转 动，角速度ω为常量，则该瞬时AB杆应加的惯性力大 小为__________，方向为__________ 。 6.使材料丧失正常工作能力的应力称为极限应力。工程上一 般把__________作为塑性材料的极限应力；对于脆性材 料，则把________作为极限应力。 7.__________面称为主平面。主平面上的正应力称为______________。 8.当圆环匀速转动时，环内的动应力只与材料的密度ρ和_____________有关，而与 __________无关。 二、单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的序号填在 题干的括号内。每小题3分，共18分) 1.某简支梁AB受载荷如图所示，现分别用R A、R B表示支座A、B处的约束反力，则它们的 关系为( )。 A.R A XXX学院院考试卷 《工程力学》 总分题号一二三四 统分人题分20 10 22 48 复查人得分 一．填空题（每空1分，共20分）： 1．力是物体间相互的作用，这种作用使物体的发生改变；2．平面汇交力系平衡的几何条件是：该力系的力多形是，即等于零。3．力偶对物体作用，只能使物体产生动、力偶只能用来平衡： 4．胡克定律的两种表达式是和； 5. 圆轴，扭矩变形时抗扭截面系数是，平面弯曲变形抗弯截面系数是。 6. 轴向拉压变形时、圆轴扭转变形时，表述变形程度的指标分别是和。7．当梁上某段剪力图为一水平直线时则该段梁上分布载荷q= ，其弯矩图为 。 8．在矩形截面梁中，横截面上最大正应力位于，最大切应力位于。9．强度理论的任务是用来建立应力状态下强度条件，第三和第四强度理论适用于材料。 10．拉弯组合变形最大拉应力等于，压弯组合变形最大压应力等于。 二、单项选择题（每小题2分，共10分）： 1. 力偶对刚体产生下列哪种运动效应（）。 A．即能使刚转动，又能使刚移动； B．与力产生的效应相同； C．只可能使刚体移动； D．只可能使刚体转动。2. 某平面任意力系向O点简化得到如图所示的一个力R′和一个力偶矩M,则该力系的最后 合成结果为( )。 A.作用在O点的一个合力； B.合力偶； C.作用在O点左边某点的一个合力； D.作用在O点右边某点的一个合力； 3. 如图所示，物块自重G，在水平推力P的作用下，处于临界平衡状态，已知物块与铅垂面间的摩擦力大小为( )： A. F=fP B. F=G C. F=fG D.F=P； 4. 长度、横截面相同的钢杆和铝杆受到相同的轴向拉力，则两杆的（）。 A.应力相同； B. 强度相同； C. 轴向伸长亮相同； D. 轴向线应变相同。 5. 在集中力偶作用处（）： A. 剪力图发生突变； B. 剪力图发生转折； C. 弯矩图发生突变； D.弯矩图发生转折。 三、分析题（共22分。） 1．作轴力图（6分） 2．作扭矩图（6分） 学号和姓名务必正确清楚填写。因填写错误或不清楚造成不良后果的，均由本人负责；如故意涂改、乱写的，考试成绩一律以“○”分计。 专业 班级 姓名 工程力学试题及答案 一、 选择题（每题4分，共20分） （abc ）1.工程设计中工程力学主要包含以下内容： A 分析作用在构件上的力，分清已知力和未知力。 B 选择合适的研究对象，建立已知力和未知力的关系。 C 应用平衡条件和平衡方程，确定全部未知力 D 确定研究对象，取分离体 （ a ）2下列说法中不正确的是： A 力使物体绕矩心逆时针旋转为负 B 平面汇交力系的合力对平面内任一点的力矩等于力系中各力对同一点的力矩的代数和 C 力偶不能与一个力等效也不能与一个力平衡 D 力偶对其作用平面内任一点的矩恒等于力偶矩，而与矩心无关 （ab ）3平面汇交力系向汇交点以外的一点简化，其结果可能是： A 一个力 B 一个力和一个力偶 C 一个合力偶 D 一个力矩 （abcd ）4.杆件变形的基本形式： A 拉伸与压缩 B 剪切 C 扭转 D 平面弯曲 （ ad ）5.低碳钢材料由于冷作硬化，会使（ ）提高： A 比例极限 B 塑性 C 强度极限 D 屈服极限 二．填空题（每空1.5分，共36分） 6.工程中遇得到的物体，大部分是非自由体，那些限制或阻碍非自由体运动的物体称为____约束____。 7.由链条、带、钢丝绳等构成的约束称为柔体约束，这种约束的特点：只能承受___拉力_____不能承受__ 压力______，约束力的方向沿__柔体约束拉紧______的方向。 8.力矩是使物体产生____转动____效应的度量，其单位__N*M_______，用符号_____m___表示，力矩有正 负之分，____逆时针____旋转为正。 9 .平面一般力系的平衡方程的基本形式：___ ∑==n i Fix 10 ∑==n i F i y 10 ∑==n i F Mo 10)(_____、________、________。 10.根据工程力学的要求，对变形固体作了三种假设,其内容是：________连续性假设________、____均匀 性假设____________、___各向同性假设_____________。 11.拉压杆的轴向拉伸与压缩变形，其轴力的正号规定是：___弹性阶段_______轴力指向截面外部为正 ______________。 12.塑性材料在拉伸试验的过程中，其σ—ε曲线可分为四个阶段，即：___弹性阶段 屈服阶段 强化阶 段 局部变形阶段________、___________、___________、___________。 13.构件在工作过程中要承受剪切的作用，其剪切强度条件____[]ττ≤=A F Q Max _______. 14.扭转是轴的主要变形形式，轴上的扭矩可以用截面法来求得，扭矩的符号规定为：_______.四指指向扭 矩的转向，若大拇指指向截面的外部，则扭矩为正_______________________________________________。 15．力学将两分为两大类：静定梁和超静定梁。根据约束情况的不同静定梁可分为：___.简支梁 外伸梁 悬 臂梁________、___________、__________三种常见形式。 (a) (b) 习题1-1图 (a) (b) 习题1－2图 D R (a-1) C (a-2) D R (a-3) (b-1) 1－1 图a 、b 所示，Ox 1y 1与Ox 2y 2分别为正交与斜交坐标系。试将同一方F 分别对两坐标系进行分解和投影，并比较分力与力的投影。 解：（a ），图（c ）：11 s i n c o s j i F ααF F += 分力：11 cos i F αF x = ， 11 s i n j F αF y = 投影：αcos 1F F x = ， αs i n 1F F y = 讨论：?= 90°时，投影与分力的模相等；分力是矢量，投影是代数量。 （b ），图（d ）： 分力：22)tan sin cos (i F ?ααF F x -= ，22sin sin j F ?α F y = 投影：αcos 2F F x = ， )cos(2α?-=F F y 讨论：?≠90°时，投影与分量的模不等。 1－2 试画出图a 、b 比较：图（a-1）与图（b-1）不同，因两者之F R D 值大小也不同。 1－3 试画出图示各物体的受力图。 1 （c ） 2x （d ） 习题1－3图 1－4 图a 所示为三角架结构。力F 1作用在B 铰上。杆AB 不计自重，杆BD 杆自重为W 。 试画出图b 、c 、 d 所示的隔离体的受力图，并加以讨论。 或(a-2) B (a-1) (b-1) F Ay (c-1) 或(b-2) (e-1) (f-1) (f-2) 1O (f-3) Ax F ' (b-3) E D (a-3) 习题1－5图 B (b-2) (b-1) F ' C C (c) F Ax F 1－5 试画出图示结构中各杆的受力图。 1－6 图示刚性构件ABC 由销钉A 和拉杆GH 支撑，在构件的点C 作用有一水平力F 。试问如果将力F 沿其作用线移至点D 或点E （如图示），是否会改变销钉A 的受力状况。 解：由受力图1－6a ，1－6b 和1－6c 分析可知，F 从C 移至E ，A 端受力不变，这是因为力F 在自身刚体ABC 上滑移；而F 从C 移至D ，则A 端受力改变，因为HG 与ABC 为不同的刚体。 F F 1 (d-2) y B 21 习题1－6图 F (b-2) (b-3) F y B 2 A A B 1 B F工程力学讲义
工程力学(一)知识要点
工程力学期末试卷
工程力学期末试卷
《工程力学》复习资料
工程力学期末考试模拟试卷(A卷)
工程力学复习资料
工程力学期末试卷及答案试卷A(2020年九月整理).doc
工程力学试题及答案
工程力学习题答案_范钦珊_蔡新着_工程静力学与材料力学_第二版
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