1、工程力学,Engineering Mechanics,中南大学土木建筑学院力学系,Department of Mechanics of School of Civil Engineering and Architecture of Central South University,作用在刚体上的力可向刚体上任意点平移，平移后附加一力偶，附加力偶的力偶矩矢等于原力对平移点之力矩矢。,第四章 平面任意力系,4-1 力的平移, 力线平移定理,一、平面任意力系向作用平面内一点简化,4-2 平面任意力系向一点简化,平面汇交力系,平面力偶系,1.平面汇交力系的合成,大小:,方向:,(力系主矢),2.平面力
2、偶系的合成,平面力系向作用面内任一点简化后，得到一力和一力偶，分别为原力系的主矢和主矩。主矢的作用线通过简化中心，其大小与方向决定于原力系各力的矢量和；主矩作用于原平面，大小等于原力系各力对简化中心之矩的代数和。,(力系对简化中心的主矩),3.平面任意力系向作用平面内一点简化的应用,主动力系为平面力系，约束力为平面任意力系，向固定端 A 简化为一力FA（FAx 和 FAy 表示）和一力偶 MA 。, 固定端约束,二、平面任意力系简化的最后结果,1.力系简化为合力偶,在力系主矢等于零的情况下，力系的主矩与简化中心的位置无关，主矩等于力系合力偶的力偶矩。,2.力系简化为合力,3.力系平衡,或,例：
3、重力坝受水的压力如图。设水深为h ，水的密度为 ，试求水压力简化的结果。,解: 坐标系如图所示，以O 点为简化中心将平面平行力系简化,力系的主矢,力系对O 点的主矩,力系进一步简化为一合力,合力作用线距点的距离为,力系的主矢,一、平面任意力系平衡方程的基本形式,平面力系平衡的充分与必要条件：力系的主矢和力系对任一点的主矩分别等于零。,平面力系平衡的充分与必要条件：各力在直角坐标系中各坐标轴上投影的代数分别等于零，各力对任一点之矩的代数和等于零。,4-3 平面任意力系的平衡条件,二、平面任意力系平衡方程的其他形式,1.一力二矩式平衡方程,2.三矩式平衡方程,A、B 的连线不能与轴 x（或 y 轴
4、）垂直,A、B、C 三点不能共线,三、平面平行力系的平衡条件,1.一力一矩式平衡方程：,y 轴与力平行,2.二矩式平衡方程：,A、B 连线不能与各力平行,例：悬臂式简易起重机简化为图示结构。AB 是吊车梁，BC 是钢索，A 端支承可简化为铰链支座。设已知电动葫芦和重物共重P = 10 kN ，梁自重W = 5 kN ，= 30o。试求钢索BC 和铰链A 的约束力，及钢索受力的最大值。,解：以吊车梁AB 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。电动葫芦距 A 处距离为x ，建立平衡方程,解得：,例：图示刚架，已知q=3kN/m，F= kN，M=10 kNm，不计刚架的自重。求固定端A处的约束力。,解
5、：取刚架作研究对象，受力如图，建立图示坐标系，列出平衡方程：,代入数据，解上述方程，得：,例：试求图示悬臂固定端 A 处的约束力。其中q 为均布载荷集度，单位为kN/m ，设集中力F = ql ，集中力偶矩M = ql 2。,解：以梁AB 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,例：边长为a 的等边三角形平板 ABC 在铅垂平面内，用三根沿边长方向的直杆铰接如图所示。BC 边水平，三角形平板上作用一已知力偶，其力偶矩为M 。三角形平板重为P ， 杆不计自重。试求三杆对三角形平板的约束力。,解：以三角形平板ABC 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,例：塔
6、式起重机简图如图所示。已知机架重量W ，作用线距右轨 B 的距离 e ，载重W1 离右轨 B 的最远距离 l ，平衡物重为W2 ，离左轨 A 的距离 a ，轨距 b 。要使起重机在空载和满载且载重W1 在最远处时均不致翻倒，试确定平衡物重W2 。,解：空载时起重机绕 A 点向左翻倒，此时FB = 0 。,所以空载时起重机不翻倒的条件是FB 0。,满载时起重机绕 B 点向右翻倒，此时FA = 0 。,所以满载时起重机不翻倒的条件是FA 0。,解得：,解得：,1.静定问题,刚体系中有n1 个受平面任意力系作用的刚体，n2 个受平面汇交力系或平面平行力系作用的刚体，n3 个受平面力偶系或二力作用的刚
7、体，分别考虑每个刚体平衡，则独立的平衡方程数目为m = 3n1+2n2+n3 ，刚体上未知力总数为k 。k m 静定结构；k m 静不定结构。,一、静定与静不定问题,二、刚体系统静定性质的判断,2.静不定问题,系统中未知力数目少于或等于独立的平衡方程数目。,系统中未知力数目多于独立的平衡方程数目。,4-4 刚体系的平衡,刚体系平衡时，其中每一个刚体处于平衡 ，根据问题可选择某个刚体为研究对象列出平衡方程或选择刚体系的某部分为研究对象将其刚化为一个刚体，列出平衡方程，从而求出未知量。,例：图示结构，轮重为P，半径为r，BDE为一直角折杆，A为 固定铰链，B、E为中间铰链，D处为可动铰链，BC=C
8、A=l/2， 不计杆重和摩擦.求A、B、D处的约束力及轮作用在ACB杆上 的压力。,解：先取整体为研究对象，受力如图（a）所示，所受力系为一平面任意力系。,再研究BDE杆及轮，受力如图(b)所示，所受力系也为一平面任意力系,图a所示结构，已知：DEAB ， ；在杆DE上作用一顺转的矩为M的力偶，D端铰于杆AC上， E端搁在光滑的BC杆上，杆重不计。试求铰链A、B处的约束力。,例：,解：先研究DE，其上的主动力仅有一个力偶，则D、E处的约束力必构成力偶，以满足平面力偶系的平衡方程。由于E端为光滑面类约束，FNE的方位应垂直于BC杆，从而D处的约束力FD的方位平行于AC。杆DE受力如图b所示,再研
9、究杆AC，受力如图c所示。,所以A处约束力沿AC方位,最后研究整个结构，受力如图a示，由平面力偶系的平衡 条件可知，A、B处的约束力构成力偶。,例： 组合梁ACB如图所示，已知q=2kN/m，F=4kN，M=4kNm，a=2m， 。试求A、B处的约束力。,（整体是静不定，要先研究局部）,解：先研究CB杆，受力如图。,代入数值得,再研究整个组合梁，受力如图,例： 三铰拱由T形杆ACD和三角块BDE构成，尺寸及所受载荷如图所示，已知F1=100N，F2=120N，M=250Nm，q=20N/m， ，求铰链支座A和B处的约束力。,（整体是静不定，但可求出部分未知量）,解：先取整体为研究对象，受力如图
10、所示。列平衡方程,解得,N,N,再取三角块BDE为研究对象，受力如图所示。列平衡方程,代入数据得,将所得结果代入前页式得,N,N,现将求解刚体系统平衡问题的一般步骤和注意点总结如下：（1）根据题意选取研究对象。这是很关键的一步，选得 恰当，解题就能简捷顺利。一般可先取系统中待求未知力少 的物体研究，逐向未知力多的物体过渡。（2）进行受力分析。画受力图时，只画研究对象本身所 受的外力。必须弄清每一个力的性质和来历。 （3）按照待求力的个数列出足够的平衡方程，根据受力 图的具体特点，选取平衡方程的适当形式，使其简单易解。 另外，还要灵活选取矩心和投影轴。常选多个未知力的交 点作矩心；与多个未知力垂
11、直的直线作投影轴。,例：图所示三角形平板 A 点为铰链支座，销钉 C 固定在杆DE 上，并与滑道光滑接触。不计各构件重量，试求铰链支座 A 和 D 约束力。,解：以三角形平板 ABC 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,由几何关系可得,解得：,以杆 DE 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,例：承重框架如图所示，A、D、E 均为铰链，各杆件和滑轮的重量不计。试求A、D、E 点的约束力。,解：以整个刚体系统为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,以杆DE 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,例：结构如图所示。已知AB =
12、 BC = 1m ，DK = KE ，F = 1732kN ，Q = 1000kN ，各杆重量不计，试求结构的外部约束力。,解：以杆DE 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,以杆AC 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,例：图所示构架由杆AC 、CE 及 BH 铰接而成。杆CE和 E 端用滚子搁置在光滑面上，杆BH 水平，在H 点作用一铅垂力F1 = 1kN 。销钉C 上作用一水平力F2 = 600N 和一铅垂力F3 = 600N ，不计各杆重量。试求A、B、D处的约束力。,解：以整个刚体系统为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,以杆BH 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,以杆AC 为研究对象，受力图和坐标系如图所示。建立平衡方程,解得：,
