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与力学要求有关的12条结构设计准则

未知 2019-07-04 15:11

结构设计准则:

1)均匀受载准则:

尽量避免集中载荷,尽可能地将载荷分散在结构上,均匀分布最为理想。

结构的强度取决于结构中的最大应力,可见,使结构受载均匀能达到提高其强度即承载能力的目的。

2)力流(类比水的流动)最短路径准则:

力流最重要的特征是:力流优先走较短路径,更确切地说优先走刚度最大的路径。

保证力流的路径较短,通常也可起到提高强度的目的,因此,力流路径越接近直线,力所引起的附加弯矩越小,对应的弯曲应力也就越小,力线的直线形状是最理想的受力状态,力线偏离直线形状越利害,应力增加得越大。

力流最短路径准则,即要求力从其作用点(力的入口)到结构支撑点(力的出口)的距离尽可能的短。

相关工程应用实例:

1)齿轮轴上的齿轮,当结构设计容许时,应尽可能靠近轴承安装;

2)车间行车要超载使用时,若尽量靠近轨道处起吊,则可使起重量增加一倍;

3)承受均布载荷的简支梁,若把两端的支座向里移动0.2L,则最大弯矩仅为前者的20%,这样讲结构的承载能力一下提高了5倍。

3)降低缺口效应准则:

缺口如:孔、槽、螺纹、台肩等,这些外形突变进而引起力流突变处,应力急剧上升,这种现象称为缺口效应。

截面尺寸变化越急剧,缺口顶部倒角越小,缺口效应越强。

缺口效应不仅和缺口的几何形状有关,也和构件的受力状况有关,因为缺口效应的根本原因是由于力流被迫急剧改变其原来路径,从而因力流抢近道引起在近道局部力线拥挤,即应力水平上升。

缺口效应的特点是局部性的,在静载作用下,塑性材料因为具有屈服阶段,对缺口效应不敏感,脆性材料将易引起断裂。

减少缺口效应的方法:

1)避免外形突变;

2)降低缺口附件的刚度;

3)避免力流截面突然变小;

4)加预压内应力;

5)避免力流突然转弯;

4)变形协调准则:

应力集中不仅出现在一个构件内部的缺口处,也可能出现在两个不同构件的接触处,当一个构件和另一个构件在接触处难以同步变形时,应力会急剧上升,这种变形越不协调,应力集中就越严重。

在接触处降低构件在力流方向上的刚度,以便减少对另一构件变形的阻碍,尽量使两构件变形同步,此即为变形协调准则。

5)等强度准则:

构件设计中的强度要求是通过结构中最大工作应力等于或小于材料需用应力来满足的,这样最大工作应力截面以外的地方的应力都未达到许用值,材料未得到充分利用,造成材料的浪费,构件的笨重,高速运动的笨重构件还多耗能。

最理想的构件设计是应力处处相等,同时达到材料的许用值,此即为等强度准则。

工程中大量出现的变截面梁就是按照等强度准则而设计的。

工程实例:

1)摇臂钻的横臂;

2)汽车用的板簧;

3)阶梯轴;

按照等强度准则设计构件时的注意要点:

1)要方便制造,严格按等强度准则设计的构件的形状通常很复杂,不便于制造,也不一定能满足结构上的要求,所以实际中往往制成与等强度构件形状相近的构件;

2)要注意次要载荷的影响,而在一般设计时,它是可忽略不计的。

例如:按等强度准则设计悬臂梁截面时,仅考虑弯矩的作用是不够的,若这样在自由端,截面积应为零,显然不能满足剪应力强度条件,故应按照切应力强度条件确定自由端附近的截面高度。

6)附加力自平衡准则:

力自平衡的措施主要有两种:平衡件和对称安置。

7)空心截面准则:

弯曲应力或扭转应力在横截面上都是越远离中心越大,而在横截面中心很小,为了让材料的到充分利用,应尽量将材料放在原理横截面中心处,使其成为空心结构,从而可提高构件的强度和刚度,这就是空心截面准则。

工程实例:

1)汽车传动轴,强度相同时,实心轴与空心轴质量之比为3,可见,采用空心轴可以节省大量材料,减轻自质量。

2)截面积相等,但抗弯和抗扭刚度不同的截面形状。

空心结构的壁厚不能太薄,否则容易发生局部皱折而丧失其承载能力。

8)受扭截面封闭准则:

受扭转作用的薄壁构件的截面应尽量避免制成开口形状(开口结构,抗扭刚度低。),否则,将大大降低其抗扭转能力。

型钢基本属于薄壁开口构件,用于抗扭情况时,应将其加钢板封闭或成对使用,保证横截面封闭。

在实际中,出于其他考虑,有时也使用开口薄壁结构作受扭构件,如卡车底盘,它由两槽钢通过横板连接而组成,这时应特别注意横板的连接方式。

9)最佳着力点准则:

着力点的位置也会影响构件的承载能力。

(1)当弯曲梁上的集中力矢量不经过横截面上的扭转中心时,会产生附加转矩,因此,这种情况应尽量避免,对称横截面的扭转中心就在其对称面上,横截面非对称型钢的扭转中心可查型钢几何性质表,很多型钢的扭转中心在横截面以外,因此,要使这些型钢处于仅受弯曲的状态,必须加附件或成对使用,使力矢量经过横截面上的扭转中心。

(2)多个力同时作用的结点,应尽量使各力矢量交汇于一处,这样可避免附加的弯矩,从而减低应力水平。

10)受冲击载荷结构柔性准则:

通常,构件越笨实,其刚度越大,强度越高,但这不尽然,受冲击载荷作用的结构,有时刚度增加反而导致其强度下降,这是因为,冲击载荷随着结构刚度的增加也增大。

工程应用实例:

砂轮在突然刹车时,轴受冲击扭矩,加大轴的长度,其扭转刚度下降,因冲击扭矩随之也下降,所以,轴的抗剪强度反而上升。

为了提高构件的抗冲击能力,应降低系统的刚度,加大其柔性,此即为受冲击载荷结构柔性准则。

具体措施有:

(1)增加等截面杆的长度。如气缸盖螺栓;

(2)避免截面突变。对于螺栓为保证其等截面,常将光杆部分的直径制成与螺纹的内径相等,或在螺杆内钻孔。

(3)安装缓冲器,以吸收冲击系统的能量。

(4)选用弹性模量小的材料。如,木结构比钢结构抗冲击能力强。

11)避免长压杆失稳准则:

金属构件就其材料的力学性能而言,受压时比受拉时更安全,至少同样安全。

铸铁的屈服点及其伸长率受压时都比受拉时高,有时高达4~5倍。其他脆性材料的力学性能亦相似,但是金属构件受压时并非总比受拉时更安全。

因为其承载能力不仅取决于结构的材料还取决于其形状。

机械中有许多细长压杆,例如千斤顶的螺杆,内燃机的连杆和车床的丝杆等,这些细长构件都不能按强度条件设计。

提高压杆的稳定性,具体措施有:

(1)加大截面惯性矩。失稳破坏表现为弯曲破坏,尽量将材料放在外缘。

(2)减少压杆长度。若工作条件不允许,可采用增加中间支撑的办法。

(3)加强支承的约束性。压杆与其它构件联接时,应尽可能作成刚性连接或采用较紧密的配合。

(4)截面形状和约束方式的最优组合。

压杆总是在刚度小的纵向平面内失稳,所以,应使各个纵向平面内的刚度相同或接近,当压杆两端的支承是固定端或球铰链时,采用圆形或方形较合理,当压杆两端的支承是柱铰链时,则宜采用矩形或工字形截面。

(5)合理选择材料。对于处于弹塑性阶段的中小柔度杆,采用高强度钢制造,可以提高其稳定性;对于大柔度杆,用高强度钢不能提高其稳定性,所以应采用经济的普通钢。

12)热变形自由准则:

金属构件具有热胀冷缩的特点,当热变形受限制时,则产生热应力,通过加大构件横截面尺寸的方法不能达到减低热应力的目的。(安装和使用温度不同)

减低热应力的根本措施是尽量保证热变形的自由。

工程应用实例:

管道布局时,将管道做成弯的,或在中间加膨胀节。

轴的支承端,留出变形间隙。

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来源:非标机械设计学习分享整理;

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