物體的受力分析,就是具體分析某壹物體上受到那些力的作用,這些力的大小、方向、位置如何?只有在對物體進行正確的受力分析之後,才有可能根據平衡條件由已知外力求出未知外力,從而為進行設備零部件的強度、剛度等設計和校核打下基礎。
已知外力主要指作用在物體上的主動力,按其作用方式有體積力和表面力兩種。體積力是連續分布在物體內各點處的力,如均質物體的重力,單位是N/m3或kN/m3;表面力常是在接觸面上連續分布的力,如內壓容器的壓力和塔器表面承受的風壓等,單位是N/m2或kN/m2;如果被研究物體的橫向尺寸遠較長度為小,則度量其體積力和表面力大小均用線分布力表示,單位是N/m或kN/m。兩個直接接觸的物體在很小的接觸面上互相作用的分布力,可以簡化為作用在壹點上的集中力,如化工管道對托架的作用力,單位是kN或N。
未知外力主要指約束反力。約束反力如何分析是本節討論的重點。
壹、約束和約束反力
首先,明確幾個概念:
自由體——只受主動力作用,而且能夠在空間嚴任何方向完全自由的運動的物體
非自由體——運動在某些方向上受到了限制而不能完全自由的運動的物體
約束——限制非自由體運動的物體。
下面舉例子解釋壹下。軸只能在軸承孔內轉動,不能沿軸孔徑向移動,於是軸就是非自由體,而軸承就是軸的約束;塔設備被地腳螺栓固定在基礎上,任何方向都不能移動,地腳螺栓就是塔的約束;重物被吊索限制使重物不能掉下來等等。可以看出,無論是軸承、基礎、還是吊索,它們的***同特點是直接和物體接觸,並限制物體在某些方向的運動。
當非自由體的運動受到它的“約束”限制時,在非自由體與其約束之間就要產生相互作用的力,這時約束作用於非自由體上的力就稱為該約束的約束反力。當壹個非自由體同時受到幾個約束的作用時,那麽該非自由體就會同時受到幾個約束反力的作用。如果這個非自由體處於平衡,那麽這幾個約束反力對該非自由體所產生的聯合效應必正好抵消主動力對該物體所產生的外效應。所以約束反力的方向,必定與該約束限制的運動方向相反。應用這個原則,可以確定約束反力的方向或作用線的位置。至於約束反力的大小,則需要用平衡條件求出。
工程中的各種約束,可以歸納為幾種基本形式。詳見約束類型比較表:
觀看動畫:
柔性約束┆光滑接觸面約束┆固定鉸鏈支座約束┆活動鉸鏈支座約束┆固定端約束
具體舉例說明:
柔性約束——請看柔性約束示意圖,圖a中的均質桿,若將兩根限制它運動的繩子用約束反力表示的話,則兩個約束反力TA和TB的力線方向應與繩子的中心線重合。圖b將均質桿上的繩索去掉代之以約束反力以後,均質桿的受力圖。從受力圖可以清晰地看出,均質桿在重力G和繩索約束反力TA和TB這樣三個外力作用下處於平衡。其中G是已知力。圖c是另壹個柔軟體約束實例,圖d是被起吊設備的受力圖,讀者可自做分析。
光滑接觸面約束——請看光滑接觸面約束示意圖,圖a,b中托輪對滾筒的約束反力N1,N2,圖c為滑塊所受的滑槽的約束反力N沿滑槽的法線方向。
鉸鏈約束——如鉸鏈約束圖。
固定鉸鏈支座約束:
如圖a,由固定支座1和桿2並用銷釘3連接而成。被約束物體只能繞銷釘的軸線轉動,而不能上下左右移動。約束反力的方向隨著主動力的變化而變化,通過鉸鏈中心,可以用它的兩個分力Nx與Ny表示,如簡圖b。
在機械傳動中,軸承對軸的約束作用,也可以簡化為固定鉸鏈約束。如下面滑動軸承簡圖中的a,軸在軸承中可以轉動,摩擦力不計,軸承對軸的約束反力N,應通過轉軸中心,但方向不定,也用它的兩個分力Nx與Ny表示,即如圖b所示。只能承受徑向載荷的向心球軸承和向心滾子軸承的約束反力,可以用垂直於轉軸的平面內的兩個分力Nx與Ny表示,見圖。
化工廠中立式容器上用的吊柱,是用支承板A和球面支承托架B支承,吊柱可借轉桿轉動,如下圖a所示。支承板圓孔對吊的作用可簡化為頸軸承;球面支承托架可簡化為止推軸承,對吊柱的約束反力分析如圖b所示