5.2 结构设计的原则在线视频

各位同学大家好

在上一讲我们给大家讲到了

在结构设计当中

零件的相关关系

以及结构要素方面的内容 今

天我们继续第五章

机械结构设计部分的内容

我们来看一下

在这章当中的第二个问题

有关结构设计的原则和准则

我们在讲到这儿之后

有同学可能会提到

那么为什么我们不去关注一些

具体零部件的设计和计算呢

那么在这里我需要给大家做一个解释

在机械结构设计当中

我们要关注零件的

设计要关注它的材料的选择

强度的计算 尺寸的计算

但是为什么在这一章当中

我们没有给大家去讲呢

主要的原因是因为

这一部分的内容

我们大家在前面的课程

机械设计当中已经都做了

详细的这样一个解释

那么因此我们在这章当中

重点去给大家去讲的

是有关在结构设计当中的

一些原则和准则

至于零部件的具体的设计计算

这部分的内容大家可以参照

我们机械设计当中所讲到的内容

来进行相关的设计就可以了

好 首先 我们先来看

在这里面的第一个问题

结构设计的原则

在结构方案设计的时候

我们通常会遵循这样的三个原则

第一个就是要明确

这里的明确 大家需要注意

使用条件要明确

你的工作原理要明确

功能要明确

有同学说什么叫使用条件要明确

对于具体的机器来说

它都有具体的使用场合

在具体的工况下 它才能够履行

它自身的这样一个功能

那么因此我们在进行结构设计的时候

我们也应该遵循这样一个原则

对于工况比较复杂的这样些零件

我们需要考虑的因素

和工况比较简单的这样些零件

考虑的因素是不一样的

所以我们在进行结构设计的时候

我们必须要遵循明确的这样一个原则

结构方案设计的第二个原则是简单

这里的简单指的是形状简单

加工比较容易 拆装比较简单

形状简单指的是

我们的截面形状

我们可以选择矩形截面

圆形截面

环形截面这样的一些标准形状

对于它的加工简单

我们在这里需要考虑的是

我们尽量的选择一些

可以利用现有的

普通机床可以进行加工的这样些零件

它的拆装比较简单

这个地方大家需要注意一下

我们在原有的机械系统的设计当中

我们通常只考虑功能的实现

那么 在现代设计当中

我们遵循全生命周期的设计思想

所以我们必须要考虑

这个产品在使用过程当中

它容易出现故障的这样些零件

我们应该把它放置在

比较容易拆装的这样的一些位置上

那么所以我们在结构设计当中

也必须要遵循这样一个拆装

简单的这样一原则

第三个原则大家很好理解

就是安全可靠

它的功能要可靠 工作要安全

环境要安全

好 那接下来我们来看一下设计准则

设计准则在不同的教材当中

有不同的介绍

我们通常会要遵循七大设计准则

这七大设计准则呢分别为

等强度 合理力流 变形协调 力平衡

任务分配

自补偿和稳定性的原理

那么 在这个课程当中

我们主要来关注一下等强度

和合理力流

那么什么叫等强度呢

从字面上大家就可以看出来

那么对于零件的所有位置

应该处于一个等强度的状态

那么 这里的等强度

实际上最理想的一种状态是

一旦这个零件要遭到了破坏

那么零件上的所有位置

会同时遭到破坏

那么这个地方怎么来理解呢

大家来看一下下边的几幅图

首先我们看到这是一个悬臂的结构

对于这样的一个悬臂梁来说

我们可以看到它右端受到了一个

载荷F

我们大家都知道在载荷的作用下

它的左端的这个位置是

一个危险截面

也就是说在这个位置上

是最容易遭到破坏的

那么这种情况下 大家可以设想

在F的作用下一旦这个悬臂梁

遭到了破坏之后

它的根部先发生了断裂

但是对悬臂梁除根部之外的位置

都还保持完好

很显然我们可以看到这不符合

我们在这里提到的等强度的原理

那么我们如何去改造这样一个悬臂梁

或者说我们如何

去对这样一个悬臂梁的结构

进行重新的结构设计 让它保证

让它尽量的满足

等强度的这样一个原理呢

那么大家可以看到

我们可以采取bcd这样的三种方案

我们在悬臂梁的中间位置

我们可以看到我们加上一个支撑

在支撑的作用下

根据材料力学当中

我们学过的内容 我们可以知道

它的变形相对于我们的a图来说

会得到明显的改善

也就说它的应力的分布更加的均匀

相对a图来说更加的均匀

对于c图来说呢

我们看到我们采取的这种方案呢

是在这个悬臂梁的下端

我们给它贴上一部分

贴上一部分相当于增大了

根部的截面尺寸

这种情况

同样可以使得应力的分布

相对a图来说要均匀一些

那么对d图来说 大家更容易去理解

我们采取这样变截面的这种情况

根部的截面尺寸比较大

其它位置截面的尺寸逐渐的减小

那么这种情况同样可以满足

等强度的原理所以我们在

进行结构设计的时候

我们应该采取等强度的原理

因为采用等强度原理所设计的零件

那么对于零件各个位置处的

材料能够得到充分的应用

那接下来我们来看第二个

合理力流原理

合理力流原理

那么有同学可能会问到什么叫力流呢

这个力流实际它是借用于

磁力线的概念

力流指的是力在它的传递路线上

形成力流

但是我们大家也都知道

比如说我们拿锤子

去敲打钉子

那么在钉子的上端面上有

载荷的产生

那么这个载荷在钉子内部是否

有力线的存在呢

很显然我们可以看到这个力线

它并不实际存在的

而是我们在分析这样一个现象的时候

我们人为的

去构造的这样一个概念

来分析力的一个传递过程

在合理力流当中人为假设的这个力流

它具有这样的一种特性

就是力流不会中断

它沿着最短路线来传递

那另外一个呢 力流在转折的时候

我们应该要是力流要相对平缓

那么为什么要使力流平缓呢

大家可以看下边两个轮毂的图

在这两个轮毂图当中

我们大家可以看到

对于a图来说它的力流

我们可以看到它的转向是比较急剧的

对于b图来说我们可以看到

力流转向相对比较平缓

那么 在这种情况下

我们可以看到它引起应力集中的

可能性就会下降

我们大家知道应力集中

是一种非常危险的这样一种情况

我们在设计的过程当中要尽量的避免

所以 那么我们在转折的地方

应该要力求使力流平缓

那么我们在结构设计的过程当中

我们如何

结合我们在这里提到的

合理力流原理

来进行相关方案的设计呢

我们在这里来看一下

由于力流呢它具有这样一个特性

沿最短路线来传递

那么

力流密集的地方呢会形成高应力区

所以我们从应力的角度上来说

我们应该需要注意

我们再进行截面尺寸

截面形状确定的时候

我们要考虑力流的这样一个特性

尽量的让材料得到充分的利用

那么在这里面我们

给大家提这样的两个问题

第一个我们说力流密集的地方

它会形成高应力区

那么高应力区我们知道它会

出现应力集中的这种现象

那么根据我们

刚刚讲到的这样一些知识

我们有没有一种办法

可以去解决应力集中现象呢

那么我们在这里稍微给大家提示一下

在应力集中现象出现的位置上

比如说我们在那个地方开一个槽

会不会对我们这样的一种

力流密集的情况会有所缓解呢

那么第二个问题我们来看一下

那么对直线力流

和加长力流的路线

对于我们零件的

强度和刚度有没有影响呢

带着这样的两个问题

我们来看一下

对于力流来说

它有一个力流转向的平缓原理

那么我们如何去解决呢

我们通常是采取这样的几种方法

一种是将几何形状突变处放

在我们的低应力区

因为呢 我们大家知道

几何形状突变的地方

是力流比较密集的地方

也是容易造成应力集中现象出现的

这样些位置

那么如果我们把它

放在了低应力区

即使它有应力集中现象

由于它处在低应力区

那么它的应力也不会太大

所以会使这种现象

得到一定程度上的缓解

那么第二种呢

我们可以加工孔和槽去改善力流

也就是在

几何形状突变的地方 或者在应力

集中的地方

我们通过孔和槽的方式

使它的力流转向

比较平缓

避免应力集中现象的出现

那么第三种我们可以增大

过渡圆角的半径

同样

也会起到这样的一个效果

那么第三个 在这里面

在结构设计当中

我们需要注意的问题就是要

合理选择截面的形状

合理选择截面的形状

我们大家可以看到这个表

从这个表当中我们可以看到

不同截面形状的

它的强度 刚度是不一样的

并且它们之间的差别是非常大的

所以呢

我们在进行结构设计的时候

我们应该要合理的选择截面的形状

第四个问题对于我们

在结构设计当中

我们经常会遇到这样的一类零件

就是悬臂的结构

对悬臂结构的这样一个问题

我们可以考虑这样的一个案例

比如说我们现在找一个木棍

把它插入在墙缝当中

那么我们在这个木棍儿的末端

施加一个载荷

当木棍比较短的时候

和木棍比较长的时候

那么在这种情况下

它所产生的变形是不一样的

那么 因此

从这样一个案例当中 大家就知道

我们为什么

要把这样一个悬伸长度要尽量的短

在短的情况下

它产生的变形相对来说要小一些

所以呢

它产生破坏的这种可能性就会比较小

那么在这个地方呢 大家可以看到

我们给出了三个图

这三个图是支承条件对强度的影响

都是三个同样的悬臂结构

但是我们

通过下方给出的这样一些具体数值

我们就可以看到它们之间的变形

是有着很大的区别

所以在结构设计当中

如果我们遇到了悬臂结构

我们一定要注意悬伸长度

尽可能的短

好 我们这讲的内容

就讲到这