提高剛的結(jié)構(gòu)設計準則PPT課件

1、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)(或系統(tǒng))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,從而可能導致產(chǎn)生過大的應力;2)過大的變形也可能破壞載荷的均衡分布,使產(chǎn)生大大超過正常數(shù)值的局部應力;EJFlf483max第1頁/共24頁 3)殼體的剛度不夠大,影響安裝在里面的零件的相互作用,增加運動副的摩擦與磨損。4)受動載荷作用的固定連接的剛度不夠,會導致表面的摩擦腐蝕、硬化和焊連。 5)金屬切削機床的床身及工作機構(gòu)的剛度影響機床的加工精度。在運輸機械、飛機、火箭等需要嚴格限

2、制自身重量的機械裝置中,剛度更具有重要意義。第2頁/共24頁1) 一個零件、一個結(jié)構(gòu)本身的整體剛度;剛度的類型:2)兩相互接觸表面間的接觸剛度(如機床的滑臺與床身導軌、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油膜(或氣膜)剛度 這些都影響結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的性能和工作能力。第3頁/共24頁二、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第4頁/共24頁 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

3、業(yè)用金屬中僅僅W、Mo等有較高的彈性模量。 2.變形體斷面的幾何特征數(shù) 拉、壓時為斷面積A 彎曲時是斷面的慣性矩J 扭轉(zhuǎn)時是斷面的極慣性矩Jp 斷面的尺寸和形狀對剛度的影響最大。EJFlf483max第5頁/共24頁 3.變形體的線性尺寸長度l4.載荷及支承形式 載荷:集中載荷或分布載荷 支承: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,提高剛度最常用的措施是合理地配置系統(tǒng)的幾何參數(shù)。EJFlf483max第6頁/共24頁三、提高剛度的結(jié)構(gòu)設計準則 1)用構(gòu)件受拉、壓代替受彎曲準則2)合理布置受彎曲零件的支承,避免對剛度不利的受載形式準則3)合理設計受彎曲零件的斷面形狀,盡可能大

4、的斷面慣性矩準則4)正確采用肋板以加強剛度,盡可能使肋板受壓準則5)用預變形(由預應力產(chǎn)生的)抵消工作時的受載變形準則第7頁/共24頁1.用拉、壓代替彎曲準則桿件受彎矩作用:在距中性面遠的材料纖維中產(chǎn)生大的彎曲應力;在中性面處彎曲應力為零。大部分的負荷由靠邊界附近的材料承受;中性面附近相當大部分的材料得不到充分利用。桿件受拉伸則與此不同:若無應力集中的影響,應力基本上均勻分布。材料得到較好的利用。用拉、壓代替彎曲可獲得較高的剛度。第8頁/共24頁 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20mm的圓桿時,桁架F力作用點的撓度僅為懸臂梁的1/900

5、0。若使二者的撓度相等,懸臂梁的直徑需是桁架直徑的10倍。 G2/G1是三種結(jié)構(gòu)與桁架重量之比。第9頁/共24頁當l/d及桁架的角不同時,撓度比與應力比如圖所示。從圖中可看出,當=4560時,桁架相對于懸臂梁具有最大的剛度。第10頁/共24頁 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。第11頁/共24頁 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。?2頁/共24頁如圖如圖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,筒壁受彎筒壁受彎曲。曲。若將圓柱筒改為圖2-71b之錐形筒,上壁受拉,下壁受壓;圖2-69之三角桁架

6、,兩側(cè)壁大部分受拉壓,且具有較大的慣性矩,所以剛度和強度都有明顯增加。第13頁/共24頁2、合理布置支承準則 支承條件對零件或系統(tǒng)的剛度有明顯的影響,且常與對彎曲強度的影響同時存在。圖示三種不同支承條件最大彎矩Mmax和最大撓度fmax有顯著的差別。第14頁/共24頁例例: :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、合理設計斷面形狀準則而作用力為F2方向時,按表抗彎慣性矩小很多。第15頁/共24頁不同截面形狀的慣性矩比較不同截面形狀的慣性矩比較第16頁/共24頁不同截面形狀的慣性矩比較不同截面形狀的慣性矩比較第17頁/共24頁不同

7、截面形狀的慣性矩比較不同截面形狀的慣性矩比較第18頁/共24頁例例: :合理設計肋的形狀合理設計肋的形狀 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。第19頁/共24頁合理設計肋的形狀合理設計肋的形狀 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,而對井字肋的肋板除彎曲外還產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用,而薄肋板的抗扭剛性較差,所以米字肋的抗扭剛度高。第20頁/共24頁為了加強空心方形斷面的剛度,可在里面加不同形式的隔板,表2-8 。4、用肋或隔板增強剛度準則 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,可用肋板加強剛度。第21頁/共24頁除了鎂合金以外,幾乎所有的鑄造材料,其抗壓強度都明顯高于抗拉強度。所以,在可能條件下盡量使肋板受壓縮。 這樣做,肋板起了加強剛度的作用,同時,它本身又有較好的強度。第22頁/共24頁 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肋的相對高度