剛度

剛度

物理術語
剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力。是材料或結構彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量E來衡量。在宏觀彈性範圍内,剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數,即引起單位位移所需的力。它的倒數稱為柔度,即單位力引起的位移。剛度可分為靜剛度和動剛度。
    中文名:剛度 外文名: 适用領域: 所屬學科: 拼音:gāng dù 解釋:材料在受力時抵抗彈性變形的能力 類型:概念 類别:物理名詞

介紹

剛度是使物體産生單位變形所需的外力值。剛度與物體的材料性質、幾何形狀、邊界支持情況以及外力作用形式有關。材料的彈性模量和剪切模量(見材料的力學性能)越大,則剛度越大。細杆和薄闆在受側向外力作用時剛度很小,但細杆和薄闆如果組合得當,邊界支持合理,使杆隻承受軸向力,闆隻承受平面内的力,則它們也能具有較大的剛度。

在自然界,動物和植物都需要有足夠的剛度以維持其外形。在工程上,有些機械、橋梁、建築物、飛行器和艦船就因為結構剛度不夠而出現失穩,或在流場中發生顫振等災難性事故。因此在設計中,必須按規範要求确保結構有足夠的剛度。但對剛度的要求不是絕對的,例如,彈簧秤中彈簧的剛度就取決于被稱物體的重量範圍,而纜繩則要求在保證足夠強度的基礎上适當減小剛度。

研究剛度的重要意義還在于,通過分析物體各部分的剛度,可以确定物體内部的應力和應變分布,這也是固體力學的基本研究方法之一。

結構的靜與動

靜載荷下抵抗變形的能力稱為靜剛度。動載荷下抵抗變形的能力稱為動剛度,即引起單位振幅所需的動态力。如果幹擾力變化很慢(即幹擾力的頻率遠小于結構的固有頻率),動剛度與靜剛度基本相同。幹擾力變化極快(即幹擾力的頻率遠大于結構的固有頻率時),結構變形比較小,即動剛度比較大。當幹擾力的頻率與結構的固有頻率相近時,有共振現象,此時動剛度最小,即最易變形,其動變形可達靜載變形的幾倍乃至十幾倍。

構件變形常影響構件的工作,例如齒輪軸的過度變形會影響齒輪齧合狀況,機床變形過大會降低加工精度等。影響剛度的因素是材料的彈性模量和結構形式,改變結構形式對剛度有顯着影響。剛度計算是振動理論和結構穩定性分析的基礎。在質量不變的情況下,剛度大則固有頻率高。靜不定結構的應力分布與各部分的剛度比例有關。在斷裂力學分析中,含裂紋構件的應力強度因子可根據柔度求得。

基本公式

k=P/δ其中 k表示剛度, P表示施力,δ表示變形量(變形後的長度減去原長或原長減去變形後的長度)。在國際單位制中,剛度的單位為牛/米。一般應用于胡克定律作系統的振動分析。

位移

計算剛度的理論分為小位移理論和大位移理論。大位移理論根據結構受力後的變形位置建立平衡方程,得到的結果精确,但計算比較複雜。小位移理論在建立平衡方程時暫時先假定結構是不變形的,由此從外載荷求得結構内力以後,再考慮變形計算問題。大部分機械設計都采用小位移理論。例如,在梁的彎曲變形計算中,因為實際變形很小,一般忽略曲率式中的撓度的一階導數,而用撓度的二階導數近似表達梁軸線的曲率。這樣做的目的是将微分方程線性化,以大大簡化求解過程;而當有幾個載荷同時作用時,可分别計算每個載荷引起的彎曲變形後再疊加。

彈性模量

一般來說,剛度和彈性模量是不一樣的。彈性模量是物質組分的性質;而剛度是結構的性質。也就是說,彈性模量是物質微觀的性質,而剛度是物質宏觀的性質。現行SRC-RC豎向混合結構過渡層的設計要求和相關規定提出了不同的看法,建議采用SRC-RC轉換柱進行型鋼混凝土柱到鋼筋混凝土柱的過渡。

應用

在工程應用中,結構的剛度是十分重要的,因此在選擇材料時彈性模量是一個重要指标。當有不可預測的大撓度時,高的彈性模量是十分必要的。當結構需要有好的柔韌性時,就要求彈性模量不要太高。

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