提高剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則

1、第六節(jié) 提高剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則一、剛度的作用二、決定結(jié)構(gòu)剛度的基本因素三、提高剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則一、剛度的作用 結(jié)構(gòu)(或系統(tǒng))的剛度:在外載荷作用下結(jié)構(gòu)(或系統(tǒng))抵抗其自身變形的能力。 在相同的外載荷作用下,剛度愈大則變形愈小。 剛度也表明結(jié)構(gòu)剛度也表明結(jié)構(gòu)(或系統(tǒng)或系統(tǒng))的工作能力的工作能力: 1)過大的變形會破壞結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的正常工作過大的變形會破壞結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的正常工作,從而可從而可能導(dǎo)致產(chǎn)生過大的應(yīng)力能導(dǎo)致產(chǎn)生過大的應(yīng)力;2)過大的變形也可能破壞載荷的均衡分布過大的變形也可能破壞載荷的均衡分布,使產(chǎn)生大大使產(chǎn)生大大超過正常數(shù)值的局部應(yīng)力超過正常數(shù)值的局部應(yīng)力;EJFlf483max 3)殼

2、體的剛度不夠大,影響安裝在里面的零件的相互作用,增加運(yùn)動副的摩擦與磨損。4)受動載荷作用的固定連接受動載荷作用的固定連接的剛度不夠的剛度不夠,會導(dǎo)致表面會導(dǎo)致表面的摩擦腐蝕、硬化和焊連。的摩擦腐蝕、硬化和焊連。 5)金屬切削機(jī)床的床身及工作機(jī)構(gòu)金屬切削機(jī)床的床身及工作機(jī)構(gòu)的剛度影響機(jī)床的的剛度影響機(jī)床的加工精度。加工精度。在在運(yùn)輸機(jī)械、飛機(jī)、火箭等需要嚴(yán)格限制自身重量運(yùn)輸機(jī)械、飛機(jī)、火箭等需要嚴(yán)格限制自身重量的機(jī)械裝置的機(jī)械裝置中中,剛度更具有重要意義。剛度更具有重要意義。1) 一個零件、一個結(jié)構(gòu)本身的整體剛度;剛度的類型剛度的類型:2)兩相互接觸表面間的兩相互接觸表面間的接觸剛度接觸剛度(如

3、機(jī)床的滑臺與床身如機(jī)床的滑臺與床身導(dǎo)軌、滾動支承中的滾動體與其支承零件之間導(dǎo)軌、滾動支承中的滾動體與其支承零件之間)3)動壓或靜壓滑動軸承的動壓或靜壓滑動軸承的油膜油膜(或氣膜或氣膜)剛度剛度 這些都影響結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的性能和工作能力。這些都影響結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的性能和工作能力。二、決定結(jié)構(gòu)剛度的基本因素 結(jié)構(gòu)剛度決定于下列因素: 1.材料的彈性模量 2.變形體斷面的幾何特征數(shù) 3.變形體的線性尺寸長度l 4.載荷及支承形式EJFlf483max 1.材料的彈性模量 拉、壓和彎曲條件下的彈性模量E 扭轉(zhuǎn)條件下的剪切彈性模量G 彈性模量是材料的固有特性數(shù),工業(yè)用金屬中僅僅W、Mo等有較高的彈性模量。 2.

4、變形體斷面的幾何特征數(shù)變形體斷面的幾何特征數(shù) 拉、壓時為拉、壓時為斷面積斷面積A 彎曲時是彎曲時是斷面的慣性矩斷面的慣性矩J 扭轉(zhuǎn)時是扭轉(zhuǎn)時是斷面的極慣性矩斷面的極慣性矩Jp 斷面的尺寸和形狀對剛度的影響最大。斷面的尺寸和形狀對剛度的影響最大。EJFlf483max 3.變形體的線性尺寸長度l4.載荷及支承形式載荷及支承形式 載荷載荷:集中載荷或分布載荷集中載荷或分布載荷 支承支承:鉸支或插入端等。鉸支或插入端等。材料的選用主要取決于零件的工作條件。因此材料的選用主要取決于零件的工作條件。因此,提高提高剛度最常用的措施是剛度最常用的措施是合理地配置系統(tǒng)的幾何參數(shù)合理地配置系統(tǒng)的幾何參數(shù)。EJF

5、lf483max三、提高剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則 1)用構(gòu)件受拉、壓代替受彎曲準(zhǔn)則2)合理布置受彎曲零件的支承合理布置受彎曲零件的支承,避免對剛度不利的受避免對剛度不利的受載形式準(zhǔn)則載形式準(zhǔn)則3)合理設(shè)計受彎曲零件的斷面形狀合理設(shè)計受彎曲零件的斷面形狀,盡可能大的斷面盡可能大的斷面慣性矩準(zhǔn)則慣性矩準(zhǔn)則4)正確采用肋板以加強(qiáng)剛度正確采用肋板以加強(qiáng)剛度,盡可能使肋板受壓準(zhǔn)則盡可能使肋板受壓準(zhǔn)則5)用預(yù)變形用預(yù)變形(由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的)抵消工作時的受載變形準(zhǔn)則抵消工作時的受載變形準(zhǔn)則1.用拉、壓代替彎曲準(zhǔn)則桿件受彎矩作用:在距中性面遠(yuǎn)的材料纖維中產(chǎn)生大的彎曲應(yīng)力;在中性面處彎曲應(yīng)力為零。大部分的

6、負(fù)荷由靠邊界附近的材料承受;中性面附近相當(dāng)大部分的材料得不到充分利用。桿件受拉伸桿件受拉伸則與此不同則與此不同:若無應(yīng)力集中的影響若無應(yīng)力集中的影響,應(yīng)力基本應(yīng)力基本上均勻分布。材料得到較好的利用。用拉、壓代替彎上均勻分布。材料得到較好的利用。用拉、壓代替彎曲可獲得較高的剛度。曲可獲得較高的剛度。 例:同樣是在距墻壁為l的地方受力F,則桁架在剛度上有明顯的優(yōu)越性。桁架桿與懸臂梁同樣采用桁架桿與懸臂梁同樣采用20mm的圓桿時的圓桿時,桁架桁架F力作力作用點(diǎn)的撓度僅為懸臂梁的用點(diǎn)的撓度僅為懸臂梁的1/9000。若使二者的撓度相等若使二者的撓度相等,懸臂梁的直徑需是桁架直徑的懸臂梁的直徑需是桁架直徑

7、的10倍。倍。 G2/G1是三種結(jié)構(gòu)與桁架重量之比。是三種結(jié)構(gòu)與桁架重量之比。當(dāng)l/d及桁架的角不同時,撓度比與應(yīng)力比如圖所示。從圖中可看出,當(dāng)=4560時,桁架相對于懸臂梁具有最大的剛度。 如圖所示之簡支架(受彎曲)可以用鉸支的三角桁架或弓形梁(受壓縮)代替。 圖示之鑄造支座受橫向力,由結(jié)構(gòu)a改為結(jié)構(gòu)b,輻板則由受彎曲改變?yōu)槭芾?、壓。如圖如圖2-71a所示之薄壁圓柱筒在一端受力所示之薄壁圓柱筒在一端受力F,筒壁受彎曲。筒壁受彎曲。若將圓柱筒改為圖若將圓柱筒改為圖2-71b之錐形筒之錐形筒,上壁受拉上壁受拉,下壁受壓下壁受壓;圖圖2-69之三角桁架之三角桁架,兩側(cè)壁大部分受拉壓兩側(cè)壁大部分受拉

8、壓,且具有較大的且具有較大的慣性矩慣性矩,所以剛度和強(qiáng)度都有明顯增加。所以剛度和強(qiáng)度都有明顯增加。2、合理布置支承準(zhǔn)則 支承條件對零件或系統(tǒng)的剛度有明顯的影響,且常與對彎曲強(qiáng)度的影響同時存在。圖示三種不同支承條件最大彎矩圖示三種不同支承條件最大彎矩Mmax和最大撓度和最大撓度fmax有顯著的差別。有顯著的差別。例例: :肋板的合理布置肋板的合理布置如圖所示的空心矩形梁,在其端部作用集中載荷F1 , 其抗彎慣性矩較大。23、合理設(shè)計斷面形狀準(zhǔn)則、合理設(shè)計斷面形狀準(zhǔn)則而作用力為而作用力為F2方向時方向時,按表抗彎慣按表抗彎慣性矩小很多。性矩小很多。不同截面形狀的慣性矩比較不同截面形狀的慣性矩比較不

9、同截面形狀的慣性矩比較不同截面形狀的慣性矩比較不同截面形狀的慣性矩比較不同截面形狀的慣性矩比較例例: :合理設(shè)計肋的形狀合理設(shè)計肋的形狀 肋的形式主要有兩種,即井字肋與米字肋。模型實驗和計算結(jié)果表明,采用米字肋與采用井字肋的大型零件相比,抗扭剛度高兩倍以上,抗彎剛度相近。合理設(shè)計肋的形狀合理設(shè)計肋的形狀 梁受扭矩時,梁有兩個角向上動,兩個角向下動,各在四邊形的一個對角線的兩端。這對于米字肋的肋板產(chǎn)生彎曲作用這對于米字肋的肋板產(chǎn)生彎曲作用,而對井字肋的肋板而對井字肋的肋板除彎曲外還產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用除彎曲外還產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用,而薄肋板的抗扭剛性較差而薄肋板的抗扭剛性較差,所所以以米字肋的抗扭剛度高米字肋的

10、抗扭剛度高。為了加強(qiáng)空心方形斷面的剛度為了加強(qiáng)空心方形斷面的剛度,可在里面加不同形式的可在里面加不同形式的隔板隔板,表表2-8 。4、用肋或隔板增強(qiáng)剛度準(zhǔn)則 平置矩形斷面梁受彎曲,因斷面的抗彎慣性矩小,所以剛度很低。若必須采用這種,可用肋板加強(qiáng)剛度。除了鎂合金以外除了鎂合金以外,幾乎所有的鑄造材料幾乎所有的鑄造材料,其抗壓強(qiáng)度都明其抗壓強(qiáng)度都明顯高于抗拉強(qiáng)度。所以顯高于抗拉強(qiáng)度。所以,在可能條件下盡量在可能條件下盡量使肋板受壓使肋板受壓縮縮。 這樣做這樣做,肋板起了加強(qiáng)剛度的作用肋板起了加強(qiáng)剛度的作用,同時同時,它本身又有它本身又有較好的強(qiáng)度。較好的強(qiáng)度。 圖2-76給出了平置矩形斷面及加肋矩形斷面的形狀及其各部分的尺寸)1 ()1 (31/280JJ211/00JJWW肋的肋的相對高度相對高度=h/h0和和