工程力学教案

第一篇：工程力学教案

《工程力学》教案

开课单位：航海学院专

业：轮机工程授课对象：轮机工程本科主讲教师：张敏课程的教学目的和要求

工程力学是一门理论性较强的技术基础课，是高等院校工科专业的必修课。1.1 目的

通过本课程的学习，使学生掌握物体问题，初步学会分析、解决一些简单的工程实际问 题培养学生解决工程计算中有关强度、刚度和稳定性问题的能力，以及计算能力和实验能力，为工程设计打下必要的基础。1.2 要求

1.2.1 理论知识方面

（1）能正确地选取分离体并画出受力图，比较完整地理解力、力矩和力偶的基本概念和性 质，能熟练计算力的投影和力矩；

（2）掌握运用各类平面力系的平衡方程求解单个物体及简单物系的平衡问题的知识；（3）掌握分析杆件内力并做相应内力图的基本知识；

（4）掌握分析杆件的应力、应变，进行强度和刚度计算的基本知识；

（5）对应力状态和强度理论有一定认识，并能进行组合变形下杆件强度计算；（6）初步学会分析简单压杆的临界载荷，并进行压杆稳定性的校核； 1.2.2 能力、技能方面

（1）具有从简单的实际问题中提出理论力学问题并进行分析的初步能力；（2）初步具备计算强度、刚度、稳定性的计算及构件设计的能力；（3）初步具备合理选材及对常用材料基本力学性能进行测试的能力。2 教材及参考书目 2.1 教材

（1）西南交通大学应用力学与工程系编，工程力学教程》，北京：高等教育出版社，2004。《（2）范钦珊主编，《工程力学》，北京：清华大学出版社，2005。2.2 参考书目

（1）范钦珊主编，《工程力学》，北京：机械工业出版社，2002。

（2）王振发主编，《工程力学》，北京：科学出版社，2003。

（3）上海化工学院、无锡轻工业学院编，工程力学》 上册），北京：高等教育出版社，2001。《

（（4）周松鹤，徐烈煊编，《工程力学》，北京：机械工业出版社，2007。3习题

习题是本课程的重要教学环节，通过习题巩固讲授过的基本理论知识，培养学生自学能 力和分析问题解决问题的能力。本课程课后习题量较大，在讲授完每次内容后，均安排有一 定数量的习题、思考题，作业每周收一次。4 实验环节

实验是本课程的重要的教学环节。要求学生掌握工程力学的基本实验方法，能独立进行 操作，正确地处理实验结果并完成实验报告，教学内容

（一）静力学部分

第一章 静力学的基本概念 第二章平面汇交力系 第三章 力矩、平面力偶系 第四章平面一般力系 第五章 摩擦

受力图

2第六章 空间力系和重心

（二）材料力学部分 第一章 轴向拉伸和压缩 第二章 剪切 第三章 扭转 第四章 弯曲内力 第五章 弯曲应力 第六章 弯曲变形

第七章 应力状态和强度理论 第八章 组合变形构件的强度 第九章 压杆的稳定性 教学方法：

1、课堂教学手段主要采用多媒体。

2、采用启发式教学，鼓励学生自学，以“少而精”为原则，精讲多练；

3、加强与学生的沟通，增加课堂讨论，调动学生的主观能动性。

学习方法提示：

1、提前预习，以提高听课效率；

2、认真做好课堂笔记；

3、课后认真复习，以巩固所学知识；

4、独立按时地完成课后作业，以便掌握课程学习的实际情况。

成绩评定方法：

1、平时（包括考勤、作业、课堂提问）成绩占 30%；如作业缺三次，平时成绩扣一半；如 缺五次，没有平时成绩；

2、期末考试成绩占 70%。

考核方式： 闭卷。

（一）静力学部分

第一章 静力学的基本概念

一、教学要求

1、使学生了解本课程的研究对象、研究内容，明确学习本课程的目的；

2、掌握力和刚体的概念及静力学公理；

3、掌握约束及约束反力的基本知识；

4、初步掌握物体及简单物系的受力分析，合理选择分离体并画出受力图。

二、本章重点

本章讲授的重点是“静力学公理”，“约束和约束反力”“物体的受力分析和受力图”。

三、学时和教案安排

本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA1-1】

受力图

31、教学内容

本讲介绍静力学的研究对象、研究内容及学习方法，重点介绍力与刚体的概念以及静力 学公理。

2、教学方法

从本课程能解决的问题着手介绍本课程的研究对象、研究内容及如何学好本课程，然后 介绍力和刚体的基本概念，重点介绍静力学公理。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

强调本课程的特点，着重强调学好本课程必须完成大量的课后作业，同时说明只要努 力一定能学好本课程。【教案 JA1-2】

1、教学内容

本讲介绍常见的约束类型与约束反力特性，对物体和简单物系进行受力分析，画受力图。

2、教学方法

举例说明柔索、光滑面、铰链、固定铰支、活动铰支、固定端约束，并按照选定研究对 象、画分离体、画受力图的过程依次介绍，这是整个工程力学的基础知识。需要讲解大量的 例题。

3、教学手段

采用多媒体，介绍约束类型和受力图时结合常见的例子，可利用图片予以形象地说明。

4、注意事项

必须向学生强调画分离体和受力图是进行力学分析的起始和关键，非常重要。另外，需 要强调二力杆的判断一定准确，物系内力在画整体受力图时不需要画。第二章平面汇交力系

一、教学要求

1、掌握平面汇交力系合成的几何方法和解析方法；

2、掌握平面汇交力系平衡方程求解及应用。

二、本章重点

本章重点介绍平面汇交力系合成的解析法以及平面汇交力系平衡方程的求解。

三、学时和教案安排

本章讲授 2 学时，安排 1 个教案。【教案 JA2-1】

1、教学内容

本讲介绍工程中的平面汇交力系问题，包括其合成的几何法及几何条件，解析法及平衡 方程的求解。

2、教学方法

从简单的工程实际中的平面汇交问题介绍平面汇交力系的概念，平面汇交力系的几何法 及几何条件，重点介绍解析法。

3、教学手段

多媒体教学，对比几何法和解析法。

4、注意事项

需要理解平面汇交力系平衡的几何条件和解析条件。

4第三章 力矩

一、教学要求

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与平衡方程求解。

二、本章重点

本章重点介绍平面力偶系的合成与平衡方程求解。

三、学时和教案安排

本章讲授 2 学时，安排 1 个教案。【教案 JA3-1】

1、教学内容

本讲介绍力矩、力偶的概念、力偶的三要素及力偶的等效定理，重点介绍平面力偶系的 合成与平衡方程求解。

2、教学方法

从扳手转动螺母开始介绍力矩，从拧水龙头介绍力偶的概念及力偶的性质，然后根据力 偶的性质说明平面力偶系如何合成，从而引入平面力偶系的平衡问题。

3、教学手段

多媒体教学，举例说明。

4、注意事项

力偶不能与一个力等效，也不能用一个力与之平衡。第四章平面一般力系

一、教学要求

1、理解力线的平移定理，掌握平面任意力系向其作用面内任一点的简化方法；

2、理解平面力系的主矢与主矩的概念；

3、了解平面任意力系的平衡条件及平衡方程的各种形式；

4、了解静定与静不定问题的概念；

5、初步掌握简单物系的平衡问题。

二、本章重点

本章重点介绍平面汇交力系合成的解析法以及平面汇交力系平衡方程的求解。

三、学时和教案安排

本章讲授 5 学时，安排 3 个教案。【教案 JA4-1】

1、教学内容

本讲介绍力线平移定理、平面一般力系向一点简化及简化结果分析、合力矩定理。

2、教学方法

先介绍工程实际中的平面一般力系问题，然后提出如何解决，引入力线平移定理进而介 绍平面一般力系向一点简化的方法并就简化结果进行分析，同时介绍合力矩定理。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

力线平移定理是力系简化的理论基础，一定要把握，对力系的简化结果一定要清楚。【教案 JA4-2】

1、教学内容

本讲介绍平面一般力系的平衡条件与平衡方程及平面平行力系的平衡方程。

52、教学方法

从平面一般力系的平衡条件入手介绍其平衡方程的基本形式及二力矩式和三力矩式，然 后介绍一种特例，平面平行力系。本讲是本章的重点内容。

3、教学手段

多媒体教学，举例说明。

4、注意事项

需要注意平面一般力系二力矩和三力矩方程的三个方程独立的条件。【教案 JA4-3】

1、教学内容

本讲介绍静定与静不定问题的概念及物体系统的平衡问题。

2、教学方法

从独立平衡方程的数目及待求解的未知数个数入手介绍静定问题及静不定问题的概念。然后介绍静定的物体系统及物体系统的平衡问题。

3、教学手段

多媒体教学，举例说明。

4、注意事项

要学会判断问题的性质，了解简单物系平衡问题的解法。第五章 摩擦

一、教学要求

1、初步掌握滑动摩擦的基本知识；

2、初步掌握考虑摩擦时的平衡问题求解；

3、理解摩擦角的概念及自锁现象。

二、本章重点

本章重点介绍考虑摩擦时的平衡问题求解及自锁现象。

三、学时和教案安排

本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA5-1】

1、教学内容

本讲介绍滑动摩擦的基本知识及考虑摩擦时的平衡问题求解。

2、教学方法

从工程实际中的摩擦问题入手介绍静滑动摩擦和动滑动摩擦的概念。然后介绍考虑摩擦 时的平衡问题求解。

3、教学手段

多媒体教学，举例说明。

4、注意事项

在求解考虑摩擦的平衡问题时必须正确地判断摩擦的性质及摩擦力的方向。【教案 JA5-2】

1、教学内容

本讲介绍摩擦角的概念与自锁现象。

2、教学方法

首先引入摩擦角的概念，然后介绍一种自锁现象，分析自锁条件。并结合例题分析如何 利用自锁和防止自锁的发生。

3、教学手段

6多媒体教学，举例说明。

4、注意事项

对自锁发生的条件要有一定的认识，并在工程设计的过程中学会运用或避免。第六章 空间力系 重心

一、教学要求

1、初步掌握力在空间坐标轴上投影的基本知识；

2、理解力对轴之矩的概念；

3、了解空间力系平衡方程的求解；

4、了解重心的概念和重心的求法。

二、本章重点

本章重点介绍力在空间坐标轴上投影、合力投影定理、力对轴之矩的概念。

三、学时和教案安排

本章讲授 3 学时，安排 2 个教案。【教案 JA6-1】

1、教学内容

本讲介绍力在空间坐标轴上投影、合力投影定理、力对轴之矩的概念。

2、教学方法

从工程实际中的空间问题入手，介绍力在空间坐标轴上投影、合力投影定理、力对轴 之矩的概念。

3、教学手段

多媒体教学，举例说明。

4、注意事项

力在空间直角坐标轴上的投影选用一次投影法还是两次投影法需要根据已知条件来 定。力与轴共面时力对轴之矩为零。【教案 JA6-2】

1、教学内容

本讲介绍空间力系的平衡问题及重心的概念。

2、教学方法

从力作用的外效应入手，介绍空间力系平衡的条件，引入平衡方程，然后举例说明求 解过程。简单介绍重心的概念及求法。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

重点是了解基本结论。在工程实际中，多采用将空间力系平衡问题转化为在三个坐标平面内的平面力系问题来求解。

（二）材料力学部分

第一章 轴向拉伸和压缩

一、教学要求

1、掌握轴向拉伸和压缩时内力的分析方法及横截面上应力分析方法；

2、初步掌握杆件在拉压时变形的基本知识；

3、了解常见材料在拉压时的力学性能；

74、掌握杆件在轴向拉压时的强度计算。

二、本章重点

本章讲授的重点是杆件在轴向拉压时的内力及应力分析方法、变形及强度计算。

三、学时和教案安排

本章讲授 8 学时，安排 4 个教案。【教案 JA1-1】

1、教学内容

本讲介绍材料力学研究的基本内容、基本概念和理想模型，然后介绍杆件轴向拉压时的 内力分析方法。

2、教学方法

比较静力学研究内容介绍材料力学的研究内容，然后介绍最简单的轴向拉压问题及其 内力的分析方法。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

材料力学中认为材料是可变形固体，内力是物体内部某一部分与另一部分间相互作用 的力，而理论力学中认为材料是刚体，物系的内力是指物系中各构件之间的相互作用力。【教案 JA1-2】

1、教学内容

本讲介绍等直杆轴向拉压时横截面及斜截面上的应力，介绍低碳钢和铸铁在拉压时的力 学性能，并介绍实验测定方法。

2、教学方法

利用纤维模型说明等直杆横截面上的应力分布规律，并进一步介绍斜截面上的应力分 布规律，然后介绍材料在轴向拉压时的变形实验及基本概念。

3、教学手段

多媒体教学，简单绘制低碳钢的抗拉曲线。

4、注意事项

为低碳钢、铸铁拉压实验做理论准备。【教案 JA1-3】

1、教学内容

低碳钢及铸铁拉伸和压缩实验。

2、教学方法

分组进行实验，完成实验报告。

3、教学手段

由实验指导教师负责完成。

4、注意事项

强调对数据和图形的分析。【教案 JA1-4】

1、教学内容

介绍轴向拉伸和压缩时的强度计算和应力集中的。

2、教学方法

回顾低碳钢和铸铁的拉压实验，引入许用应力和安全系数的概念，然后介绍安全系数 的选取方法，进而介绍轴向拉压时的强度条件，并举例说明可解决的三类问题，即强度校核、选择截面、确定许用载荷。最后简单介绍应力集中的概念、危害及利用。

83、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

强度计算的基本步骤：外力分析、内力分析、强度计算。第二章 剪切

一、教学要求

1、了解剪切和挤压的基本概念；

2、初步掌握剪切和挤压强度计算的基本知识。

二、本章重点

本章讲授的重点是剪切和挤压强度计算。

三、学时和教案安排

本章讲授 2 学时，安排 1 个教案。【教案 JA2-1】

1、教学内容

介绍剪切和挤压的基本概念和强度计算。

2、教学方法

从常见的剪切构件入手，介绍剪切的基本概念，然后介绍剪切强度和挤压强度的计算 方法。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

剪切和挤压强度计算必须清楚判断剪切面和挤压面。第三章 扭转

一、教学要求

1、了解功率、转速和外力偶矩之间的关系；

2、初步掌握圆轴扭转时的内力分析方法，画扭矩图；

3、了解薄壁圆筒扭转的特点，理解纯剪切、切应力互等定理、剪切虎克定律；

4、了解圆轴扭转时的应力和变形，掌握圆轴扭转的强度和刚度计算

二、本章重点

本章讲授的重点是圆轴扭转的强度和刚度计算。

三、学时和教案安排

本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA3-1】

1、教学内容

介绍扭转的基本概念及扭转时的内力分析方法，需要对功率、转速和外力偶矩之间的关 系予以说明，然后介绍薄壁圆筒的扭转（纯剪切）、切应力互等定理及剪切虎克定律。

2、教学方法

从常见的扭转构件入手，介绍扭转的受力特点和变形特点，然后介绍扭转时内力分析 过程及如何画扭矩图，最后介绍薄壁圆筒的扭转，引入纯剪切的基本概念及切应力互等定理 和剪切虎克定律。

3、教学手段

多媒体教学。

94、注意事项

确定功率、转速和外力偶矩之间的关系时要注意各自量纲。【教案 JA3-2】

1、教学内容

介绍圆轴扭转时的应力和变形，然后介绍圆轴扭转的强度和刚度计算方法。

2、教学方法

从圆轴扭转的变形几何关系、应力应变关系及静力学关系推导应力应变公式，然后举 例介绍圆轴扭转的强度和刚度计算方法。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

本章的应力、应变公式及强度、刚度条件只适用于圆轴的扭转，对非圆轴的扭转不适 用。

第四章 弯曲内力

一、教学要求

1、了解平面弯曲的基本概念，初步掌握如何将构件简化成计算简图；

2、掌握剪力、弯矩的计算方法，学会正确判断剪力和弯矩的正负；

3、掌握如何建立梁的剪力方程和弯矩方程，画剪力图和弯矩图。

4、了解剪力、弯矩和分布载荷集度之间的关系。

二、本章重点

本章讲授的重点是梁弯曲时的内力分析，如何画剪力图和弯矩图。

三、学时和教案安排

本章讲授 6 学时，安排 3 个教案。【教案 JA4-1】

1、教学内容

介绍梁平面弯曲的基本概念及弯曲时的剪力和弯矩的计算方法。梁的弯曲分析首先需要 进行三方面的简化，然后确定梁的内力。剪力与弯矩的正负判断是本讲的难点内容。

2、教学方法

首先介绍一些弯曲构件，然后分析弯曲的特点，引出梁弯曲的概念，进而分析如何将 实际构件简化成一个计算简图，包括几何形状、载荷、支座的简化，并介绍梁的三种基本形 式。最后重点讨论如何计算梁弯曲时的内力。对于剪力和弯矩正负可总结出口诀。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

剪力和弯矩的符号一定要正确地判断。【教案 JA4-2】

1、教学内容

介绍梁的剪力方程和弯矩方程，剪力图和弯矩图的画法。这是本章的重点，也是弯曲问 题的基础内容，需要重点讲解。

2、教学方法

从梁的三种基本形式的简单受力状态开始分析，然后介绍复杂的载荷作用时剪力图和 弯矩图的画法。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

强调本讲内容的重要性。【教案 JA4-3】

1、教学内容

介绍刚架内力图的画法，然后介绍剪力、弯矩和分布载荷集度之间的关系，重点是应用 结论，学会用这些结论判断剪力图和弯矩图是否正确，并在不用列简单梁的内力方程的情况 下更加简捷地画出梁的内力图。

2、教学方法

介绍剪力、弯矩和分布载荷集度之间的关系需避免过多介绍理论证明，介绍一个典型 的例题予以说明即可，重点是介绍结论的运用。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

强调了解剪力、弯矩和分布载荷集度之间的关系有助于快速地画弯曲内力图。第五章 弯曲应力

一、教学要求

1、初步掌握梁弯曲时正应力的计算方法；

2、掌握简单梁弯曲时的强度计算，包括校核强度、设计许用载荷、设计截面尺寸三类问题；

3、了解提高梁抗弯能力的措施；

4、了解抗弯实验的基本过程。

二、本章重点

本章讲授的重点是梁弯曲时的正应力计算方法和强度计算问题。

三、学时和教案安排

本章讲授 6 学时，安排 3 个教案。【教案 JA5-1】

1、教学内容

介绍梁纯弯曲正应力的计算方法，然后介绍计算公式中惯性矩的计算方法。

2、教学方法

理论推导矩形截面梁纯弯曲时的正应力计算公式，引出惯性矩的概念，然后介绍惯性 矩的计算方法。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

纯弯曲时推导出来的正应力计算公式可推广至非纯弯曲状态，但是梁的跨高比必须大 于 5，变截面梁也可近似应用。其它情况需具体分析。【教案 JA5-2】

1、教学内容

介绍梁弯曲时的强度计算的三类问题，并就分析如何提高梁的抗弯强度。

2、教学方法

对三类问题分别举例介绍，并就正应力计算公式说明如何提高梁的抗弯强度。

3、教学手段

多媒体教学。

114、注意事项

对于拉压强度不等的材料构成的梁弯曲时一定要注意，典型的是铸铁。【教案 JA5-3】

1、教学内容

梁的弯曲实验

2、教学方法

实验环节

3、教学手段

由实验指导教师安排

4、注意事项

分组进行 第六章 弯曲变形

一、教学要求

1、了解梁挠曲线近似微分方程；

2、初步掌握用叠加法求梁的变形；

3、掌握简单梁的刚度校核方法；

二、本章重点

本章讲授的重点是用叠加法求梁的变形及梁的刚度校核。

三、学时和教案安排

本章讲授 2 学时，安排 1 个教案。【教案 JA6-1】

1、教学内容

介绍梁挠曲线近似微分方程，用叠加法求梁的变形的过程及梁的刚度校核。

2、教学方法

重点讲解叠加法求梁的变形，举例介绍为主，然后介绍梁的刚度校核，也是举例介绍 计算过程为主。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

积分法的优点是可以直接运用数学方法求得梁的转角方程和挠度方程，但过程烦琐。叠加法虽然只能求特定截面上的挠度和转角，但比较方便。第七章 应力状态和强度理论

一、教学要求

1、了解应力状态的概念，重点掌握平面应力状态的基本知识；

2、初步了解材料破坏的基本形式；

3、了解常用的强度理论内容及其适用范围。

二、本章重点

本章讲授的重点是应力状态和强度理论。

三、学时和教案安排

本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA7-1】

1、教学内容

2介绍应力状态的概念，重点介绍平面应力状态的基本知识。

2、教学方法

先回顾拉压试件的破坏形式，然后介绍应力状态的概念、研究方法，然后介绍平面应 力状态的基本知识。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

关于平面应力状态的基本结论要清楚。【教案 JA7-2】

1、教学内容

介绍材料破坏的基本形式。介绍强度理论的概念，常用的强度理论及如何选择和应用。

2、教学方法

从材料的破坏形式入手介绍针对塑性材料和脆性材料的强度理论及其选择和应用。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

重点需要清楚如何选择和应用强度理论。第八章 组合变形构件的强度

一、教学要求

1、了解弯曲与拉伸（压缩）的组合变形的强度计算方法；

2、了解弯扭组合变形的强度计算方法；

二、本章重点

本章讲授的重点是应用叠加原理解决简单的组合变形构件的强度计算问题。

三、学时和教案安排

本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA8-1】

1、教学内容

介绍组合变形的基本概念，强度计算的基本过程，弯曲与拉伸（压缩）的组合变形的强 度问题计算的基本知识。

2、教学方法

举例说明弯曲与拉伸（压缩）组合变形的特点，举例介绍具体的计算过程。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

要掌握横截面上正应力如何叠加，并正确判断危险点，尤其是在材料抗拉和抗压性能 不同时，需要同时校核抗拉强度和抗压强度。【教案 JA8-2】

1、教学内容

介绍弯扭组合强度计算的基本知识。

2、教学方法

举例说明弯曲与扭转组合变形的特点，举例介绍具体的计算过程。

3、教学手段

多媒体教学。

134、注意事项

这是本章的难点，尤其需要注意弯矩的合成。第九章 压杆的稳定

一、教学要求

1、了解压杆稳定的基本概念；

2、掌握细长压杆的临界力计算方法和应用欧拉公式计算临界应力；

3、了解中小柔度杆临界应力的计算方法；

4、掌握压杆稳定计算方法及提高压杆稳定性的措施

二、本章重点

本章讲授的重点是计算细长压杆的临界力和临界应力，压杆的稳定计算。

三、学时和教案安排

本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA9-1】

1、教学内容

介绍压杆稳定的概念及细长压杆的临界力计算方法，介绍欧拉公式的适用范围及中小柔 度杆的临界应力。

2、教学方法

从介绍失稳现象开始，介绍临界力的概念及细长压杆的临界力计算方法，然后介绍欧 拉公式及其适用范围，然后介绍中小柔度杆的临界应力计算方法。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

理解失稳与压缩破坏的本质不同。注意确定适当的长度系数，注意判断失稳平面。【教案 JA9-2】

1、教学内容

介绍压杆稳定的计算方法及提高压杆稳定性的措施。

2、教学方法

先介绍压杆截面选择和压杆稳定性的校核，然后介绍如何提高压杆稳定性。

3、教学手段

多媒体教学。

4、注意事项

先计算压杆的柔度，然后根据柔度 选择计算临界力的公式。

第二篇：工程力学教案

《工程力学》主要讲授静力学的基本内容和轴向拉压、扭转、弯曲、应力状态理论、强度理论、压杆稳定、组合变形等主要内容，该课程是电气工程，安全工程、测绘工程等专业的一门重要的专业基础课程，是相关专业的学生学习后续课程、掌握本专业技术所必备的理论基础。以下是工程力学教案，欢迎阅读。

一、课程目的与任务

掌握力系的简化与平衡的基本理论，构筑作为工程技术根基的知识结构；通过揭示杆件强度、刚度等知识发生过程，培养学生分析解决问题的能力；以理论分析为基础，培养学生的实验动手能力；发挥其它课程不可替代的综合素质教育作用。

二、教学基本要求

1．掌握工程对象中力、力矩、力偶等基本概念及其性质；能熟练地计算力的投影、力对点之矩。

2．掌握约束的概念和各种常见约束力的性质；能熟练地画出单个刚体及刚体系的受力图。

3．掌握各种类型力系的简化方法和简化结果；掌握力系的主矢和主矩的基本概念及其性质；能熟练地计算各类力系的主矢和主矩。

4．掌握各种类型力系的平衡条件；能熟练利用平衡方程求解单个刚体和刚体系的平衡问题。

5．理解材料力学的任务、变形固体的基本假设和基本变形的特征；掌握正应力和切应力、正应变和切应变的概念。

6．掌握截面法；熟练运用截面法求解杆件（一维杆件）各种变形的内力（轴力、扭矩、剪力和弯矩）及内力方程；掌握弯曲时的载荷集度、剪力和弯矩的微分关系及其应用；熟练绘制内力图。

7．掌握直杆在轴向拉伸与压缩时横截面的应力计算；了解安全因数及许用应力的确定，熟练进行强度校核、截面设计和许用载荷的计算。

8．掌握胡克定律，了解泊松比，掌握直杆在轴向拉伸与压缩时的变形计算。

9．掌握剪切和挤压（工程）实用计算。

10．掌握扭转时外力偶矩的换算；掌握圆轴扭转时的切应力与变形计算；熟练进行扭转的强度和刚度计算。

11．掌握纯弯曲、平面弯曲、对称弯曲和横力弯曲的概念；掌握弯曲正应力公式；熟练进行弯曲强度计算；掌握杆件的斜弯曲、弯拉（压）组合变形的应力与强度计算。

12．掌握梁的挠曲线近似微分方程和积分法，了解叠加法求梁的挠度和转角。

三、教学的重点与难点

教学重点：

1．绘制物体受力分析图；

2．力线平移定理及力系的平衡方程及其应用；

3．轴向拉压的强度条件、静定桁架节点位移计算；

4．圆轴扭转时横截面上的切应力与相对扭转角及扭转的强度和刚度条件；

5．平面对称弯曲的内力图及利用载荷集度、剪力方程和弯矩方程的微分关系、积分关系和突变关系绘制梁的内力图；

6．平面对称弯曲梁的弯曲正应力及梁变形的积分法和叠加法。

教学难点：

1．平面力系物系平衡问题的解法；

2．简单桁架的内力计算及静定桁架节点位移计算；

3．平面对称弯曲的内力图及利用载荷集度、剪力方程和弯矩方程的微分关系、积分关系和突变关系绘制梁的内力图；

4．计算梁变形的积分法和叠加法。

四、课程内容与学时分配

第一部分 静力学基本概念与公理（4学时）

1．静力学基本概念与公理

2．约束和约束力

3．受力图

第二部分 汇交力系（1学时）

1．汇交力系的合成2．汇交力系的平衡条件

第三部分 力偶系（1学时）

1．力对点之矩矢

2．力对轴之矩

3．力偶矩矢

4．力偶等效条件和性质

5．力偶系的合成和平衡条件

第四部分平面任意力系（8学时）

1．力的平移

2．平面任意力系向一点简化

3．平面任意力系的平衡条件

4．刚体系的平衡

5．静定与静不定问题的概念

第五部分 绪论（2学时）

1．材料力学的研究对象

2．材料力学的基本假设

3．外力与内力

4．正应力与切应力

5．正应变与切应变

第六部分 轴向拉伸与压缩（含实验共10学时）

1．基本概念

2．轴力与轴力图

3．拉压杆的应力与圣维南原理

4．材料在拉伸与压缩时的力学性能

5．应力集中概念

6．失效、许用应力与强度条件

7．胡克定律与拉压杆的变形

8．简单拉压静不定问题

9．连接部分的强度计算

第七部分 扭转（6学时）

1．基本概念

2．动力传递与扭矩

3．切应力互等定理与剪切胡克定律

4．圆轴扭转横截面上的应力

5．极惯性矩与抗扭截面系数

6．圆轴扭转破坏与强度条件

7．圆轴扭转变形与刚度条件

第八部分 弯曲内力（2学时）

1．基本概念

2．梁的计算简图

3．剪力与弯矩

4．剪力、弯矩方程和剪力、弯矩图

5．剪力、弯矩与载荷集度间的微分关系

第九部分 弯曲应力（6学时）

1．基本概念

2．平面对称弯曲正应力

3．惯性矩与平行移轴定理

4．平面对称弯曲矩形截面切应力

5．梁的强度条件

6．梁的合理强度设计

7．双对称截面梁的非对称弯曲

8．弯拉（压）组合第十部分 弯曲变形（含实验共6学时）

1．工程中的弯曲变形问题

2．挠曲线近似微分方程

3．用积分法、叠加法求弯曲变形

4．简单超静定梁

5．梁的刚度条件和合理刚度设计

第三篇：工程力学实验教案

《工程力学》实验教案

李 颖

2005年3月

一、拉伸试验

一、实验目的

1、了解万能机的主要结构及其工作原理，熟悉操作规程和正确使用方法，并注意安全事项。

２、通过实验观察低碳钢、铸铁在拉伸和压缩过程中表现的各种变形规律和破坏现象。分析和比较不同材料的力学性能。

３、测定低碳钢拉伸时的屈服极限s、强度极限b、延伸率和截面的收缩率。二、试件

按GB228—76规定，本实验试件采用圆棒长试件。取d0=10,L=100,如图所示：

三、实验设备及仪器

1、液压式万能材料实验机；

2、游标卡尺；

3、划线机(铸铁试件不能使用)。

一、低碳钢的拉伸实验 实验原理及方法 1.屈服极限s的测定

实验时，在向试件连续均匀地加载过程中。当测力的指针出现摆动，自动绘图仪绘出的P—ΔL曲线有锯齿台阶时，说明材料屈服。记录指针摆动时的最小值为屈服载荷Ps,屈服极限ζs计算公式为

sPs/A0

P—ΔL曲线

2、屈服极限s的测定

实验时，试件承受的最大拉力Pb所对应的应力即为强度极限。试件断裂后指针所指示的载荷读数就是最大载荷Pb，强度极限b计算公式为：

bPb/A0

3、延伸率δ和断面收缩率Ψ的测定

计算公式分别为：

δ=(L1-L)/L x 100% Ψ=(A0-A1)/A0 x 100% L:标距（本实验L=100）

L1:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。A0:试件原横截面积。

A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。

（三）实验步骤

1.试件准备：量出试件直径 d0,用划线机划出标距L和量出L;2.按液压万能实验机操作规程1——8条进行；

3.加载实验，加载至试件断裂，记录 Ps 和Pb，并观察屈服现象和颈缩现象； 4.按操作规程10——14进行；

5.将断裂的试件对接在一起，用卡尺测量d1和L1，并记录。

二、扭转实验

一、试验目的

１、观察低碳钢和铸铁受扭过程中的变形现象；比较它们的破坏特征。

２、验证扭转虎克定律，测定剪切强度极限。

二、设备

１、扭转试验机。２、游标卡尺。３、试件。

三、实验原理及方法

1、验证扭转时的虎克定律.最大剪应力不超过材料的比例极限时,相对扭转角φ与扭矩T有如下关系.φ=TL0/GIp 式中L0、G、Ip皆为常值,T、Φ为变量;若有一扭矩T则对应一φ值,每增加同样大小的扭矩ΔT,扭转角的增量ΔΦ大致相等,这就验证了虎克定律.2、扭转破坏Tn—Φ曲线.低碳钢

铸铁

低碳钢和铸铁试件受扭直至破坏,它们的T—Φ曲线如图所示.低碳钢有直线段,有明显的屈服阶段,测力指针暂时不动或摆动,而扭转角Φ很快增加.最终破坏时,可看到低碳钢试件的扭转角非常大,沿横截面扭断,而铸铁试件的扭转角很小,沿45°~55°螺旋面扭断。

四、实验步骤

1、用特殊铅笔在低碳钢试件表面划出平行杆轴线的纵向线和左标距内两个截面的圆周线，使成为小矩形格子（已由实验室准备好）。

2、用游标卡尺在试件标距长度内量取直径（方法如拉伸实验）。

3、选择合适的度盘（施加扭矩后，禁止转动量程选择手钮）。

4、把试件先装于固定夹头内，并夹紧。然后移动加载机构，使试件插入主动夹头至适当位置夹紧。此时，主动指针应在零点上。

5、选定主动夹头的转速（一般试件屈服前用36/分，屈后0-360/分），将被动针转至与主动针重合。旋转主动夹头上的刻度环使零点与指针重合。选好扭转方向，打开记录器开关。

6、启动按扭。拧动多圈电位器，使主动夹头至所需转速。这时，可以看到扭转变形随扭矩而不断增加。按Mn加载，并同时测出相应的扭转角。

7、当变形继续增加时，而扭矩不再成正比增加时，标志材料已开始屈服，这时，塑性变形仅在外层发生，扭矩还可以增加。塑性变形将从圆周向中心逐渐扩展，直至截面上各点处的剪应力都一样，这时扭矩称极限扭矩用Mnjx表示，继续扭转试件已毋需增加外力偶矩，直至试件扭断。其剪切流动极限

a

8、铸铁试件

3Mnjx

4Wn先测出试件计算直径，然后把试件装于扭转机上，将主动夹头转速按纽放在0-36/分，加载直至破坏，记下破坏时的扭矩Mnb。其剪切强度极限。

b

Mnb Wn实验三 弯曲实验

一、实验目的

1、测定纯弯梁一个截面的应力大小及分布规律，以验证直梁弯曲时的正应力公式。

2、了解电测法，初步学会电阻应变仪的使用。

二、实验设备及仪器 1.液压万能实验机； 2.电阻应变仪，预调平衡箱；

三、实验用试件机装置

矩形截面梁试件，材料为A3钢，试件尺寸及实验装置简图简下图：

载荷通过副梁及两个磙子施加到试件上，应变片接线采用多点半桥式接法。R6为温度补偿片，五个工作片的粘贴位置为顶面1。底面

5、中性层3及距中性层h/4处的2、4。

四、实验原理：

1.纯弯曲梁衡截面上应力的测试及应力的分布规律 实验采用等载荷增量法。

当载荷P作用时利用应变仪可测出相应的应变度εds,根据胡克定律ζ实=Eεds，平均可求得个点正应力分布图，可看出纯弯曲梁正应力分规律。

利用理论公式计算正应力ζ理=M/l *Y.其中M=Pa/2,如果ζ理和ζ实的结果基本吻合。即说明理论公式是正确的。2．直梁弯曲时中点挠度测定 实验采用等载荷增量法，在载荷P的作用下从百分表上可直接读出梁中点C处的挠度Yc实，与理论公式Yc=Pa(3L*L-4a*a)/48Ei的计算结果比较，如果基本吻合则说明理论公式式正确的。

五、实验步骤

四、试验步骤

1、调节应变仪

（1）将后面板D1,D2,D3三点联接起来（已接好），旋紧接线柱。把标准电阻接到后面板A、B、C接线柱上，旋紧，半桥测量法，再将后面板上的平衡开关打在平衡位置，即可进行仪器的校准。注意：仪器校准时，后面板的接线板上不能联接任何电阻，否则会影响精度。

（2）开启电源开关。把前面板选择开关旋到“1”，这时指示表显示的数据是电桥不平衡的分量，调节前面板平衡电位器“1”，使指针表显示全为“0”，如果显示数是正的，平衡电位器逆时针方向旋转，显示数是负的，平衡电位器顺时针方向旋转。

（3）仪器的灵敏度调整：仪器平衡到“0”后，将标定开关按入，用幅调电位器调到5000，如果小于5000时，顺时针方向旋转幅调电位器，反之，逆时针旋转，调整好灵敏度，把标定开关按出。

（4）仪器的 K值调整：仪器时按K＝2设计的。当使用的应变片K值不为2时，必须在测试前标定。本室使用应变片K＝2.2，即用幅调电位器调节为4545。调好后，在实测中，所显示的数据不必再进行K值修正。

2、半桥测量接线。把标准电阻从仪器的A、B、C接线柱拆下来，把主梁各点的应变片依次接到应变仪后面板10点接线板上去，AB接一片测量片，BC接一片温度补偿片。调整应变片所接点的对应平衡电位器，使其平衡。

3、在原始记录上记下所测主梁的截面尺寸（数据已经在梁上标好）。调动实验台蝶形螺母，使杠杆尾端稍翘起。

4、分四次加载。每次加一只砝码（加砝码时要求一手扶砝码托，一手缓慢放砝码，使其不致摆动）。

5、记录荷载P0=200N。记下应变仪显示器的应变量读数C0。以后每增加200N，记一次应变值，并算出读数差C，直到800N为止。

6、一片测量完毕之后，按同样方法测量另一片直到五片全部测完为止。

第四篇：工程力学教案2

导课:在第一章中我们初步了解了力的基本概念和力的基本性质,以及力的一系列的特殊状况,力的约束解除和物体的受力图表示方法.第二章

基 本 力 系

§2-1 汇 交 力 系

一、空间力的投影

1.用角θ和 Φ 表示力的方向 力Fx、Fy、Fz的大小分别为

图2-1 设i、j、k为x、y、z轴上的单位矢量，根据矢量的正交分解特性，力F表示为

其大小

其方向用θ角，Φ角表示为

2.用方向余弦表示力的方向

设α、β、γ分别表示力F与Ox轴、Oy轴、Oz轴正向之间的夹角，它们统称为方位角。则力F在三个直角坐标轴上的投影分别为

力F的大小由(2-3)式算出，力F的方向由

决定。cosα、cosβ、cosγ统称为力的方向余弦。

图2-2

图2-3 3.用一线段的三个投影表示力的方向

设一已知沿F指向的线段ON在三直角坐标轴上的投影分别为lx、ly、lz。以OA和ON为对角线分别作两个相似长方体。显然，三角形OAC和三角形ONK相似(图2-3)，对应边成比例有

得

同理有

即

其中

若已知线段MN的起点不在坐标原点，起点M的坐标为(x1、y1、z1)，线段终点N的坐标为(x2、y2、z2)，MN方向与已知力F一致(图2-4)。于是

将(2-8)式代入(2-7)式中，则可求得力F在三个直角坐标轴上的投影。由图知：lx<0，ly>0，lz>0，故由(2-7)式得Fx<0，Fy<0，Fz>0。

二、汇交力系的合成

作用于物体上诸空间力作用线汇交于一点的力系称为空间汇交力系。若诸空间力的作用线仅分布于同一平面且作用线汇交于一点，这类力系称为平面汇交 力系。研究汇交力系合成的方法有几何法和解析法。1.几何法

设作用于刚体上的空间汇交力系为F1、F2、„、Fn，且各力作用线均汇交于一点O(图2-7(a))。O点为汇交点。按力的可传性原理，施加于刚体上的汇交力系中各力作用点均可沿各自作用线移至汇交点O。凡力系中诸力具有共同作用点的力系称为共点力系(图2-7(b))。

图2-7 按平行四边形原理，力F2、力F3可合成为合力R′；再由R′和F1合成为R″；依次类推，两两合成下去，最后求得图2-7(c)所示的共点力系的合力R，这也是图2-7(a)所示汇交力系的合力。由此可见，汇交力系可以合成为一作用线通过汇交点的合力，它为各分力的矢量和，5 即

图2-8 2.解析法

一般空间汇交力系可合成为一作用线通过汇交点的合力，其合力矢量表示式为

因

合力R的投影分量为

这就是说，合力在任一轴上的投影等于各分力在同 一轴上投影的代数和。这个结论称为合力投影定理。合力R的大小和方向余弦为

若汇交力系为平面汇交力系，可选取力所在平面为O-xy平面，则(2-12)式简化为

三、汇交力系的平衡条件

力系的平衡条件是指刚体在某力系作用下保持平衡时力系中各力应满足的条件。前已指出，任一空间汇交力系总可以合成为一个合力，因此，空间汇交力系平衡的充要条件是力系的合力等于零。即 汇交力系的平衡条件既可用几何法表示，也可用解析法表示：

1.汇交力系平衡的几何条件

空间汇交力系的合力是以力系各分力为边所构成的力的多边形的封闭边。若该力系合力为零，则表明力的多边形的封闭边R=0。换言之，力的多边形中最后一个分力的矢端与第一个分力的矢尾O点相重合，力的多边形自行封闭(图2-10)，这就是汇交力系平衡的几何条件。

图2-10 2.汇交力系平衡的解析条件 由汇交力系合力公式

R=

可知，当汇交力系平衡时其合力必然为零，即R=0，那么，合力公式中根号内三个平方项应分别为零，即有

它表明，汇交力系平衡的解析条件为：汇交力系各力在三个坐标轴上的投影的代数和分别为零。方程(2-15)称为空间汇交力系的平衡方程。它建立了平衡时各力之间的相互关系。三个方程彼此独立，故可求解三个未知量。

若汇交力系为平衡汇交力系，可选取力所在平面为O-xy平面，则汇交力系的平衡条件简化为

这就是说，平面汇交力系平衡的充要条件是：各力在两个坐标轴上的投影代数和分别为零。

小结:在这一节中我们学习了力的汇交系统,并且能够利用汇交中的平衡方程来求解我们要求解的力的大小及方向.作业布置: 习题与思考题

导课:在前一节中我们学习了汇交力系,那是力的一种求解方法,但是在实际应用中力的求解方法一种是解决不了全部现实问题,从而我们要继续学习力的另一种求解方法-------力矩

§2-2 力矩

一、平面问题中力对点的矩

当一力作用于物体上时，可产生两种效应：一是力的作用线通过物体的质心使物体产生平动效应；二是力的作用线不通过物体的质心而使物体绕某一点转动，产生角加速度，同时又使物体平动，产生平动加速度(图2-15)。物体在力的作用下产生平动效应，物理学中已作阐述。这里只研究力对物体作用而使物体产生的转动效应。

图2-15 通常把O点称为矩心，把h称为力臂，把力的大小与力臂的乘积称为力对矩心的矩，简称力矩，用它来衡量力F使物体绕矩心转动的效应。力矩用符号mO(F)表示。

人为约定：使物体产生逆时针转动(或转动趋势)的力矩为正(图2-17(a))；使物体产生顺时针转动(或转动趋势)的力矩为负(图2-17(b))。在平面问题中力对点的矩可表示为

图2-17

图2-16

二、力对点的矩矢 1.力对点的矩矢

在涉及空间力使物体绕某点产生转动效应时，必须考虑下述三个因素：

(1)转动效应的强度。它与力的大小和力臂的乘积成正比。

(2)转动轴线的方位。即力F的作用线与矩心O点所决定的平面的法线方位。

(3)转向。即使物体绕轴线转动的方向。

以上三个决定力使物体绕某点转动效应的因素，在数学上可用一特殊矢量来表示。这个矢量的模等于力的大小 F和力臂h的乘积；该矢量的方位(即转动轴线在空间的方位)，其指向由右手螺旋法则确定(图2-19)。这个矢量称为力对点的矩矢，用符号mO(F)表示。由图可知，它是一个通过矩心O的定位矢量，是力对物体产生转动效应的度 量。

图2-19

图2-20 2.力对点之矩矢的矢积表达式 r和F的矢积的模为

3.力对点之矩矢的解析表达式

设选定直角坐标系O-xyz，i、j、k分别为三对应轴的单位矢量。F和r分别可写为 代入(2-18)式得

这就是力对点之矩矢的解析表达式。很显然有

三、合力矩定理

设一力系F1，F2，„，Fn可合成为一合力R，则合力对物体作用时产生的效应与各分力对物体同时作用时所发生的效应完全相同。于是，合力R对点的矩矢可写为

这就是合力矩定理，其物理意义是合力对任一点之矩矢，等于各分力对同一点之矩矢的矢量和。若力系为平面力系，各力对平面上任一点的矩为代数量，故合力矩定理在平面问题中表述为 它表明：平面力系的合力对平面上任一点的矩，等于各分力对同一点的矩的代数和。

小结:在这一节中让学生理解力矩的概念和力矩的表示方法以及力矩在求解时的平衡方程.作业布置:习题与思考题

导课:在学习了力系和力矩之后我们已经了解了力在实际中的两种表示方法,现在我们在力矩的基础上我们继续进一步了解力偶系的表示方法和计算状况.§2-3 力 偶 系

一、力偶的概念 1.力偶的概念

把一对等值反向、作用线平行而不重合的力称为力偶，记作(F，F′)。两力作用线间的距离d称为力偶臂。力偶所在平面称为力偶作用面(图2-24)。

图2-23

图2-24

图2-25 2.力偶矩

设一力偶(F，F′)，其力偶臂为d(图2-25)，力偶对力偶作用面上任一点O的矩，应为平行力F，F′对点O的矩的代数和，即

由此可知，两个力矩相加的结果与两力矩的矩心位置无关，即力偶中两力对力偶作用面上任一点之矩的代数和为一常量，它等于力偶中任一力F的大小F和 16 力偶臂d的乘积。此乘积称为力偶矩，记作m(F，F′)，简记为m。于是

式中正负号反映力偶的转向，逆时针转向取正，顺时针转向取负。力偶矩的量纲与力矩相同，其单位也相同。

二、力偶的基本性质

1.力偶不能与一个力等效(即力偶无合力)，也不能与一个力平衡。

2.在同一平面内的两个力偶，若其力偶矩相等，则这两力偶彼此等效。

图2-26 力偶这一基本特性给出了在同一平面内力偶等效 17 的条件，故这一性质称为力偶的等效性或称为力偶的等效定理。由它可得如下推论：

推论一

任一力偶可以在它的作用面内任意转移，而不改变力偶对刚体的作用。力偶对刚体的作用与力偶在其作用面内的位置无关。

推论二

只要保持力偶矩的大小和转向不变，可同时改变力偶中的力的大小及力偶臂的长短，而不改变力偶对刚体的作用。

三、平面力偶系的合成和平衡条件 1.平面力偶系的合成

作用于物体上的若干力偶若同在一平面内，则称为平面力偶系。

设有三力偶(F1，F1’)、(F2，F2’)、(F3，F3’)作用于同一平面内，它们的力偶臂分别为d1、d2、d3(图2-28(a))。根据力偶的等效性，可以把这三个力偶化成为具有相同力偶臂的三个力偶，于是

图2-28 由图2-28(b)可知：

因P1，P2，P3三力的作用线重合，均通过A点与AB垂直，该三力可合成为一个合力R，其大小等于三力大小的代数和，即

在B点共线的三力的合力R′的大小为

可见，合力R和R′构成一等值、反向、平行且不共线的合力偶(R，R′)(如图2-28(c)所示)，其合力偶矩为 显而易见，上述结论可推广至由n个力偶构成的平面力偶系，其合成后的合力偶矩为

这就是说，平面力偶系合成的结果仍为一力偶，其合力偶矩等于各分力偶矩的代数和。这个结果称之为平面力偶系的合成定理。2.平面力偶系的平衡条件

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条件是所有各分力偶矩的代数和为零，即

上式称为平面力偶系的平衡方程。

解决基本力系平衡问题的途径(1)选定研究对象。(2)绘制受力图。(3)应用平衡条件。

小结:在这一章中我们学习了力的一系列的表示方法和计算平衡方程,以及力矩和力偶的表示方法及平衡方程.从 20 而我们要进步掌握力的实际应用中的求解.作业布置:习题与思考题

导课:在上一章中我们已经学习了力系,力矩,以及和力偶,知道了力系,力矩以及力偶的表达方式和计算方程,今天我们就进一步把这些已经学习的概念应用在一定的范围之中.第三章

平面一般力系

凡力系中诸力作用线在同一平面内且任意分布的力系，称为平面一般力系，简称平面力系。

§3-1平面任意力系的简化

一、力的平移定理

力的平移定理：施加于刚体上点A的力F可以平移到任一点B，但必须同时附加一个力偶，附加力偶的矩等于原力对新作用点B的矩。

图3-1 可以把作用于刚体上A点的力F平移到另一任意点B上，但必须同时附加一相应的力偶(图3-1(c))，这个力偶称为附加力偶。

由于Fd也等于力F对B点的矩，mB(F)=Fd，于是得

二、平面一般力系向一点的简化

（一）、平面一般力系向一点的简化

在力系的作用平面内，被任选的一点O称为简化中心。将力系中诸力平移至简化中心，同时附加一个力偶系的过程，称为力系向给定点的简化。

图3-2 经简化后的平面共点力系合成为一个合力R′，该合力作用点在简化中心上；把简化后的附加力偶系m1，m2，…，mn合成得一力偶MO(图3-2(c))。自然，依据力的平移定理，可将力R′和MO合成为一个力R(图3-2(d))，这个力R就是原力系F1，F2，…，Fn的合力。1.R′和主矢

从图3-2可知，R′是图示共点力系的合力。R′的大小和方向可由平面共点力系合成的几何法或解析法获得。

运用几何法：由于简化后的共点力系中诸力与原力系中诸力等值同向，即

，故可直接用原力系中诸力作出力的多边形，力的多边形之封闭边称为原力的主矢，即

这表明平面共点力系的合力R′等于原力系(F1，F2，…，Fn)中诸分力的矢量和，亦即原力系的主矢。而合力R′的作用线则通过简化中心。

运用解析法：在力系所在平面上取坐标系O-xy(图3-3(a))，应用合力投影定理，则由(3-2)式得

故主矢R′的模为

主矢R′的方向从图3-3(b)中可知

图3-3 2.对点O的主矩

从图3-3(b)中可知，MO应是该平面一般力偶系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，力向一点简化后所产生的附加力偶的矩，等于力对简化中心的矩，故合力偶矩可表示为

平面一般力系向作用面内任意一点的简化，一般可得一力和一力偶。该力的作用线通过简化中心，其力矢量R′称为原力系的主矢，它等于原力系诸力之矢量和；该力偶作用于原作用平面上，其力偶矩称为原力系对简化中心的主矩，它等于原力系中诸力对简化中心之矩的代数和。

3.固定端(或插入端)约束的分析

图3-4(a)和(b)所示车刀和工件分别夹持在刀架和卡盘上，是固定不动的。这类约束称为固定端约束或插入端约束。其简图如图3-4(c)所示。

图3-4 固定端约束对物体的作用，是在接触面上作用有一群约束反力。在平面问题中，这些反力构成一平面一般力系(图3-5(a))。若将这群力向作用面内A点简化，则得一力和一力偶。一般情况下，简化后所得之力的大小和方向均为未知量，但该力可用两分力Nx，Ny来代替。因此，平面一般力系在固定端A处的约束反作用可简化为两约束反力Nx，Ny和一个力偶矩为mA的约束反力偶(图3-5(c))。

图3-5(二)、平面一般力系向一点简化结果分析 1.平面一般力系向一点的简化结果

平面一般力系向简化中心简化，其结果可能出现四种情况：

(1)R′=0，MO=0 主矢和主矩均等于零。它表明简化后的平面汇交力系和平面力偶系均为平衡力系，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。它表明原力系与一平面 26 力偶系等效。此时，作用于简化中心O点的力

相互平衡，从而相互抵消。但附加力偶系并不平衡，它可合成为一力偶，即原力系的合力偶，其合力偶矩等于原力系对简化中心点O的矩，即

按力偶的性质，力偶对于作用平面上任一点的矩都相同，因此当力系合成为一个力偶时，主矩与简化中心无关。但在一般情况下，力系简化后的主矩与简化中心有关。(3)R′≠0，MO=0 主矢不等于零而主矩等于零。它表明原力系与一个作用线通过简化中心的合力等效。该合力的大小和方向由主矢R′确定。(4)R′≠0，MO≠0 主矢、主矩都不为零。它表明力系向O点简化后得到一力和一力偶。按力的平移定理，这一力和一力偶还可合成为一个合力。

2.平面一般力系简化为一个合力的情况

设将力偶矩为MO的力偶(图3-6(a))用两个力R和R″来表示，并令R′=R=-R″(图3-6(b))，R′和R″构 成一平衡力系，于是有等效关系如下：

这就是说，可将作用于O点的力R′和力偶(R，R″)合成为一个作用于O′点的力R(图3-6(c))。显然，力R就是原力系F1，F2，…，Fn的矢量和，力R的作用线距简化中心O点的位置(即力的作用线离O点的距离d)由下式确定

图3-6 至于力R作用点在原简化中心O点的哪侧，则取决于主矢R′的方向和主矩MO的转向。若力偶转向为逆时针(MO>0)时，则力R的作用点位于从O点沿主矢R′箭头方向的右侧；反之，则R的作用点位于从O点沿主矢R′箭头方向的左侧。

小结：在这一节中让学生了解力系在平面中简化方法，进一步认识力系在平面中的表示方法。从而更深刻的理解 力系的概念。

作业布置：习题与思考题

导课：在上一节中学习了力系的简化原理，在简化之后我们就要进一步学习计算所要的力，那么今天我们就学习力系的一般平衡方程。

§3-2 平面一般力系的平衡方程及其应用

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。力系中诸力彼此平行，如图3-10所示。设若一物体受一平面平行力系的作用。选O-xy系中y轴与各力平行，则不论力系是否平衡，各力在x轴上的投影恒等于零，即∑X≡0。于是平面平行力系的平衡方程是

使用(3-13)式时，必须使A、B两点的连线不与各力平行。

三、平面一般力系平衡方程的应用

例3-4 图3-11所示为悬臂式起重机。梁AB的A端以铰链固定，B端用拉杆BC拉住。梁自重P=4 kN，载荷重Q=10 kN。梁的尺寸如图示。试求拉杆BC所受的拉力和铰链A处的约束反力。

解：选取梁AB和载荷体一起为研究对象。除作用于梁AB上的已知力P，Q外，还受拉杆拉力T和铰链A处的约束反力N的作用。因拉杆BC为二力杆，拉力T必沿BC连线；又因N方向未知，但总可作正交分解，得Nx，Ny。力N，T，P，Q可近似地认为分布于同一平面内，故由它们构成的力系可视为平面一般力系。

图3-10

图3-11 因梁处于平衡，该力系必满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、物体系的平衡

前面已研究过各种平面力系的平衡问题，但都是针对单个刚体而言的，而在工程实际中，诸如组合构架、三铰拱等都是由若干物体构成的平衡体系。这些由许多物体构成的系统称为物体系。研究物体系平衡问题较之研究单个物体要复杂得多。它不仅要求出物体系所受的所有未知外力，而且在绝大多数情况下还要求出物体系内部各物体之间的相互作用内力。为此，研究时则要求把某些物体单独隔离开来。即使问题不要求求出内力，对于某些物体系的平衡问题，有时也需要将物体分开处理，方能求出作用于物体系上的未知外力。

对于一处于平衡的物体系，允许将一些物体单独隔离来处理的依据是：当物体系处于平衡时，组成物体系的每一物体或物体系中若干物体构成的局部均处于平衡状态

五、超静定问题的概念

当物体系处于平衡时，组成物体系的每一个物体均处于平衡状态。对每一物体，如在平面一般力系作

用下平衡，最多只能写出3个独立的平衡方程。如物体系由n个物体组成，也最多只能写出3n个独立平衡方程。对每一种力系强调它的独立平衡方程数，在解题时十分重要。当未知待求量数少于或等于独立平衡方程数时，只需运用刚体静力学的平衡条件，就可解出全部的未知待求量。这样的问题称为静定问题。反之，如未知待求量的数目多于作用力系可能有的独立平衡方程数，则仅用刚体静力学的平衡条件就不可能求出全部待求未知量。对这一类的问题统称为静不定问题或超静定问题。

小结：在这一节中我们学习了力系的平衡方程应用，以及物系平衡和系统的静定与超静定问题。让学生理解物系的求解重点，解决遇到的难题。

作业布置：习题与思考题

导课：在上一节中我们已经学习了平衡力系，物系平衡，静定与超静定，并且理解了物系的应用状况，下面我们学习解决平面一般力系作用下单个刚体或物体系的平衡问题的途径。

§3-3 解决平面一般力系作用下单个刚体或物体系的平衡问题的途径

对平面一般力系作用下处于平衡的单个刚体或由若干刚体构成的物体系，能否用静力学平衡方程求解，则取决于单个刚体或物体系是否静定。对单个刚体而言，若未知量数少于或等于独立平衡方程数，单个刚体是静定的；对于物体系而言，是否静定则取决于物体系中刚体的数目与约束的情况。求解平衡问题时，一般应判别问题是否静定，因在刚体静力学中只处理静定问题，静不定或超静定问题属于材料力学讨论的范畴。

物体系的平衡问题是静力学理论的综合应用，它的求解是以单个刚体平衡问题求解为基础的。在§3-3节中讨论平面一般力系平衡方程应用时，实际上是针对单个刚体的平衡问题的。求解单个刚体平衡问题的

步骤为：(1)正确选择研究对象；(2)解除约束作受力分析，绘制受力图；(3)根据力系的类别选用平衡方程。鉴于求解物体系的平衡问题是以单个刚体平衡问题为基础，故求解物体系平衡问题，只需注意物体系平衡问题的特点，仍采用求解单个刚体的平衡问题的基本步骤。物体系平衡问题的特点就是从物体系中选取若干研究对象。研究对象的选择视问题性质而定，要选择适当、要合理排列出所取研究对象的顺序，以利于求解简捷。

小结：在这一节中让学生学会解决平面一般力系作用下单个刚体或物体系的平衡问题的途径

作业布置：习题与思考题

导课：在上面我们已经学习了力的各种方式的计算状况，我们没有考虑摩擦之后的状况，现在我们进一步加上摩擦之后来看看物系的状况。

§3-4

有摩擦的平衡问题

一、滑动摩擦

任何物体的表面都不会是完全光滑的，其表面凹凸不

平，加之接触面材料分子的凝聚作用，当两物体沿接触面有相对滑动趋势或相对滑动时，两物体在接触面处将会出现一定的阻力，以阻碍其滑动。这种现象称为滑动摩擦现象，而阻碍该两物体间相对滑动的阻力称为滑动摩擦阻力，简称摩擦力。

摩擦按其接触表面的性质可分为干摩擦和湿摩擦。干摩擦系固体与固体表面之间出现的摩擦现象；湿摩擦系流体与流体或流体与固体之间出现的摩擦现象。摩擦按其接触物体间的运动方式可分为滑动摩擦和滚动摩擦。

（一）、静滑动摩擦力

当物体接触表面间有相对滑动趋势但仍保持相对静止时，沿接触点公切面产生的切向阻力，物为静滑动摩擦力，简称静摩擦力，记作F。

它是反映最大静摩擦力规律的静滑动摩擦定律，又称库仑摩擦定律。其物理意义为：静摩擦力的最大值与两物体接触点处公切面的法向反力(或物体间的正压力)的大小成正比。式中f为静摩擦系数，它决定于接触物质和表面的性质(表面的硬度、表面加工的粗细程度、湿度、温度以及

污染的程度)。

（二）、动滑动摩擦力

两物体的接触表面已有相对滑动时，沿接触表面产生的切向阻力，称为动滑动摩擦力，简称动摩擦力。 实践和实验结果表明动摩擦现象的基本规律是动摩擦力的方向沿接触面的切向，与相对滑动的方向相反，其大小与接触面的法向压力值成正比，即

式中f′为一无量纲的正数，称为动摩擦系数。

（三）、摩擦角和自锁现象

1.摩擦角

摩擦角是讨论有关摩擦问题的一个重要概念。在涉及摩擦的问题中，支承面给物体的约束反力是法向反力N和切向反力即摩擦力F的合力R(图5-1(a))，即

R=N+F 则R被称为接触面给物体的约束全反力。约束全反力的方向与接触面法线之间的夹角为，则

当物体处于静止的临界状态时，摩擦力F达到最大值Fmax，此时，接触面给物体的约束全反力R为

R=N+Fmax R与N之间的夹角

达到最大值

m，称

m为摩擦角(图5-1(b))。因

Fmax=fN

由(5-3)式可知

即摩擦角的正切等于静摩擦系数。偏离接触面公法线的最大角度。就给定。2.自锁现象

当作用于物体上的所有主动力的合力Q作用线在摩擦

m之内时，无论合力Q多大，物体必保持其静止平衡状态(图5-3(a))。这类现象称之为自锁现象。由于发生自锁现象时，α角只能小于或等于

这个条件，称之为自锁条件。

（四）、考虑摩擦时的平衡问题

求解考虑摩擦时物体的平衡问题与求解不计摩擦时物体的平衡问题，其基本方法相同。不同之处是分析物体受力状态时，必须考虑摩擦力。静摩擦力F在求解中往往

m系约束全反力Rm给定，摩擦系数也

m角，因此，都是待求量，它始终满足关系式

F≢fN 当F=Fmax时，物体处于静止而又濒临运动的临界状态； 当F＜Fmax时，表明主动力在一定范围内变动，物体仍保持静止状态。这种变动范围称为平衡范围。

可见，有摩擦的平衡问题不外乎是求解非临界状态的静平衡问题、静平衡处于临界状态的平衡问题和平衡范围问题。

小结：在这一章中我们要学习

（1）力系简化的主要依据是力的平移定理（2）平面力系向一点简化的结果（3）平面任意力系的平衡方程的三种形式（4）平面特殊力系的平衡方程（5）求解物系平衡问题的注意点

（6）求解考虑摩擦时的平衡问题，可将滑动摩擦力作为未知约束力对待。作业布置：习题与思考题

导课：在上面一章中我们已经学习了平面力系的一切平衡方程，下面我们进一步深入学习力系在空间的应用状况。进一步学习空间状况的力系解决问题。

第四章

空间一般力系

重心

在空间任意分布的力所构成的力系称为空间一般力系，简称空间力系。

§4.1

力矩关系定理

一、空间力对轴的矩 1.空间力对轴的矩的定义

空间力对轴的矩是力使刚体绕该轴转动效果的度量，为一个代数量，其绝对值等于力在垂直于该转轴的平面上的投影Fxy对于这平面与该轴的交点之矩。

2.空间力对轴之矩的解析式 设若考虑力对z轴的矩，则有

二、力矩关系定理

空间力F对点之矩矢在直角坐标系O-xyz三坐标轴上投影的解析式

将上面所讨论的力对轴之矩的解析式(4-2)，(4-3)和(4-4)三式与(4-5)式比较得

即：力对点之矩在通过该点的坐标轴上的投影，等于力对该轴之矩。这就是力对点之矩与力对通过该点的轴之矩的关系。这个关系称为力矩关系定理。若力对通过点O的直角坐标轴x，y，z之矩为已知时，则可求出该力对点O之矩的大小和方向，即

式中α，β，γ分别为对点之矩矢mO（F）与x轴、y轴、z轴之间的夹角。

应明确：由于坐标原点和坐标轴的选择是任意的，因此，力矩关系定理可另表述为：力对已知点A之矩矢在通过此点之任意轴AB上的投影等于力对该轴的矩。设uAB表示沿AB轴向的单位矢量。按上述表述，则可表示为下述数学表达式，即

式中mA(F)·uAB表示矢量mA(F)在AB轴上的投影。

§4-2

空间一般力系的平衡方程及其应用

一、空间一般力系的简化

若对空间汇交力系和空间附加力偶系的力偶矩分别运用力的多边形法和合力偶矩定理求和，可得一单力R′和一力偶矩MO，其矢量表达式为

图4-5

力R′称为原力系的主矢，MO称为原力系对O点的主矩，O点称为力系的简化中心。

R′和MO在实际计算中，多采用解析式。设过简化中心O作一直角坐标系，它们在三个直角坐标轴上的投影分别为

将(4-14)式与力矩关系定理(4-6)，(4-7)，(4-8)比较，则有关系式

二、空间一般力系的平衡方程

由(4-11)和(4-12)式可知，空间一般力系向简化中心O点简化后，其主矢、主矩均为零，这表明该空间一般力系处于平衡。故

为空间一般力系平衡的充要条件。 空间一般力系的平衡条件的解析式为

方程组(4-17)和(4-18)称之为空间一般力系的平衡方程。其物理意义为空间一般力系平衡的充要条件是力系中诸力在直角坐标系各轴上的投影之和为零，对各轴之矩的代数 45 和也为零。

对于平面一般力系，若力系作用平面为O-xy平面，显然，力在Oz轴上的投影都为零，力系中诸力对Ox轴、Oy轴之矩也都为零。无论平面力系平衡与否，均有方程∑Z≡0，∑mx(F)≡0以及∑my(F)≡0。于是由(4-17)，(4-18)两式可知，对于平面一般力系的有效平衡方程为

对于平面平行力系，若令O-xyz系中Oz轴平行于该力系的诸力，则该力系中诸力对Ox轴和Oy轴上的投影以及诸力对Oz轴之矩均为零，则无论力系平衡与否，都有∑X≡0，∑Y≡0以及∑mz(F)≡0。于是，由方程(4-17)，(4-18)可知，对于空间平行力系的有效平衡方程为

三、空间一般力系平衡方程的应用举例

例4-3

一起重机正在起吊一质量为2 t的重物(图

4-6(a))，A处为球形铰链。求当重物在图示位置时A处约束反力及缆风绳BD，BE中的拉力。不计桅杆AB、吊杆AC以及钢丝绳的自重。尺寸如图所示，单位为m。

解：选择起重机ABC机架为研究对象，解除约束，作受力分析，其受力图如图4-6(b)。球形铰链A的约束反力的方向不定，但可用NAx，NAy，NAz三个分力表示，其指向如图所示。当重物处于平衡时，钢丝绳所受之张力T的大小为

T=2×9.81 kN=19.62 kN 现选坐标轴如图所示。此时，z轴将与5个未知力相交，而x轴、y轴则各与3个未知力相交。从图可知∠BAC=60°，且缆风绳长为

按力的可传性，可将拉力T1，T2沿其作用线

分别移至D点和E点。列平衡方程有

先由(4)式、(5)式解 T1=8.06 kN，T2=23.2 kN 将它们分别代入(1)式、(2)式、(3)式，则得

§4-3

重

心

寻求物体的重心，实质上是寻找平行力系的合力作用点的问题。

一、平行力系中心

图4-9

凡具有合力的平行力系中各力，当绕其作用点均按相同方向任意转过相同角度时，合力作用线始终通过某一确定点。这个确定点就称为该平行力系的中心。简称平行力系中心。

二、重心的位置坐标公式

图4-10

设物体的重心在C点，其坐标为(xC，yC，zC)。根据合力矩定理mO(R)=∑mO(F)，其矢量投影式有

重心C的位置坐标公式为

设若将物体无限细分，即小微体的数目n→∞，而微体体积ΔVi→0，则按微积分理论，对(4-25)取极限，则可精确确定物体重心C的位置坐标，有

三、匀质物体的重心 1.体积的形心

设若物体为匀质物体，则被分割的各微体所受重力为pi=γΔVi，代入(4-26)式中去，得

第五篇：工程力学

飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一。航空航天材料科学是材料科学中富有开拓性的一个分支。飞行器的设计不断地向材料科学提出新的课题，推动航空航天材料科学向前发展；各种新材料的出现也给飞行器的设计提供新的可能性，极大地促进了航空航天技术的发展。

航空航天材料的进展取决于下列3个因素:①材料科学理论的新发现：例如，铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展；高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。②材料加工工艺的进展：例如，古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术，从而使高性能的叶片材料得到实际应用；复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使复合材料具有“可设计性”，并为它的应用开拓了广阔的前景；热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件，如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。③材料性能测试与无损检测技术的进步：现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构；材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱，而且无损检测技术也有了飞速的进步。材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息，为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据，为生产提供保证产品质量的检测手段。一种新型航空航天材料只有在这三个方面都已经发展到成熟阶段，才有可能应用于飞行器上。因此，世界各国都把航空航天材料放在优先发展的地位。中国在50年代就创建了北京航空材料研究所和北京航天材料工艺研究所，从事航空航天材料的应用研究。

简况 18世纪60年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、冶金工业、机器制造工业得到很大的发展，从而结束了人类只能利用自然材料向天空挑战的时代。1903年美国莱特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机,当时使用的材料有木材(占47％),钢（占35％）和布（占18％）,飞机的飞行速度只有16公里/时。1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，使制造全金属结构的飞机成为可能。40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了600公里/时。在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机的性能大幅度提高,最大飞行速度达到了3倍音速。40年代初期出现的德国 V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功，解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。60年代以来,航空航天材料性能的不断提高,一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。返回型航天器和航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加热过程，但加热速度较慢，热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。

分类 飞行器发展到80年代已成为机械加电子的高度一体化的产品。它要求使用品种繁多的、具有先进性能的结构材料和具有电、光、热和磁等多种性能的功能材料。航空航天材料按材料的使用对象不同可分为飞机材料、航空发动机材料、火箭和导弹材料和航天器材料等；按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。

材料应具备的条件 用航空航天材料制造的许多零件往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作，有的则受到重量和容纳空间的限制，需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能，有的需要在大气层中或外层空间长期运行，不可能停机检查或更换零件，因而要有极高的可靠性和质量保证。不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。

高的比强度和比刚度 对飞行器材料的基本要求是：材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂的消耗。比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的重要参数：

比强度＝/

比刚度＝/式中[kg2][kg2]为材料的强度，为材料的弹性模量，为材料的比重。

飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷，因此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。

优良的耐高低温性能 飞行器所经受的高温环境是空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照造成的。航空器要长时间在空气中飞行，有的飞行速度高达3倍音速,所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度，在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。火箭发动机燃气温度可达3000[2oc]以上，喷射速度可达十余个马赫数，而且固体火箭燃气中还夹杂有固体粒子，弹道导弹头部在再入大气层时速度高达20个马赫数以上，温度高达上万摄氏度，有时还会受到粒子云的侵蚀，因此在航天技术领域中所涉及的高温环境往往同时包括高温高速气流和粒子的冲刷。在这种条件下需要利用材料所具有的熔解热、蒸发热、升华热、分解热、化合热以及高温粘性等物理性能来设计高温耐烧蚀材料和发冷却材料以满足高温环境的要求。太阳辐照会造成在外层空间运行的卫星和飞船表面温度的交变，一般采用温控涂层和隔热材料来解决。低温环境的形成来自大自然和低温推进剂。飞机在同温层以亚音速飞行时表面温度会降到-50[2oc]左右,极圈以内各地域的严冬会使机场环境温度下降到-40[2oc]以下。在这种环境下要求金属构件或橡胶轮胎不产生脆化现象。液体火箭使用液氧(沸点为-183[2oc])和液氢(沸点为-253[2oc])作推进剂，这为材料提出了更严峻的环境条件。部分金属材料和绝大多数高分子材料在这种条件下都会变脆。通过发展或选择合适的材料，如纯铝和铝合金、钛合金、低温钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和全氟聚醚等，才能解决超低温下结构承受载荷的能力和密封等问题。

耐老化和耐腐蚀 各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。

适应空间环境 空间环境对材料的作用主要表现为高真空(1.33×10[55-1]帕)和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，出现“冷焊”现象；非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化，有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积

而被污染，密封结构因老化而失效。航天材料一般是通过地面模拟试验来选择和发展的，以求适应于空间环境。

寿命和安全 为了减轻飞行器的结构重量，选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命，被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器，人们力求把材料性能发挥到极限程度。为了充分利用材料强度并保证安全，对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”。这就要求材料不但具有高的比强度，而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据，并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命，以此作为设计、生产和使用的重要依据。对于有机非金属材料则要求进行自然老化和人工加速老化试验，确定其寿命的保险期。复合材料的破损模式、寿命和安全也是一项重要的研究课题。