做机械设计,80%的工作是结构设计;结构设计中,有很大一部分是焊接结构;提到焊接结构,就不能不说型材截面的选择。
新手做设计,不知道是该选角钢,工字钢,槽钢,H钢,圆管还是方管的时候,我建议你一律选方管了事。为什么这么说呢?且让我慢慢道来。
就我自己而言,是最喜欢用角钢的。角钢呢它有两个侧平面来定位,若与扁钢想比它的优势是在纵横两个方向的刚度是相等的,这个理由我觉得就足够了,另外它的翅膀是平的,且是开口截面,连接起什么东西来真是非常方便,做拉压杆是不二之选。工字钢呢,上下翅膀承弯矩,中间腹板抗剪切,分工明确,完美的悬臂梁截面!但是它无侧平面,并且腿是斜的,不好直接上螺栓,这太烦人了,再加上分析表明,同样截面积的H钢比工字钢的模量要大很多,所以它有被H钢代替的势头。槽钢比工字钢的优势,是它有一个侧平面,但是它跟角钢一样,截面是不对称的,这就有点不好,因为机械设计一个最大的秘诀就是对称,对称意味着受力上的均载,所以对称不仅仅是外形上的美观而已!下面说到圆管了,圆管是好,但是节点不好做,并且圆滚滚的,不好定位。但方管就不同了,它竟然有四个平面,并且跟圆管一样同属闭口截面,闭口截面较之开口截面一个最大的优势,就是扭转刚度非常高,也就是说,开口截面的一个最大弱点就是扭转刚度低。
那么为什么说开口截面的扭转刚度低?你只要看看开口截面的剪力流分布状况就一清二楚了!
为什么开口截面的剪力流是那样分布的?依据是切应力互等定律!
切应力互等定律是哪儿来的?是从静力学公理推出来的!
静力学公理是哪儿来的?来自平衡假说!
但方管惟一的缺陷也因它是闭口截面,做连接时不方便。除此之外,它比前述所有型材都优越!所以不管三七二十一,选方管再错也错不远!
我们在上面谈的只是截面,没谈节点,因为节点的设计有点复杂,鄙人还没有什么心得,无从谈起,只谈距离节点很远的杆件中部截面,中部截面的受力很明确,为什么受力很明确,因为这是大科学家已经证明了的。
从材料力学的观点看,截面受力无非“拉压剪扭弯”五种。先说拉杆,拉杆只要力线过形心,就没什么可说的了,偏心拉杆要产生弯曲应力,这可不是闹着玩的,所以凡是桁架节点,你仔细留意一下,各个杆件的形心都是交于一点的。
再说压杆,说压杆,它竟然联系到“扭”和“弯”,这是非常奇妙复杂的事情。压杆可不是简单的跟拉杆相反,因为它有屈曲的问题,为什么会屈曲失稳?这完全跟材料的强度无关,那它跟什么有关?跟力的“方向”有关,我个人认为,力的三要素之中,最重要的就是“方向”这一要素。力的作用面,大小你可以差点,但方向绝对不可弄差了,因为它会导致受力性质的变化。比方说,压杆压杆,它受的是轴向力是吧?但力的方向稍微有一点偏离形心,它就变成了一根梁,就产生了弯曲应力,所有的应力里面,就数弯曲应力最厉害,因为它会随着尺寸被放大!那么,影响压杆稳定的因素是什么?它竟然是截面的弯曲惯性矩!所以当你看到压杆时,你把它当做一根梁,准没错。
说到这儿,发现扭转和纯弯曲也没啥说的了,只能说一点,就是工字钢受力时,受压的那个翅膀,也是一根压杆,它也有屈曲的问题。薄壁管受压或受扭转时,它也有屈曲的问题,屈曲问题归根结底都是稳定问题,而稳定问题就是微分方程解的问题,微分方程属于数学分析,数学分析的基础是连续统,连续统的精髓是开区间(0,1),此区间的谜团是其中“既无最大值也无最小值”,这个性质让人费解!所以对于稳定问题敝人也只是略知概念而已。
下笔之前,雄心勃勃,及至写到后来,感觉笔下艰涩,不禁喟叹余学力之不足,只好用些笔法来藏拙,但其中破绽,行家看来一目了然,所以敝人写完这篇帖子后,很想把它删除了事,并且已经删除了对于焊接桁架节点为什么可以当铰接计算的理解。当我欲删之时,忽然记起古龙曾说过,“歌女的歌,舞者的舞,剑客的剑,文人的笔,英雄的斗志,都是这样子的,只要是不死,就不能放弃”。我想,机械设计师的思想,何尝不是这样?只要是不死,他就不会停止思考,哪里会有完美的那一天?所以我还是贴上了,顺便就教于方家。
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