工程力學(xué)

前言

工程力學(xué)是工科大學(xué)生的一門必修課程，也是學(xué)生在大學(xué)階段比較系統(tǒng)地接觸實(shí)際工程問(wèn)題的第一門課程，在對(duì)學(xué)生的大學(xué)四年的培養(yǎng)中起著承上啟下的過(guò)渡作用。工程力學(xué)中的理論力學(xué)部分，其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚擉w系以及分析過(guò)程延續(xù)了數(shù)學(xué)、物理的理性思維，有助于學(xué)生科學(xué)分析能力的培養(yǎng)；工程力學(xué)中的材料力學(xué)部分，則通過(guò)“實(shí)驗(yàn)一假設(shè)一分析一結(jié)論”的過(guò)程，強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)以及在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的歸納與合理的假設(shè)方法對(duì)研究的作用，體現(xiàn)了實(shí)用的概念。因此，通過(guò)工程力學(xué)的學(xué)習(xí)，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)意識(shí)，有助于其建立工程概念，為以后的工作打下良好的基礎(chǔ)。在工科類型的高校中開(kāi)設(shè)工程力學(xué)課程的專業(yè)比較多，各專業(yè)的教學(xué)要求也各不相同，基本上，所要求的學(xué)時(shí)量有48學(xué)時(shí)以下的少學(xué)時(shí)（如工業(yè)工程、輕化等專業(yè)），也有80以上的多學(xué)時(shí)（如機(jī)電、建筑等專業(yè)），更多的是安排60～70的中學(xué)時(shí)（如材料、紡織等專業(yè)）。本教材是一本中等學(xué)時(shí)的工程力學(xué)教材，適用于材料、紡織、能源、動(dòng)力等一般工科專業(yè)，在適當(dāng)刪減一些教學(xué)內(nèi)容后也可以作為少學(xué)時(shí)課程的工程力學(xué)教材使用。工程力學(xué)主要由理論力學(xué)和材料力學(xué)兩部分組成。本教材在理論力學(xué)部分，除了靜力學(xué)外，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了壓縮，其中運(yùn)動(dòng)學(xué)為一章，包含了點(diǎn)和剛體的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)部分只介紹了動(dòng)能定理和達(dá)朗貝爾原理。在材料力學(xué)部分，考慮到部分近機(jī)類專業(yè)的需要，基本保留了材料力學(xué)的主體部分，但不考慮能量法，主要介紹了結(jié)構(gòu)的基本變形、應(yīng)力狀態(tài)分析、組合變形、動(dòng)載荷與疲勞等內(nèi)容。這些教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)可以滿足一般工程專業(yè)對(duì)力學(xué)課程的要求。理論力學(xué)和材料力學(xué)都是研究力對(duì)物體的效應(yīng)的，只不過(guò)理論力學(xué)主要研究力的外效應(yīng)，而材料力學(xué)主要研究力的內(nèi)效應(yīng)，但對(duì)真實(shí)物體，力的外效應(yīng)和內(nèi)效應(yīng)是不可分的。同樣，工程力學(xué)的理論力學(xué)部分和材料力學(xué)部分也密切相關(guān)，不能截然分開(kāi)。本教材在內(nèi)容編排上考慮到這一因素，采取了理論力學(xué)部分與材料力學(xué)部分混編的方法。第1章介紹了工程力學(xué)（包含理論力學(xué)和材料力學(xué)部分）的基本概念，是全書(shū)的基礎(chǔ)；第2章介紹力系的平衡；第3～8章屬于靜材料力學(xué)，包括基本變形、應(yīng)力狀態(tài)分析、組合變形、壓桿穩(wěn)定；第9～11章分別介紹點(diǎn)與剛體的運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)能定理和達(dá)朗貝爾原理，構(gòu)成了理論力學(xué)的后半部分教學(xué)內(nèi)容，也是第12章的應(yīng)用基礎(chǔ)；第12章介紹動(dòng)載荷與疲勞強(qiáng)度，其屬于動(dòng)材料力學(xué)的內(nèi)容?？傊?，全書(shū)第1～8章為靜力學(xué)部分（包括靜剛體力學(xué)和靜變形體力學(xué)），第9～12章為動(dòng)力學(xué)部分（動(dòng)剛體力學(xué)和動(dòng)變形體力學(xué)）。這樣的編排方式，使學(xué)生能夠抓住“力的效應(yīng)”這條主線，有助于學(xué)生理解工程力學(xué)的兩個(gè)部分的關(guān)系，掌握工程實(shí)際問(wèn)題力學(xué)模型的建立方法。

內(nèi)容概要

本書(shū)為高等學(xué)校工科專業(yè)中等學(xué)時(shí)的工程力學(xué)教材。教材精選理論力學(xué)和材料力學(xué)的主要部分，采用了理論力學(xué)部分和材料力學(xué)部分混合編排的形式。除緒論外，全書(shū)分為靜結(jié)構(gòu)分析(第1～8章)和動(dòng)結(jié)構(gòu)分析(第9～12章)兩部分。其中，靜結(jié)構(gòu)分析包含工程力學(xué)的基本概念(第l章)、力系的平衡(第2章)、結(jié)構(gòu)的基本變形(第3、4、5章)、應(yīng)力狀態(tài)分析與強(qiáng)度理論(第6章)、組合變形(第7章)、壓桿穩(wěn)定性(第8章)等內(nèi)容，動(dòng)結(jié)構(gòu)分析主要包括點(diǎn)與剛體的運(yùn)動(dòng)分析(第9章)、動(dòng)能定理(第lO章)、達(dá)朗貝爾原理(第11章)、動(dòng)載荷與疲勞強(qiáng)度(第12章)。學(xué)完本教材需要64～72學(xué)時(shí)，可以滿足一般工科專業(yè)工程力學(xué)的教學(xué)要求。如果僅選擇靜結(jié)構(gòu)分析部分．需要48～56學(xué)時(shí)，可以滿足少學(xué)時(shí)的工程力學(xué)教學(xué)要求。    工程力學(xué)是一門具有較強(qiáng)邏輯演繹與運(yùn)算的課程，因此，學(xué)習(xí)工程力學(xué)需要大量的習(xí)題進(jìn)行練習(xí)。本書(shū)配有一定量的習(xí)題以供讀者練習(xí)、演算。    本教材可供高等院校工科各專業(yè)工程力學(xué)課程選用，也可供從事機(jī)電、動(dòng)力、能源、工程管理等專業(yè)的實(shí)際工作者作為參考之用。

書(shū)籍目錄

第0章  緒論  0.1  工程力學(xué)的任務(wù)與內(nèi)容  0.2  工程力學(xué)的應(yīng)用第1章  工程力學(xué)的基本概念  1.1  力與力系  1.2  力矩與力偶  1.3  約束與約束力  1.4  受力分析  1.5  變形體的基本假設(shè)  1.6  應(yīng)力與應(yīng)變的概念  1.7  桿件的基本變形形式  習(xí)題第2章  力系的平衡  2.1  力線平移定理  2.2  力系的簡(jiǎn)化  2.3  力系的平衡與應(yīng)用  2.4  考慮摩擦的平衡問(wèn)題  習(xí)題第3章  桿的拉伸(壓縮)與剪切  3.1  桿件拉伸(壓縮)的工程實(shí)例  3.2  軸向拉壓桿的內(nèi)力——軸力  3.3  軸向拉壓橫截面正應(yīng)力  3.4  材料軸向拉壓力學(xué)性能  3.5  安全因數(shù)  3.6  軸向拉壓桿的強(qiáng)度設(shè)計(jì)  3.7  軸向拉壓桿的變形與剛度設(shè)計(jì)  3.8  剪切與擠壓的實(shí)用計(jì)算  習(xí)題第4章  軸的扭轉(zhuǎn)  4.1  軸扭轉(zhuǎn)的工程實(shí)例  4.2  外力偶矩的計(jì)算  4.3  扭矩與扭矩圖  4.4  剪切胡克定律  4.5  圓軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力與強(qiáng)度設(shè)計(jì)  4.6  圓軸扭轉(zhuǎn)變形與剛度條件  4.7  矩形截面軸扭轉(zhuǎn)  習(xí)題第5章  梁的彎曲  5.1  梁彎曲的工程實(shí)例  5.2  彎曲內(nèi)力  5.3  剪力圖和彎矩圖  5.4  靜矩、慣性矩和慣性積  5.5  平行移軸定理  5.6  梁的彎曲正應(yīng)力計(jì)算與強(qiáng)度設(shè)計(jì)  5.7  梁彎曲切應(yīng)力計(jì)算與強(qiáng)度設(shè)計(jì)  5.8  梁彎曲變形計(jì)算與剛度設(shè)計(jì)  習(xí)題第6章  應(yīng)力狀態(tài)分析與強(qiáng)度理論  6.1  一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)概念  6.2  平面應(yīng)力狀態(tài)解析法  6.3  平面應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力圓分析(圖解法)  6.4  廣義胡克定律  6.5  三向應(yīng)力狀態(tài)下最大切應(yīng)力  6.6  應(yīng)變能與應(yīng)變能密度  6.7  強(qiáng)度理論  習(xí)題第7章  組合變形  7.1  組合變形的工程實(shí)例  7.2  彎曲和彎曲(斜彎曲)的組合變形  7.3  拉伸(壓縮)與彎曲的組合變形  7.4  拉伸(壓縮)與扭轉(zhuǎn)的組合變形  7.5  彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合變形  習(xí)題第8章  壓桿穩(wěn)定  8.1  壓桿穩(wěn)定的工程實(shí)例  8.2  穩(wěn)定性分析的基本概念  8.3  細(xì)長(zhǎng)壓桿的臨界壓力與歐拉公式  8.4  非細(xì)長(zhǎng)壓桿的臨界應(yīng)力  8.5  臨界應(yīng)力總圖  8.6  安全因數(shù)與穩(wěn)定性分析  8.7  提高壓桿穩(wěn)定性的措施  習(xí)題第9章  點(diǎn)與剛體的運(yùn)動(dòng)分析  9.1  點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析  9.2  剛體的平行移動(dòng)與定軸轉(zhuǎn)動(dòng)  9.3  牽連平移時(shí)點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)  9.4  剛體平面運(yùn)動(dòng)  習(xí)題第10章  動(dòng)能定理  10.1  功的計(jì)算  10.2  動(dòng)能的計(jì)算  10.3  轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算  10.4  質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)能定理  10.5  機(jī)械能守恒  習(xí)題第1l章  達(dá)朗貝爾原理  11.1  慣性力的概念  11.2  剛體慣性力系的簡(jiǎn)化  11.3  達(dá)朗貝爾原理  11.4  定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體軸承動(dòng)約束力  習(xí)題第12章  動(dòng)載荷與疲勞強(qiáng)度  12.1  動(dòng)載荷的工程實(shí)例  12.2  達(dá)朗貝爾原理的應(yīng)用  12.3  沖擊動(dòng)載荷的近似計(jì)算  12.4  疲勞的概念  12.5  材料的持久極限  12.6  影響構(gòu)件持久極限的因素  12.7  對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度分析  習(xí)題附錄A  型鋼規(guī)格表附錄B  部分習(xí)題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：工程力學(xué)是大學(xué)工科學(xué)生所需學(xué)習(xí)的一門工程基礎(chǔ)課。工程力學(xué)的研究對(duì)象是各種工程中的結(jié)構(gòu)（或結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型），研究的是這些結(jié)構(gòu)模型在力的作用下所表現(xiàn)出的行為與結(jié)果，主要包括以下兩個(gè)方面的內(nèi)容。（1）工程結(jié)構(gòu)受到力的作用后所表現(xiàn)出來(lái)的整體的運(yùn)動(dòng)與平衡效應(yīng)，以及維持這種運(yùn)動(dòng)與平衡所需要的力之間的聯(lián)系與規(guī)律，這種效應(yīng)稱為力對(duì)物體的外效應(yīng)。外效應(yīng)可能使受力物體發(fā)生整體的運(yùn)動(dòng)（平衡）。（2）力引起物體的變形以及由變形所引起的物體內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)參量的變化，這種效應(yīng)稱為力對(duì)物體的內(nèi)效應(yīng)。內(nèi)效應(yīng)可能使物體被破壞或失效。綜上所述，工程力學(xué)是研究物體在力的作用下所產(chǎn)生的效應(yīng)（外效應(yīng)和內(nèi)效應(yīng)）的一般規(guī)律的學(xué)科。工程力學(xué)一般包含兩個(gè)主要的模塊：主要研究外效應(yīng)的剛體力學(xué)模塊（理論力學(xué)部分）和主要研究?jī)?nèi)效應(yīng)的變形體力學(xué)模塊（材料力學(xué)部分）。但對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)，力作用下結(jié)構(gòu)的外效應(yīng)和內(nèi)效應(yīng)同時(shí)存在，并且耦合在一起，從而給結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析帶來(lái)了很大的困難。對(duì)此，人們通常采用對(duì)兩種效應(yīng)分別進(jìn)行討論、分析的方法。首先，工程力學(xué)從一般的結(jié)構(gòu)固體特征中抽象出了“剛性”這一本質(zhì)特點(diǎn)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)在力的作用下不發(fā)生變形（真實(shí)情況是能夠發(fā)生變形，但變形極其微小，可以忽略），從而專注于研究物體在力作用下的外效應(yīng)。在這一研究中，所涉及的研究對(duì)象都是剛體，也就是剛體力學(xué)模塊。整個(gè)剛體力學(xué)模塊主要包含靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)三大部分。靜力學(xué)主要研究剛體平衡時(shí)剛體所受到的力（主動(dòng)力與約束力）之間所需滿足的關(guān)系（稱為平衡方程）。靜力學(xué)是整個(gè)工程力學(xué)的基礎(chǔ)，在工程實(shí)踐中也得到了廣泛的應(yīng)用。如建筑工程中對(duì)各種梁、柱等結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分析就是靜力學(xué)分析，通過(guò)建立起靜力學(xué)平衡方程可以得到這些結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。同樣的情況也發(fā)生在機(jī)械工程領(lǐng)域，機(jī)床主軸等結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也需要由靜力學(xué)平衡方程確定。靜力學(xué)還常被用來(lái)對(duì)約束進(jìn)行分析與計(jì)算。工程結(jié)構(gòu)不可能自由地漂浮在空中，它們需要以某種方式與地面連接在一起，同時(shí)，工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各零、部件（功能模塊）之間也是通過(guò)一些特殊方式連接在一起，從而構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體的。這些發(fā)揮了各種作用的連接就是約束。約束是物體間的一種作用，這種作用通過(guò)約束力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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