彈簧的強度和剛度的理論理解
作者：卡塔羅彈簧 發(fā)布時間：2023-02-01 16:06:14
我們經(jīng)常形容彈簧的強度和剛度，可是很多不了解彈簧的人，就不是很了解強度和剛度的區(qū)別。為了保證彈簧的正常工作，保證其中機器的其他每個零部件或者構(gòu)件都能夠正常的工作。彈簧設(shè)計工程師安全設(shè)計的任務(wù)就是保證彈簧具有足夠的強度、剛度及穩(wěn)定性。
下面總結(jié)了一份材料力學(xué)強度和剛度知識點供大家參考。
定義：構(gòu)件或者零部件在外力作用下，抵御破壞（斷裂）或者顯著變形的能力。提取關(guān)鍵字，破壞斷裂，顯著變形。
比如說我把ipad當(dāng)成了體重秤，站上去，ipad屏幕裂了，這就是強度不夠。比如三亞每年的夏天看海時許多大樹枝被風(fēng)吹斷，這也是強度不夠。
強度是反映材料發(fā)生斷裂等破壞時的參數(shù)，強度一般有抗拉強度，抗壓強度等，就是當(dāng)應(yīng)力達到多少時材料發(fā)生破壞的量，強度單位一般是兆帕。
脆性斷裂：在沒有明顯的塑形變形情況下發(fā)生的突然斷裂。如鑄鐵試件在拉伸時沿橫截面的斷裂和圓截面鑄鐵試件在扭轉(zhuǎn)時沿斜截面的斷裂。
塑形屈服：材料產(chǎn)生顯著的塑形變形而使構(gòu)件喪失工作能力，如低碳鋼試樣在拉伸或扭轉(zhuǎn)時都會發(fā)生顯著的塑形變形。
強度理論.
1.最大拉應(yīng)力理論：
只要構(gòu)件內(nèi)一點處的最大拉應(yīng)力σ1達到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)力σb，材料就要發(fā)生脆性斷裂。危險點處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂破壞的條件是：σ1=σb。
所以按第一強度理論建立的強度條件為：σ1≤[σ] 。2. 最大拉應(yīng)變理論：
只要最大拉應(yīng)變ε1達到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值εu，材料就要發(fā)生脆性斷裂破壞。ε1=σu；
由廣義胡克定律得：ε1=[σ1-ν(σ2+σ3)]/E，所以σ1-ν(σ2+σ3)=σb。
按第二強度理論建立的強度條件為：σ1-ν(σ2+σ3)≤[σ]。
3. 最大切應(yīng)力理論：
只要最大切應(yīng)力τmax達到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限切應(yīng)力τ0，材料就要發(fā)生屈服破壞。τmax=τ0。
依軸向拉伸斜截面上的應(yīng)力公式可知τ0=σs/2（σs——橫截面上的正應(yīng)力）由公式得：τmax=（σ1-σ3）/2。所以破壞條件改寫為σ1-σ3=σs。
按第三強度理論的強度條件為：σ1-σ3≤[σ]。
4. 形狀改變比能理論：
只要構(gòu)件內(nèi)一點處的形狀改變比能達到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生屈服破壞。
所以按第四強度理論的強度條件為：sqrt(σ12+σ22+σ32-σ1σ2-σ2σ3-σ3σ1)<[σ]。
剛度：
定義：指構(gòu)件或者零件在外力作用下，抵御彈性變形或者位移的能力，即彈性變形或者唯一不應(yīng)該超過工程允許的范圍。
剛度是反映結(jié)構(gòu)變形與力的大小關(guān)系的參數(shù)，即結(jié)構(gòu)受多大力產(chǎn)生多少變形的量，簡單說，就是一根彈簧，拉力除以伸長量就是彈簧的剛度。剛度單位一般是N/m。
剛度類型：當(dāng)所作用的載荷是恒定載荷時稱為靜剛度;為交變載荷時則稱為動剛度。靜剛度主要包括結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度。結(jié)構(gòu)剛度即指構(gòu)件自身的剛度，主要有彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。
1. 彎曲剛度k按下式計算：
k=P/δ
式中 P——靜載荷(N);
δ——在載荷方向的彈性變形(μm)。
2. 扭轉(zhuǎn)剛度kM按下式計算：
kM=ML/θ
式中M——作用的扭矩(N·m);
L——扭矩作用處到固定端的距離(m);θ——扭轉(zhuǎn)角(°)
通過對上述關(guān)于彈簧強度和剛度的理論理解，相對于剛度，強度的定義針對的是外力作用下的破壞，而破壞類型的分類為塑形屈服及脆性斷裂。
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