工程力学静力学与材料力学.doc

工程力学 静力学与材料力学 (单辉祖 谢传锋 著) 高等教育出版社 课后答案1-4 试画出以下各题中指定物体的受力图。(a) 拱ABCD；(b) 半拱AB部分；(c) 踏板AB；(d) 杠杆AB；(e) 方板ABCD；(f) 节点B。ABF(a) DCWAF(b) DB(c) FABDDABF(d) CDWABCD(e) WABC(f) 解：ABF(a) DCWFAxFAyFDAF(b) CBFBFA(c) FABDFBFDABF(d) CFBFCWABCD(e) FBFAWB(f) FABFBC2-6 如图所示结构由两弯杆ABC和DE构成。构件重量不计，图中的长度单位为cm。已知F=200 N，试求支座A和E的约束力。EDCABF6486解：(1) 取DE为研究对象，DE为二力杆；FD = FEEDFEFD(2) 取ABC为研究对象，受力分析并画受力图；画封闭的力三角形：FFAFDBDAFFDFA3432-7 在四连杆机构ABCD的铰链B和C上分别作用有力F1和F2，机构在图示位置平衡。试求平衡时力F1和F2的大小之间的关系。DCAB60o30o45o90oF1F2解：（1）取铰链B为研究对象，AB、BC均为二力杆，画受力图和封闭力三角形；BF1FBCBCFABFBCBCFABF145oCF2FCBFCDF2FCBFCD(2) 取铰链C为研究对象，BC、CD均为二力杆，画受力图和封闭力三角形；由前二式可得：AB、AC杆受拉，AD杆受压。3-2 在题图所示结构中二曲杆自重不计，曲杆AB上作用有主动力偶，其力偶矩为M，试求A和C点处的约束力。CABa3aM2aa解：(1) 取BC为研究对象，受力分析，BC为二力杆，画受力图；BFBFCC(2) 取AB为研究对象，受力分析，A、B的约束力组成一个力偶，画受力图；ABFBFAM23-8 在图示结构中，各构件的自重都不计，在构件BC上作用一力偶矩为M的力偶，各尺寸如图。求支座A的约束力。AM2BCDllll解：(1) 取BC为研究对象，受力分析，画受力图；M2BCFBFC(2) 取DAC为研究对象，受力分析，画受力图；ACDFCFAFD画封闭的力三角形；FAFCFD解得4-18 由杆AB、BC和CE组成的支架和滑轮E支持着物体。物体重12 kN。D处亦为铰链连接，尺寸如题4-18图所示。试求固定铰链支座A和滚动铰链支座B的约束力以及杆BC所受的力。ABW1.5mCDE1.5m2m2m解：(1) 研究整体，受力分析，画出受力图(平面任意力系)；xyAB1.5mCDE1.5m2m2mFA yFAxFBWW(2) 选坐标系Axy，列出平衡方程；(3) 研究CE杆(带滑轮)，受力分析，画出受力图(平面任意力系)；CDEWWFD yFDxFCBa(4) 选D点为矩心，列出平衡方程；约束力的方向如图所示。ABW600CDE8003004-19 起重构架如题4-19图所示，尺寸单位为mm。滑轮直径d=200 mm，钢丝绳的倾斜部分平行于杆BE。吊起的载荷W=10 kN，其它重量不计，求固定铰链支座A、B的约束力。ABW600CDE800300FB yFBxFA yFAxWxy解：(1) 研究整体，受力分析，画出受力图(平面任意力系)；(2) 选坐标系Bxy，列出平衡方程；(3) 研究ACD杆，受力分析，画出受力图(平面任意力系)；ACDFA yFAxFD yFDxFC(4) 选D点为矩心，列出平衡方程；(5) 将FAy代入到前面的平衡方程；约束力的方向如图所示。ABCDEFF45o4-20 AB、AC、DE三杆连接如题4-20图所示。DE杆上有一插销F套在AC杆的导槽内。求在水平杆DE的E端有一铅垂力F作用时，AB杆上所受的力。设AD=DB，DF=FE，BC=DE，所有杆重均不计。解：(1) 整体受力分析，根据三力平衡汇交定理，可知B点的约束力一定沿着BC方向；(2) 研究DFE杆，受力分析，画出受力图(平面任意力系)；DEFFD yFDx45oBFF(3) 分别选F点和B点为矩心，列出平衡方程；(4) 研究ADB杆，受力分析，画出受力图(平面任意力系)；ABDFD yFDxFA yFAxFBxy(5) 选坐标系Axy，列出平衡方程；约束力的方向如图所示。ABCDEMxyzabh6-11 均质梯长为l，重为P，B端靠在光滑铅直墙上，如图所示，已知梯与地面的静摩擦因数fsA，求平衡时q=？PABCqlPABCqminlDjfjfFRFB解：(1) 研究AB杆，当A点静滑动摩擦力达到最大时，画受力图(A点约束力用全约束力表示)；由三力平衡汇交定理可知，P、FB、FR三力汇交在D点；(2) 找出qmin和j f的几何关系；(3) 得出q角的范围；WFBGED25cm3cm3cmbA6-15 砖夹的宽度为25 cm，曲杆AGB与GCED在G点铰接。砖的重量为W，提砖的合力F作用在砖对称中心线上，尺寸如图所示。如砖夹与砖之间的摩擦因数fs=0.5，试问b应为多大才能把砖夹起(b是G点到砖块上所受正压力作用线的垂直距离)。解：(1) 砖夹与砖之间的摩擦角：(2) 由整体受力分析得：F=W(2) 研究砖，受力分析，画受力图；WjfjfFRFRy(3) 列y方向投影的平衡方程；(4) 研究AGB杆，受力分析，画受力图；FBG3cmbAFRjfFGxFGy(5) 取G为矩心，列平衡方程；x2005050150y(a)yx801201010(b)6-18 试求图示两平面图形形心C的位置。图中尺寸单位为mm。x2005050150yC2CS2解:(a) (1) 将T形分成上、下二个矩形S1、S2，形心为C1、C2；(2) 在图示坐标系中，y轴是图形对称轴，则有：xC=0(3) 二个矩形的面积和形心；(4) T形的形心；(b) (1) 将L形分成左、右二个矩形S1、S2，形心为C1、C2；C1S1yx801201010C2CS2(3) 二个矩形的面积和形心；(4) L形的形心；200100160xy(a)CO1003030604020yxC(b)6-19试求图示平面图形形心位置。尺寸单位为mm。200100160xyCOC1S1C2S2解：(a) (1) 将图形看成大圆S1减去小圆S2，形心为C1和C2；(2) 在图示坐标系中，x轴是图形对称轴，则有：yC=0(3) 二个图形的面积和形心；(4) 图形的形心；1003030604020yxCC1C2S1S2(b) (1) 将图形看成大矩形S1减去小矩形S2，形心为C1和C2；(2) 在图示坐标系中，y轴是图形对称轴，则有：xC=0(3) 二个图形的面积和形心；(4) 图形的形心；8-16 题8-14所述桁架，试定载荷F的许用值F。解：(1) 由8-14得到AB、AC两杆所受的力与载荷F的关系；(2) 运用强度条件，分别对两杆进行强度计算； 取F=97.1 kN。8-18 图示阶梯形杆AC，F=10 kN，l1= l2=400 mm，A1=2A2=100 mm2，E=200GPa，试计算杆AC的轴向变形l。2FFFl1l2ACB解：(1) 用截面法求AB、BC段的轴力；(2) 分段计算个杆的轴向变形； AC杆缩短。8-22 图示桁架，杆1与杆2的横截面面积与材料均相同，在节点A处承受载荷F作用。从试验中测得杆1与杆2的纵向正应变分别为1=4.010-4与2=2.010-4，试确定载荷F及其方位角之值。已知：A1=A2=200 mm2，E1=E2=200 GPa。FABC3003001212解：(1) 对节点A受力分析，求出AB和AC两杆所受的力与的关系；FAyx300FACFAB300 (2) 由胡克定律：代入前式得：8-23 题8-15所述桁架，若杆AB与AC的横截面面积分别为A1=400 mm2与A2=8000 mm2，杆AB的长度l=1.5 m，钢与木的弹性模量分别为ES=200 GPa、EW=10 GPa。试计算节点A的水平与铅直位移。解：(1) 计算两杆的变形；1杆伸长，2杆缩短。(2) 画出节点A的协调位置并计算其位移；AAA2450l1A1l2FAyx450FACFABFAyx450FACFAB水平位移：铅直位移：8-26 图示两端固定等截面直杆，横截面的面积为A，承受轴向载荷F作用，试计算杆内横截面上的最大拉应力与最大压应力。l/3FD(b)FABCl/3l/3解：(1) 对直杆进行受力分析；FBFAFDFABC列平衡方程：(2) 用截面法求出AB、BC、CD段的轴力；(3) 用变形协调条件，列出补充方程；代入胡克定律；求出约束反力：(4) 最大拉应力和最大压应力； 8-27 图示结构，梁BD为刚体，杆1与杆2用同一种材料制成，横截面面积均为A=300 mm2，许用应力=160 MPa，载荷F=50 kN，试校核杆的强度。FDBCla12a解：(1) 对BD杆进行受力分析，列平衡方程；FDBCFN2FN1FBxFBy (2) 由变形协调关系，列补充方程；代之胡克定理，可得；解联立方程得：(3) 强度计算；所以杆的强度足够。8-30 图示桁架，杆1、杆2与个杆3分别用铸铁、铜与钢制成，许用应力分别为1 =80 MPa，2 =60 MPa，3 =120 MPa，弹性模量分别为E1=160 GPa，E2=100 GPa，E3=200 GPa。若载荷F=160 kN，A1=A2 =2A3，试确定各杆的横截面面积。F1000C300123FCFN1FN3FN2解：(1) 对节点C进行受力分析，假设三杆均受拉； FCFN1FN3FN2画受力图；FCFN1FN3FN2FCFN1FN3FN2 FCFN1FN3FN2列平衡方程；(2) 根据胡克定律，列出各杆的绝对变形； (3) 由变形协调关系，列补充方程；C1CCC2300l1C3l2l3 简化后得： 联立平衡方程可得：1杆实际受压，2杆和3杆受拉。(4) 强度计算；综合以上条件，可得9-18 题9-16所述轴，若扭力偶矩M=1 kNm，许用切应力 =80 MPa，单位长度的许用扭转角=0.5 0/m，切变模量G=80 GPa，试确定轴径。解：(1) 考虑轴的强度条件；(2) 考虑轴的刚度条件； (3) 综合轴的强度和刚度条件，确定轴的直径；9-19 图示两端固定的圆截面轴，直径为d，材料的切变模量为G，截面B的转角为B，试求所加扭力偶矩M之值。Ma2aACB解：(1) 受力分析，列平衡方程；MBMAMACB (2) 求AB、BC段的扭矩；(3) 列补充方程，求固定端的约束反力偶；与平衡方程一起联合解得(4) 用转角公式求外力偶矩M；11-14 图示槽形截面悬臂梁，F=10 kN，Me=70 kNm，许用拉应力+=35 MPa，许用压应力-=120 MPa，试校核梁的强度。y1003mF3mMe252550200zCCA解：(1) 截面形心位置及惯性矩：(2) 画出梁的弯矩图Mx40kNm30kNm(+)(-)10kNm(3) 计算应力A+截面下边缘点处的拉应力及上边缘点处的压应力分别为：A-截面下边缘点处的压应力为可见梁内最大拉应力超过许用拉应力，梁不安全。