机械结构设计中的力学原则

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01、强度计算和试验准则

  · 对承受较大负载或扭矩的钣金位置，强度须经过计算，并安全合格。

  · 必要时须有试验报告和数据。

02、均匀受载准则

  · 通过构件设计，使受力载荷分布均匀，载荷不集中可以保证同等条件下，承受的应力成倍增加。

  · 连续性和载荷均匀分布的设计可以实现。

03、力流路径最短准则

  · 力流优先走较短路径，刚度最大的路径。

  · 力线连续。为提高构建刚度，尽量使力流路径最短，越短则受力区域越小，累积变形就越小，刚度就提高。

  · 尽量保证力流线路的直线状态，这时力流路径最短。

04、降低缺口效应准则

缺口效应的原因是力流在截面突变处，被迫急剧改变原有路径，因而力流抢近道引起近道局部力线拥挤，应力急剧集中上升。

解决措施：

  · 避免截面突变的设计，尤其是避免力流截面急剧变小；

  · 降低缺口附近的材料钢度；

  · 加预压力应力；

  · 避免力流突然转弯；

  · 孔、槽、螺纹、台肩等缺口处易发生，判定标准是界面尺寸变化的急剧程度。

05、变形协调准则

在力的传递中，构件会发生变形，变形不对称、接触面变形不匹配等都会引起走偏、应力集中等问题。

解决措施：

  · 在接触面处，降低构件在力流方向上的刚度，以便减少对另一构件变形的阻碍，使变形同步。如轴承的轴固定架、天车的导轨。

06、等强度准则

  · 构件局部的应力和该处的材料许用值相等。

  · 省材料、降能耗。

  · 注意次要载荷的影响。

07、附加力自平衡准则

力传递中，出现的无用力或力矩，白白增加损耗，通过让附加力自行平衡或抵消的方法解决。

解决措施：

  · 平衡件；

  · 对称安置。

08、空心截面准则

弯曲和扭转应力在横截面越远离中心越大，横截面中心很小，同等材料截面积情况下，空心的结构有更好的强度和刚度。

空心也可以通过其他形式实现，不一定就得是圆管形。空心结构的壁厚不能太薄，否则发生局部皱折而丧失承载能力。

09、受扭截面凸形封闭准则

受扭转作用的薄壁构件的截面避免开口形状，抵抗剪切变形的能力低，扭转刚度就低。

10、最佳着力点准则

  · 力矢量经过横截面扭转中心，不会产生附加扭矩。

  · 多个力的作用节点尽量使力矢量交汇于一处，避免附加弯矩，降低应力水平。

11、受冲击载荷结构柔性设计

在有冲击载荷的情况下，加大其柔性，避免冲击，但快速响应特性会下降。

柔性准则的措施：

  · 增加等截面杆的长度；

  · 避免截面突变；

  · 安装缓冲器；

  · 选用弹性模量小的材料。

12、避免长压杆失稳准则

对金属构件，压应力是拉应力的多倍，但受压状态下，失稳破坏会破坏强度，设计上应避免。应注意检查是否有细长杆受压结构。

改进措施：

  · 加大截面惯性矩；

  · 减小压杆长度；

  · 加强支撑约束性；

  · 截面形状与约束方式的最优组合；

  · 合理选材。处于弹塑阶段的中小柔度杆，用高强度钢；对大柔度杆，高强度钢不能提高其稳定性，须用普通钢。

13、热变形自由准则

使结构因为受热的变形自由。

具体措施：

  · 留有热变形的间隔；

  · 加膨胀节或将管道做成弯的。

来源：机械工程师微信公众号（ID：MechanicalEngineers）