工程力学

王元勋

目录

  • 1 绪论
    • 1.1 什么是工程力学
    • 1.2 力学与工程
    • 1.3 学科分类
    • 1.4 基本概念
    • 1.5 基本方法
    • 1.6 章节测验
  • 2 刚体静力学基本概念与理论
    • 2.1 力
      • 2.1.1 刚体、刚体静力学
      • 2.1.2 力的概念
      • 2.1.3 力的合成
      • 2.1.4 力的合成实例
      • 2.1.5 二力平衡公理
    • 2.2 力偶
      • 2.2.1 力偶、力偶矩
      • 2.2.2 力偶的合成
    • 2.3 约束与约束反力
      • 2.3.1 约束与约束力
      • 2.3.2 可确定约束力方向的约束
      • 2.3.3 可确定约束力作用线的约束
      • 2.3.4 可确定作用点的约束
      • 2.3.5 几种常见约束
    • 2.4 受力图
      • 2.4.1 受力图
      • 2.4.2 受力图实例一
      • 2.4.3 受力图实例二
      • 2.4.4 受力图实例三
      • 2.4.5 画受力图步骤
    • 2.5 平面力系的平衡条件
      • 2.5.1 力的平移定理
      • 2.5.2 力对点之矩
      • 2.5.3 平面一般力系的简化
      • 2.5.4 平面力系简化实例
      • 2.5.5 平面力系的平衡条件
      • 2.5.6 力的两个推论
    • 2.6 章节测验
  • 3 静力平衡问题
    • 3.1 平面力系的平衡问题
      • 3.1.1 静力平衡问题
      • 3.1.2 平面力系平衡问题的分析方法
      • 3.1.3 静不定问题的概念
    • 3.2 含摩擦的平衡问题
    • 3.3 平面桁架
      • 3.3.1 平面桁架
      • 3.3.2 节点法
      • 3.3.3 截面法
    • 3.4 空间力系的平衡问题
      • 3.4.1 力在空间坐标轴上的投影
      • 3.4.2 力对轴之矩
      • 3.4.3 力对点之矩与力对轴之矩的关系
      • 3.4.4 空间力系的平衡方程
      • 3.4.5 空间力系平衡问题求解
    • 3.5 章节测验
  • 4 变形体静力学基础
    • 4.1 变形体静力学的一般分析方法
    • 4.2 基本假设
    • 4.3 内力、截面法
      • 4.3.1 内力
      • 4.3.2 截面法
    • 4.4 杆件的基本变形
    • 4.5 杆的轴向拉伸和压缩
      • 4.5.1 理论推导
      • 4.5.2 杆的轴向拉伸和压缩实例
    • 4.6 一点的应力和应变
      • 4.6.1 一点的应力
      • 4.6.2 一点的应变
    • 4.7 变形体静力学分析
    • 4.8 应力集中的概念
    • 4.9 章节测验
  • 5 材料的力学性能
    • 5.1 概述
    • 5.2 低碳钢拉伸应力—应变曲线
      • 5.2.1 低碳钢拉伸应力应变曲线
      • 5.2.2 材料的力学性能指标
    • 5.3 不同材料拉伸压缩时的机械性能
      • 5.3.1 不同材料拉伸的力学性能
      • 5.3.2 不同材料压缩的力学性能
      • 5.3.3 泊松比
    • 5.4 真应力、真应变
    • 5.5 章节测验
  • 6 强度与连接设计
    • 6.1 强度条件和安全系数
    • 6.2 拉压杆件的强度设计
    • 6.3 剪切及其实用计算
      • 6.3.1 工程中剪切问题的特点
      • 6.3.2 剪切的实用强度计算
    • 6.4 挤压及其实用计算
      • 6.4.1 工程中挤压问题的特点
      • 6.4.2 挤压的实用强度计算
    • 6.5 连接件的强度设计
    • 6.6 章节测验
  • 7 流体力、容器
    • 7.1 流体的特征
    • 7.2 静止流体中的压强
      • 7.2.1 流体静压强
      • 7.2.2 静止流体内任一点的压强
    • 7.3 作用在壁面上的流体力
      • 7.3.1 静止流体作用于平壁面上的压力
      • 7.3.2 静止流体作用于曲壁面上的压力
    • 7.4 薄壁容器
      • 7.4.1 圆筒形薄壁压力容器的应力
      • 7.4.2 球形薄壁压力容器的应力
      • 7.4.3 强度条件
    • 7.5 章节测验
  • 8 圆轴的扭转
    • 8.1 扭转的概念和实例
    • 8.2 扭矩与扭矩图
    • 8.3 圆轴扭转时的应力和变形
      • 8.3.1 圆轴扭转的应力公式
      • 8.3.2 扭转圆轴任一点的应力状态
      • 8.3.3 圆轴的扭转变形
    • 8.4 圆轴扭转的强度设计
      • 8.4.1 强度条件和刚度条件
      • 8.4.2 强度和刚度计算
      • 8.4.3 静不定问题
    • 8.5 章节测验
  • 9 梁的平面弯曲
    • 9.1 前言
    • 9.2 用截面法作梁的内力图
    • 9.3 利用平衡微分方程作梁的内力图
      • 9.3.1 梁的平衡微分方程
      • 9.3.2 剪力图、弯矩图的简捷画法
    • 9.4 梁的应力与强度条件
      • 9.4.1 变形几何分析
      • 9.4.2 材料的物理关系
      • 9.4.3 静力平衡条件
      • 9.4.4 平面弯曲时的最大正应力公式及强度条件
      • 9.4.5 矩形截面梁横截面上的切应力
    • 9.5 梁的变形
      • 9.5.1 梁的挠度和转角
      • 9.5.2 梁的挠曲线微分方程
      • 9.5.3 用积分法求梁的变形
      • 9.5.4 弯曲静不定问题
    • 9.6 章节测验
  • 10 应力状态、强度理论与组合变形
    • 10.1 应力状态
      • 10.1.1 平面应力状态的一般分析
      • 10.1.2 极限应力与主应力
      • 10.1.3 广义胡可定理
      • 10.1.4 变形比能
    • 10.2 强度理论简介
      • 10.2.1 引言
      • 10.2.2 关于破坏的强度理论
      • 10.2.3 关于屈服的强度理论
      • 10.2.4 强度理论应用
    • 10.3 组合变形
      • 10.3.1 引言
      • 10.3.2 拉(压)弯组合变形
      • 10.3.3 弯扭组合变形
    • 10.4 章节测验
  • 11 阅读
    • 11.1 阅读
  • 12 调查问卷
    • 12.1 调查问卷
力学与工程

力学与工程

 力学与工程是紧密相连的。工程技术的发展,不断提出新的力学问题;力学研究的发展又不断应用于工程实际并推动其进步。这里仅以力学与航空工程为例,作一简单的回顾。  

发展历程

人们向往能在天空自由自在地飞行。但直到18世纪初,人类自己还没有真正飞起来过。 

最先开始的飞行,是气球飞行。1783年6月,法国的蒙高兄弟(M.Josephand M.Etienne)公开表演了布袋式热气球飞行。

19世纪后,蒸汽机、电动机、内燃机等动力装置得到应用。出现了用动力装置作为辅助动力,靠充填氢、氦、热空气等产生升力的飞艇。

 19世纪末,经典流体力学基础已经形成。到20世纪,研究飞行器或其他物体在同空气作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律的空气动力学从流体力学中发展出来,形成了一个新的学科分枝。

航空要解决的主要问题是如何获得飞行器所需要的举力(升力),减小飞行器的阻力并提高飞行速度。

1903年,莱特兄弟(美国)用他们自己制作的木制机身、双层帆布机翼螺旋桨飞机进行了第一次飞行。



1939年,随着燃气轮机的应用,第一架喷气式飞机诞生了。到1949年,英国研制成功第一架喷气式客机慧星(Comet)号”,可载客80名,最大起飞重量达70吨,飞行的速度和距离得到了很大的提高。

1946年,阿克莱特、李普曼、中国学者钱学森和郭永怀分析了流场中出现的边界层和冲击波的相互作用,成功地解决了跨声速飞行中的空气动力学问题。相关力学理论的建立和工程中后掠式机翼的采用,使跨声速飞行成为现实。力学对突破航空中的声障起了关键作用。

力学与工程是紧密结合的,力学在研究自然界物质运动普遍规律的同时,不断地应用其成果,服务于工程,促进工程技术的进步。反之,工程技术进步的要求,不断地向力学工作者提出新的课题。在解决这些问题的同时,力学自身也不断地得到丰富和发展,新的分枝层出不穷。

科学应用

力学是一门既古老又有永恒活力的学科。它对于近、现代科学技术的进步,有着重要的影响。

2000年下半年,美国的三十几个专业工程协会评出了20世纪对人类影响最大的20项技术,力学在其中多项技术的发展中起着重要的、甚至是关键的作用。

电力系统技术

排在第一位的是电力系统技术,目前几乎所有输入电网的电力都是通过叶轮机带动发电机产生的。而叶轮机、发电机以及输电线路的设计都离不开力学。现在全世界电网装机容量约为40亿千瓦,每年发电约28万亿千瓦时,总值约10000亿美元。

汽车制造技术

排在第二位的是汽车制造技术。它同样离不开力学的支持。半个世纪以来,力学的发展使汽车发动机的效率提高了约1/3

航空航天技术

排在第三位的航空技术和第十一位的航天技术,它们与力学的关系就更密切了。如前所述,航空和航天技术的每一个重大进展都依赖于力学的新突破。

21世纪,纳米科技已成为科技界最具活力与前景的重大研究领域之一。由于力学内在的特质及其所研究问题的普遍性,加上力学工作者的敏感,现代力学的最新分支纳米力学迅速形成,成为与物理、化学、生物、材料科学等进行交叉研究的新学科而得到蓬勃发展。

在未来的科技发展中,力学仍将展示出永恒与旺盛的生命力并发挥出巨大的影响。



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