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工程力学基础习题详解及应用案例
工程力学作为工科学生的基石课程,其核心在于培养分析和解决实际工程问题的能力。理论学习固然重要,但将抽象的公式与具体的工程场景相结合,通过习题演练深化理解,进而在实践中灵活应用,才是掌握这门学科的关键。本文旨在通过对典型习题的细致解析,并结合工程实例,帮助读者夯实基础,提升工程力学的应用素养。
一、静力学基础习题详解与方法提炼
静力学主要研究物体在力系作用下的平衡条件。解决此类问题的关键在于明确研究对象,进行正确的受力分析,并运用平衡方程求解未知量。
(一)物体的受力分析与受力图绘制
习题1:如图所示,一重为G的均质球,放置在光滑的墙面与倾角为θ的光滑斜面上,试画出球的受力图。
详解:
1.确定研究对象:取球为研究对象,将其从周围约束(墙面、斜面)中分离出来,单独画出。
2.分析主动力:球受到的主动力为地球的引力,即重力G,方向竖直向下,作用点在球心。
3.分析约束反力:
*墙面为光滑面约束,其约束反力N?沿接触面的公法线方向指向球心(水平向右)。
*斜面为光滑面约束,其约束反力N?沿斜面的法线方向指向球心(垂直于斜面向上)。
4.绘制受力图:将上述各力按比例(或示意)画在分离体上,确保力的作用点、方向准确。球只受三个力作用而平衡,这三个力必汇交于球心,符合三力平衡汇交定理,可作为校核依据。
方法提炼:绘制受力图是解决静力学问题的第一步,也是最关键的一步。必须严格按照“取对象、画主动力、画约束反力”的步骤进行,确保不遗漏、不重复、不错画力。特别注意“光滑”意味着无摩擦力,绳索只有拉力,铰链约束的方向判断等。
(二)力系的简化与平衡方程应用
习题2:一简支梁AB,跨度为L,在梁的中点C处受一集中力F作用,梁的自重不计。试求A、B两处的支座反力。
详解:
1.确定研究对象:取整个梁AB为研究对象。
2.受力分析与受力图:主动力为作用于C点的集中力F。A处为固定铰支座,有水平和竖直方向两个约束反力,分别用F??和F??表示;B处为可动铰支座,只有竖直方向的约束反力F??,方向假设向上。
3.建立坐标系与列平衡方程:
*选取A点为坐标原点,水平方向为x轴,竖直方向为y轴。
*力系平衡条件:∑F?=0,∑F?=0,∑M?=0(或其他合适的矩心)。
*∑F?=0:F??=0(由于没有水平方向的主动力,A处水平反力为零)
*∑F?=0:F??+F??-F=0(1)
*∑M?=0:F??*L-F*(L/2)=0(2)
4.求解未知量:
*由方程(2)可得:F??=F/2
*将F??代入方程(1)可得:F??=F-F??=F/2
5.结果校核:可对B点取矩∑M?=0,F??*L-F*(L/2)=0,代入F??=F/2,等式成立,结果正确。
方法提炼:对于平面力系平衡问题,灵活选择投影轴和矩心可以简化计算。通常,矩心选在多个未知力的交点处,可减少方程中未知量的个数。校核步骤必不可少,能有效避免计算错误。
二、材料力学基础习题详解与工程关联
材料力学关注构件在外力作用下的内力、变形和强度问题,是结构设计的理论基础。
(一)轴向拉伸与压缩时的内力及强度计算
习题3:一圆形截面钢杆,直径d=10mm,材料的许用应力[σ]=160MPa。若此杆承受轴向拉力F=15kN,试校核其强度。若强度不够,在不改变材料的情况下,提出改进措施。
详解:
1.计算轴力:轴向拉伸时,杆内轴力N=F=15kN=____N。
2.计算横截面积:A=πd2/4=π*(10mm)2/4≈78.54mm2。
3.计算工作应力:σ=N/A=____N/78.54mm2≈190MPa。
4.强度校核:将计算得到的工作应力σ与许用应力[σ]比较。190MPa160MPa,故该杆强度不足。
5.改进措施:在不改变材料的情况下,可增大横截面面积。设所需直径为d,则:
σ=N/(πd2/4)≤[σ]
d≥√(4N/(π[σ]))=√(4*____/(π*160))≈√(119.37)≈10.93mm
故可选用直径d=11mm的钢杆(或根据标准规格选择稍大的直径)。
方法提炼:强度校核的基本思路是“计算实际应力→与许用应力比较→判断是否安全”。当强度不足时,可从增大截面尺寸、选用高强度材料或改善受力方式等方面考虑解决方案。工程中,构件尺寸需圆整至标准规格。
(二)弯曲变形下梁的正应力计算与强度条件
习题4:一矩形截面简支梁,跨长L=3m,截面宽度b=100mm,高度h=200mm,在跨中受集中力
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