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《机械结构设计》机械设计-教材-结构pdf

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  21 世纪高等学校机电 类重点 系 列 教材 机械结构设计 卢耀祖郑惠强主编 同济大学出版社 内容提要 本书综合了机械专业《结构力学》和《金属结构》的主要内容,并且把两者有机融 合在一起,阐述了在机械结构计算与设计中所必需的基本力学知识与基本承载悄件 设计原理和基础。力学部分简要概述了结构构造分析、结构位移计算、力法计算的基 本理论,详细叙述了位移法和矩阵位移法(杆系有限单元法)的基础理论和方法;站问 设计部分包括载荷计算及其组合、结构连接方法及其计算、受弯构件和轴向受力构件 的构造原则和设计计算原理。 全书结合计算机技术的发展,重点突出,内容精练,基本理论阐述透彻.内容编排 上注意理论的连贯性。各章的思考题和习题,有助于自学和加深理解。所附机械结 构设计上机教材光盘详细叙述了应用 ANSYS程序进行结构有限元分析的入fJ知 识 本刊作为高等院校机械专业的教材,对从事机械结构设计]作的工程技术人民 也很有参考价值。 图书在版编目 ( CIP)数据 机械结构设计/卢耀祖等编著. -1:.悔:同济大学出版社, 2004. 10 ISBN 7-5608-2901-5 皿.结构学←高等学校→教材 1.机… n. 卢… IV. TH112 中国版本图书馆 CI P数据核于 ( 2004 ) 第 0 7 34 1 8 号 机械结构设计(面向 2 1世纪高等教育机械类重点教材) 卢耀祖郑惠强主编 责任编辑¥J.岱 责任校对 郁 峰 封面设计 李志三 发 出 版 同济大学出版社 行 ( t海四平路 1 2 39 号 邮编 20 00 9 2 电线 ) 价 号 次 数 数 张 本 刷 销 定 书 版 印 字 印 开 印 经 全国各地新华书店 苏州型电印刷有限公 :ij [Il ~~IJ 787mmX 1092mm 1/16 19 486000 1 一3500 2004 年10 月 第1 版 2004 年10 月 第 l 次印刷 ISBN 7-5608-2901-5/TH • 57 36. 00 元 在1~ 否存印装质量问题, 语向本挂发行部调换 flU 画 进入 2 1世纪,面对经济全球化进程明显加快、科技进步日新月异、综合国力竞争日益激 烈的新形势,传统的机械专业必须加强改革和改造,拓宽基础,拓宽专业口径,不断更新教学 内容、改革课程体系,加强学生实践能力的培养,形成与国家经济、科技和社会发展相适应的 课程体系。 结构计算和设计是各种机械开发设计的主要内容之一,它直接关系到机械的性能指标. 也是机械设计的成败关键之一o因此机械结构计算和设计的基本知识是机械专业学生必修 的专业科目。许多院校一些机械类专业普遍设置了《结构力学》和《金属结构》课程.对提高 学生的机械结构设计能力起到了很好的作用o 本书正是为了适应上述要求,综合了机械专业的《结构力学》和《金属结构》的主要内容. 并且把机械的结构计算和结构设计两者有机融合在一起而编写的。同时也可作为从事机械 结构设计工作的工程技术人员的参考读物O 全书的重点是:在机械结构计算与设计中所必需的基本力学知识与基本承载构件设计 原理和基础。基本力学部分包括简要概述的结构构造分析、结构位移计算、力法计算的基本 理论,详细叙述的位移法和矩阵位移法(杆系有限单元法)的基础理论和方法;结构设计部分 包括载荷计算及其组合、结构连接方法及计算、受弯构件和轴向受力构件的构造原则及设计 计算原理。 本书在编写中参考了历年有关的讲义和教材,总结了十多年来《结构力学》和《金属结 构》课程的教学实践经验,结合计算机技术的发展,特别注重突出重点,内容精炼,基本理论 阐述透彻、严密、连贯O全书内容编排上注意理论与实际结合,学以致用,实例突出实用性, 注重提高 E程实践能力。各章都有思考题和习题,还有课程设计指导书,有助于自学和加深 理解。本书附有上机实习指导光盘σ详细叙述了如何应用 ANSYS程序进行结构有限元 分析的人门初步知识,通过六个例题从程序进入、数据输入、计算到结果读取的全过程电逐步 叙述,适合初学者阅读。 本书由 I司济大学卢耀祖、上海应用技术学院郑惠强主编。编写人员有:卢耀祖(第一、 三、五章)、郑惠强(第二、十一章)、张氢(第四、六章、上机实习指导人周奇才(第七章)、郑惠 强、陈卫明(第八、九、卡草人主编在统稿过程中对全稿进行了必要的补充和修改G 本书由同济大学伍长振主审。主审对全稿进行了认真的审阅和修改,并且提出 r许多 建设性的意见o同济大学机械工程学院的研究生吴凤宁、喻艳、聂宝珍、常晓清绘制了本书 的大部分插图。在此 A并表示衷心感谢。 本教材的出版得到同济大学教材出版基金的资助。 由于编者水平有限,经验不足,书中难免有错误和不妥之处,敬请读者给予批评指正,不 胜感谢。 编者 2004 年6 月 目录 目录 前言 第一章绪论………… ~ 1. 1 概论 …………………………………………………………………………… (1 ) ~ 1.2 机械结构的分类 …………………………to to to to to to ..‘…………………………. (2) ~ 1.3 机械结构设计的基本要求 · ~1. 4 机械结构的计算简图 ……· ~ 1.5 机械结构设计的研究方向 ……………· 思考题….. 第二章结构的设计计算方法...,…………………… (11) ~ 2. 1 载荷及其组合…………………………….. . . •.• ..……………………· (11) 2. 1. 1 载荷种类…………… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……………………· (11) 2. 1.2 载荷组合………….. .. .. ………………。…………………………(1 2 ) ~ 2. 2 结构承载能力 的设计计算方法……………………………………………… (12 ) 2.2. 1 许用应力法…………………. .. . ... ……………………………………….(1川 2.2.2 极限状态法……………………………………. . . .. . (1 川 ~ 2.3 许用应力 ………………………………………. .. . .. . . . . …………………· …… (1 4 ) ~ 2. 4 小结…………………………………………………………………………… (1 盯 思考题…………………………………… ..• ..• ..…… (15) 第三章结构构造分析…………………………………………………………………U们 § 3. 1 机械结构构造分析的 目 的…………………………………………………… 门们 忖. 2 结构的几何组成分析………………………………………………………… (1 7) 思考题 ... ... ...………………………………………………………… (21) 习题……………………………………………………………………………………( 21) 第四章结构位移计算,…(23) § 4. 1 概述………. . . . . ,.. . . . . . . . . . . . . . . . .. . ………………………………………………· (2ω 们. 2 线性变形体系的功能原理…………………………………………………… uω 4嘈2. 1 功的概念…………………………………………………………………… ωω 4.2.2 线性变形体系的变形能……………………………………………………(2日 4.2.3 附加功互等定理……. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………………………………. . (2 7) 4.2.4 虚功原理…………………………………………………………………… ω引 机械结构设计 ~ 4. 3 单位载荷法的基本原理……………… ~ 4.4 在载荷f乍用下的结构位移计算……………….. .. .. ………………………· C:~ 1) ~ 4.5 用图形相乘法计算积分……………………………………………………… c:~ :n ~ 4. 6 由非力 因 素引起的结构位移计算…………………………………………… 门的 4.6. 1 由非力因素吼起构件形状或尺寸变化……………………………………U们 4. 6. 2 由 支座位移吼起的结构位移………………………….. .. .. .. ..……………·仆们 思考题………………………………………………………………………………… ( Il l ) 习题…………………………………………………………………………………… ( 4 1 ) 第五章超静定结构与力法………………………………………………(川 ~ 5. 1 相无论…………………………….. .. ..………………………………………· (43) 5. 1. 1 超静定结构的概念………….. .. .. ………………………………………· ( , ) ω 5. 1.2 超静定结构力法计算的基本结构…………………………………………(45) ~ 5. 2 力 法基本原理及计算…… . . . 5.2.1 力法基本原理………………………….. .. ..……………………………·川们 5. 2. 2 力法典型方程……………………………………………………………… ( 刊) 5.2.3 内力 图的校核………………………………………………………………(5,) ) 白 5 . 3力洁的计算步骤和超静定结构的特性……………………………………… ( 5 :1 ) 5.3. 1 力法的计算步骤及后例… 5. 3. 2 超静定结构的特性…………………………………………………………(62) 思考题………………… ……·……………………… .. ..…………………· (63) 习题……………………………………………………………………………………( 63 ) 第六章位移法和矩阵位移法 ..… ….. ..……………….. .. ……… ( 65) ~ 6. 1 位移法的基本概念……………………………………………………………(65) ~ 6.2 等截面直杆的转角位移方程…………………………………………………(67) 6.2. 1 杆端位移引起的杆端力…………………………………………………… ω7) 6.2.2 载荷与杆端力 的关系………………………………………‘ .. .. ………· (70) 引 6 . 3 位移法的基本未知量与基本体系……………….. .. .. ………·……………(74) 6. 3. 1 结点角位移及其确定…………….. .. .. …………………………………· (75) 6.3.2 结点线位移及其确定…………….. .. .. …………………………………· (7日 苦 6 . 4 位移法的典型方程…………………………………………………………… ( 77) ~ 6.5 位移法的计算步骤与示例…………………………………………………… ω川 ~ 6.6 位移法小结………………………………………………….. .. .. …………· (8日 ~ 6.7 矩阵位移法…………………………………….. .. .. .. ..…….. …………· (86) 6.7.1 单元坐标系中 的单元刚度矩阵…………….. .. .. ………………………·叫6 ) 6.7.2 结构坐标系中 的 单元刚度矩阵.. .. .. ……………………………………·刊1) 6.7.3 结构刚度矩阵的形成及其性质…………………………………………… 刊7) 2 录 自 6.7.4 直接刚度法及示例 · (1 0:;) 6. 7. 5 综合结点载荷列矩阵 …………………· (1 08 ) 6. 7. 6 矩阵位移法的计算步骤与示例 · (1 15 ) (1 1 叫9U 、!‘ ~ 6.8 矩阵位移法小结 ……………. . 思考题…… (120) 习题… (1 2 1) 第七章机械结构的连接 .. 1 25 ) ~ 7. 1 焊接连接 .. 1 2 ;i ) 7. 1. 1 焊接接头的形式 ……………· (1 25 ) 7. 1. 2 焊缝的种类及构造 …………· (1 25 ) 7. 1. 3 焊缝计算 · (1 28 ) ~ 7.2 螺幢连接 .. (1 35 ) 7.2.1 概述 …………… .. (1 35 ) 7.2.2 螺栓连接的布置 … ( 136) 7.2.3 受剪螺栓连接的计算 ­ (137) 7.2.4 受拉螺栓连接的计算 · (lH) 7.2.5 同时受拉受剪螺栓连接的计算 ­ (146) 7.2.6 梁的拼接计算 · 1 48 ) ~ 7. :-J销轴连接…………… (1 50 ) 7.3.1 销轴计算 .. (1 50 ) 7.3.2 销孔拉板的计算 · (150) 思考题… (1 52 ) 习题……… (1 53 ) 第八章受弯构件 (1 5 ;i ) ~ 8. 1 梁的类型 .. (1 55 ) § 8.2 型钢梁的设计 ……………………………… ( 155) § 8.3 组合梁的截面设计 ……… (159) § 8.4 组合梁的强度和刚度 …… · (16 (i ) § 8. 5 组合梁的整体稳定 ……… (1 67 ) § 8. 6 组合梁的局部稳定 .. (1 72 ) § 8. 5 组合梁的构造设计 .. (1 83 ) 思考题… (1 95 ) 习题…… (95) 第九章轴心受力构件………………………………………………… (197) § 9. 1 轴心受力构件的种类和截面形式 ………………………………………… ( 197) § 9. 2 轴心受拉构件的设计 ……………………………………………………… (19 的 3 机械结构设计 9.2.1 强度验算 . . . . . . . . . . . . . . . .. . ……. . . . .. . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . ………. ... ... (98) 9. 2. 2 刚度验算 …………………………………………… . . . . . . .. . . . . . . . ………· (98) ~ 9.3 实腹式轴心受压构件的设计 ………………………………………………(200) 9.3. 1 整体稳定性 ………………………………………………………………(200) 9.3.2 局部稳定性 ………………………………………………………………(204) 9. 3. 3 截面设计 ………………………………………………………………… ( 约们 ~ 9.4 格构式轴心受压构件的设计 ………………………………………………(209) 9. 4. 1 剪切变形对轴心压杆临界应力的影响 …………………………………(209) 9.4.2 截面设计 …………………………………………………………………(215) 9. 4. 3 缀材和横腼的设计 ……………………………………………………… ( 21 7) ~ 9.5 构件的计算长度 ……………………………………………………………(224) 11 9.5.1 等截面构件的计算长度 …………………………………………………(22 ) 9.5.2 起重机臂架的计算长度 ………………………………………………… ( 22 7) 9. 5. 3 变截面构件的计算长度 …………………………………………………(229) 思考题…………………………………… (233) 习题……………………………………………………………………………………( 23 3 ) 第十章偏心受力构件………·(235) 再 1 0 . 1 偏心受力 构件的种类和截面形式…. . . . . . . . …………. . . . . . . . . . . . . . . . . . ……· (235) ~ 10.2 偏心受拉构件的设计. . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . ……………. . . . . . . . . …………· (236) 10.2.1 强度计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . …………· (236) 10.2.2 刚度计算……. . . . . . . . …………· ………………………. . . . . . . . . . . . . . . . . …· (236) ~ 10.3 实腹式偏心受压构件的设计………. . . . . . . . ………………. . . . . . . . . ………· (23 7) 10.3. 1 强度计算…………………………………………… . .. . . . . . . . . . . . . . . . ……· (238) 10. 3. 2 刚度计算…………………………………………………………………(240) 10.3.3 整体稳定性计算…………………………………………………………(24川 10.3.4 局部稳定性计算…………………………………………………………(249) ~ 10.4 实腹式压弯构件的截面设计………………………………………………(251) 10.4.1 实腹式压弯构件截面设计和验算………………………………………(251) 10.4.2 实腹式压弯构件的构造设计和工艺设计………………………………(258) ~ 10.5 格构式压弯构件的设计计算………………………………………………(258) 10. 5. 1 格构式压弯构件的稳定性计算…………………………………………(258) 10.5.2 格构式压弯构件的强度和刚度验算……………………………………(26川 思考题……………………………………………………………… (266) 习题……………………………………………………………………………………( 2 6 6 ) 第十一章机械结构课程设计………,……·(268) ~ 11. 1 课程设计目的和要求……………………………………………………… ( 26 8 ) 目 录 ~ 11. 2 起重臂结构方案确定…· (268) ~ 11. 3 计算简图及计算载荷确定…… .. (269) 11. 3. 1 计算简图….. (269) 1 1. 3. 2 载荷组合…· (269) 11. 3. 3 载荷确定…· (270) ~ 11. 4 内力 计算及内力 组合· ( 27 1) 11. 4. 1 臂架内力计算…. . (271) 11. 4. 2 内力组合…· (273) 引 1 1. 5 截面选择和截面验算…………… (274) ~ 11. 6 绘制施工图… … (276) 附录 (277) 参考文献· (292) 光盘机械结构设计上机教材 5 第章绪论 第一章绪论 ~ 1. 1 概论 图 ] - 1 本书主要结合工程机械论述机械结构设叶的原理和l}j-法。 金属结构与其他材料制成的结构相比,具有下刑一些特点: 1)强度高、重量轻金属结构大都采用钢材。钢材比木材、砖石、氓凝土等材料的强度 要高出很多倍,因此,当承受的载荷和条件相同时,用钢材制成的结构自重较轻.所需截I古i较 小,运输和架设亦较方便。 2) 塑性和韧性好 钢材具有 良好的塑性O 在一般情况下, 不会闲偶然超载或间部也就 造成突然断裂破坏,而是事先出现较大的变形预兆,以利人们采取补救措施。钢材还具有良 好的韧性,使得结构对经常作用在机械上的动载荷的适应性强,为金属结肉的安全使用提快 了可靠保证。 lJ] 3) 材质均匀 钢材的内部组织均匀 , 各个方向 的物理力学性能基本相同 . 很接近各 r 同性体,在一定的应力范围内,钢材处于理想弹性状态,与工程力学所采用的喀木if骂起较符 合,故计算结果准确可靠Q 4) 制造方便, 具有良好的装配性 金属结构是由 各种通过机械加工制成的刑钢和铜板 等组成,采用焊接、螺栓或锄接等手段制造成基本构件,运至现场装配拼接。故制造简便、施 工周期短、效率高,且修配、更换也方便。 5) 密封性好 金属结构如采用焊接连接方式易做到紧密不渗漏. 密封性好 . 适用 F 制 机械结构设计 作容器、油罐、油箱等。 6) 耐腐蚀性差 有些机械特别是工程机械, 经常处在潮温环境中作业, 用钢材制作的 金属结构在温度大或有侵蚀性介质情况下容易锈蚀,因而需经常维修和保养,如除锈、汕漆 等,维护费用较高。 7) 耐高温性差 钢材具有 · 定的耐热性, 咱不耐高温, 随着温度的升高 . 钢材强度会降 低,因此对重要的结构必须注意采取防火措施o 金属结构的重量通常占整台机械重量的 60 % ~70% , 有些机械, 如塔式胆重机的金属结 构占整机重量的 90 % ,因此要求结构自重尽量轻,既节约材料,又可提高机械的工作性能o ~ 1.2 机械结构的分类 工程机械金属结构的类型很多,可以根据金属结构基本元件的几何特征、连接方式以及 外载荷与结构件在空间的相互位置等三种情况来分类o (1)根据基本元件的几何特征,可分为杆系结构和板结构。 若干杆件按照 d定的规律组成几何不变结构,称为杆系结构。其特征是每根杆件的长 度远大于宽度和厚度,即截面尺寸较小。常见的塔式起重机的臂架和塔身(I到 1 ~2) 、 轮胎式 起重机的臂架(图 1 - 3 )等都是杆系结构。 圈 1-2 圄 1 -3 板结构主要由薄板焊接而成O静板的厚度远小于其他两个方向上的尺寸,故又称薄壁 结构。汽车起重机的箱形伸缩臂架、转台、车架、支腿(图 1 -4 ) ,挖掘机的动臂、斗杆、铲斗 (图 1 - 5 )等都属于板结构o (2) 根据基本元件和构件间的连接方式的不同 , 可分为佼接结构、 刚接结构 和混合结构。 佼接结构中所有结点都假设是理想钱,即不承受弯矩。工程机械金属结构中极少有位 接结构。但是,如果杆系结构中的杆件主要承受轴向力,承受的弯矩相对甚小‘或者当结点 处的连接状态与钝接连接很相近时,如塔式起重机的臂架、塔身,在设计计算时.叮近似简化 为钱接结构处理o 刚接结构也称刚架结构。这种结构的特点是杆件连接处比较刚强。在外载荷作用下,结 2 第~章绪论 铲斗 图 1 -4 困 1 -5 点处各构件之间原有的相互夹角不会变化,或 变化甚小可忽略不计,结点能承受较大弯矩。 龙门起重机(图 1- 6 )的门架就是刚接结构。 ?昆合结构的特点是在结构的结点中既有 镜接连接的结点,又有刚接连接的结点o (3) 根据外载荷与结构构件在空间 的相互位置的不同,分为平面结构和空 间结构。 当结构中所承受的外载荷的作用线 部杆件的中心轴线都处在同一平面内,则称为 平面结构。在实际结构中,直接应用平面结构的情况较少,但许多实际结构通常由平面结构 组合而成,故可简化为平面结构来计算。如图 } - 7所示的塔式起重机水平臂架 L .小车轮 压、结构自重与和架式臂架平面共面,因此该臂架也可简化为平面结构计算。 当结构杆件的中心轴线不在同一平面,或者结构杆件的中心轴线虽位于同一平面,但外 载荷作用线却不在其平面内,这种结构称为空间结构。图 }- 8所示的轮胎式起重机车架即 为空间结构。 旷\f\JV\N\J VV叭VVV\J V\/\/\JV\A 占》ι 图 1-7 上述三种不同的分类方式,表明了工程机械金属结构的各种形式。虽然金属结构形式 不同,但它们都是由一些基本受力构件组成。这些基本构件有: 3 机械结构设计 图 1-8 1)受弯构件如龙门起重机的水平横梁,轮式起重机车架的纵梁和横架等。这些构仲 的受力特点是仅受弯矩作用。 2) 轴心受力构件 如汽车起重机人字架的拉、 压杆, 车架的支腿, 压杆式塔式起重机的 臂架等Q其受力特点是构件仅承受通过截面形心的拉力或压力(简称轴心受拉或受压)。 3) 压弯构件 如小车变幅式塔式起重机的水平臂架、 汽车起重机臂架等O 这种构件的 受力特性是除了受轴心压力外,同时还承受横向弯曲,或者轴力不通过构件截面形心且有」 定偏心距,以致产生偏心弯矩。 以上三种基本构件的设计和计算理论,将分别在后面的相关章节中加以讨论。 ~ 1. 3 机械结构设计的基本要求 卫程机械是一种王作卡分繁忙的重型机械设备,经常承受变化的动力载荷.工作环境 差。作为工程机械骨架的金属结构,其设计制造质量的好坏将直接影响整机的技术经济指 标和寿命。因此,为了保证机械正常作业.设汁金属结构时应满足一些基本要求。 作为工程机械的→个组成部分,金属结构首先必须符合整机设计要求,包括作业空间要 求和机构动力学要求,保证机械能够有良好的运动性能。其次.金属结构必须具备足够的承 载能力,应有足够的静强度及规定寿命下的使劳强度和构件的整体稳定、局部稳定。金属结 构还应具有足够的静态刚性和动态刚性,以保证机械能够有良好的工作性能。 金属结构的构造形式与受力情况、制造工艺有关,应尽量使构造合理,适应结悔的受力 特点,井有良好的结构工艺性,以方便安装、维修和运输。 工程机械的造型取决于结构的造型。因此,设计金属结构时,应尽量使造型美观、大豆。 ~1. 4 机械结构的计算简图 实际的机械结构一般都很复杂,想要完全按照结构的真实情况去进行分析啕往往很难办 到,对于少数问题也许有可能,但从实用观点来看是没有必要的。因此.对实际结构进行力 学分析时,总是需要作出一些简化和假设,略去某些次要因素,保留其主要受力特性电从而使 计算切实可行。这种把实际结构作适当简化,用作力学分析的结构图形,就称为结构计算简 图,或者叫做结构计算模型。 对实际结构作力学分析,是通过结构计算简图来进行的,结构计算简图的力学分析结 果.又是实际结构杆件截面的设计依据。因此,合理选取结构计算简图,是结构设计中非常 4 甲 一 第一章绪论 重要的一项工作,同时也是力学分析时必须首先解决的一个问题o般说来,选取结构计算 简因时,应当符合以下两点原则: 1)结构计算简图必须能够反映实际结构的主要受力特性,确保计算结果可靠; 2) 在满足计算精度要求的条件下, 结构计算简图应当尽量简单, 使得计算方便可行o 由于选取结构计算简图,不仅需要有比较丰富的专业知识,而且还要具有,定的结构设 计实践经验,因此这里就一般性的问题,做一些初步介绍。 对于机械结构来说,选取结构计算简图所要涉及的内容主要有结构各部分联系的简化、 支座的简化、结点的简化、杆件的简化、载荷的简化等。 (1)结构体系、构件以及构件间联系的简化 严格说来,实际的结构都是空间结构Q然而,对于绝大多数的空间结构来说‘宫的主雯 承重结构和力的传递路线,大多是由若干平面组合形成的。由于平面力系的计算:要比空间 力系简单得多,所以通常总是尽可能地把它简化为平面结构来计算。 对析?架结构,在计算简图中杆件通常以其轴线来代表,由率不大的做曲杆作口l以Ji1 ri 的 轴线或折线段来代替。 结构中各中干件相互之间是通过结点连接的。在实际的金属结向中.结点本身往往是 很复杂的。但是在计算时通常都简化为饺结点和刚结点间种。伎结点是指连接杆件的 结点是光滑元摩擦的理想钱,各杆可绕此快结点作相对转动,因此钱结点上的弯矩为军。、 i 然无摩擦的理想钦在实际结构中是不存在的。但是当杆件的长细比较大时, ~可以将和男Q tii 构中的结点简化为理想段结点,这样可使计算大大简化,巾所求得的主要内力(柯:件的轴)) ) 基本上是符合实际受力情况的o由于真实结点与快结点的差异句发生在结点附近的附加次 内力(弯应力)与轴力相比是很小的,在一般情况下可忽略不计。 (2) 支座的简化 任何机械结构都必须设置和支承在某一基础或其他结构之上,才能承受外载fJj Jf二 I E常 和可靠地进行工作。相应的计算模型也必须根据工程实际加上约束,才能保证i 1- 算顺利进 行,才能使计算结果与实际情况相吻合。 支座是用来支承结构并与基础相连的构件或结构。结构所承受的载荷是通过支陀传到 基础或其他结构上。在传递力的过程中,支座部分将承受支反力,同时也阻止结构在支!但厅 向上的位移o 在工程实际中,支座分为刚性支座和弹性支座。刚性支座又分为三类: 1)活动接支座其特点是在支承部分有一个钱结构或类似于饺结构的装置,其 t部结 构可以绕钝点自由转动,而钝结构又可沿一个方向自由移动。如桥式起重机横梁与车轮川j 轴相接,可以绕轮轴转动,车轮则可以在轨道上自由滚动,见图 1- 9 Ca) 。 这种支库可以 简化 为活动锻支座,见图 1 - 9 (b) 。 它产生垂直方向 的支反力 , 其作用线沿着支座链杆方向 。 2) 固定接支座 它与活动镜支座的区别在于整个支座不能移动, 但是被支承的结构 wJ J;.(辑一困定铀线或伎自由转动,如图 I-IO C a )所示,支座简图见图 I- 1 0 C b )。支座反作用力 通过支座饺点,其大小和方向由作用在结构上的载荷所决定。 3) 固接支座 这种支座的特点是, 当结构用这种支座与基础或其他结构相连接后 句 结 5 机械结构设计 i==二=-- :t (a) (h) (a) (h) 圈 1 - 9 圄 1- 1 0 构不能转动或移动o固接支座的实例见图l - I IC a) 所示。 图 中上部结构用焊接方法固接于 基础上。支座简图见图l - I IC b )。支座反力除具有支反力外,还有支反力姐。 ~气斗一 」 (a) (h) 圄 1- 11 座。 汽车车架而言,悬挂和轮胎都是弹性支座(图1 - 1 2 )。又如汽车起重机的主臂是安装在转台 哩变形,对臂架系统而言,犹如支承在弹性支座上(图1-1 3 )。 根据支座反力的不同,弹性支承亦分为弹性线 ) ,它们分别 产生弹性线位移和支反力、角位移和反力矩。 在机械与汽车结构分析中,对结构变形很小或基本不变形处,或者可能产生反力处都要 加约束o选择何种支承或约束,则要根据具体结构形式、计算工况、支承条件作具体分析。 实际结构中,明显的钱支座形式是不多见的G如附着式塔式起重机塔身底部的支承,是 用固定镜支座还是固接支座模拟,可以根据底部的构造及与地基的连接情况来分析决定。 如果塔架底部结构刚度很大,又与地基用地脚螺栓相连,则认为在底部能承受弯姐,可以假 定它是固定端。反之,当底部刚度不大,不能承受弯矩,可以认为是固定镜支座。 同一空间支座,在分解成平面结构分析时,支座的形式有可能是不一样的。如塔式起重 机臂架的根部通过转轴与培架相连,见图1 -1 5 ( a )。在臂架起升平面,由于臂架根部可以绕 轴 0点转动,不能承受弯矩,这时就可以认为是固定使支座。而在回转平面,由于两佼点作 第章绪论 23 4 5 6 7 m p ηFV CFh C~V m m 3 rl m4 内 ms n 6 m7 C 主C 22 26 m12 L::! m16 C12 ~ C16 1- 1 2 图 1 - 13 图 用,可以承受绕垂直轴的弯矩,一般可以作为固定端处 理,整个臂架就是悬臂梁,见图1- 1 5 C b ) o UAI CA . 即使对同一平面的支座,有时针对分析对象的不 同,也有可能取两种支承形式。对于图1 - 1 6 C a )所示龙 吃 门起重机,在分析时可以取图1 - 1 6 C 怡和CC) 两种支承形 式,它们在实际中都可能出现,结构的内力分布是不一 样的。在图 1- 1 6 C b )的情况下,横梁的弯矩较大,在图 1-16(c)的情况下 , 支腿中 的弯短较大。 所以 对以 上两 固 1 - 1 4 种情况都应进行计算o ~ (a) 也〈历4二: A 。 起升平面计算简图 。 (b) 回转平面计算筒图 。 固 1 - 1 5 在对结构加约束时,还应该注意分析约束对结构所产生的反力特征。如载重汽车的军 事中,与前车轮相连的前悬挂采用纵向滑轮式结构的钢板弹簧,见图1 -1 7 C a ),前车轮和钢板 7 机械结构设计 P P 出 命[]叫 」 目 「 L L ~ L (a) (b) (c) 图 1 - 1 6 弹簧都表现为弹性元件。由于前悬挂的对称d性. A与 B处所受垂亘反力基本相等。在计算 车架时,若简单地如图1 - 1 7 C b)所示在A . B两点加弹性支座,这样. A和B处的手自反力不 可能相等O 这时,可以如罔1 - 1 7 C c )所示加约束,即前悬挂(铜板弹簧)用变截国梁来模拟.轮 胎则在草一在方向用弹性支座模拟,纵向与横向口I以用活动佼支0If模拟。 另外,在实际结构中,由于钢板弹簧的前端为间走佼链.)[j-端口J在支架内纵向移动.所以 图 1 - 1 7 C c )巾,模拟铜板弹簧的变哉面梁在A和B两端的转功自由度均山释放.同时在13端 的轴向位移自由度也应释放。这样处理基本可以反映车架前端的支承情况O 近 问 民 h (a) Cb) (c) 图 1 - 1 7 确定支承形式后,一般可以直接沿相应的坐标轴方向加约束(包括弹性约束)。但是对 与坐标轴不平行的斜支座和弹性斜支庵,则不能简单地用坐标轴方向的约束替代.而同以等 效轩单元来模拟o cn 载荷的简化 对机械与汽车结构进行分析时.载荷通常是约定的。根据不同的计算[况确定载荷.是 保证分析计算结果反映工程结构实际情况的前提。 由于计算上的需要,载荷可以按不同的方法分类。 根据载荷在结构上的分布情况,可以分为以下两种: 1)集中载荷当外载荷作用在结构上的区域很小时,可以认为这种载荷是集中载荷, 如龙门起重机的轮压、塔式起重机臂架上变幅小车的轮压、吊重-挖掘机的挖掘阻力等。在 载重汽车中,发动机的重量也是以集中载荷的形式作用在车架上的O 2) 分布载荷 如果作用在结构上的载荷, 其位置是连续变化的 . urI 载荷作用在 A 定面 积旦旦定长度上,称其为分布载荷。当分布载荷的集度是均匀的,则为均布载荷。结构的自 重、风载荷、由质量号起的惯性力等,通常都作为分布载荷。 根据载荷作用随时间变化的情况,可以分为以下两类: 8 第一章绪论 1)静载荷当载荷的大小、方向和作用点不随时间变化时,称为静载荷或固定载荷.如 古构自重。 2) 动载荷 当载荷的大小、 方向和作用点随时间变化时, 称为动载荷。 其中 . 如仅仅是 载荷的作用点随时间而变时,又常常称为移动载荷。动载荷作用在结构L:时..般都是一个 过程,如起重机吊重的离地起升过程,吊重由地面到离地、直到平稳 L升.臂架结构将承受一 个十分复杂的动载荷。又如汽车在正常行驶过程中突然制动,在制动过程中,汽车结构也将 承受很复杂的动载荷。桥式类型起重机的起重小车的移动对主梁而言是典型的移动载荷。 机械结构承受的动载荷,其大小与变化情况不仅与施加的载荷本身有关,而且与承受载 荷的结构刚度有关。在动载荷作用下的结构分析方法完全不同于静载荷作用时的分析方 法。结构在功载荷作用节,经常发生结构振动现象,因此,动载荷作用下的分析比静载荷作 用时要复杂得多。 在形成计算模型时,计算载荷组合→定要根据相应规范、标准所规定的计算工况来确 定。对同一结构进行分析时,可以有多种计算工况。如对汽车起重机车架进行有限兀分析 时,臂架位置t可以位于正侧方、正后方和在后支腿 t方,这三种工况都应进行汁算。因为它 们都有可能使车架的应力分布出现最不利情形。 对同一结构进行分析时,针对不同部件的考核又有不同的载荷组合O如龙门起草机.在 对主梁进行考核时,应把载荷作用在主梁跨中,这时主梁受力最大。而对支腿进行考战时. 则应把载荷作用在支腿附近(自然应是小车能够行驶到的位置)。这是两种不同的载r-;j组 合,都应计算O 在确定计算载荷时,除上述根据不同工况计算实际载荷组合外,也常用单位载荷作用 法。它是计算出问-[况中不同的载荷在单位值作用时的结果,然后根据实际工况的载荷 直接把相应的计算结果加权迭加,从而得出实际工况下的结果。如对汽车起重机车架进行 分析时,首先分别计算在回转中心作用单位垂宦力、绕纵轴的单位弯矩和绕横轴的单位弯矩 时的情形,然后计算出臂架在不同位置时的实际垂直力、绕纵轴弯矩和绕横轴弯矩,根据官 们与单位力的权值把相应点的计算结果加权迭加,就可得到实际位移和应力值。 以上是有关形成计算简图(计算模型)的一些原则。应当指出.一个结构的计算简图并 非是永远不变的。一方面,它将随着人们认识的发展、计算技术的进步以及时以不断放宽的 简化要求,使计算简图更趋近于结构的实际工作情况。另一方面,也应因需要不同而异。例 如,在结陶初步设计时,为了粗略估算杆件的截面,国I以选用比较简单的计算简l剖,而在正式 设计时,则又采用比较复杂更能反映实际情况的计算简图作精确计算。 §1. 5 机械结构设计的研究方向 根据上述的对金属结构的基本要求,当前T程机械金属结构设计制造的理论水平以反 研究方向和趋势为: 1) 研究和改进设计理论及计算方法 至今我国无专门 的工程机械金属结构的设计规 慧,应用时大多参考《起重机设计规范»CGB3 8 11 - 8 3 )、《塔式起重机设计规范» (GB/ 营1 3752-92 ) 和《 钢结构设计规范» (GB5007 - 2003) ,采用许用应力计算法。这种方法使用 9 机械结构设计 简便,但由于采用单一的安全系数,无法区别各构件不同的超载情况,设计出的结构或材料 富余或安全程度过低。随着试验技术的不断发展,近年来,出现 f→些新的计算方法.如建 筑结构设计领域采用的以概率理论为基础的极限状态计算法o 该方法根据载荷的作m、制 材的性能和结构工作特点,采用不同的安全系数来真实反映结构实际安全度,从而能合理地 使用材料o 当前,金属结构设计领域正在研究并不断地在实践中推广新的理论和计算方法.如随机 疲劳理论、功态设计理论、可靠性理论、断裂力学理论、稳定理论、有限元分析法、最优化设计 法等。这些新理论和新方法极大地促进和提高了工程机械金属结构的设计水平。 2) 改进现有的结构形式和开发新颖的结构形式 在保证机械工作性能的条件下 . 改进 现有的结构形式和开发新颖的结构形式,能有效地减轻金属结构的自重.节省材料,从而降 低造价。如采用合理的结构截面形式,改善截面几何特性,将厚哇结构改为薄壁结构,应用 管结构代替矩形结构等等。结合具体机械,创造新颖的结构形式,可得到明显的经济效果。 3) 研究采用新材料 材料对工程机械的性能, 特别是对机械的可靠性、 寿命和 自 重的 影响较大o例如,每减轻 1 00kg起重机自重,可提高 3 0 kg的起重量。因此,研究采用轩金 属或高强度结构钢制作金属结构,是减轻结构自重、节省材料的有效途径O国外制造的用铝 合金制成的起重机臂架,自重可减轻 30 %~60 %。也有用硬质工程塑料制造起草机结构和1 零件,既明显减轻自重,又节省材料,简化制造工艺。此外,国内外都在研究使用低含金高强 度结构钢,使用这种强度高、材质好的钢材,可使金属结构体轻耐用。 4) 改进制造工艺 除传统的焊接、 哪接和螺栓连接外, 目 前还在研究和应用其他新型 的连接方式,如高强度螺栓连接、胶合连接以及装配式结构和标准化冲压构件等。选择先迸 的制造工艺,可以提高生产率,降低制造成本o 5) 金属结构的标准化和系列化 从设计着子, 结合制造工艺, 将一些易于标准化的陶 件,如和架式臂架标准段、起重机车架等,设计成有一定规格的标准部件,经过组装.即可制 造成系列化产品。部件的标准化和产品的系列化可大大加快设计和制造过程.且便于计算 机辅助设计和制造,为大规模的工业生产创造必要的条件。 思考题 1-1 机械结构 的 类型如何划 分? 各种 类 型包括哪 些结构? 1-2 机械结构 的 特点 是什么 ? 1-3 工程机械对金属 结构有哪些要求? 1-4 工程机械金属 结构 的 发展趋势 是 什 么 ? 10 结构的设计计算为法 第=二章 结构的设计计算方法 第二章 ~. 1 载荷及其组合 金属结构是机械的承载构件O根据载荷的性质可划分为:自重载荷、工作载1町、惯性载 自、冲击载荷、自然载荷以及其他载荷O根据载荷作用的概率可划分为:基本载荷、附加载荷 何特殊载荷Q所有载荷并非始终作用在结构上,因此,在设计结构时通常根据各类机械的实 际工况,将载荷先组合,然后选行结构计算。 t l. l 载荷种类 工程机械常见外载荷分为五类。 1)自重载荷自重载荷是指机械的结构、机构和电气设备等的重力。机械自重政且在 各部件的分布在设计之前为未知数O由于结构自重载荷占了机械总重量的很大比例.协l此. 自重载荷的正确估;屯和计算 1分重要。通常,11J 参考类型相似、 参数相近的机械结构进行估 算,或者利用一些经验公式(在相应设计o -f册)初步确立豆。有的机械(女(1起重压输机)金属结 构的自重载荷也liT根据类似结构的自重表查阅获取。经过估算或查阅后的(J i主载荷.在初 步设计计算后再作修正。一般要求理论汁算值与实际重量误差小于 1 0 % .n: 误差较大必须 复算。 自重的分布,根据结构形式而走。通常,板梁实体结构的自重视为均布或荷,的架结构 的自重可假定为均匀分布作用在柑架的节点J::.,机械装置及电气设备等的白草视为集中载 荷作用在相应部位 t o 机械非作I l k时,自重载荷为静态。当机械作业时,因结构振动自重载荷将产丹A动载放 应。在结构设计时习惯上计人功载系数来考虑,即自重载荷乘上相应的载荷增长系数以反 映自重载荷的功载效应。动载系数根据各种机械作业时振动状况而起,由相应机械设叶子 册查取。 2) 工作载荷 机械结构在工作状态中承受的载荷称为工作载荷O 工作载荷是结构 主 要承受的载荷。比如,起重机的起升载荷、挖掘机的挖掘阻力和物料重量、装载机的铲装阻 力和物料重量等。 由于机械作业时都存在较大振动,使结构产生附加的动应力,因此.在计算工作载荷时 往往应考虑动载效应o比如,起重机械的起升载荷,在起重质量突然离地起升或 F降制动 时,结构将产生冲击振动,从而增大了起升载荷的静力值。计算时常用一个大于 I的动载系 数乘以起升载荷静值来表示,该动载系数可由理论计算和试验研究获得。 3) 惯性载荷和冲击载荷 机械的惯性载荷和冲击载荷均属于功力载荷。 惯性载荷又 体惯性力,通常包括:机械的变幅机构非稳定运动时作变速运动的质量惯性力、回转机构 E 作时回转质量的法向惯性力和回转机构非稳定运动时回转质量的切向惯性力、机械臼身质 量等的水平惯性力。冲击载荷是指运行机构沿道路或轨道行驶时,由于道路不平或轨道接 生的影响,对结构产生的垂直方向的最大振动惯性力。 11 机械结构设计 惯性载荷和冲击载荷均计入相应的动力系数,动力系数的确定根据各类机械的不同而 不同。 4) 自 然载荷 自 然载荷是指结构受 自 然环境因素影响所造成的载荷 . 如l 风、 雪 、 冰、 温 度变化和地震等载荷。 上述载荷中除风载荷外,其余载荷对于常用工程机械而言,如用户无特殊要求.结构设 计中斗般不考虑。风载荷是自然载荷中的重要载荷,这是因为工程机械大多在露天作业.尤 其是 A些机械(如塔式起重机、龙门起重机等)高达几十米,受风载影响很大。因此,对起前 机等类工程机械必须考虑风载荷的作用。 风载荷是大小和方向均为随机的水平力,由风压和受风物体的体型尺寸所确定O风f长 与风速和空气密度有关。风速变化不大的阵风视为静风压,用于一般起草运输机械设备的 结构计算o对于高耸起重机结构,还应计入风压脉动引起的结构风振。 5) 其他载荷 包括结构在运输或安装过程中产生的振动冲击力 、 捆扎力 、 吊装力 等特 殊载荷;机械偏斜运行时,轨道作用在车轨上的水平侧向力;机械试验时的试验载荷等。 2. 1.2 载荷组合 t述载荷都是随机变量, 对结构的作用也是随机过程。 根据这些载荷的不I司 特点以皮 载荷出现的频繁程度,可分为四类: 基本载荷始终和经常作用在结构上的载荷.包括自重载荷、工作载荷、惯性载荷和 冲击载荷; 附加载荷机械在正常工作状态下结构所受到的非经常性作用的载荷.包括仁作状 态下的作用在结构上的最大风载荷、机械运行过腥中引起的水平侧向力等; 特殊载荷机械处于非工作状态或试验状态下的载荷.包括非 r作状态 F的最大风 载荷、安装载荷、试验载荷、碰撞载荷、温度载荷等。 所有的各种载荷,不可能同时作用于结构上,因此,在结构设计u.j .应根据各种机械的实 际工况,将可能同时作用在机械结构上的载荷进行合理组合.然后近行结构计算。 各类 E程机械的载荷组合是不同的。如起重机械结构.是按《起重机设计规范》要求.分 为王类载荷组合: 第 I类载荷组合-仅考虑基本载荷。这一组合是起重机最多有两个机构同时处于非 稳定状态。该组合用于对结构进行疲劳计算。 第 H类载荷组合{二考虑基本载荷和附加载荷同时作用。这一组合是起重机结构I E常 工作状态下具有可靠的强度和稳定性的重要设计载荷。该组合用于对构件和机构零件进行 强度、稳定性和刚度计算。 第田类载荷组合考虑基本载荷和特殊载荷同时作用,或基本、附加与特殊载荷同时 作用O产生此类载荷组合时,起重机是处于非作业状态。该组合用于验算露天作、业的起重 机结构的最大静强度、弹性稳定性和整机倾覆稳定性。 § 2. 2 结构承载能力的设计计算方法 结构计算的目的是保证结构在载荷作用下安全可靠地工作,既要满足强度、稳定性、刚 12 -

  

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