剛度、強(qiáng)度淺論

1、河南工程學(xué)院機(jī)械原理考查課專(zhuān)業(yè)論文淺談強(qiáng)度、剛度的關(guān)系學(xué) 號(hào)： 201510310117 學(xué)生姓名： 胡鵬飛 學(xué) 院： 紡織學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 紡織工程1541 專(zhuān)業(yè)課程： 機(jī)械原理 任課教師： 耿國(guó)強(qiáng) 201 6 年 06月 06 日目錄摘要4前言5淺論強(qiáng)度，剛度極其關(guān)系51剛度51.1介紹51.2結(jié)構(gòu)的靜剛度與動(dòng)剛度61.3結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算公式61.4彈性模量72強(qiáng)度82.1力學(xué)術(shù)語(yǔ)83強(qiáng)度與剛度的區(qū)別 84結(jié)語(yǔ)9參考文獻(xiàn)9摘要通過(guò)對(duì)強(qiáng)度和剛度的剖析，指出材料選擇的兩難性、軸的結(jié)構(gòu)及加工工藝的先天不足性、軸上零件位置及其結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度與剛度造成的影響，并對(duì)影響強(qiáng)度與剛度的原因進(jìn)行了分析，從不同角度入

2、手，尋求提高強(qiáng)度與剛度的措施和途徑，為同類(lèi)產(chǎn)品及同行們提供可借鑒的工藝途徑和解決問(wèn)題的思路。 關(guān)鍵字：剛度、強(qiáng)度、材料選擇；前言剛度和強(qiáng)度在機(jī)械中是不可忽視的重要參量，對(duì)人們?cè)诩庸や撹F制造設(shè)備方面有著不可忽視的力量；因此，正確的了解剛度和強(qiáng)度，及其存在的密切聯(lián)系，對(duì)我們至關(guān)重要。淺論強(qiáng)度，剛度極其關(guān)系1剛度剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。是材料彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量E來(lái)衡量。在宏觀彈性范圍內(nèi)，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力。它的倒數(shù)稱(chēng)為柔度，即單位力引起的位移。剛度可分為靜剛度和動(dòng)剛度。1.1介紹 剛度是使物體產(chǎn)生單位變形所

3、需的外力值。剛度與物體的材料性質(zhì)、幾何形狀、邊界支持情況以及外力作用形式有關(guān)。材料的彈性模量和剪切模量（見(jiàn)材料的力學(xué)性能）越大，則剛度越大。細(xì)桿和薄板在受側(cè)向外力作用時(shí)剛度很小，但細(xì)桿和薄板如果組合得當(dāng)，邊界支持合理，使桿只承受軸向力，板只承受平面內(nèi)的力，則它們也能具有較大的剛度。 在自然界，動(dòng)物和植物都需要有足夠的剛度以維持其外形。在工程上，有些機(jī)械、橋梁、建筑物、飛行器和艦船就因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛度不夠而出現(xiàn)失穩(wěn)，或在流場(chǎng)中發(fā)生顫振等災(zāi)難性事故。因此在設(shè)計(jì)中，必須按規(guī)范要求確保結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。但對(duì)剛度的要求不是絕對(duì)的，例如，彈簧秤中彈簧的剛度就取決于被稱(chēng)物體的重量范圍，而纜繩則要求在保證足夠強(qiáng)度的

4、基礎(chǔ)上適當(dāng)減小剛度。研究剛度的重要意義還在于，通過(guò)分析物體各部分的剛度，可以確定物體內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變分布，這也是固體力學(xué)的基本研究方法之一。1.2結(jié)構(gòu)的靜剛度與動(dòng)剛度 靜載荷下抵抗變形的能力稱(chēng)為靜剛度。動(dòng)載荷下抵抗變形的能力稱(chēng)為動(dòng)剛度，即引起單位振幅所需的動(dòng)態(tài)力。如果干擾力變化很慢（即干擾力的頻率遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的固有頻率），動(dòng)剛度與靜剛度基本相同。干擾力變化極快（即干擾力的頻率遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)），結(jié)構(gòu)變形比較小，即動(dòng)剛度比較大。當(dāng)干擾力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時(shí),有共振現(xiàn)象,此時(shí)動(dòng)剛度最小，即最易變形，其動(dòng)變形可達(dá)靜載變形的幾倍乃至十幾倍。 構(gòu)件變形常影響構(gòu)件的工作，例如齒輪軸的過(guò)度變形會(huì)

5、影響齒輪嚙合狀況，機(jī)床變形過(guò)大會(huì)降低加工精度等。影響剛度的因素是材料的彈性模量和結(jié)構(gòu)形式，改變結(jié)構(gòu)形式對(duì)剛度有顯著影響。剛度計(jì)算是振動(dòng)理論和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。在質(zhì)量不變的情況下，剛度大則固有頻率高。靜不定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與各部分的剛度比例有關(guān)。在斷裂力學(xué)分析中，含裂紋構(gòu)件的應(yīng)力強(qiáng)度因子可根據(jù)柔度求得。1.3結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算公式 一個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度（k）是指彈性體抵抗變形拉伸的能力。計(jì)算公式：k=P/P是作用于結(jié)構(gòu)的恒力，是由于力而產(chǎn)生的形變。剛度的國(guó)際單位是牛頓每米（N/m）。轉(zhuǎn)動(dòng)剛度（Rotational stiffness）編輯轉(zhuǎn)動(dòng)剛度（k）為：k=M/其中，M為施加的力矩，為旋轉(zhuǎn)角度。轉(zhuǎn)動(dòng)剛度

6、的國(guó)際單位為牛米每弧度。轉(zhuǎn)動(dòng)剛度還有一個(gè)常用的單位為英寸磅每度。其他的剛度包括：拉壓剛度（Tension and compressionstiffness）軸力比軸向線(xiàn)應(yīng)變（EA)剪切剛度（shear stiffness）剪切力比剪切應(yīng)變(GA)扭轉(zhuǎn)剛度（torsional stiffness)扭矩比扭應(yīng)變(GI)彎曲剛度（bending stiffness）彎矩比曲率（EI）1.4彈性模量 一般來(lái)說(shuō)，剛度和彈性模量是不一樣的。彈性模量是物質(zhì)組分的性質(zhì)；而剛度是結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。也就是說(shuō)，彈性模量是物質(zhì)微觀的性質(zhì)，而剛度是物質(zhì)宏觀的性質(zhì)。材料力學(xué)中，彈性模量與相應(yīng)截面幾何性質(zhì)的乘積表示為各類(lèi)剛度，如

7、GI為扭轉(zhuǎn)剛度，EI為彎曲剛度，EA為拉壓剛度2強(qiáng)度 力學(xué)上，材料在外力作用下抵抗破壞（變形和斷裂）的能力稱(chēng)為強(qiáng)度。強(qiáng)度是機(jī)械零部件首先應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求。2.1力學(xué)術(shù)語(yǔ) 在外力作用下，材料或結(jié)構(gòu)抵抗破壞（永久變形和斷裂）的能力。按所抵抗外力的作用形式可分為：抵抗靜態(tài)外力的靜強(qiáng)度，抵抗沖擊外力的沖擊強(qiáng)度，抵抗交變外力的疲勞強(qiáng)度等；按環(huán)境溫度可分為：常溫下抵抗外力的常溫強(qiáng)度，高溫或低溫下抵抗外力的熱(高溫)強(qiáng)度或冷(低溫)強(qiáng)度等。按外力作用的性質(zhì)不同，主要有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等，工程常用的是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，這兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)可通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)出。強(qiáng)度是指零件承受載荷后抵抗發(fā)生斷裂

8、或超過(guò)容許限度的殘余變形的能力。也就是說(shuō)，強(qiáng)度是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標(biāo)。強(qiáng)度是機(jī)械零部件首先應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求。機(jī)械零件的強(qiáng)度一般可以分為靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度（彎曲疲勞和接觸疲勞等）、斷裂強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、高溫和低溫強(qiáng)度、在腐蝕條件下的耐腐蝕強(qiáng)度、膠合強(qiáng)度等項(xiàng)目。強(qiáng)度的試驗(yàn)研究是綜合性的研究，主要是通過(guò)其應(yīng)力狀態(tài)來(lái)研究零部件的受力狀況以及預(yù)測(cè)破壞失效的條件和時(shí)機(jī)。某種材料的強(qiáng)度可由這種材料制成的標(biāo)準(zhǔn)試件作單向載荷(拉伸、壓縮、剪切等)試驗(yàn)確定。從開(kāi)始加載到破壞的整個(gè)過(guò)程中，試件截面所經(jīng)受的最大應(yīng)力就反映出材料的強(qiáng)度，通常稱(chēng)為材料的極限強(qiáng)度。 具有復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)，例如桿系、

9、板、殼體、薄壁系統(tǒng)等工程結(jié)構(gòu)以及自然界中的生物體結(jié)構(gòu)等，它們的強(qiáng)度是指這些結(jié)構(gòu)的極限承載能力。這種能力不僅與結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)的幾何形狀、外力的作用形式等有關(guān)。強(qiáng)度問(wèn)題十分重要，許多房屋、橋梁、堤壩等的倒塌，飛機(jī)、航天飛船的墜毀都是由于強(qiáng)度不夠而造成的。所以在工程設(shè)計(jì)中，強(qiáng)度問(wèn)題常列為最重要的問(wèn)題之一。為了確保強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，必須在給定的環(huán)境（如外力和溫度）下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算或強(qiáng)度試驗(yàn)。強(qiáng)度計(jì)算是指計(jì)算出材料或結(jié)構(gòu)在給定環(huán)境下的應(yīng)力和應(yīng)變，并根據(jù)強(qiáng)度理論確定材料或結(jié)構(gòu)是否破壞；強(qiáng)度試驗(yàn)是指在模擬環(huán)境中檢驗(yàn)材料或結(jié)構(gòu)是否破壞1 。3強(qiáng)度與剛度的區(qū)別 從工程力學(xué)的角度上講： 強(qiáng)度是指某

10、種材料抵抗破壞的能力，即材料破壞時(shí)所需要的應(yīng)力。一般只是針對(duì)材料而言的。它的大小與材料本身的性質(zhì)及受力形式有關(guān)。如某種材料的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度是指這種材料在單位面積上能承受的最大拉力、剪力，與材料的形狀無(wú)關(guān)。 剛度指某種構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，即引起單位變形時(shí)所需要的應(yīng)力。一般是針對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)而言的。它的大小不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的截面和形狀有關(guān)。 不同類(lèi)型的剛度其表達(dá)式也是不同的，如截面剛度是指截面抵抗變形的能力，表達(dá)式為材料彈性模量或剪切模量和相應(yīng)的截面慣性矩或截面面積的乘積。其中截面拉伸（壓縮）剛度的表達(dá)式為材料彈性模量和截面面積的乘積；截面彎曲剛度為材料彈性模量和

11、截面慣性矩的乘積等等。 構(gòu)件剛度是指構(gòu)件抵抗變形的能力，其表達(dá)式為施加于構(gòu)件上的作用所引起的內(nèi)力與其相應(yīng)的構(gòu)件變形的比值。其中構(gòu)件抗彎剛度其表達(dá)式為施加在受彎構(gòu)件上的彎矩與其引起變形的曲率變化量的比值；構(gòu)件抗剪剛度為施加在受剪構(gòu)件上的剪力與其引起變形的正交夾角變化量的比值。而結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度則指結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向變形的能力，為施加于結(jié)構(gòu)上的水平力與其引起的水平位移的比值等等。 當(dāng)然，也可以將材料的彈性模量或變形模量理解為材料的剛度。 強(qiáng)度:其法定單位是：牛/平方毫米（N/mm2），即金屬單位面積上所能承受的力的大小。指金屬材料抵抗外力破壞作用的能力?？煞譃椋嚎估瓘?qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。剛度：

12、即硬度，指材料抵抗硬的物體壓入自己表面的能力。其按測(cè)定方法不同可用洛氏（HR）硬度、表面洛氏（HR）硬度、維氏（HV）硬度、布氏（HB）硬度來(lái)衡量其大小，但均沒(méi)單位。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能 力。硬度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。硬度試驗(yàn)根據(jù)其測(cè)試方法的不同可分為靜壓法(如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等)、劃痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及顯微硬度、高溫硬度等多種方法。4結(jié)語(yǔ) 經(jīng)過(guò)本次研究學(xué)習(xí)，我了解了更多的關(guān)于剛度、硬度的知識(shí)，清楚來(lái)的明白了兩者關(guān)系，收獲很大。 參