结构力与变形原则

作者：信息来源:无忧机械 2006-9-21

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通常人们总是希望用较少的材料来满足零件必要的强度、刚度等方面的要求。因此，零件的受力是否合理、材料是否得到了充分利用就成为结构设计需要关注的一个问题。● 传力简捷原则图25-18表示相同材料、相同厚度、不同结构型式零件，在传递相同力F 时，其尺寸的对比情况。图a传力最直接、力流路径最短，所用材料最少，图b、c...

　通常

们总

希望用较少的材料来满足零件必要的强度、刚度等方面的要求。因此，零件的受力是否合理、材料是否得到了充分利用就成为结构设计需要关注的一个问题。

　　● 传力简捷原则

　　图25-18表示相同材料、相同厚度、不同结构型式零件，在传递相同力F 时，其尺寸的对比情况。图a传力最直接、力流路径最短，所用材料最少，图b、c的力流路径较，所用材料较多。因此，要想零件使用较少材料和具有较小的工作变形，则：

　　1）最好使零件处于单纯受拉或受压工作状态，尽量不使其受弯曲或扭转；

　　2）应使零件处于简单应力状态，避免复合应力状态。

　　反之，如果希望零件在工作中能够产生较大的弹性变形，则应加长力的传递路径，并应使其受弯曲或扭转。在工程实际中，像螺旋弹簧和U形管道的应用就是如此。

图25-18 力流对零件强度的影响

　　● 力流平缓原则

　　为了减缓应力集中影响，可在零件适当的地方设置卸载结构。如图25-19a，在截面变化处应力发生急剧变化，图b表示利用切环槽方法，改变主要应力集中源处的力流变化，使力流趋于平缓。

图25-19 用切环槽方法使力流变化趋缓

　　● 变形协调原则

　　在结构设计中，应尽可能使相互作用的两相关零件变形方向或变形性质一致，以避免或减少应力（或载荷）集中。图25-20a表示：当轴、毂以过盈配合连接方式传递转矩时，因轴、毂工作变形的方向相反，力流变化急剧，A处应力集中严重；而图b由于结构上的改进，使轴、毂工作变形方向协调一致，力流变化趋缓，应力集中减轻。类似的应用还有悬置螺母，它是通过使螺母与螺杆旋合部分取相同的拉伸变形性质，从而改善旋合螺纹牙间的载荷分布不均现象的。

图25-20 变形协调可减轻应力集中
a）轴、毂工作变形方向不一致 b）轴、毂工作变形方向一致

　　● 等强度原则

　　是通过适当选择材料或零件结构（形状、尺寸）的方法，尽可能做到均衡地利用材料的一种设计原则。例如标准螺栓连接，其螺母高度、螺栓头高度等与螺栓直径的关系就是按等强度原则设计的。图25-21表示如何将一个悬臂结构按等强度原则进行构形。图a）为等截面不等强度结构，图b）为等高截面等强度结构，图c）为等宽截面近似等强度结构。

图25-21 等强度悬臂结构设计

　　● 力补偿原则

　　在机械设计中，人们往往为了实现某种功能而带来一些附加的力效应，例如斜齿轮的轴向推力、惯性力等等。按照传力简捷的原则，为使附加力限制在较少零件范围或零件的局部区域内，在结构设计中可采用力补偿原则进行处理，如图25-22所示。

图25-22 力补偿原则的应用

　　● 顺应材料物性原则

　　顺应材料物性原则是指设计中在处理结构的受力、变形问题时，应当考虑材料的受力、变形特点，顺应材料的物性。譬如铸铁等脆性材料，其抗压强度较高，而抗拉及抗弯能力较差。所以，在如图25-23中，当支架材料选择铸铁时，图a比图b受力合理。相反，当选择钢或塑料材料时，考虑到纵向弯曲因素，则图b比图a受力合理。其次，由于铸铁在受力时（直至破坏前）其变形很小，因此，在如图25-24b中，试图利用铸铁零件的变形达到“锁紧”的构形是错误的。