第一篇：工程力學教案

《工程力學》教案

開課單位：航海學院專

業：輪機工程授課對象：輪機工程本科主講教師：張敏課程的教學目的和要求

工程力學是一門理論性較強的技術基礎課，是高等院校工科專業的必修課。1.1 目的

通過本課程的學習，使學生掌握物體問題，初步學會分析、解決一些簡單的工程實際問 題培養學生解決工程計算中有關強度、剛度和穩定性問題的能力，以及計算能力和實驗能力，為工程設計打下必要的基礎。1.2 要求

1.2.1 理論知識方面

（1）能正確地選取分離體并畫出受力圖，比較完整地理解力、力矩和力偶的基本概念和性 質，能熟練計算力的投影和力矩；

（2）掌握運用各類平面力系的平衡方程求解單個物體及簡單物系的平衡問題的知識；（3）掌握分析桿件內力并做相應內力圖的基本知識；

（4）掌握分析桿件的應力、應變，進行強度和剛度計算的基本知識；

（5）對應力狀態和強度理論有一定認識，并能進行組合變形下桿件強度計算；（6）初步學會分析簡單壓桿的臨界載荷，并進行壓桿穩定性的校核； 1.2.2 能力、技能方面

（1）具有從簡單的實際問題中提出理論力學問題并進行分析的初步能力；（2）初步具備計算強度、剛度、穩定性的計算及構件設計的能力；（3）初步具備合理選材及對常用材料基本力學性能進行測試的能力。2 教材及參考書目 2.1 教材

（1）西南交通大學應用力學與工程系編，工程力學教程》，北京：高等教育出版社，2004。《（2）范欽珊主編，《工程力學》，北京：清華大學出版社，2005。2.2 參考書目

（1）范欽珊主編，《工程力學》，北京：機械工業出版社，2002。

（2）王振發主編，《工程力學》，北京：科學出版社，2003。

（3）上海化工學院、無錫輕工業學院編，工程力學》 上冊），北京：高等教育出版社，2001。《

（（4）周松鶴，徐烈煊編，《工程力學》，北京：機械工業出版社，2007。3習題

習題是本課程的重要教學環節，通過習題鞏固講授過的基本理論知識，培養學生自學能 力和分析問題解決問題的能力。本課程課后習題量較大，在講授完每次內容后，均安排有一 定數量的習題、思考題，作業每周收一次。4 實驗環節

實驗是本課程的重要的教學環節。要求學生掌握工程力學的基本實驗方法，能獨立進行 操作，正確地處理實驗結果并完成實驗報告，教學內容

（一）靜力學部分

第一章 靜力學的基本概念 第二章平面匯交力系 第三章 力矩、平面力偶系 第四章平面一般力系 第五章 摩擦

受力圖

2第六章 空間力系和重心

（二）材料力學部分 第一章 軸向拉伸和壓縮 第二章 剪切 第三章 扭轉 第四章 彎曲內力 第五章 彎曲應力 第六章 彎曲變形

第七章 應力狀態和強度理論 第八章 組合變形構件的強度 第九章 壓桿的穩定性 教學方法：

1、課堂教學手段主要采用多媒體。

2、采用啟發式教學，鼓勵學生自學，以“少而精”為原則，精講多練；

3、加強與學生的溝通，增加課堂討論，調動學生的主觀能動性。

學習方法提示：

1、提前預習，以提高聽課效率；

2、認真做好課堂筆記；

3、課后認真復習，以鞏固所學知識；

4、獨立按時地完成課后作業，以便掌握課程學習的實際情況。

成績評定方法：

1、平時（包括考勤、作業、課堂提問）成績占 30%；如作業缺三次，平時成績扣一半；如 缺五次，沒有平時成績；

2、期末考試成績占 70%。

考核方式： 閉卷。

（一）靜力學部分

第一章 靜力學的基本概念

一、教學要求

1、使學生了解本課程的研究對象、研究內容，明確學習本課程的目的；

2、掌握力和剛體的概念及靜力學公理；

3、掌握約束及約束反力的基本知識；

4、初步掌握物體及簡單物系的受力分析，合理選擇分離體并畫出受力圖。

二、本章重點

本章講授的重點是“靜力學公理”，“約束和約束反力”“物體的受力分析和受力圖”。

三、學時和教案安排

本章講授 4 學時，安排 2 個教案。【教案 JA1-1】

受力圖

31、教學內容

本講介紹靜力學的研究對象、研究內容及學習方法，重點介紹力與剛體的概念以及靜力 學公理。

2、教學方法

從本課程能解決的問題著手介紹本課程的研究對象、研究內容及如何學好本課程，然后 介紹力和剛體的基本概念，重點介紹靜力學公理。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

強調本課程的特點，著重強調學好本課程必須完成大量的課后作業，同時說明只要努 力一定能學好本課程。【教案 JA1-2】

1、教學內容

本講介紹常見的約束類型與約束反力特性，對物體和簡單物系進行受力分析，畫受力圖。

2、教學方法

舉例說明柔索、光滑面、鉸鏈、固定鉸支、活動鉸支、固定端約束，并按照選定研究對 象、畫分離體、畫受力圖的過程依次介紹，這是整個工程力學的基礎知識。需要講解大量的 例題。

3、教學手段

采用多媒體，介紹約束類型和受力圖時結合常見的例子，可利用圖片予以形象地說明。

4、注意事項

必須向學生強調畫分離體和受力圖是進行力學分析的起始和關鍵，非常重要。另外，需 要強調二力桿的判斷一定準確，物系內力在畫整體受力圖時不需要畫。第二章平面匯交力系

一、教學要求

1、掌握平面匯交力系合成的幾何方法和解析方法；

2、掌握平面匯交力系平衡方程求解及應用。

二、本章重點

本章重點介紹平面匯交力系合成的解析法以及平面匯交力系平衡方程的求解。

三、學時和教案安排

本章講授 2 學時，安排 1 個教案。【教案 JA2-1】

1、教學內容

本講介紹工程中的平面匯交力系問題，包括其合成的幾何法及幾何條件，解析法及平衡 方程的求解。

2、教學方法

從簡單的工程實際中的平面匯交問題介紹平面匯交力系的概念，平面匯交力系的幾何法 及幾何條件，重點介紹解析法。

3、教學手段

多媒體教學，對比幾何法和解析法。

4、注意事項

需要理解平面匯交力系平衡的幾何條件和解析條件。

4第三章 力矩

一、教學要求

平面力偶系

1、理解力矩、力偶的概念、力偶的三要素及力偶的等效定理；

2、掌握平面力偶系的合成與平衡方程求解。

二、本章重點

本章重點介紹平面力偶系的合成與平衡方程求解。

三、學時和教案安排

本章講授 2 學時，安排 1 個教案。【教案 JA3-1】

1、教學內容

本講介紹力矩、力偶的概念、力偶的三要素及力偶的等效定理，重點介紹平面力偶系的 合成與平衡方程求解。

2、教學方法

從扳手轉動螺母開始介紹力矩，從擰水龍頭介紹力偶的概念及力偶的性質，然后根據力 偶的性質說明平面力偶系如何合成，從而引入平面力偶系的平衡問題。

3、教學手段

多媒體教學，舉例說明。

4、注意事項

力偶不能與一個力等效，也不能用一個力與之平衡。第四章平面一般力系

一、教學要求

1、理解力線的平移定理，掌握平面任意力系向其作用面內任一點的簡化方法；

2、理解平面力系的主矢與主矩的概念；

3、了解平面任意力系的平衡條件及平衡方程的各種形式；

4、了解靜定與靜不定問題的概念；

5、初步掌握簡單物系的平衡問題。

二、本章重點

本章重點介紹平面匯交力系合成的解析法以及平面匯交力系平衡方程的求解。

三、學時和教案安排

本章講授 5 學時，安排 3 個教案。【教案 JA4-1】

1、教學內容

本講介紹力線平移定理、平面一般力系向一點簡化及簡化結果分析、合力矩定理。

2、教學方法

先介紹工程實際中的平面一般力系問題，然后提出如何解決，引入力線平移定理進而介 紹平面一般力系向一點簡化的方法并就簡化結果進行分析，同時介紹合力矩定理。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

力線平移定理是力系簡化的理論基礎，一定要把握，對力系的簡化結果一定要清楚。【教案 JA4-2】

1、教學內容

本講介紹平面一般力系的平衡條件與平衡方程及平面平行力系的平衡方程。

52、教學方法

從平面一般力系的平衡條件入手介紹其平衡方程的基本形式及二力矩式和三力矩式，然 后介紹一種特例，平面平行力系。本講是本章的重點內容。

3、教學手段

多媒體教學，舉例說明。

4、注意事項

需要注意平面一般力系二力矩和三力矩方程的三個方程獨立的條件。【教案 JA4-3】

1、教學內容

本講介紹靜定與靜不定問題的概念及物體系統的平衡問題。

2、教學方法

從獨立平衡方程的數目及待求解的未知數個數入手介紹靜定問題及靜不定問題的概念。然后介紹靜定的物體系統及物體系統的平衡問題。

3、教學手段

多媒體教學，舉例說明。

4、注意事項

要學會判斷問題的性質，了解簡單物系平衡問題的解法。第五章 摩擦

一、教學要求

1、初步掌握滑動摩擦的基本知識；

2、初步掌握考慮摩擦時的平衡問題求解；

3、理解摩擦角的概念及自鎖現象。

二、本章重點

本章重點介紹考慮摩擦時的平衡問題求解及自鎖現象。

三、學時和教案安排

本章講授 4 學時，安排 2 個教案。【教案 JA5-1】

1、教學內容

本講介紹滑動摩擦的基本知識及考慮摩擦時的平衡問題求解。

2、教學方法

從工程實際中的摩擦問題入手介紹靜滑動摩擦和動滑動摩擦的概念。然后介紹考慮摩擦 時的平衡問題求解。

3、教學手段

多媒體教學，舉例說明。

4、注意事項

在求解考慮摩擦的平衡問題時必須正確地判斷摩擦的性質及摩擦力的方向。【教案 JA5-2】

1、教學內容

本講介紹摩擦角的概念與自鎖現象。

2、教學方法

首先引入摩擦角的概念，然后介紹一種自鎖現象，分析自鎖條件。并結合例題分析如何 利用自鎖和防止自鎖的發生。

3、教學手段

6多媒體教學，舉例說明。

4、注意事項

對自鎖發生的條件要有一定的認識，并在工程設計的過程中學會運用或避免。第六章 空間力系 重心

一、教學要求

1、初步掌握力在空間坐標軸上投影的基本知識；

2、理解力對軸之矩的概念；

3、了解空間力系平衡方程的求解；

4、了解重心的概念和重心的求法。

二、本章重點

本章重點介紹力在空間坐標軸上投影、合力投影定理、力對軸之矩的概念。

三、學時和教案安排

本章講授 3 學時，安排 2 個教案。【教案 JA6-1】

1、教學內容

本講介紹力在空間坐標軸上投影、合力投影定理、力對軸之矩的概念。

2、教學方法

從工程實際中的空間問題入手，介紹力在空間坐標軸上投影、合力投影定理、力對軸 之矩的概念。

3、教學手段

多媒體教學，舉例說明。

4、注意事項

力在空間直角坐標軸上的投影選用一次投影法還是兩次投影法需要根據已知條件來 定。力與軸共面時力對軸之矩為零。【教案 JA6-2】

1、教學內容

本講介紹空間力系的平衡問題及重心的概念。

2、教學方法

從力作用的外效應入手，介紹空間力系平衡的條件，引入平衡方程，然后舉例說明求 解過程。簡單介紹重心的概念及求法。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

重點是了解基本結論。在工程實際中，多采用將空間力系平衡問題轉化為在三個坐標平面內的平面力系問題來求解。

（二）材料力學部分

第一章 軸向拉伸和壓縮

一、教學要求

1、掌握軸向拉伸和壓縮時內力的分析方法及橫截面上應力分析方法；

2、初步掌握桿件在拉壓時變形的基本知識；

3、了解常見材料在拉壓時的力學性能；

74、掌握桿件在軸向拉壓時的強度計算。

二、本章重點

本章講授的重點是桿件在軸向拉壓時的內力及應力分析方法、變形及強度計算。

三、學時和教案安排

本章講授 8 學時，安排 4 個教案。【教案 JA1-1】

1、教學內容

本講介紹材料力學研究的基本內容、基本概念和理想模型，然后介紹桿件軸向拉壓時的 內力分析方法。

2、教學方法

比較靜力學研究內容介紹材料力學的研究內容，然后介紹最簡單的軸向拉壓問題及其 內力的分析方法。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

材料力學中認為材料是可變形固體，內力是物體內部某一部分與另一部分間相互作用 的力，而理論力學中認為材料是剛體，物系的內力是指物系中各構件之間的相互作用力。【教案 JA1-2】

1、教學內容

本講介紹等直桿軸向拉壓時橫截面及斜截面上的應力，介紹低碳鋼和鑄鐵在拉壓時的力 學性能，并介紹實驗測定方法。

2、教學方法

利用纖維模型說明等直桿橫截面上的應力分布規律，并進一步介紹斜截面上的應力分 布規律，然后介紹材料在軸向拉壓時的變形實驗及基本概念。

3、教學手段

多媒體教學，簡單繪制低碳鋼的抗拉曲線。

4、注意事項

為低碳鋼、鑄鐵拉壓實驗做理論準備。【教案 JA1-3】

1、教學內容

低碳鋼及鑄鐵拉伸和壓縮實驗。

2、教學方法

分組進行實驗，完成實驗報告。

3、教學手段

由實驗指導教師負責完成。

4、注意事項

強調對數據和圖形的分析。【教案 JA1-4】

1、教學內容

介紹軸向拉伸和壓縮時的強度計算和應力集中的。

2、教學方法

回顧低碳鋼和鑄鐵的拉壓實驗，引入許用應力和安全系數的概念，然后介紹安全系數 的選取方法，進而介紹軸向拉壓時的強度條件，并舉例說明可解決的三類問題，即強度校核、選擇截面、確定許用載荷。最后簡單介紹應力集中的概念、危害及利用。

83、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

強度計算的基本步驟：外力分析、內力分析、強度計算。第二章 剪切

一、教學要求

1、了解剪切和擠壓的基本概念；

2、初步掌握剪切和擠壓強度計算的基本知識。

二、本章重點

本章講授的重點是剪切和擠壓強度計算。

三、學時和教案安排

本章講授 2 學時，安排 1 個教案。【教案 JA2-1】

1、教學內容

介紹剪切和擠壓的基本概念和強度計算。

2、教學方法

從常見的剪切構件入手，介紹剪切的基本概念，然后介紹剪切強度和擠壓強度的計算 方法。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

剪切和擠壓強度計算必須清楚判斷剪切面和擠壓面。第三章 扭轉

一、教學要求

1、了解功率、轉速和外力偶矩之間的關系；

2、初步掌握圓軸扭轉時的內力分析方法，畫扭矩圖；

3、了解薄壁圓筒扭轉的特點，理解純剪切、切應力互等定理、剪切虎克定律；

4、了解圓軸扭轉時的應力和變形，掌握圓軸扭轉的強度和剛度計算

二、本章重點

本章講授的重點是圓軸扭轉的強度和剛度計算。

三、學時和教案安排

本章講授 4 學時，安排 2 個教案。【教案 JA3-1】

1、教學內容

介紹扭轉的基本概念及扭轉時的內力分析方法，需要對功率、轉速和外力偶矩之間的關 系予以說明，然后介紹薄壁圓筒的扭轉（純剪切）、切應力互等定理及剪切虎克定律。

2、教學方法

從常見的扭轉構件入手，介紹扭轉的受力特點和變形特點，然后介紹扭轉時內力分析 過程及如何畫扭矩圖，最后介紹薄壁圓筒的扭轉，引入純剪切的基本概念及切應力互等定理 和剪切虎克定律。

3、教學手段

多媒體教學。

94、注意事項

確定功率、轉速和外力偶矩之間的關系時要注意各自量綱。【教案 JA3-2】

1、教學內容

介紹圓軸扭轉時的應力和變形，然后介紹圓軸扭轉的強度和剛度計算方法。

2、教學方法

從圓軸扭轉的變形幾何關系、應力應變關系及靜力學關系推導應力應變公式，然后舉 例介紹圓軸扭轉的強度和剛度計算方法。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

本章的應力、應變公式及強度、剛度條件只適用于圓軸的扭轉，對非圓軸的扭轉不適 用。

第四章 彎曲內力

一、教學要求

1、了解平面彎曲的基本概念，初步掌握如何將構件簡化成計算簡圖；

2、掌握剪力、彎矩的計算方法，學會正確判斷剪力和彎矩的正負；

3、掌握如何建立梁的剪力方程和彎矩方程，畫剪力圖和彎矩圖。

4、了解剪力、彎矩和分布載荷集度之間的關系。

二、本章重點

本章講授的重點是梁彎曲時的內力分析，如何畫剪力圖和彎矩圖。

三、學時和教案安排

本章講授 6 學時，安排 3 個教案。【教案 JA4-1】

1、教學內容

介紹梁平面彎曲的基本概念及彎曲時的剪力和彎矩的計算方法。梁的彎曲分析首先需要 進行三方面的簡化，然后確定梁的內力。剪力與彎矩的正負判斷是本講的難點內容。

2、教學方法

首先介紹一些彎曲構件，然后分析彎曲的特點，引出梁彎曲的概念，進而分析如何將 實際構件簡化成一個計算簡圖，包括幾何形狀、載荷、支座的簡化，并介紹梁的三種基本形 式。最后重點討論如何計算梁彎曲時的內力。對于剪力和彎矩正負可總結出口訣。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

剪力和彎矩的符號一定要正確地判斷。【教案 JA4-2】

1、教學內容

介紹梁的剪力方程和彎矩方程，剪力圖和彎矩圖的畫法。這是本章的重點，也是彎曲問 題的基礎內容，需要重點講解。

2、教學方法

從梁的三種基本形式的簡單受力狀態開始分析，然后介紹復雜的載荷作用時剪力圖和 彎矩圖的畫法。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

強調本講內容的重要性。【教案 JA4-3】

1、教學內容

介紹剛架內力圖的畫法，然后介紹剪力、彎矩和分布載荷集度之間的關系，重點是應用 結論，學會用這些結論判斷剪力圖和彎矩圖是否正確，并在不用列簡單梁的內力方程的情況 下更加簡捷地畫出梁的內力圖。

2、教學方法

介紹剪力、彎矩和分布載荷集度之間的關系需避免過多介紹理論證明，介紹一個典型 的例題予以說明即可，重點是介紹結論的運用。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

強調了解剪力、彎矩和分布載荷集度之間的關系有助于快速地畫彎曲內力圖。第五章 彎曲應力

一、教學要求

1、初步掌握梁彎曲時正應力的計算方法；

2、掌握簡單梁彎曲時的強度計算，包括校核強度、設計許用載荷、設計截面尺寸三類問題；

3、了解提高梁抗彎能力的措施；

4、了解抗彎實驗的基本過程。

二、本章重點

本章講授的重點是梁彎曲時的正應力計算方法和強度計算問題。

三、學時和教案安排

本章講授 6 學時，安排 3 個教案。【教案 JA5-1】

1、教學內容

介紹梁純彎曲正應力的計算方法，然后介紹計算公式中慣性矩的計算方法。

2、教學方法

理論推導矩形截面梁純彎曲時的正應力計算公式，引出慣性矩的概念，然后介紹慣性 矩的計算方法。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

純彎曲時推導出來的正應力計算公式可推廣至非純彎曲狀態，但是梁的跨高比必須大 于 5，變截面梁也可近似應用。其它情況需具體分析。【教案 JA5-2】

1、教學內容

介紹梁彎曲時的強度計算的三類問題，并就分析如何提高梁的抗彎強度。

2、教學方法

對三類問題分別舉例介紹，并就正應力計算公式說明如何提高梁的抗彎強度。

3、教學手段

多媒體教學。

114、注意事項

對于拉壓強度不等的材料構成的梁彎曲時一定要注意，典型的是鑄鐵。【教案 JA5-3】

1、教學內容

梁的彎曲實驗

2、教學方法

實驗環節

3、教學手段

由實驗指導教師安排

4、注意事項

分組進行 第六章 彎曲變形

一、教學要求

1、了解梁撓曲線近似微分方程；

2、初步掌握用疊加法求梁的變形；

3、掌握簡單梁的剛度校核方法；

二、本章重點

本章講授的重點是用疊加法求梁的變形及梁的剛度校核。

三、學時和教案安排

本章講授 2 學時，安排 1 個教案。【教案 JA6-1】

1、教學內容

介紹梁撓曲線近似微分方程，用疊加法求梁的變形的過程及梁的剛度校核。

2、教學方法

重點講解疊加法求梁的變形，舉例介紹為主，然后介紹梁的剛度校核，也是舉例介紹 計算過程為主。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

積分法的優點是可以直接運用數學方法求得梁的轉角方程和撓度方程，但過程煩瑣。疊加法雖然只能求特定截面上的撓度和轉角，但比較方便。第七章 應力狀態和強度理論

一、教學要求

1、了解應力狀態的概念，重點掌握平面應力狀態的基本知識；

2、初步了解材料破壞的基本形式；

3、了解常用的強度理論內容及其適用范圍。

二、本章重點

本章講授的重點是應力狀態和強度理論。

三、學時和教案安排

本章講授 4 學時，安排 2 個教案。【教案 JA7-1】

1、教學內容

2介紹應力狀態的概念，重點介紹平面應力狀態的基本知識。

2、教學方法

先回顧拉壓試件的破壞形式，然后介紹應力狀態的概念、研究方法，然后介紹平面應 力狀態的基本知識。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

關于平面應力狀態的基本結論要清楚。【教案 JA7-2】

1、教學內容

介紹材料破壞的基本形式。介紹強度理論的概念，常用的強度理論及如何選擇和應用。

2、教學方法

從材料的破壞形式入手介紹針對塑性材料和脆性材料的強度理論及其選擇和應用。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

重點需要清楚如何選擇和應用強度理論。第八章 組合變形構件的強度

一、教學要求

1、了解彎曲與拉伸（壓縮）的組合變形的強度計算方法；

2、了解彎扭組合變形的強度計算方法；

二、本章重點

本章講授的重點是應用疊加原理解決簡單的組合變形構件的強度計算問題。

三、學時和教案安排

本章講授 4 學時，安排 2 個教案。【教案 JA8-1】

1、教學內容

介紹組合變形的基本概念，強度計算的基本過程，彎曲與拉伸（壓縮）的組合變形的強 度問題計算的基本知識。

2、教學方法

舉例說明彎曲與拉伸（壓縮）組合變形的特點，舉例介紹具體的計算過程。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

要掌握橫截面上正應力如何疊加，并正確判斷危險點，尤其是在材料抗拉和抗壓性能 不同時，需要同時校核抗拉強度和抗壓強度。【教案 JA8-2】

1、教學內容

介紹彎扭組合強度計算的基本知識。

2、教學方法

舉例說明彎曲與扭轉組合變形的特點，舉例介紹具體的計算過程。

3、教學手段

多媒體教學。

134、注意事項

這是本章的難點，尤其需要注意彎矩的合成。第九章 壓桿的穩定

一、教學要求

1、了解壓桿穩定的基本概念；

2、掌握細長壓桿的臨界力計算方法和應用歐拉公式計算臨界應力；

3、了解中小柔度桿臨界應力的計算方法；

4、掌握壓桿穩定計算方法及提高壓桿穩定性的措施

二、本章重點

本章講授的重點是計算細長壓桿的臨界力和臨界應力，壓桿的穩定計算。

三、學時和教案安排

本章講授 4 學時，安排 2 個教案。【教案 JA9-1】

1、教學內容

介紹壓桿穩定的概念及細長壓桿的臨界力計算方法，介紹歐拉公式的適用范圍及中小柔 度桿的臨界應力。

2、教學方法

從介紹失穩現象開始，介紹臨界力的概念及細長壓桿的臨界力計算方法，然后介紹歐 拉公式及其適用范圍，然后介紹中小柔度桿的臨界應力計算方法。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

理解失穩與壓縮破壞的本質不同。注意確定適當的長度系數，注意判斷失穩平面。【教案 JA9-2】

1、教學內容

介紹壓桿穩定的計算方法及提高壓桿穩定性的措施。

2、教學方法

先介紹壓桿截面選擇和壓桿穩定性的校核，然后介紹如何提高壓桿穩定性。

3、教學手段

多媒體教學。

4、注意事項

先計算壓桿的柔度??，然后根據柔度?? 選擇計算臨界力的公式。

第二篇：工程力學教案

《工程力學》主要講授靜力學的基本內容和軸向拉壓、扭轉、彎曲、應力狀態理論、強度理論、壓桿穩定、組合變形等主要內容，該課程是電氣工程，安全工程、測繪工程等專業的一門重要的專業基礎課程，是相關專業的學生學習后續課程、掌握本專業技術所必備的理論基礎。以下是工程力學教案，歡迎閱讀。

一、課程目的與任務

掌握力系的簡化與平衡的基本理論，構筑作為工程技術根基的知識結構；通過揭示桿件強度、剛度等知識發生過程，培養學生分析解決問題的能力；以理論分析為基礎，培養學生的實驗動手能力；發揮其它課程不可替代的綜合素質教育作用。

二、教學基本要求

1．掌握工程對象中力、力矩、力偶等基本概念及其性質；能熟練地計算力的投影、力對點之矩。

2．掌握約束的概念和各種常見約束力的性質；能熟練地畫出單個剛體及剛體系的受力圖。

3．掌握各種類型力系的簡化方法和簡化結果；掌握力系的主矢和主矩的基本概念及其性質；能熟練地計算各類力系的主矢和主矩。

4．掌握各種類型力系的平衡條件；能熟練利用平衡方程求解單個剛體和剛體系的平衡問題。

5．理解材料力學的任務、變形固體的基本假設和基本變形的特征；掌握正應力和切應力、正應變和切應變的概念。

6．掌握截面法；熟練運用截面法求解桿件（一維桿件）各種變形的內力（軸力、扭矩、剪力和彎矩）及內力方程；掌握彎曲時的載荷集度、剪力和彎矩的微分關系及其應用；熟練繪制內力圖。

7．掌握直桿在軸向拉伸與壓縮時橫截面的應力計算；了解安全因數及許用應力的確定，熟練進行強度校核、截面設計和許用載荷的計算。

8．掌握胡克定律，了解泊松比，掌握直桿在軸向拉伸與壓縮時的變形計算。

9．掌握剪切和擠壓（工程）實用計算。

10．掌握扭轉時外力偶矩的換算；掌握圓軸扭轉時的切應力與變形計算；熟練進行扭轉的強度和剛度計算。

11．掌握純彎曲、平面彎曲、對稱彎曲和橫力彎曲的概念；掌握彎曲正應力公式；熟練進行彎曲強度計算；掌握桿件的斜彎曲、彎拉（壓）組合變形的應力與強度計算。

12．掌握梁的撓曲線近似微分方程和積分法，了解疊加法求梁的撓度和轉角。

三、教學的重點與難點

教學重點：

1．繪制物體受力分析圖；

2．力線平移定理及力系的平衡方程及其應用；

3．軸向拉壓的強度條件、靜定桁架節點位移計算；

4．圓軸扭轉時橫截面上的切應力與相對扭轉角及扭轉的強度和剛度條件；

5．平面對稱彎曲的內力圖及利用載荷集度、剪力方程和彎矩方程的微分關系、積分關系和突變關系繪制梁的內力圖；

6．平面對稱彎曲梁的彎曲正應力及梁變形的積分法和疊加法。

教學難點：

1．平面力系物系平衡問題的解法；

2．簡單桁架的內力計算及靜定桁架節點位移計算；

3．平面對稱彎曲的內力圖及利用載荷集度、剪力方程和彎矩方程的微分關系、積分關系和突變關系繪制梁的內力圖；

4．計算梁變形的積分法和疊加法。

四、課程內容與學時分配

第一部分 靜力學基本概念與公理（4學時）

1．靜力學基本概念與公理

2．約束和約束力

3．受力圖

第二部分 匯交力系（1學時）

1．匯交力系的合成2．匯交力系的平衡條件

第三部分 力偶系（1學時）

1．力對點之矩矢

2．力對軸之矩

3．力偶矩矢

4．力偶等效條件和性質

5．力偶系的合成和平衡條件

第四部分平面任意力系（8學時）

1．力的平移

2．平面任意力系向一點簡化

3．平面任意力系的平衡條件

4．剛體系的平衡

5．靜定與靜不定問題的概念

第五部分 緒論（2學時）

1．材料力學的研究對象

2．材料力學的基本假設

3．外力與內力

4．正應力與切應力

5．正應變與切應變

第六部分 軸向拉伸與壓縮（含實驗共10學時）

1．基本概念

2．軸力與軸力圖

3．拉壓桿的應力與圣維南原理

4．材料在拉伸與壓縮時的力學性能

5．應力集中概念

6．失效、許用應力與強度條件

7．胡克定律與拉壓桿的變形

8．簡單拉壓靜不定問題

9．連接部分的強度計算

第七部分 扭轉（6學時）

1．基本概念

2．動力傳遞與扭矩

3．切應力互等定理與剪切胡克定律

4．圓軸扭轉橫截面上的應力

5．極慣性矩與抗扭截面系數

6．圓軸扭轉破壞與強度條件

7．圓軸扭轉變形與剛度條件

第八部分 彎曲內力（2學時）

1．基本概念

2．梁的計算簡圖

3．剪力與彎矩

4．剪力、彎矩方程和剪力、彎矩圖

5．剪力、彎矩與載荷集度間的微分關系

第九部分 彎曲應力（6學時）

1．基本概念

2．平面對稱彎曲正應力

3．慣性矩與平行移軸定理

4．平面對稱彎曲矩形截面切應力

5．梁的強度條件

6．梁的合理強度設計

7．雙對稱截面梁的非對稱彎曲

8．彎拉（壓）組合第十部分 彎曲變形（含實驗共6學時）

1．工程中的彎曲變形問題

2．撓曲線近似微分方程

3．用積分法、疊加法求彎曲變形

4．簡單超靜定梁

5．梁的剛度條件和合理剛度設計

第三篇：工程力學實驗教案

《工程力學》實驗教案

李 穎

2005年3月

一、拉伸試驗

一、實驗目的

1、了解萬能機的主要結構及其工作原理，熟悉操作規程和正確使用方法，并注意安全事項。

２、通過實驗觀察低碳鋼、鑄鐵在拉伸和壓縮過程中表現的各種變形規律和破壞現象。分析和比較不同材料的力學性能。

３、測定低碳鋼拉伸時的屈服極限?s、強度極限?b、延伸率?和截面的收縮率?。二、試件

按GB228—76規定，本實驗試件采用圓棒長試件。取d0=10,L=100,如圖所示：

三、實驗設備及儀器

1、液壓式萬能材料實驗機；

2、游標卡尺；

3、劃線機(鑄鐵試件不能使用)。

一、低碳鋼的拉伸實驗 實驗原理及方法 1.屈服極限?s的測定

實驗時，在向試件連續均勻地加載過程中。當測力的指針出現擺動，自動繪圖儀繪出的P—ΔL曲線有鋸齒臺階時，說明材料屈服。記錄指針擺動時的最小值為屈服載荷Ps,屈服極限ζs計算公式為

?s?Ps/A0

P—ΔL曲線

2、屈服極限?s的測定

實驗時，試件承受的最大拉力Pb所對應的應力即為強度極限。試件斷裂后指針所指示的載荷讀數就是最大載荷Pb，強度極限?b計算公式為：

?b?Pb/A0

3、延伸率δ和斷面收縮率Ψ的測定

計算公式分別為：

δ=(L1-L)/L x 100% Ψ=(A0-A1)/A0 x 100% L:標距（本實驗L=100）

L1:拉斷后的試件標距。將斷口密合在一起，用卡尺直接量出。A0:試件原橫截面積。

A1:斷裂后頸縮處的橫截面積，用卡尺直接量出。

（三）實驗步驟

1.試件準備：量出試件直徑 d0,用劃線機劃出標距L和量出L;2.按液壓萬能實驗機操作規程1——8條進行；

3.加載實驗，加載至試件斷裂，記錄 Ps 和Pb，并觀察屈服現象和頸縮現象； 4.按操作規程10——14進行；

5.將斷裂的試件對接在一起，用卡尺測量d1和L1，并記錄。

二、扭轉實驗

一、試驗目的

１、觀察低碳鋼和鑄鐵受扭過程中的變形現象；比較它們的破壞特征。

２、驗證扭轉虎克定律，測定剪切強度極限。

二、設備

１、扭轉試驗機。２、游標卡尺。３、試件。

三、實驗原理及方法

1、驗證扭轉時的虎克定律.最大剪應力不超過材料的比例極限時,相對扭轉角φ與扭矩T有如下關系.φ=TL0/GIp 式中L0、G、Ip皆為常值,T、Φ為變量;若有一扭矩T則對應一φ值,每增加同樣大小的扭矩ΔT,扭轉角的增量ΔΦ大致相等,這就驗證了虎克定律.2、扭轉破壞Tn—Φ曲線.低碳鋼

鑄鐵

低碳鋼和鑄鐵試件受扭直至破壞,它們的T—Φ曲線如圖所示.低碳鋼有直線段,有明顯的屈服階段,測力指針暫時不動或擺動,而扭轉角Φ很快增加.最終破壞時,可看到低碳鋼試件的扭轉角非常大,沿橫截面扭斷,而鑄鐵試件的扭轉角很小,沿45°~55°螺旋面扭斷。

四、實驗步驟

1、用特殊鉛筆在低碳鋼試件表面劃出平行桿軸線的縱向線和左標距內兩個截面的圓周線，使成為小矩形格子（已由實驗室準備好）。

2、用游標卡尺在試件標距長度內量取直徑（方法如拉伸實驗）。

3、選擇合適的度盤（施加扭矩后，禁止轉動量程選擇手鈕）。

4、把試件先裝于固定夾頭內，并夾緊。然后移動加載機構，使試件插入主動夾頭至適當位置夾緊。此時，主動指針應在零點上。

5、選定主動夾頭的轉速（一般試件屈服前用36?/分，屈后0-360?/分），將被動針轉至與主動針重合。旋轉主動夾頭上的刻度環使零點與指針重合。選好扭轉方向，打開記錄器開關。

6、啟動按扭。擰動多圈電位器，使主動夾頭至所需轉速。這時，可以看到扭轉變形隨扭矩而不斷增加。按?Mn加載，并同時測出相應的扭轉角。

7、當變形繼續增加時，而扭矩不再成正比增加時，標志材料已開始屈服，這時，塑性變形僅在外層發生，扭矩還可以增加。塑性變形將從圓周向中心逐漸擴展，直至截面上各點處的剪應力都一樣，這時扭矩稱極限扭矩用Mnjx表示，繼續扭轉試件已毋需增加外力偶矩，直至試件扭斷。其剪切流動極限

?a?

8、鑄鐵試件

3Mnjx

4Wn先測出試件計算直徑，然后把試件裝于扭轉機上，將主動夾頭轉速按紐放在0-36?/分，加載直至破壞，記下破壞時的扭矩Mnb。其剪切強度極限。

?b?

Mnb Wn實驗三 彎曲實驗

一、實驗目的

1、測定純彎梁一個截面的應力大小及分布規律，以驗證直梁彎曲時的正應力公式。

2、了解電測法，初步學會電阻應變儀的使用。

二、實驗設備及儀器 1.液壓萬能實驗機； 2.電阻應變儀，預調平衡箱；

三、實驗用試件機裝置

矩形截面梁試件，材料為A3鋼，試件尺寸及實驗裝置簡圖簡下圖：

載荷通過副梁及兩個磙子施加到試件上，應變片接線采用多點半橋式接法。R6為溫度補償片，五個工作片的粘貼位置為頂面1。底面

5、中性層3及距中性層h/4處的2、4。

四、實驗原理：

1.純彎曲梁衡截面上應力的測試及應力的分布規律 實驗采用等載荷增量法。

當載荷P作用時利用應變儀可測出相應的應變度εds,根據胡克定律ζ實=Eεds，平均可求得個點正應力分布圖，可看出純彎曲梁正應力分規律。

利用理論公式計算正應力ζ理=M/l *Y.其中M=Pa/2,如果ζ理和ζ實的結果基本吻合。即說明理論公式是正確的。2．直梁彎曲時中點撓度測定 實驗采用等載荷增量法，在載荷P的作用下從百分表上可直接讀出梁中點C處的撓度Yc實，與理論公式Yc=Pa(3L*L-4a*a)/48Ei的計算結果比較，如果基本吻合則說明理論公式式正確的。

五、實驗步驟

四、試驗步驟

1、調節應變儀

（1）將后面板D1,D2,D3三點聯接起來（已接好），旋緊接線柱。把標準電阻接到后面板A、B、C接線柱上，旋緊，半橋測量法，再將后面板上的平衡開關打在平衡位置，即可進行儀器的校準。注意：儀器校準時，后面板的接線板上不能聯接任何電阻，否則會影響精度。

（2）開啟電源開關。把前面板選擇開關旋到“1”，這時指示表顯示的數據是電橋不平衡的分量，調節前面板平衡電位器“1”，使指針表顯示全為“0”，如果顯示數是正的，平衡電位器逆時針方向旋轉，顯示數是負的，平衡電位器順時針方向旋轉。

（3）儀器的靈敏度調整：儀器平衡到“0”后，將標定開關按入，用幅調電位器調到5000，如果小于5000時，順時針方向旋轉幅調電位器，反之，逆時針旋轉，調整好靈敏度，把標定開關按出。

（4）儀器的 K值調整：儀器時按K＝2設計的。當使用的應變片K值不為2時，必須在測試前標定。本室使用應變片K＝2.2，即用幅調電位器調節為4545。調好后，在實測中，所顯示的數據不必再進行K值修正。

2、半橋測量接線。把標準電阻從儀器的A、B、C接線柱拆下來，把主梁各點的應變片依次接到應變儀后面板10點接線板上去，AB接一片測量片，BC接一片溫度補償片。調整應變片所接點的對應平衡電位器，使其平衡。

3、在原始記錄上記下所測主梁的截面尺寸（數據已經在梁上標好）。調動實驗臺蝶形螺母，使杠桿尾端稍翹起。

4、分四次加載。每次加一只砝碼（加砝碼時要求一手扶砝碼托，一手緩慢放砝碼，使其不致擺動）。

5、記錄荷載P0=200N。記下應變儀顯示器的應變量讀數C0。以后每增加200N，記一次應變值，并算出讀數差?C，直到800N為止。

6、一片測量完畢之后，按同樣方法測量另一片直到五片全部測完為止。

第四篇：工程力學教案2

導課:在第一章中我們初步了解了力的基本概念和力的基本性質,以及力的一系列的特殊狀況,力的約束解除和物體的受力圖表示方法.第二章

基 本 力 系

§2-1 匯 交 力 系

一、空間力的投影

1.用角θ和 Φ 表示力的方向 力Fx、Fy、Fz的大小分別為

圖2-1 設i、j、k為x、y、z軸上的單位矢量，根據矢量的正交分解特性，力F表示為

其大小

其方向用θ角，Φ角表示為

2.用方向余弦表示力的方向

設α、β、γ分別表示力F與Ox軸、Oy軸、Oz軸正向之間的夾角，它們統稱為方位角。則力F在三個直角坐標軸上的投影分別為

力F的大小由(2-3)式算出，力F的方向由

決定。cosα、cosβ、cosγ統稱為力的方向余弦。

圖2-2

圖2-3 3.用一線段的三個投影表示力的方向

設一已知沿F指向的線段ON在三直角坐標軸上的投影分別為lx、ly、lz。以OA和ON為對角線分別作兩個相似長方體。顯然，三角形OAC和三角形ONK相似(圖2-3)，對應邊成比例有

得

同理有

即

其中

若已知線段MN的起點不在坐標原點，起點M的坐標為(x1、y1、z1)，線段終點N的坐標為(x2、y2、z2)，MN方向與已知力F一致(圖2-4)。于是

將(2-8)式代入(2-7)式中，則可求得力F在三個直角坐標軸上的投影。由圖知：lx<0，ly>0，lz>0，故由(2-7)式得Fx<0，Fy<0，Fz>0。

二、匯交力系的合成

作用于物體上諸空間力作用線匯交于一點的力系稱為空間匯交力系。若諸空間力的作用線僅分布于同一平面且作用線匯交于一點，這類力系稱為平面匯交 力系。研究匯交力系合成的方法有幾何法和解析法。1.幾何法

設作用于剛體上的空間匯交力系為F1、F2、?、Fn，且各力作用線均匯交于一點O(圖2-7(a))。O點為匯交點。按力的可傳性原理，施加于剛體上的匯交力系中各力作用點均可沿各自作用線移至匯交點O。凡力系中諸力具有共同作用點的力系稱為共點力系(圖2-7(b))。

圖2-7 按平行四邊形原理，力F2、力F3可合成為合力R′；再由R′和F1合成為R″；依次類推，兩兩合成下去，最后求得圖2-7(c)所示的共點力系的合力R，這也是圖2-7(a)所示匯交力系的合力。由此可見，匯交力系可以合成為一作用線通過匯交點的合力，它為各分力的矢量和，5 即

圖2-8 2.解析法

一般空間匯交力系可合成為一作用線通過匯交點的合力，其合力矢量表示式為

因

合力R的投影分量為

這就是說，合力在任一軸上的投影等于各分力在同 一軸上投影的代數和。這個結論稱為合力投影定理。合力R的大小和方向余弦為

若匯交力系為平面匯交力系，可選取力所在平面為O-xy平面，則(2-12)式簡化為

三、匯交力系的平衡條件

力系的平衡條件是指剛體在某力系作用下保持平衡時力系中各力應滿足的條件。前已指出，任一空間匯交力系總可以合成為一個合力，因此，空間匯交力系平衡的充要條件是力系的合力等于零。即 匯交力系的平衡條件既可用幾何法表示，也可用解析法表示：

1.匯交力系平衡的幾何條件

空間匯交力系的合力是以力系各分力為邊所構成的力的多邊形的封閉邊。若該力系合力為零，則表明力的多邊形的封閉邊R=0。換言之，力的多邊形中最后一個分力的矢端與第一個分力的矢尾O點相重合，力的多邊形自行封閉(圖2-10)，這就是匯交力系平衡的幾何條件。

圖2-10 2.匯交力系平衡的解析條件 由匯交力系合力公式

R=

可知，當匯交力系平衡時其合力必然為零，即R=0，那么，合力公式中根號內三個平方項應分別為零，即有

它表明，匯交力系平衡的解析條件為：匯交力系各力在三個坐標軸上的投影的代數和分別為零。方程(2-15)稱為空間匯交力系的平衡方程。它建立了平衡時各力之間的相互關系。三個方程彼此獨立，故可求解三個未知量。

若匯交力系為平衡匯交力系，可選取力所在平面為O-xy平面，則匯交力系的平衡條件簡化為

這就是說，平面匯交力系平衡的充要條件是：各力在兩個坐標軸上的投影代數和分別為零。

小結:在這一節中我們學習了力的匯交系統,并且能夠利用匯交中的平衡方程來求解我們要求解的力的大小及方向.作業布置: 習題與思考題

導課:在前一節中我們學習了匯交力系,那是力的一種求解方法,但是在實際應用中力的求解方法一種是解決不了全部現實問題,從而我們要繼續學習力的另一種求解方法-------力矩

§2-2 力矩

一、平面問題中力對點的矩

當一力作用于物體上時，可產生兩種效應：一是力的作用線通過物體的質心使物體產生平動效應；二是力的作用線不通過物體的質心而使物體繞某一點轉動，產生角加速度，同時又使物體平動，產生平動加速度(圖2-15)。物體在力的作用下產生平動效應，物理學中已作闡述。這里只研究力對物體作用而使物體產生的轉動效應。

圖2-15 通常把O點稱為矩心，把h稱為力臂，把力的大小與力臂的乘積稱為力對矩心的矩，簡稱力矩，用它來衡量力F使物體繞矩心轉動的效應。力矩用符號mO(F)表示。

人為約定：使物體產生逆時針轉動(或轉動趨勢)的力矩為正(圖2-17(a))；使物體產生順時針轉動(或轉動趨勢)的力矩為負(圖2-17(b))。在平面問題中力對點的矩可表示為

圖2-17

圖2-16

二、力對點的矩矢 1.力對點的矩矢

在涉及空間力使物體繞某點產生轉動效應時，必須考慮下述三個因素：

(1)轉動效應的強度。它與力的大小和力臂的乘積成正比。

(2)轉動軸線的方位。即力F的作用線與矩心O點所決定的平面的法線方位。

(3)轉向。即使物體繞軸線轉動的方向。

以上三個決定力使物體繞某點轉動效應的因素，在數學上可用一特殊矢量來表示。這個矢量的模等于力的大小 F和力臂h的乘積；該矢量的方位(即轉動軸線在空間的方位)，其指向由右手螺旋法則確定(圖2-19)。這個矢量稱為力對點的矩矢，用符號mO(F)表示。由圖可知，它是一個通過矩心O的定位矢量，是力對物體產生轉動效應的度 量。

圖2-19

圖2-20 2.力對點之矩矢的矢積表達式 r和F的矢積的模為

3.力對點之矩矢的解析表達式

設選定直角坐標系O-xyz，i、j、k分別為三對應軸的單位矢量。F和r分別可寫為 代入(2-18)式得

這就是力對點之矩矢的解析表達式。很顯然有

三、合力矩定理

設一力系F1，F2，?，Fn可合成為一合力R，則合力對物體作用時產生的效應與各分力對物體同時作用時所發生的效應完全相同。于是，合力R對點的矩矢可寫為

這就是合力矩定理，其物理意義是合力對任一點之矩矢，等于各分力對同一點之矩矢的矢量和。若力系為平面力系，各力對平面上任一點的矩為代數量，故合力矩定理在平面問題中表述為 它表明：平面力系的合力對平面上任一點的矩，等于各分力對同一點的矩的代數和。

小結:在這一節中讓學生理解力矩的概念和力矩的表示方法以及力矩在求解時的平衡方程.作業布置:習題與思考題

導課:在學習了力系和力矩之后我們已經了解了力在實際中的兩種表示方法,現在我們在力矩的基礎上我們繼續進一步了解力偶系的表示方法和計算狀況.§2-3 力 偶 系

一、力偶的概念 1.力偶的概念

把一對等值反向、作用線平行而不重合的力稱為力偶，記作(F，F′)。兩力作用線間的距離d稱為力偶臂。力偶所在平面稱為力偶作用面(圖2-24)。

圖2-23

圖2-24

圖2-25 2.力偶矩

設一力偶(F，F′)，其力偶臂為d(圖2-25)，力偶對力偶作用面上任一點O的矩，應為平行力F，F′對點O的矩的代數和，即

由此可知，兩個力矩相加的結果與兩力矩的矩心位置無關，即力偶中兩力對力偶作用面上任一點之矩的代數和為一常量，它等于力偶中任一力F的大小F和 16 力偶臂d的乘積。此乘積稱為力偶矩，記作m(F，F′)，簡記為m。于是

式中正負號反映力偶的轉向，逆時針轉向取正，順時針轉向取負。力偶矩的量綱與力矩相同，其單位也相同。

二、力偶的基本性質

1.力偶不能與一個力等效(即力偶無合力)，也不能與一個力平衡。

2.在同一平面內的兩個力偶，若其力偶矩相等，則這兩力偶彼此等效。

圖2-26 力偶這一基本特性給出了在同一平面內力偶等效 17 的條件，故這一性質稱為力偶的等效性或稱為力偶的等效定理。由它可得如下推論：

推論一

任一力偶可以在它的作用面內任意轉移，而不改變力偶對剛體的作用。力偶對剛體的作用與力偶在其作用面內的位置無關。

推論二

只要保持力偶矩的大小和轉向不變，可同時改變力偶中的力的大小及力偶臂的長短，而不改變力偶對剛體的作用。

三、平面力偶系的合成和平衡條件 1.平面力偶系的合成

作用于物體上的若干力偶若同在一平面內，則稱為平面力偶系。

設有三力偶(F1，F1’)、(F2，F2’)、(F3，F3’)作用于同一平面內，它們的力偶臂分別為d1、d2、d3(圖2-28(a))。根據力偶的等效性，可以把這三個力偶化成為具有相同力偶臂的三個力偶，于是

圖2-28 由圖2-28(b)可知：

因P1，P2，P3三力的作用線重合，均通過A點與AB垂直，該三力可合成為一個合力R，其大小等于三力大小的代數和，即

在B點共線的三力的合力R′的大小為

可見，合力R和R′構成一等值、反向、平行且不共線的合力偶(R，R′)(如圖2-28(c)所示)，其合力偶矩為 顯而易見，上述結論可推廣至由n個力偶構成的平面力偶系，其合成后的合力偶矩為

這就是說，平面力偶系合成的結果仍為一力偶，其合力偶矩等于各分力偶矩的代數和。這個結果稱之為平面力偶系的合成定理。2.平面力偶系的平衡條件

力偶系的平衡是指合力偶的力偶矩等于零。由(2-23)式推知：平面力偶系的平衡的充要條件是所有各分力偶矩的代數和為零，即

上式稱為平面力偶系的平衡方程。

解決基本力系平衡問題的途徑(1)選定研究對象。(2)繪制受力圖。(3)應用平衡條件。

小結:在這一章中我們學習了力的一系列的表示方法和計算平衡方程,以及力矩和力偶的表示方法及平衡方程.從 20 而我們要進步掌握力的實際應用中的求解.作業布置:習題與思考題

導課:在上一章中我們已經學習了力系,力矩,以及和力偶,知道了力系,力矩以及力偶的表達方式和計算方程,今天我們就進一步把這些已經學習的概念應用在一定的范圍之中.第三章

平面一般力系

凡力系中諸力作用線在同一平面內且任意分布的力系，稱為平面一般力系，簡稱平面力系。

§3-1平面任意力系的簡化

一、力的平移定理

力的平移定理：施加于剛體上點A的力F可以平移到任一點B，但必須同時附加一個力偶，附加力偶的矩等于原力對新作用點B的矩。

圖3-1 可以把作用于剛體上A點的力F平移到另一任意點B上，但必須同時附加一相應的力偶(圖3-1(c))，這個力偶稱為附加力偶。

由于Fd也等于力F對B點的矩，mB(F)=Fd，于是得

二、平面一般力系向一點的簡化

（一）、平面一般力系向一點的簡化

在力系的作用平面內，被任選的一點O稱為簡化中心。將力系中諸力平移至簡化中心，同時附加一個力偶系的過程，稱為力系向給定點的簡化。

圖3-2 經簡化后的平面共點力系合成為一個合力R′，該合力作用點在簡化中心上；把簡化后的附加力偶系m1，m2，…，mn合成得一力偶MO(圖3-2(c))。自然，依據力的平移定理，可將力R′和MO合成為一個力R(圖3-2(d))，這個力R就是原力系F1，F2，…，Fn的合力。1.R′和主矢

從圖3-2可知，R′是圖示共點力系的合力。R′的大小和方向可由平面共點力系合成的幾何法或解析法獲得。

運用幾何法：由于簡化后的共點力系中諸力與原力系中諸力等值同向，即

，故可直接用原力系中諸力作出力的多邊形，力的多邊形之封閉邊稱為原力的主矢，即

這表明平面共點力系的合力R′等于原力系(F1，F2，…，Fn)中諸分力的矢量和，亦即原力系的主矢。而合力R′的作用線則通過簡化中心。

運用解析法：在力系所在平面上取坐標系O-xy(圖3-3(a))，應用合力投影定理，則由(3-2)式得

故主矢R′的模為

主矢R′的方向從圖3-3(b)中可知

圖3-3 2.對點O的主矩

從圖3-3(b)中可知，MO應是該平面一般力偶系m1，m2，…，mn的合力偶矩。由平面力偶系的合成定理可知，按力的平移定理，力向一點簡化后所產生的附加力偶的矩，等于力對簡化中心的矩，故合力偶矩可表示為

平面一般力系向作用面內任意一點的簡化，一般可得一力和一力偶。該力的作用線通過簡化中心，其力矢量R′稱為原力系的主矢，它等于原力系諸力之矢量和；該力偶作用于原作用平面上，其力偶矩稱為原力系對簡化中心的主矩，它等于原力系中諸力對簡化中心之矩的代數和。

3.固定端(或插入端)約束的分析

圖3-4(a)和(b)所示車刀和工件分別夾持在刀架和卡盤上，是固定不動的。這類約束稱為固定端約束或插入端約束。其簡圖如圖3-4(c)所示。

圖3-4 固定端約束對物體的作用，是在接觸面上作用有一群約束反力。在平面問題中，這些反力構成一平面一般力系(圖3-5(a))。若將這群力向作用面內A點簡化，則得一力和一力偶。一般情況下，簡化后所得之力的大小和方向均為未知量，但該力可用兩分力Nx，Ny來代替。因此，平面一般力系在固定端A處的約束反作用可簡化為兩約束反力Nx，Ny和一個力偶矩為mA的約束反力偶(圖3-5(c))。

圖3-5(二)、平面一般力系向一點簡化結果分析 1.平面一般力系向一點的簡化結果

平面一般力系向簡化中心簡化，其結果可能出現四種情況：

(1)R′=0，MO=0 主矢和主矩均等于零。它表明簡化后的平面匯交力系和平面力偶系均為平衡力系，因而平面一般力系必也是平衡力系。

(2)R′=0，MO≠0 主矢等于零而主矩不等于零。它表明原力系與一平面 26 力偶系等效。此時，作用于簡化中心O點的力

相互平衡，從而相互抵消。但附加力偶系并不平衡，它可合成為一力偶，即原力系的合力偶，其合力偶矩等于原力系對簡化中心點O的矩，即

按力偶的性質，力偶對于作用平面上任一點的矩都相同，因此當力系合成為一個力偶時，主矩與簡化中心無關。但在一般情況下，力系簡化后的主矩與簡化中心有關。(3)R′≠0，MO=0 主矢不等于零而主矩等于零。它表明原力系與一個作用線通過簡化中心的合力等效。該合力的大小和方向由主矢R′確定。(4)R′≠0，MO≠0 主矢、主矩都不為零。它表明力系向O點簡化后得到一力和一力偶。按力的平移定理，這一力和一力偶還可合成為一個合力。

2.平面一般力系簡化為一個合力的情況

設將力偶矩為MO的力偶(圖3-6(a))用兩個力R和R″來表示，并令R′=R=-R″(圖3-6(b))，R′和R″構 成一平衡力系，于是有等效關系如下：

這就是說，可將作用于O點的力R′和力偶(R，R″)合成為一個作用于O′點的力R(圖3-6(c))。顯然，力R就是原力系F1，F2，…，Fn的矢量和，力R的作用線距簡化中心O點的位置(即力的作用線離O點的距離d)由下式確定

圖3-6 至于力R作用點在原簡化中心O點的哪側，則取決于主矢R′的方向和主矩MO的轉向。若力偶轉向為逆時針(MO>0)時，則力R的作用點位于從O點沿主矢R′箭頭方向的右側；反之，則R的作用點位于從O點沿主矢R′箭頭方向的左側。

小結：在這一節中讓學生了解力系在平面中簡化方法，進一步認識力系在平面中的表示方法。從而更深刻的理解 力系的概念。

作業布置：習題與思考題

導課：在上一節中學習了力系的簡化原理，在簡化之后我們就要進一步學習計算所要的力，那么今天我們就學習力系的一般平衡方程。

§3-2 平面一般力系的平衡方程及其應用

一、平面一般力系的平衡方程

二、平面平行力系的平衡方程

平面平行力系是平面一般力系的特例。力系中諸力彼此平行，如圖3-10所示。設若一物體受一平面平行力系的作用。選O-xy系中y軸與各力平行，則不論力系是否平衡，各力在x軸上的投影恒等于零，即∑X≡0。于是平面平行力系的平衡方程是

使用(3-13)式時，必須使A、B兩點的連線不與各力平行。

三、平面一般力系平衡方程的應用

例3-4 圖3-11所示為懸臂式起重機。梁AB的A端以鉸鏈固定，B端用拉桿BC拉住。梁自重P=4 kN，載荷重Q=10 kN。梁的尺寸如圖示。試求拉桿BC所受的拉力和鉸鏈A處的約束反力。

解：選取梁AB和載荷體一起為研究對象。除作用于梁AB上的已知力P，Q外，還受拉桿拉力T和鉸鏈A處的約束反力N的作用。因拉桿BC為二力桿，拉力T必沿BC連線；又因N方向未知，但總可作正交分解，得Nx，Ny。力N，T，P，Q可近似地認為分布于同一平面內，故由它們構成的力系可視為平面一般力系。

圖3-10

圖3-11 因梁處于平衡，該力系必滿足平面一般力系的平衡方程，由(3-9)式得

由(3)式得

(4)式代入(1)得(4)式代入(2)得

四、物體系的平衡

前面已研究過各種平面力系的平衡問題，但都是針對單個剛體而言的，而在工程實際中，諸如組合構架、三鉸拱等都是由若干物體構成的平衡體系。這些由許多物體構成的系統稱為物體系。研究物體系平衡問題較之研究單個物體要復雜得多。它不僅要求出物體系所受的所有未知外力，而且在絕大多數情況下還要求出物體系內部各物體之間的相互作用內力。為此，研究時則要求把某些物體單獨隔離開來。即使問題不要求求出內力，對于某些物體系的平衡問題，有時也需要將物體分開處理，方能求出作用于物體系上的未知外力。

對于一處于平衡的物體系，允許將一些物體單獨隔離來處理的依據是：當物體系處于平衡時，組成物體系的每一物體或物體系中若干物體構成的局部均處于平衡狀態

五、超靜定問題的概念

當物體系處于平衡時，組成物體系的每一個物體均處于平衡狀態。對每一物體，如在平面一般力系作

用下平衡，最多只能寫出3個獨立的平衡方程。如物體系由n個物體組成，也最多只能寫出3n個獨立平衡方程。對每一種力系強調它的獨立平衡方程數，在解題時十分重要。當未知待求量數少于或等于獨立平衡方程數時，只需運用剛體靜力學的平衡條件，就可解出全部的未知待求量。這樣的問題稱為靜定問題。反之，如未知待求量的數目多于作用力系可能有的獨立平衡方程數，則僅用剛體靜力學的平衡條件就不可能求出全部待求未知量。對這一類的問題統稱為靜不定問題或超靜定問題。

小結：在這一節中我們學習了力系的平衡方程應用，以及物系平衡和系統的靜定與超靜定問題。讓學生理解物系的求解重點，解決遇到的難題。

作業布置：習題與思考題

導課：在上一節中我們已經學習了平衡力系，物系平衡，靜定與超靜定，并且理解了物系的應用狀況，下面我們學習解決平面一般力系作用下單個剛體或物體系的平衡問題的途徑。

§3-3 解決平面一般力系作用下單個剛體或物體系的平衡問題的途徑

對平面一般力系作用下處于平衡的單個剛體或由若干剛體構成的物體系，能否用靜力學平衡方程求解，則取決于單個剛體或物體系是否靜定。對單個剛體而言，若未知量數少于或等于獨立平衡方程數，單個剛體是靜定的；對于物體系而言，是否靜定則取決于物體系中剛體的數目與約束的情況。求解平衡問題時，一般應判別問題是否靜定，因在剛體靜力學中只處理靜定問題，靜不定或超靜定問題屬于材料力學討論的范疇。

物體系的平衡問題是靜力學理論的綜合應用，它的求解是以單個剛體平衡問題求解為基礎的。在§3-3節中討論平面一般力系平衡方程應用時，實際上是針對單個剛體的平衡問題的。求解單個剛體平衡問題的

步驟為：(1)正確選擇研究對象；(2)解除約束作受力分析，繪制受力圖；(3)根據力系的類別選用平衡方程。鑒于求解物體系的平衡問題是以單個剛體平衡問題為基礎，故求解物體系平衡問題，只需注意物體系平衡問題的特點，仍采用求解單個剛體的平衡問題的基本步驟。物體系平衡問題的特點就是從物體系中選取若干研究對象。研究對象的選擇視問題性質而定，要選擇適當、要合理排列出所取研究對象的順序，以利于求解簡捷。

小結：在這一節中讓學生學會解決平面一般力系作用下單個剛體或物體系的平衡問題的途徑

作業布置：習題與思考題

導課：在上面我們已經學習了力的各種方式的計算狀況，我們沒有考慮摩擦之后的狀況，現在我們進一步加上摩擦之后來看看物系的狀況。

§3-4

有摩擦的平衡問題

一、滑動摩擦

任何物體的表面都不會是完全光滑的，其表面凹凸不

平，加之接觸面材料分子的凝聚作用，當兩物體沿接觸面有相對滑動趨勢或相對滑動時，兩物體在接觸面處將會出現一定的阻力，以阻礙其滑動。這種現象稱為滑動摩擦現象，而阻礙該兩物體間相對滑動的阻力稱為滑動摩擦阻力，簡稱摩擦力。

摩擦按其接觸表面的性質可分為干摩擦和濕摩擦。干摩擦系固體與固體表面之間出現的摩擦現象；濕摩擦系流體與流體或流體與固體之間出現的摩擦現象。摩擦按其接觸物體間的運動方式可分為滑動摩擦和滾動摩擦。

（一）、靜滑動摩擦力

當物體接觸表面間有相對滑動趨勢但仍保持相對靜止時，沿接觸點公切面產生的切向阻力，物為靜滑動摩擦力，簡稱靜摩擦力，記作F。

它是反映最大靜摩擦力規律的靜滑動摩擦定律，又稱庫侖摩擦定律。其物理意義為：靜摩擦力的最大值與兩物體接觸點處公切面的法向反力(或物體間的正壓力)的大小成正比。式中f為靜摩擦系數，它決定于接觸物質和表面的性質(表面的硬度、表面加工的粗細程度、濕度、溫度以及

污染的程度)。

（二）、動滑動摩擦力

兩物體的接觸表面已有相對滑動時，沿接觸表面產生的切向阻力，稱為動滑動摩擦力，簡稱動摩擦力。 實踐和實驗結果表明動摩擦現象的基本規律是動摩擦力的方向沿接觸面的切向，與相對滑動的方向相反，其大小與接觸面的法向壓力值成正比，即

式中f′為一無量綱的正數，稱為動摩擦系數。

（三）、摩擦角和自鎖現象

1.摩擦角

摩擦角是討論有關摩擦問題的一個重要概念。在涉及摩擦的問題中，支承面給物體的約束反力是法向反力N和切向反力即摩擦力F的合力R(圖5-1(a))，即

R=N+F 則R被稱為接觸面給物體的約束全反力。約束全反力的方向與接觸面法線之間的夾角為，則

當物體處于靜止的臨界狀態時，摩擦力F達到最大值Fmax，此時，接觸面給物體的約束全反力R為

R=N+Fmax R與N之間的夾角

達到最大值

m，稱

m為摩擦角(圖5-1(b))。因

Fmax=fN

由(5-3)式可知

即摩擦角的正切等于靜摩擦系數。偏離接觸面公法線的最大角度。就給定。2.自鎖現象

當作用于物體上的所有主動力的合力Q作用線在摩擦

m之內時，無論合力Q多大，物體必保持其靜止平衡狀態(圖5-3(a))。這類現象稱之為自鎖現象。由于發生自鎖現象時，α角只能小于或等于

這個條件，稱之為自鎖條件。

（四）、考慮摩擦時的平衡問題

求解考慮摩擦時物體的平衡問題與求解不計摩擦時物體的平衡問題，其基本方法相同。不同之處是分析物體受力狀態時，必須考慮摩擦力。靜摩擦力F在求解中往往

m系約束全反力Rm給定，摩擦系數也

m角，因此，都是待求量，它始終滿足關系式

F?fN 當F=Fmax時，物體處于靜止而又瀕臨運動的臨界狀態； 當F＜Fmax時，表明主動力在一定范圍內變動，物體仍保持靜止狀態。這種變動范圍稱為平衡范圍。

可見，有摩擦的平衡問題不外乎是求解非臨界狀態的靜平衡問題、靜平衡處于臨界狀態的平衡問題和平衡范圍問題。

小結：在這一章中我們要學習

（1）力系簡化的主要依據是力的平移定理（2）平面力系向一點簡化的結果（3）平面任意力系的平衡方程的三種形式（4）平面特殊力系的平衡方程（5）求解物系平衡問題的注意點

（6）求解考慮摩擦時的平衡問題，可將滑動摩擦力作為未知約束力對待。作業布置：習題與思考題

導課：在上面一章中我們已經學習了平面力系的一切平衡方程，下面我們進一步深入學習力系在空間的應用狀況。進一步學習空間狀況的力系解決問題。

第四章

空間一般力系

重心

在空間任意分布的力所構成的力系稱為空間一般力系，簡稱空間力系。

§4.1

力矩關系定理

一、空間力對軸的矩 1.空間力對軸的矩的定義

空間力對軸的矩是力使剛體繞該軸轉動效果的度量，為一個代數量，其絕對值等于力在垂直于該轉軸的平面上的投影Fxy對于這平面與該軸的交點之矩。

2.空間力對軸之矩的解析式 設若考慮力對z軸的矩，則有

二、力矩關系定理

空間力F對點之矩矢在直角坐標系O-xyz三坐標軸上投影的解析式

將上面所討論的力對軸之矩的解析式(4-2)，(4-3)和(4-4)三式與(4-5)式比較得

即：力對點之矩在通過該點的坐標軸上的投影，等于力對該軸之矩。這就是力對點之矩與力對通過該點的軸之矩的關系。這個關系稱為力矩關系定理。若力對通過點O的直角坐標軸x，y，z之矩為已知時，則可求出該力對點O之矩的大小和方向，即

式中α，β，γ分別為對點之矩矢mO（F）與x軸、y軸、z軸之間的夾角。

應明確：由于坐標原點和坐標軸的選擇是任意的，因此，力矩關系定理可另表述為：力對已知點A之矩矢在通過此點之任意軸AB上的投影等于力對該軸的矩。設uAB表示沿AB軸向的單位矢量。按上述表述，則可表示為下述數學表達式，即

式中mA(F)·uAB表示矢量mA(F)在AB軸上的投影。

§4-2

空間一般力系的平衡方程及其應用

一、空間一般力系的簡化

若對空間匯交力系和空間附加力偶系的力偶矩分別運用力的多邊形法和合力偶矩定理求和，可得一單力R′和一力偶矩MO，其矢量表達式為

圖4-5

力R′稱為原力系的主矢，MO稱為原力系對O點的主矩，O點稱為力系的簡化中心。

R′和MO在實際計算中，多采用解析式。設過簡化中心O作一直角坐標系，它們在三個直角坐標軸上的投影分別為

將(4-14)式與力矩關系定理(4-6)，(4-7)，(4-8)比較，則有關系式

二、空間一般力系的平衡方程

由(4-11)和(4-12)式可知，空間一般力系向簡化中心O點簡化后，其主矢、主矩均為零，這表明該空間一般力系處于平衡。故

為空間一般力系平衡的充要條件。 空間一般力系的平衡條件的解析式為

方程組(4-17)和(4-18)稱之為空間一般力系的平衡方程。其物理意義為空間一般力系平衡的充要條件是力系中諸力在直角坐標系各軸上的投影之和為零，對各軸之矩的代數 45 和也為零。

對于平面一般力系，若力系作用平面為O-xy平面，顯然，力在Oz軸上的投影都為零，力系中諸力對Ox軸、Oy軸之矩也都為零。無論平面力系平衡與否，均有方程∑Z≡0，∑mx(F)≡0以及∑my(F)≡0。于是由(4-17)，(4-18)兩式可知，對于平面一般力系的有效平衡方程為

對于平面平行力系，若令O-xyz系中Oz軸平行于該力系的諸力，則該力系中諸力對Ox軸和Oy軸上的投影以及諸力對Oz軸之矩均為零，則無論力系平衡與否，都有∑X≡0，∑Y≡0以及∑mz(F)≡0。于是，由方程(4-17)，(4-18)可知，對于空間平行力系的有效平衡方程為

三、空間一般力系平衡方程的應用舉例

例4-3

一起重機正在起吊一質量為2 t的重物(圖

4-6(a))，A處為球形鉸鏈。求當重物在圖示位置時A處約束反力及纜風繩BD，BE中的拉力。不計桅桿AB、吊桿AC以及鋼絲繩的自重。尺寸如圖所示，單位為m。

解：選擇起重機ABC機架為研究對象，解除約束，作受力分析，其受力圖如圖4-6(b)。球形鉸鏈A的約束反力的方向不定，但可用NAx，NAy，NAz三個分力表示，其指向如圖所示。當重物處于平衡時，鋼絲繩所受之張力T的大小為

T=2×9.81 kN=19.62 kN 現選坐標軸如圖所示。此時，z軸將與5個未知力相交，而x軸、y軸則各與3個未知力相交。從圖可知∠BAC=60°，且纜風繩長為

按力的可傳性，可將拉力T1，T2沿其作用線

分別移至D點和E點。列平衡方程有

先由(4)式、(5)式解 T1=8.06 kN，T2=23.2 kN 將它們分別代入(1)式、(2)式、(3)式，則得

§4-3

重

心

尋求物體的重心，實質上是尋找平行力系的合力作用點的問題。

一、平行力系中心

圖4-9

凡具有合力的平行力系中各力，當繞其作用點均按相同方向任意轉過相同角度時，合力作用線始終通過某一確定點。這個確定點就稱為該平行力系的中心。簡稱平行力系中心。

二、重心的位置坐標公式

圖4-10

設物體的重心在C點，其坐標為(xC，yC，zC)。根據合力矩定理mO(R)=∑mO(F)，其矢量投影式有

重心C的位置坐標公式為

設若將物體無限細分，即小微體的數目n→∞，而微體體積ΔVi→0，則按微積分理論，對(4-25)取極限，則可精確確定物體重心C的位置坐標，有

三、勻質物體的重心 1.體積的形心

設若物體為勻質物體，則被分割的各微體所受重力為pi=γΔVi，代入(4-26)式中去，得

第五篇：工程力學

飛行器及其動力裝置、附件、儀表所用的各類材料，是航空航天工程技術發展的決定性因素之一。航空航天材料科學是材料科學中富有開拓性的一個分支。飛行器的設計不斷地向材料科學提出新的課題，推動航空航天材料科學向前發展；各種新材料的出現也給飛行器的設計提供新的可能性，極大地促進了航空航天技術的發展。

航空航天材料的進展取決于下列3個因素:①材料科學理論的新發現：例如，鋁合金的時效強化理論導致硬鋁合金的發展；高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導致高強度、高模量芳綸有機纖維的發展。②材料加工工藝的進展：例如，古老的鑄、鍛技術已發展成為定向凝固技術、精密鍛壓技術，從而使高性能的葉片材料得到實際應用；復合材料增強纖維鋪層設計和工藝技術的發展，使它在不同的受力方向上具有最優特性，從而使復合材料具有“可設計性”，并為它的應用開拓了廣闊的前景；熱等靜壓技術、超細粉末制造技術等新型工藝技術的成就創造出具有嶄新性能的一代新型航空航天材料和制件，如熱等靜壓的粉末冶金渦輪盤、高效能陶瓷制件等。③材料性能測試與無損檢測技術的進步：現代電子光學儀器已經可以觀察到材料的分子結構；材料機械性能的測試裝置已經可以模擬飛行器的載荷譜，而且無損檢測技術也有了飛速的進步。材料性能測試與無損檢測技術正在提供越來越多的、更為精細的信息，為飛行器的設計提供更接近于實際使用條件的材料性能數據，為生產提供保證產品質量的檢測手段。一種新型航空航天材料只有在這三個方面都已經發展到成熟階段，才有可能應用于飛行器上。因此，世界各國都把航空航天材料放在優先發展的地位。中國在50年代就創建了北京航空材料研究所和北京航天材料工藝研究所，從事航空航天材料的應用研究。

簡況 18世紀60年代發生的歐洲工業革命使紡織工業、冶金工業、機器制造工業得到很大的發展，從而結束了人類只能利用自然材料向天空挑戰的時代。1903年美國萊特兄弟制造出第一架裝有活塞式航空發動機的飛機,當時使用的材料有木材(占47％),鋼（占35％）和布（占18％）,飛機的飛行速度只有16公里/時。1906年德國冶金學家發明了可以時效強化的硬鋁，使制造全金屬結構的飛機成為可能。40年代出現的全金屬結構飛機的承載能力已大大增加，飛行速度超過了600公里/時。在合金強化理論的基礎上發展起來的一系列高溫合金使得噴氣式發動機的性能得以不斷提高。50年代鈦合金的研制成功和應用對克服機翼蒙皮的“熱障”問題起了重大作用，飛機的性能大幅度提高,最大飛行速度達到了3倍音速。40年代初期出現的德國 V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料燒蝕防熱理論的出現以及燒蝕材料的研制成功，解決了彈道導彈彈頭的再入防熱問題。60年代以來,航空航天材料性能的不斷提高,一些飛行器部件使用了更先進的復合材料，如碳纖維或硼纖維增強的環氧樹脂基復合材料、金屬基復合材料等，以減輕結構重量。返回型航天器和航天飛機在再入大氣層時會遇到比彈道導彈彈頭再入時間長得多的空氣動力加熱過程，但加熱速度較慢，熱流較小。采用抗氧化性能更好的碳-碳復合材料陶瓷隔熱瓦等特殊材料可以解決防熱問題。

分類 飛行器發展到80年代已成為機械加電子的高度一體化的產品。它要求使用品種繁多的、具有先進性能的結構材料和具有電、光、熱和磁等多種性能的功能材料。航空航天材料按材料的使用對象不同可分為飛機材料、航空發動機材料、火箭和導彈材料和航天器材料等；按材料的化學成分不同可分為金屬與合金材料、有機非金屬材料、無機非金屬材料和復合材料。

材料應具備的條件 用航空航天材料制造的許多零件往往需要在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作，有的則受到重量和容納空間的限制，需要以最小的體積和質量發揮在通常情況下等效的功能，有的需要在大氣層中或外層空間長期運行，不可能停機檢查或更換零件，因而要有極高的可靠性和質量保證。不同的工作環境要求航空航天材料具有不同的特性。

高的比強度和比剛度 對飛行器材料的基本要求是：材質輕、強度高、剛度好。減輕飛行器本身的結構重量就意味著增加運載能力，提高機動性能，加大飛行距離或射程，減少燃油或推進劑的消耗。比強度和比剛度是衡量航空航天材料力學性能優劣的重要參數：

比強度＝/

比剛度＝/式中[kg2][kg2]為材料的強度，為材料的彈性模量，為材料的比重。

飛行器除了受靜載荷的作用外還要經受由于起飛和降落、發動機振動、轉動件的高速旋轉、機動飛行和突風等因素產生的交變載荷，因此材料的疲勞性能也受到人們極大的重視。

優良的耐高低溫性能 飛行器所經受的高溫環境是空氣動力加熱、發動機燃氣以及太空中太陽的輻照造成的。航空器要長時間在空氣中飛行，有的飛行速度高達3倍音速,所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強度、蠕變強度、熱疲勞強度，在空氣和腐蝕介質中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能，并應具有在高溫下長期工作的組織結構穩定性。火箭發動機燃氣溫度可達3000[2oc]以上，噴射速度可達十余個馬赫數，而且固體火箭燃氣中還夾雜有固體粒子，彈道導彈頭部在再入大氣層時速度高達20個馬赫數以上，溫度高達上萬攝氏度，有時還會受到粒子云的侵蝕，因此在航天技術領域中所涉及的高溫環境往往同時包括高溫高速氣流和粒子的沖刷。在這種條件下需要利用材料所具有的熔解熱、蒸發熱、升華熱、分解熱、化合熱以及高溫粘性等物理性能來設計高溫耐燒蝕材料和發冷卻材料以滿足高溫環境的要求。太陽輻照會造成在外層空間運行的衛星和飛船表面溫度的交變，一般采用溫控涂層和隔熱材料來解決。低溫環境的形成來自大自然和低溫推進劑。飛機在同溫層以亞音速飛行時表面溫度會降到-50[2oc]左右,極圈以內各地域的嚴冬會使機場環境溫度下降到-40[2oc]以下。在這種環境下要求金屬構件或橡膠輪胎不產生脆化現象。液體火箭使用液氧(沸點為-183[2oc])和液氫(沸點為-253[2oc])作推進劑，這為材料提出了更嚴峻的環境條件。部分金屬材料和絕大多數高分子材料在這種條件下都會變脆。通過發展或選擇合適的材料，如純鋁和鋁合金、鈦合金、低溫鋼、聚四氟乙烯、聚酰亞胺和全氟聚醚等，才能解決超低溫下結構承受載荷的能力和密封等問題。

耐老化和耐腐蝕 各種介質和大氣環境對材料的作用表現為腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質是飛機用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推進劑（如濃硝酸、四氧化二氮、肼類）和各種潤滑劑、液壓油等。其中多數對金屬和非金屬材料都有強烈的腐蝕作用或溶脹作用。在大氣中受太陽的輻照、風雨的侵蝕、地下潮濕環境中長期貯存時產生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。耐腐蝕性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料應該具備的良好特性。

適應空間環境 空間環境對材料的作用主要表現為高真空(1.33×10[55-1]帕)和宇宙射線輻照的影響。金屬材料在高真空下互相接觸時，由于表面被高真空環境所凈化而加速了分子擴散過程，出現“冷焊”現象；非金屬材料在高真空和宇宙射線輻照下會加速揮發和老化，有時這種現象會使光學鏡頭因揮發物沉積

而被污染，密封結構因老化而失效。航天材料一般是通過地面模擬試驗來選擇和發展的，以求適應于空間環境。

壽命和安全 為了減輕飛行器的結構重量，選取盡可能小的安全余量而達到絕對可靠的安全壽命，被認為是飛行器設計的奮斗目標。對于導彈或運載火箭等短時間一次使用的飛行器，人們力求把材料性能發揮到極限程度。為了充分利用材料強度并保證安全，對于金屬材料已經使用“損傷容限設計原則”。這就要求材料不但具有高的比強度，而且還要有高的斷裂韌性。在模擬使用的條件下測定出材料的裂紋起始壽命和裂紋的擴展速率等數據，并計算出允許的裂紋長度和相應的壽命，以此作為設計、生產和使用的重要依據。對于有機非金屬材料則要求進行自然老化和人工加速老化試驗，確定其壽命的保險期。復合材料的破損模式、壽命和安全也是一項重要的研究課題。