影响结构强度和稳定性的因素 全国公开课一等奖

影响结构强度和稳定性的因素学习目标1.了解尺寸和形状是如何影响结构的强度和稳定性的。2.略知不同材料的性能，能为结构选择合适的材料。3.会选择正确的构件连接方式。一、结构大小和形状的影响考虑结构的尺寸大小和形状时要善于分析结构的受力特点和功能要求。我们已知道用于结构的材料的截面尺寸大小直接影响受力的大小，对于同种材料来说，截面积越大承载能力越强。那么现在我们进一步研究另一种情况:两个截面面积相等，但形状不同的截面中，究竟哪一种截面更有利于结构的强度和稳定性？（一）工业用型材的截面形状就拿具有矩形和圆形截面的同种材料来比，假设它们的截面面积相等（图1.29），从上一节的材料弯曲变形后的受力分析可知，在梁的上下边缘处应力最大，而越靠近中性轴处应力越小圆形截面在离中性轴较远的上下边缘地方的面积较小，而接近中性轴的地方面积放大，这样就有很大一部分材料没有充分发挥作用。显然矩形截面比圆形截面要好些，圆形截面材料不及矩形截面材料来得经济。（一）工业用型材的截面形状当然，矩形截面还不是最经济的，最经济的办法就是尽量做到物尽其用，即尽量将中性轴附近的材料移放到离中性轴较远的地方去。根据这个原则，于是就出现了工程上常用的工字梁等型钢的截面（图1.29）。拿标准的工字钢梁来看，它的强度大约要比高度和截面面积相同的矩形截面梁大一倍。所以，在工业和民用建筑以及桥梁等工程上，常常采用工字钢梁，它可以在减轻自重的同时有效地提高结构的稳定性。（二）几何形状与结构稳定性的关系桁架的几何形状与结构稳定性还有直接关系。在不考虑材料变化的条件下，结构体系受力后若能保持其几何形状和位置不变，则可称为几何不变体系，图1.32（a）所示的三角形桁架即为这类体系的一个例子。（二）几何形状与结构稳定性的关系我国农村的许多木结构房子到处可见三角形桁架。可是另有一类体系，如图1.32（b）所示为一个四边形桁架结构即使只受到很小的载荷Fp作用，也非常容易引起几何形状的改变，这类体系称为几何可变体系。（二）几何形状与结构稳定性的关系但是在机器制造时，有时需要使零件之间能够相对运动，就需要采用几何可变体系。图1.32（c）所示为火车车轮联动机构，采用了平行四边形结构，它是由1、2、3、4四根刚性杆联动，杆的相交节点类似铰链形式，车轮1为主动轮，当主动轮转动时通过杆2驱动后两轮的杆3、4绕轴转动，三个轮子就可以实现等速联动。（三）结构与对称结构的对称与均衡同稳定性也有关系，对称与均衡是指物体在中心轴线两侧以某种形式表现出的一种同等分配的状态。图1.33（a）所示是一种对称的静态平衡，具有稳定性，它表现为两种等形等量的对象关于中心轴线对称与均衡。（三）结构与对称图1.33（b）和（c）则是一种非对称的动态平衡，具有视觉上的不稳定感。它们表现为两种在视觉上等量不等形的对象（b）或不等量也不等形的对象（c）对竖直轴线中心点进行调整后重新达到平衡。对称与均衡是自然界事物存在的法则之一，也是结构设计中的美学原则之一。二、材料性能的影响木材的强度和刚度不及钢材，所以在重载结构场合不再使用;但木材的质轻、高韧性、易加工性非常适合同学们作为制作或实验用的模型材料。应当指出:木材的内部纤维组织与其他材料不同，它在不同的方向具有不同的力学性能，这叫作各向异性。（一）木材二、材料性能的影响金属材料主要指钢铁、铜和铜的合金、铝和铝的合金以及镁和镁的合金等。如果我们需要强调结构设计的耐久性、稳定性、可靠性，尤其对于像工程机械、建筑物、运载工具这些承载大、可靠性要求高的结构件，几乎都首先考虑用金属材料制造。金属材料作为结构材料的优点是显而易见的。（二）金属二、材料性能的影响（1）密度大、强度高（2）材质均匀、工作可靠（3）塑性和韧性好，抗冲击和抗震动能力强（4）制作工业化程度高，施工周期短（二）金属二、材料性能的影响日常生活和工业生产上用的塑料基本上属于人工合成材料，来源于石油、煤炭等有机矿物的裂解产物，主要在轻型、耐腐蚀、低能耗、低成本结构中使用，在大型的工程结构中目前尚不能单独作为结构材料斗应用。塑料的耐老化、耐高温性能和稳定性较金属差。（三）塑料三、连接方式的影响即两种材料通过高温熔化，产生原子间的结合和扩散作用而形成焊缝从而将两个零件连接成一个整体（图1.37a）。这是钢材连接的主要方法，优点在于构造简单、省料省工，能实现自动化操作，焊缝的气密性、水密性都很好:但也存在焊接影响区使材质变脆、产生残余内应力与零件变形的缺点，可能影响结构的承载力和正常使用。焊接属于永久性不可拆卸连接。（一）焊接这种方式需事先在构件上钻孔，然后再用加热的铆钉或常温下的铆钉进行铆合，图1.37（b）。铆接的最大优点在于韧性和塑性好，传力可靠；缺点是费料费工。现在已很少采用大面积的平面铆钉连接了，铆接属于可拆性连接。法国巴黎著名的埃菲尔铁塔就是采用铆接的。（二）铆接它是在被连接件上钻孔，穿入螺栓，拧紧螺帽，实现可拆式连接的一种方式，图1.37（c），简称螺接，通常用于结构的安装连接。普通螺栓连接件还有螺母、垫圈或弹性垫圈。为了保持连接的紧密性和可靠性，必须适当拧紧螺母，从而在螺杆内产生一定的预紧力。为了防止螺母在工作中松动，可采用弹簧垫圈或双螺母锁紧等措施。（三）螺栓连接它是在一定条件下，用胶黏剂将两个零件连接在一起，并使其接合处具有足够强度的一种连接工艺。胶黏剂之所以能将两个零件牢固地连接在起，其根本原因在于胶黏剂和被粘物表面间发生了物理或化学作用。（四）胶接主要是家具或建筑构件中木材的连接方法，使用榫接可以有效地避免钢钉、螺钉连接所产生的应力集中，减少结构的重量，提高结构的整体强度。（五）榫接在结构连接处需要考虑过渡的方式，如图1.42（a）所示结构为薄壁圆管垂直立于基板表面，由于管壁薄受力后在轴线方向上易变形。如果在圆管和基板连接处均匀分布加强筋板，就可减少或避免管的变形，有利于提高结构的稳定性，图1.42（b）。（六）连接处的过渡处理1.观察一下你的自行车，看看有哪些零件是由金属材料制成的，哪些零件是由塑料制成的，哪些金属材料零件是可以用塑料替换的（并讲明原因）。2.家具和装修都要用到胶合板，如我们常用到的三合板、五合板，它们通常是由多层很薄的