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内容提要
第四章 平面一般力系
1.力系向一点简化
2.平衡条件与平衡方程
3.物系平衡和机械的静力计算
各力作用线在同一平面内任意
分布的力系称为平面一般力系
2
1.力的平移定理
作用于刚体上的力,可以 平移 到同一刚体的
任一指定点,但必须同时附加一力偶,其力偶矩
等于原来的力对此指定点的矩,
一、平面一般力系的简化
A
FO =
AO
F Md
M= +Fd =MO(F) (4- 1)
3
证明,设一力 F作用于刚体的 A点
上,且此力到指定点 O的距离为 d,A
o d
F
F1
F2
1 M
F1 = F2 = F( 等值)
[F1,( F2,F )] = [F1,M = F d]
Mo(F) = F d = M
一个力平移的结果可得到同平面的一个力和一个力偶,
反之同平面的一个力 F1和一个力偶矩为 M 的力偶也一定能
合成为一个大小和方向与力 F1相同的力 F其作用点到力作用
线的距离为,
1F
m
d ?
哪一侧:由 MO(F)与 M转向相同定,
4
例 1,M=150Nm,F=50N,求:合力 R。
A
F
M
解,d=M/F=150/50=3m; R=F=50N.
.B
R =,A
.B
R--合力
.
5
2.平面一般力系向一点的简化
平面一般力系向一点简化的实质是一个平面
一般力系变换为平面汇交力系和平面力偶系
(1)主矢和主矩
o
A1
A2
An
F1
F2
Fn
设在刚体上作用一平面
一般力系 F1,F2,… Fn各力作
用点分别为 A1,A2,… An 如
图所示,在平面上任选一点 o
为简化中心,
6
根据力线平移定理,将各力平移到简化中心 O.
原力系转化为作用于 O点的一个平面汇交力系 F1',
F2',… Fn'以及相应的一个力偶矩分别为 M1,M2,…
Mn的附加平面力偶系,其中
o
F1' F2'
Fn'M1
M2
Mn
M1= Mo(F1),M2= Mo(F2),…
Mn= Mo(Fn)
F1?= F1,F2'= F2,… Fn'= Fn
7
将这两个力系分别进行 合 成,
一般情况下平面汇交力系 F‘,F2’,… Fn‘
可合成为作用于 O点的一个力,其力矢量 R‘称为
原力系的 主矢,
一般情况下附加平面力偶可合成一个力偶,
其力偶矩 Mo 称为原力系对于简化中心 O的 主矩,
Mo = M1 + M2 +...+ Mn
= Mo(F1) + Mo(F2) +...+ Mo(Fn)
Mo = ? Mo(Fi)
R' = F1' + F2' +… + Fn' = F1 + F2 + … + Fn
R' = ? Fi (4- 2)
(4- 3)
8
平面一般力系向作用面内已知点简化,一般
可以得到一个力和一个力偶,这个力作用在简化
中心,其矢量称为原力系的 主矢,并等于这个力
系中 各力的矢量和 ; 这个力偶的力偶矩称为原
力系对于简化中心的 主矩,并等于这个力系中
各力对简化中心的矩代数和,
力系对于简化中心的主矩 Mo,一般与简化中
心的位置有关,
结论:
力系的主矢 R'只是原力系中各力的矢量和,
所以它的大小和方向与简化中心的位置无关,
9
(2)简化结果的讨论,
(a) R‘ ? 0,Mo = 0 原力系简化为一个作用
于简化中心 O的合力 R',且
R' = ? Fi
(b) R'= 0,Mo ? 0 原力系简化为一个力偶,此力偶
即为原力系的合力偶,其力偶矩等于主矩 Mo,且
Mo = ? Mo(Fi)
(c) R' ? 0,Mo ? 0 力系可以简化为一个合力 R
其大小和方向均与 R‘相同,而作用线位置与简
化中心点 O的距离为,
R
M
d o?
10
(d)R‘ = 0,Mo = 0 原力系为平衡力系,其
简化结果与简化中心的位置无关,
(3)合力矩定理
dO A
R
当平面任意力系简化为一
个合力时,合力对力系所在平
面内任一点的矩,等于力系中
各力对同一点的矩的 代数和,
Mo(R) = R?OA = R'?OA = MO
MO =? Mo(Fi)
?Mo(R) = ? Mo(Fi)
R?M
o
11
A B
C
F1
F2
F3
例 2:正三角形 ABC 的边长为 a,受力如
图,且 F1 = F2 = F3 = F 求此力系的主矢 ;
对 A点的主矩及此力系合力作用线的位置,
12
解,求力系的主矢
A B
C
2F求对 A点的主矩
MA = a F2 sin60o = 0.87 a F MA
A B
C
2F
d
求合力作用线的位置
R = 2F
aRMd A 4 3 5.0??
Rx= - F1- F2cos60o- F3cos60o = -2F
Ry= F2 sin60o- F3 sin60o = 0
例 3
13
例 3:图示力系有合力,试求合力的大小,方向及
作用线到 A点的距离,
A B
1m 1m 1m
25kN 20kN
18kN
60o
30o
解,求力系的主矢
Rx= 20cos60o + 18cos30o = 25.59
Ry= 25+ 20sin60o- 18sin30o = 33.32
01.423.3259.25 2222 ????? yx RRR
048.52
01.42
59.25arccosarccos ??
R
Rxq =
14
求力系的主矩
A B
1m 1m 1m
25kN 20kN
18kN
60o
30o
q
R'
MA = 1× 25 + 2 × 20sin60o - 3 × 18sin30o
= 32.64
MA
7 7 7.001.42 64.32 ???? RMd A
R
d
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3.平行分布的线荷载
x
A
B
A
a b
B
q
qx
(1)定义
集中力 ;分布荷载 ;平行
分布线荷载 (线荷载 )
线荷载集度 q
(N/m ; kN/m)
均布线荷载
非均布线荷载
荷载图
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(2)均布线荷载
A
a b
B
q
R
Cl / 2
l
A
B
a
b
q
C
R
合力大小, R = ? q ?xi = q ??xi= ql
合力作用线通过中心线 AB的中点 C
?xi
q?xi
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(3)按照线性规律变化的线荷载
A B
b
qm
dx
Cx
2l / 3
l
R
qdx合力大小,
lq
x d x
l
q
qdxR
m
l l
m
2
1
0 0
?
?? ? ?
合力作用点 C的位置
? ? ????
l l
m
m lqdxx
l
qq x d xACR
0 0
2
3
1
lAC 32?
2
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二、平面一般力系的平衡
(1)平面一般力系的平衡条件
平面一般力系平衡的必要和充分条件是,
力系的主矢和力系对任一点的主矩都等于零,
R' = 0
MO = 0
(2)平面一般力系的平衡方程
(a)一力矩式
?Fx = 0
?Fy = 0
?Mo(Fi) = 0
(最多能解 3个未知量)
(4- 4)
(4- 5)
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(b)二力矩式
投影轴 x不能与矩心 A和 B的连线垂直,
(c)三力矩式
三个矩心 A,B 和 C不在一直线上,
?MA(Fi) = 0
?MB(Fi) = 0
?Fx = 0
?MA(Fi) = 0
?MB(Fi) = 0
?MC(Fi) = 0
A
B xC
20
例题 4,在水平梁 AB上作用一力偶矩为 M的力偶,
在梁长的中点 C处作用一集中力 P它与水平的夹角
为 q,如图所示,梁长为 l 且自重不计,求支座 A
和 B的反力,
l /2 l /2
A BC
M
P
q
21
解,取水平梁 AB为研究对象画受力图,
l /2 l /2
A BC
M
P
q
FAx
FAy FB
?Fx = 0
FAx - P cosq = 0
FAx = P cosq
?mA(Fi) = 0
?Fy = 0
FAy - P sinq + FB = 0
-M - Psinq l2 +FBl=0 FB= M
l +
Psinq
2
FAy= Ml Psinq2
22
例 题, 图示的钢筋混凝土配水槽,底宽 1m,高 0.8m,
壁及底厚 10cm水深为 50cm.求 1m长度上支座的约束
反力,槽的单位体积重量
? = 24.5kN/m3.
0.5
m
0.8
m
1m
A
B
C
(水的 ?=9.8KN/m3 )
23
解,取水槽为研究对象画受力图,
0.5m
0.5
m
0.8
m
A
B
C
Fx
Fy
MA
W1
W2
F
d
0.45m
W
0.45m
W1 = 24.5× 1× 1× 0.1
= 2.45 kN
W2 = 24.5× 1× 0.7× 0.1
= 1.715 kN
F = 0.5× (1× 9.8× 0.5) × 1 × 0.5
= 1.225 kN
W = (1× 9.8)× 1× 0.9 × 0.5 = 4.41 kN
3
15.0
3
2 ???d
24
利用平衡方程 求 解,
Fx + F = 0
Fx = - 1.225 kN
?Fy= 0 Fy - W - W1 - W2 = 0
Fy= 8.575 kN
?MA(Fi) = 0
MA - (0.5-0.333)F- 0.45W - 0.5 W1 - 0.95 W2 = 0
MA = 5.043 kN.m
?Fx = 0
25
三,平面平行力系的平衡
(a)一力矩式 ?F
y = 0
?Mo(Fi) = 0
(b)二力矩式
?MA(Fi) = 0
?MB(Fi) = 0
F1 F
2
Fn
y
x
o
立 xoy
?Fx?0 (恒等式)
(A.B连线不能
与各力平行 )
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例 5:已知 F=40KN,M=150KNm.求支座 A,B处的反力 。
A
B
FM解:研究对象,AB梁,
画受力图,
6m 3m
A B
FM
FBFA
?MA=0
-M +FB ·6 - F ·9=0
FB= … =85KN
?MB=0
- FA ·6 - M - F·3=0
FA= … = - 45KN
27
四,静定与静不定问题,物体系统的平衡
(1)静定与静不定问题
对每一种力系而言,若未知量的数目等于独立平
衡方程的数目,则应用刚体静力学的理论,就可以求
得全部未知量,这样的问题称为 静定问题,( 理力)
若未知量的数目超过独立平衡方程的数目,则单
独应用刚体静力学的理论,就不能求出全部未知量,
这样的问题 称为静不定问题,(材力)(结力)
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A B
F
FB
FAx
FAy
(静定)
FBx
A B
F
FAx
FAy
FBy
(静不定)
A BC
P
BC
P FB
Fcx
Fcy
A C
M
Fcx
Fcy
MA
FAx
FAy
PM
A BC
(静不定)
(静定)
29
物 体 系统是指由若干个物体通过适当的约
束相互连接而组成的系统,
解静定物体系统平衡问题的一般步骤,
(a)分析系统由几个物体组成,
(b)按照便于求解的原则,适当选取整体或个
体为研究对象进行受力分析并画受力图,
(c)列平衡方程并解出未知量
( 2)物体系统的平衡
*.一般需取多次研究对象;受力图正确;定路径。
30
例 6,组合梁 ABC的支承与受力情况如图所
示,已知 P = 30kN,Q = 20kN,q = 45o.
求支座 A和 C的约束反力,
2m 2m 2m 2m
q
P Q
A B C
31
2m 2m
q
Q
B C
XB
YB RC
解,(1)取 BC杆为研究对象画受力图,
?MB(Fi) = 0
- 2× 20sin45o +4RC = 0
RC = 7.07 kN
32
(2)取整体为研究对象画受力图,
2m 2m 2m 2m
q
P Q
A B C
XA
YA
MA
RC
?Fx = 0
XA - 20 cos45o = 0 XA = 14.14 kN
?Fy = 0
YA - 30 - 20 sin45o + RC = 0 YA=37.07KN
?MA(Fi)=0 MA - P2 -6Qsin45+RC8=0 MA=31.72KNm

例 7
33
例 题,三铰拱 ABC的支承及荷载情况如图所
示,已知 P =20kN,均布荷载 q = 4kN/m.求铰
链支座 A和 B的约束反力,
1m
2m 2m
A B
Cq
P
34
解,(1)取整体为
研究对象画受力
图,
1m
2m 2m
A B
Cq
P
XA
YA
XB
YB
?MA(Fi) = 0
- 4 × 3 × 1.5
- 20 × 3
+ 4 YB = 0
YB = 19.5 kN
?Fy = 0 YA - 20 + 19.5 = 0 YA = 0.5 kN
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(2)取 BC为研究对象画受力图,
1m
B
C
P
XC
YC
XB
YB
?MC(Fi) = 0
-1× 20 + 2× 19.5 + 4 XB = 0
?Fx = 0
4× 3+XA+XB = 0
XB = - 6.33 kN
XA = - 5.67 kN
(3)取整体为研究对象
36
作 业
思考题全看(不交)
必作题,P45页习题,4— 1,4— 2,4— 4。