提高刚度的结构设计准则.ppt

第六节提高刚度的结构设计准则,一、刚度的作用二、决定结构刚度的基本因素三、提高刚度的结构设计准则,一、刚度的作用,结构(或系统)的刚度:在外载荷作用下结构(或系统)抵抗其自身变形的能力。在相同的外载荷作用下,刚度愈大则变形愈小。,刚度也表明结构(或系统)的工作能力:1)过大的变形会破坏结构或系统的正常工作,从而可能导致产生过大的应力;,2)过大的变形也可能破坏载荷的均衡分布,使产生大大超过正常数值的局部应力;,3)壳体的刚度不够大,影响安装在里面的零件的相互作用,增加运动副的摩擦与磨损。,4)受动载荷作用的固定连接的刚度不够,会导致表面的摩擦腐蚀、硬化和焊连。,5)金属切削机床的床身及工作机构的刚度影响机床的加工精度。,在运输机械、飞机、火箭等需要严格限制自身重量的机械装置中,刚度更具有重要意义。,1)一个零件、一个结构本身的整体刚度;,刚度的类型:,2)两相互接触表面间的接触刚度(如机床的滑台与床身导轨、滚动支承中的滚动体与其支承零件之间),3)动压或静压滑动轴承的油膜(或气膜)刚度这些都影响结构或系统的性能和工作能力。,二、决定结构刚度的基本因素,结构刚度决定于下列因素:1.材料的弹性模量2.变形体断面的几何特征数3.变形体的线性尺寸长度l4.载荷及支承形式,1.材料的弹性模量拉、压和弯曲条件下的弹性模量E扭转条件下的剪切弹性模量G弹性模量是材料的固有特性数,工业用金属中仅仅W、Mo等有较高的弹性模量。,2.变形体断面的几何特征数拉、压时为断面积A弯曲时是断面的惯性矩J扭转时是断面的极惯性矩Jp断面的尺寸和形状对刚度的影响最大。,3.变形体的线性尺寸长度l,4.载荷及支承形式载荷:集中载荷或分布载荷支承:铰支或插入端等。,材料的选用主要取决于零件的工作条件。因此,提高刚度最常用的措施是合理地配置系统的几何参数。,三、提高刚度的结构设计准则,1)用构件受拉、压代替受弯曲准则,2)合理布置受弯曲零件的支承,避免对刚度不利的受载形式准则,3)合理设计受弯曲零件的断面形状,尽可能大的断面惯性矩准则,4)正确采用肋板以加强刚度,尽可能使肋板受压准则,5)用预变形(由预应力产生的)抵消工作时的受载变形准则,1.用拉、压代替弯曲准则杆件受弯矩作用:在距中性面远的材料纤维中产生大的弯曲应力;在中性面处弯曲应力为零。大部分的负荷由靠边界附近的材料承受;中性面附近相当大部分的材料得不到充分利用。,杆件受拉伸则与此不同:若无应力集中的影响,应力基本上均匀分布。材料得到较好的利用。用拉、压代替弯曲可获得较高的刚度。,例:同样是在距墙壁为l的地方受力F,则桁架在刚度上有明显的优越性。,桁架杆与悬臂梁同样采用20mm的圆杆时,桁架F力作用点的挠度仅为悬臂梁的1/9000。,若使二者的挠度相等,悬臂梁的直径需是桁架直径的10倍。G2/G1是三种结构与桁架重量之比。,当l/d及桁架的角不同时,挠度比与应力比如图所示。从图中可看出,当=4560时,桁架相对于悬臂梁具有最大的刚度。,如图所示之简支架(受弯曲)可以用铰支的三角桁架或弓形梁(受压缩)代替。,2019/12/12,13,可编辑,图示之铸造支座受横向力,由结构a改为结构b,辐板则由受弯曲改变为受拉、压。,如图2-71a所示之薄壁圆柱筒在一端受力F,筒壁受弯曲。,若将圆柱筒改为图2-71b之锥形筒,上壁受拉,下壁受压;,图2-69之三角桁架,两侧壁大部分受拉压,且具有较大的惯性矩,所以刚度和强度都有明显增加。,2、合理布置支承准则支承条件对零件或系统的刚度有明显的影响,且常与对弯曲强度的影响同时存在。,图示三种不同支承条件最大弯矩Mmax和最大挠度fmax有显著的差别。,例:肋板的合理布置,如图所示的空心矩形梁,在其端部作用集中载荷F1,其抗弯惯性矩较大。,2,3、合理设计断面形状准则,而作用力为F2方向时,按表抗弯惯性矩小很多。,不同截面形状的惯性矩比较,不同截面形状的惯性矩比较,不同截面形状的惯性矩比较,例:合理设计肋的形状,肋的形式主要有两种,即井字肋与米字肋。模型实验和计算结果表明,采用米字肋与采用井字肋的大型零件相比,抗扭刚度高两倍以上,抗弯刚度相近。,合理设计肋的形状,梁受扭矩时,梁有两个角向上动,两个角向下动,各在四边形的一个对角线的两端。,这对于米字肋的肋板产生弯曲作用,而对井字肋的肋板除弯曲外还产生扭转作用,而薄肋板的抗扭刚性较差,所以米字肋的抗扭刚度高。,为了加强空心方形断面的刚度,可在里面加不同形式的隔板,表2-8。,4、用肋或隔板增强刚度准则平置矩形断面梁受弯曲,因断面的抗弯惯性矩小,所以刚度很低。若必须采用这种,可用肋板加强刚度。,除了镁合金以外,几乎所有的铸造材料,其抗压强度都明显高于抗拉强度。所以,在可能条件下尽量使肋板受压缩。这样做,肋板起了加强刚度的作用,同时,它本身又有较好的强度。,图2-76给出了平置矩形断面及加肋矩形断面的形状及其各部分的尺寸,肋的相对高度=h/h0和相对宽