静定与超静定问题 物体系统的平衡问题

1静定与超静定问题物体系统的平衡问题（一次课教案）教案编写者：许庆春说明：本教案是以课时为单位编制的教学具体方案，即文字教案，由教师采用多媒体课件与黑板、粉笔同时施教。教案中的红色数字为多媒体课件中的页面号，为我校研制的、由高等教育出版社出版的《理论力学课堂教学系统（上）》中的内容；教案中的*.ppt（红色字体）是教师根据课堂教学需要、利用Powerpoint制作的增加内容。33--44静静定定与与超超静静定定问问题题物物体体系系统统的的平平衡衡问问题题xu4-5.ppt开始2平面问题平面问题图（b）图（c）图（d）一一、、有有关关概概念念11．．自自由由度度完完全全确确定定物物体体在在空空间间位位置置所所需需的的独独立立变变量量的的个个数数称称为为它它的的自自由由度度，，用用kk表表示示。。22．．结结构构与与机机构构自由度：k=3k=1k=0k=0从约束来看：自由体(无约束)非自由体(有约束)非自由体非自由体从自由度来看：机构（k0）机构结构（k=0）结构未知力的个数Nr=3Nr=4独立平衡方程的个数Ne=3Ne=3Nr=NeNrNe静定问题超静定问题二二、、静静定定与与超超静静定定问问题题在研究的平衡问题中，如果未知量的个数等于独立的平衡方程的个数，这时所有的未知量可用平衡方程求出，这类问题——静定问题，如图（c）所示；如果未知量的个数多于独立的平衡方程的个数，这时未知量不能或不能全部用平衡方程求出唯一解，这类问题——超静定问题，如图（d）所示。图（a）xu4-5.ppt结束333开始30开始30结束31开始31结束屏幕上，第一排三个例子是静定问题，第二排三个例子是超静定问题。超静定问题工程上非常多，如这是超静定拱、超静定梁、超静定桁架。这里我们只研究静定问题，这是因为：①求解静定问题是求解超静定问题的基础；②解超静定问题要考虑物体的变形，而我们的研究对象是刚体，不考虑变形，因此目前我们无法解超静定问题，在后续课程材料力学、结构力学中，我们将研究超静定问题。在前面的讨论的平衡问题中，研究对象大多是一个物体，但在实际工程中，我们研究的对象往往比较复杂，由若干个物体组成，这若干个物体组成的系统，我们就称为物体系统，下面我们研究物体系统的平衡问题。三三、、物物体体系系统统的的平平衡衡问问题题屏幕上的物体系统由AB、BC两部分组成，对整个系统而言，铰B是系统内物体之间的联系——内约束，对应的约束力——内约束力；支座A、D、E是系统外部其它物体与系统的联系——外约束，相应的约束力——外约束力。注意：内约束与外约束、内力与外力是相对的，是相对一定的研究对象而言的。如铰B处的约束力对整个系统而言是内力，但对AB或BC而言就是外力了。如果物体系统平衡，则组成物体系统的每一个物体也平衡。如ABC平衡，则AB、BC也平衡。对物体系统中的每个物体列平衡方程即可求解。若物体系统由n个物体组成，每个物体都受到平面力系作用，则独立的平衡方程总共可列出3n个，可解3n个未知量。如果这n个物体中，有的只受到平面汇交力系或平面力偶系或平面平行力系作用，则独立的平衡方程还可以列出3n个吗？——（第一层提问）xu4-6.ppt开始xu4-6.ppt结束433结束易！繁！35开始34例1：组合梁，已知F=5kN，q=2.5kN/m，M=5kN·m，试求A、B、D处的约束力。分析（利用黑板）：解物体系统的平衡问题，关键是研究对象的选取。一般先考虑整体，不行再拆开。研究对象选取后，列平衡方程时，要尽可能一个方程解一个未知量，不要列出一组方程，再联立求解。本题研究对象选整体（有4个未知力，独立的平衡方程有3个）AC（有5个未知力，独立的平衡方程有3个）CB（有3个未知力，独立的平衡方程有3个，可以解）①CBBCiFM0②整体（此时BF作为已知量）DAiFM0AxixFF0AyiyFF0或者：①CBBCiFM0②ACDAiFM0CxixFF0AxixFF0CyiyFF0AyiyFF0注意：①示力图请同学画在黑板上，并指出错误所在。②提问（第一层次）：画BC的示力图时，能否先对分布力进行简化，得一合力F1=4q,作用在C处，然后再取脱离体，画BC的示力图？0CiM中未涉及到分布力，没反映分布力的作用，与实际不符。结论：一个分布力作用在二个物体上，画部分示力图时，分布力不能在取脱离体之前进行简化。解（利用课件演示）：略！535结束3642例2：三铰拱。已知F1、F2、a，试求A、B处的约束力。拱是在竖向荷载作用下产生水平推力的曲杆结构。按连接方式分，可分为三铰拱、（静定问题）、二铰拱和无铰拱（超静定问题）。拱结构在水利工程，土木工程中有着广泛的应用。这是一座罕见的石砌“三铰拱”桥，如果大家有机会去浙江的新安江，可去白沙桥的北引桥看一看。上面这是拱顶，下面这两外是拱脚，拱顶和拱脚都是由二块带弧形的石块组成，它们只能相对转动，不能相对移动，拱顶可简化为“铰”，拱脚可简化为“固定铰支座”。分析（利用黑板）如何选研究对象？整体（有4个未知力，独立的平衡方程有3个）AC（有4个未知力，独立的平衡方程有3个）BC（有4个未知力，独立的平衡方程有3个）难道不能解吗？是静定问题，能解！看整体的示力图，虽有4个未知力，但由于A、B在同一条水平线上（即等高程），所以出现了有3个未知力相交于一点的情况，以此汇交点为矩心，列力矩方程就可求出第4个未知力。整体AyBiFM0，ByiyFF0BCBxCiFM0，或ACAxCiFM0整体AxixFF0或BxF还有其他方法，请同学们回去考虑，并与我们讲的这种方法作一比较。解（利用课件演示）：略！问题（（第二层次）：若A、B不在同一条水平线上（即A、B不等高程），如何求A、B处约束力？上面的那套解法还适用吗？请大家回去考虑，下次课请你们回答。下面请你们做二个题目：讨论题1：已知q、M、a，试求固定端A、铰支座E的约束力。讨论（利用黑板）①首先让同学充分发言，介绍自己的解法，并让其他同学评价对错，对解法进行修正。②注意固定端约束力的表示，有力FAx、FAy及力偶MA（别丢了！）643开始4647开始43结束③重点：二力杆的判断，力偶性质的应用。④对各种解法进行比较，找出解题的最简便方法（所画的示力图少，所列的平衡方程少，且不解联立方程，即一个方程解一个未知量）。解（利用课件演示）：杆ED0imaMFE932杆AB0ixFaMFAx930iyFaMqaFAy320AM3222MqaMA讨论题2：组合结构，已知q、a，求杆1、2、3的内力。讨论（利用黑板）①首先请同学介绍自己的解法——有难度，可引导学生采用逆推法。②要求杆1、2、3的内力，可选D点为对象；D点受到平面汇交力系作用，可写出二个独立的平衡方程，但未知力却有三个；如果知道其中一根杆的内力，那另二根杆的内力就可求了。如何求其中一杆的内力呢？抛开D点，与杆1、2、3有关的是杆AC或BC，可取其中一个为研究对象。③取AC或BC作为对象时，一定要处理好“复铰”的问题，本题中有A、B、C三个复铰，画示力图时，带铰与不带铰是有很大区别的，可引导学生针对“带铰与不带铰，施力体是谁”进行讨论——本题的重点。解（利用课件演示）：整体qaFMBAi30CB（带铰B）747结束qaFMCi68.103铰O0ixFqaF68.110iyFqaF5.12问题（第二层次）：回去消化今天讲的内容，总结求解物体系统平衡问题的解题步骤，要特别注意研究对象的选取。下次课讲桁架内容。作业：课内题3-40、44、49课外题3-38、48、51（用最简捷方法解）