材料力學(xué)在釣竿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用(共9頁(yè))

1、材料力學(xué)(ci lio l xu)在釣竿(diogn)設(shè)計(jì)(shj)中的應(yīng)用柯小麗 本碩131班 5603513037一、摘要 釣竿是我們生活中常見(jiàn)的一種娛樂(lè)工具，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，釣竿的材質(zhì)發(fā)生了革命性的變化，本文就探討了釣竿的最古老的材質(zhì)竹子與最新材質(zhì)碳纖維制作釣竿的優(yōu)勢(shì)。其中竹竿的結(jié)構(gòu)特征使其成為了最佳制作釣竿的天然材料；碳纖維竿在竹竿結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改善材料的綜合性能質(zhì)輕、抗拉強(qiáng)度高等，使其成為目前制作釣竿的最優(yōu)材料二、前言2.1問(wèn)題提出從古至今，垂竿釣魚(yú)一直是人們酷愛(ài)的一項(xiàng)文體活動(dòng)。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，釣竿的材質(zhì)發(fā)生了革命性的變化，即由竹竿發(fā)展到玻璃鋼竿，由玻璃鋼竿正在向碳竿（碳纖維復(fù)

2、合材料）過(guò)渡。以上三種不同材質(zhì)的釣竿有如下性質(zhì)：釣竿材質(zhì)詳情竹竿使用歷史最長(zhǎng)的釣竿，竹竿有單節(jié)和多節(jié)之分，價(jià)格低廉，強(qiáng)度較好，重量重，體積大，竿體不夠平直，彈性較差玻璃纖維竿輕巧結(jié)實(shí)，富有彈性，韌性，美觀大方，竿體挺直，攜帶方便多系內(nèi)藏伸縮式結(jié)構(gòu)，價(jià)格適中碳素纖維竿目前性能最好的釣竿，質(zhì)量更輕，強(qiáng)度更高，耐磨性和耐腐蝕性更好據(jù)我們所知，竹竿上相鄰竹節(jié)間是空心的，新型的碳纖維竿也是空心的，這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度和剛度有何好處呢？是因?yàn)橹褡拥倪@種結(jié)構(gòu)才使得其成為最適合做釣竿的天然材質(zhì)(ci zh)嗎？那么竹竿和碳纖維竿又分別有哪些力學(xué)性質(zhì)呢？ 2.2分析(fnx)問(wèn)題從力學(xué)(l xu)角度看，釣竿應(yīng)具

3、有以下特點(diǎn)：（1）輕；（2）細(xì)而長(zhǎng)，剛而強(qiáng)；重心適當(dāng)；在設(shè)計(jì)釣竿時(shí)，應(yīng)考慮到重量、重心和力矩之間的關(guān)系。挺拔適中；一般要求釣竿在承受負(fù)荷時(shí)垂直（擾度）變換點(diǎn)的位置對(duì)總長(zhǎng)的比例要適中。衰減特性好；碳竿不僅比玻璃鋼竿輕22%，而且對(duì)振動(dòng)的傳遞性能也比它好得多。碳竿可把微妙的魚(yú)信迅速傳遞到垂釣者的手中，且可使釣竿的振幅很快減幅復(fù)原。信賴度高；釣竿的強(qiáng)度可靠性要高，足以把上鉤的魚(yú)拎出水面而竿不斷。此外，釣竿還應(yīng)具備耐疲勞、耐候性等方面的要求。 而材料力學(xué)的任務(wù)就是在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，以最經(jīng)濟(jì)的代價(jià)為構(gòu)件確定合理的形狀和尺寸，選擇適宜的材料，為構(gòu)件設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)的計(jì)算方法。換句話說(shuō)

4、，材料力學(xué)是解決構(gòu)件的安全與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。所謂安全是指構(gòu)件在外力作用下要有足夠的承載能力，即構(gòu)件要滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。所謂經(jīng)濟(jì)是指節(jié)省材料，節(jié)約資金，降低成本。當(dāng)然構(gòu)件安全是第一位的，降低經(jīng)濟(jì)成本是在構(gòu)件安全的前提下而言的。實(shí)際工程問(wèn)題中，構(gòu)件都應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本文以釣竿為研究對(duì)象，研究其材料性能對(duì)可靠度的影響。釣竿(diogn)的力學(xué)分析3.1竹竿(zhgn)傳統(tǒng)(chuntng)的竹竿的破壞形式主要以折斷為主，即屬于彎曲以致竿件受到破壞，根據(jù)材料力學(xué)的彎曲強(qiáng)度理論，彎曲正應(yīng)力是控制強(qiáng)度的主要因素。彎曲強(qiáng)度理論是，因此，要提高竿的強(qiáng)度，除了合理安排受力，降低的數(shù)值以外，主

5、要是采用合理的截面形狀，盡量提高抗彎截面模量W的數(shù)值。而對(duì)于釣竿來(lái)說(shuō)，無(wú)法確定或改變，所以只能通過(guò)增大抗彎截面模量W來(lái)提高彎曲強(qiáng)度。分析可知，竹子分為很多節(jié)，即竹節(jié)，每個(gè)竹節(jié)就相當(dāng)于一個(gè)橫向抗扭箱，抵抗水平方向上的扭矩，在此為方便對(duì)彎曲強(qiáng)度和穩(wěn)定性的分析，特將竹竿等效為薄壁圓筒（忽略中間竹節(jié)的影響），與其他天然材料（等效為等直圓桿）進(jìn)行比較，驗(yàn)證其作為釣竿首選天然材質(zhì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。3.1.1彎曲(wnq)強(qiáng)度分析：實(shí)心(shxn)圓截面和空心圓截面的抗彎截面模量分別是：W實(shí)=(1/32)d 3，W空=(1/32)D3(1-4) ，式中，d是實(shí)心(shxn)桿直徑，D是空心桿外徑，D1是空心桿內(nèi)徑

6、，=D1/D為空心桿內(nèi)外徑之比。當(dāng)空心桿和實(shí)心桿的截面積相同時(shí)1/4d2=1/4（D2-D12）可得d2=D2-D12=(1-2)D2把上式代入實(shí)心(shxn)圓截面的抗彎截面模量 與比較(bjio)可見(jiàn)，空心圓截面的抗彎截面模量比等截面積的實(shí)心(shxn)圓截面的抗彎截面模量大，并且空心圓截面桿的內(nèi)、外直徑的比值越大，其抗彎截面模量越大，抗彎截面模量越大，竿的抗彎強(qiáng)度越高。因此，空心竿比實(shí)心竿的抗彎強(qiáng)度高。例如 = 0.7時(shí)，空心竿是同樣重量的實(shí)心竿的抗彎強(qiáng)度的兩倍，因?yàn)楦图M截面上的任意點(diǎn)處的彎曲正應(yīng)力與該點(diǎn)到中性軸的距離成正比。即竿橫截面上離中性軸越遠(yuǎn)，正應(yīng)力越大，中性軸附近的正應(yīng)力較小

7、，這樣中性軸附近材料的性能未能充分發(fā)揮。為了充分利用材料，應(yīng)盡可能地把材料置放在離中性軸較遠(yuǎn)的地方?？招膱A截面是將實(shí)心圓截面中性軸附近的集中材料移置到離中性軸距離較遠(yuǎn)處，以提高其抗彎強(qiáng)度。撓度和轉(zhuǎn)角是彎曲變形的兩個(gè)基本量，竿件抵抗彎曲變形的能力即為彎曲剛度。撓度和轉(zhuǎn)角與竿件橫截面對(duì)中性軸的慣性矩成反比，即慣性矩越大，彎曲變形越小，彎曲剛度越高。所以增大竿件橫截面對(duì)中性軸的慣性矩，是提高彎曲剛度的有效措施之一。實(shí)心圓截面和空心圓截面對(duì)其中性軸的慣性矩分別是: I實(shí)=/64d4，I空=/64D4（1-4），式中d、D、D1的含義(hny)同前面。當(dāng)空心(kng xn)竿和實(shí)心(shxn)竿的截面積

8、相等時(shí)，空心圓截面比實(shí)心圓截面對(duì)其中性軸的慣性矩大，并且空心圓截面內(nèi)外直徑的比值越大，其對(duì)中性軸的慣性矩越大，慣性矩越大，桿的抗彎剛度越高。因此，空心竿比實(shí)心桿的抗彎剛度要好。竹竿上細(xì)下粗，是變截面竿件。同時(shí)竹竿可看成是軸線鉛垂的懸臂梁。在外荷載作用下，沿竿自上而下各截面的彎矩越來(lái)越大，竹竿底部所受的彎矩最大，所以竹竿下端較受小彎矩的上端粗。竹竿上細(xì)下粗這一特征也是等強(qiáng)度桿的應(yīng)用。竹竿這種上細(xì)下粗的中空結(jié)構(gòu)在滿足其承載能力的前提下，減輕了自重，方便漁民攜帶。3.1.2 穩(wěn)定性分析竹竿的中空結(jié)構(gòu)同時(shí)提高了其穩(wěn)定性，由臨界壓力的歐拉公式:可得截面的慣性矩越大，則臨界壓力越大，又由經(jīng)驗(yàn)公式:cr=a

9、-b可知，柔度越小臨界壓力越高， 可見(jiàn)，提高慣性半徑i的數(shù)值就能減小的數(shù)值。如不增加截面面積，而盡可能把材料放在離截面形心較遠(yuǎn)處，就能取得比較大的I和i，這就等于提高了臨界壓力（臨界應(yīng)力）。空心的環(huán)形截面與實(shí)心圓截面比較，若兩者截面面積相等，環(huán)形截面的慣性矩I和慣性半徑i都比實(shí)心圓截面的大得多。因此，空心桿的穩(wěn)定性比實(shí)心桿的穩(wěn)定性大得多。結(jié)果：竹竿的形態(tài)結(jié)構(gòu)賦予竹竿以高的縱向彎曲強(qiáng)度(qingd)和模量以及細(xì)長(zhǎng)、挺直等性能。因此竹竿的結(jié)構(gòu)是人造竿的楷模3.2碳纖維竿3.2.1碳纖維竿的性能(xngnng)特點(diǎn) 碳纖維竿，也叫碳素竿，是20世紀(jì)90年代我國(guó)生產(chǎn)的一種新型魚(yú)竿。碳纖維竿的主要特點(diǎn)是

10、輕便。同樣長(zhǎng)度的碳纖維竿比玻璃纖維竿幾乎輕一半，一支5米多長(zhǎng)碳纖維竿的重量?jī)H300克左右，竿體也比玻璃纖維竿細(xì)得多。近幾年，碳纖維竿使用巳十分普及，其優(yōu)良的使用性能得到(d do)了大多數(shù)垂釣者的認(rèn)可。 碳纖維竿所用的是高科技材料碳纖維，這種材料的特點(diǎn)是堅(jiān)實(shí)、抗拉強(qiáng)度高、耐熱、質(zhì)輕、耐腐蝕，不足之處是導(dǎo)熱、導(dǎo)電且質(zhì)地較脆，韌性不及玻璃纖維竿，釣魚(yú)時(shí)如遇到雷雨天氣，使用此竿易發(fā)生雷擊事故，若觸及了高壓電線，會(huì)發(fā)生觸電事故。3.2.2碳纖維竿材料選擇釣竿屬于薄壁細(xì)管類的管材。薄壁細(xì)管的彎曲剛性可用下式計(jì)算：在上式中，E為彈性模量，I為斷面二次矩，d1和d2分別為圓筒管的內(nèi)、外徑。據(jù)以上公式可以(k

11、y)看出當(dāng)外徑一定(ydng)時(shí)，為提高剛性應(yīng)增加壁厚；當(dāng)外徑(wi jn)和壁厚一定時(shí)，為提高剛性應(yīng)增加壁厚；具有高比強(qiáng)度和高比模量的碳纖維是制造薄壁細(xì)管的最好選材。結(jié)果：碳纖維制造的釣竿具有輕、堅(jiān)實(shí)、抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，使其成為制作釣竿的首選材料。結(jié)論竹子以其結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，增加了其自身的彎曲強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使其成為制作釣竿的最佳天然材質(zhì)。碳纖維本身具有極高的抗拉強(qiáng)度，并且質(zhì)輕，使最終制作出來(lái)的釣竿性能好并易攜帶。參考文獻(xiàn)1賀福. 釣竿的今昔J. 化工新型材料,1987,03:5-9.2黃聰儒. 日本之碳纖維復(fù)合材料釣竿及高爾夫球桿J. 特種合成纖維與復(fù)合材料簡(jiǎn)報(bào),1995,06:10-13.3百度(bi d)百科搜索 內(nèi)容總結(jié)（1）材