【机械设计】非标机械设计：材料强度，刚度，挠度的介绍
非标机械的设计过程中，需要考虑到很多材料相关的属性，比如强度、刚度、挠度等。下面我们就来介绍一下这些属性。
一、材料强度
材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。
屈服强度（σs）
当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到一个值后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为屈服强度的标准值，称为屈服强度或屈服点。
抗拉强度（σb）
试样在拉伸过程中，在拉断时所承受的最大力（Fb），除以试样原横截面积（So）所得的应力（σ），称为抗拉强度（σb），单位为N/（MPa）。它表示金属材料在拉力作用下抵抗破坏的最大能力。计算公式为：σ=Fb/So。
式中：Fb--试样拉断时所承受的最大力，N（牛顿）；So--试样原始横截面积，mm²。
抗压强度（σbc）
抗压强度指外力施压力时的强度极限。欲想了解石材的特性，和抗压强度有极大的关系，抗压强度是将岩石的加压至破裂，此时的压强即为岩石的抗压强度。抗压强度分类：岩石的抗压强度会因应其组成颗粒、胶结物、颗粒形状、颗粒排列方式、胶结强度、以及围压压力的不同而有所不同。抗压强度也是岩石力学性质之一，表示岩石抵抗外力压碎的能力，与颗粒胶结的强度有关，而与颗粒本身强度无关。岩石受压破碎，首先是产生微裂隙，应力超过弹性极限，岩石内部裂隙逐渐扩展，直至贯通而破坏。若以σbc表示抗压强度，Pb表示破坏时的最大压力，So表示受力面积，则σbc = Pb/So。
抗弯强度（σbb）
抗弯强度是指材料抵抗弯曲不断裂的能力，主要用于考察陶瓷等脆性材料的强度。一般采用三点抗弯测试或四点测试方法评测。其中三点抗弯测试是最常用方法：把试样放在两支点上，两支点间距离为L，在上方的中点以P之负荷使其弯曲至断裂为止，记录其最大之负荷P，其强度σbb = 3P×L/2bd²，其中b为试样之宽度，d为试样之厚度。
二、材料刚度
刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。是材料力学中的一个重要性能指标，是弹性元件上的力与弹性元件变形的比例。
刚度表示材料在弹性范围内对变形的抵抗能力。材料的刚度由使其发生单位变形所需的外力值来量度。各向同性材料的刚度取决于它的弹性模量E和剪切模量G（见胡克定律）。结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外，还同其几何形状、边界条件等因素以及外力的作用形式有关。
分析材料和结构的刚度是工程设计中的一项重要工作。对于一些须严格限制变形的结构（如机翼、高精度的装配件等），须通过刚度分析来控制变形；许多结构在受力后不仅要分析结构的强度，还要控制结构的刚度以防止结构失稳或过大的变形。如当梁受到大弯矩作用时，刚度不足的梁就会发生很大的挠曲变形（甚至丧失承载能力）；机床的主轴要承受很大的压力，若刚度不够，就会产生很大的弯曲变形，影响加工精度。
影响刚度的因素
与构件的截面尺寸有关
截面尺寸越大，刚度越大，但截面的稳定性应相应地进行考虑。
与构件的长度有关
构件长度越长，刚度越小，越容易变形。
与受力点的位置有关
受力点越靠近支撑点，刚度越大；反之，则越小。
与构件的支撑情况有关
三点支撑的比两点支撑刚度大；端点支撑的比中间支撑的刚度大；多跨连续支撑的刚度大。
与材料种类和截面形式有关
如铸铁比钢板的刚度大，圆形截面比矩形截面的刚度大。
三、材料挠度
挠度是在受力或非均匀温度变化时，杆件轴线在垂直于轴线方向的线位移或板壳中面在垂直于中面方向的线位移。
挠曲线——平面弯曲时，轴线将变为一条曲线，称为挠曲线，用y表示。简支梁、悬臂梁的挠曲线方程为y=f(x)，表示挠度y随x变化的函数关系。
转角——挠曲线在任意截面的倾斜角称为该截面的转角，用θ表示。
挠度和转角的关系——在平面弯曲情况下，挠度y与转角θ之间存在微分关系：θ=dy/dx。
挠度的计算
均布荷载下的最大挠度在梁的跨中,其计算公式
Ymax = 5ql^4/（384EI）。
式中: Ymax 为梁跨中的最大挠度；
q 为均布线荷载标准值；
E 为钢的弹性模量，对于工程用结构钢，E=2100000 N/mm²；
I 为梁的截面惯矩，对于矩形截面b×h，且忽略翼缘对惯矩的贡献，I=bh^3/12；
l 为梁的跨度。
集中荷载作用下的最大挠度在集中力作用点处,其计算公式
y = Pl^3/(48EI)
悬臂梁受均布荷载或自由端受集中荷载作用时，
最大挠度分别出现在悬臂梁的根部和端点，其计算公式分别为
y1 = ql^4/(8EI)（均布荷载作用点的最大挠度在梁的端点）
y2 = Pl^3/(3EI)（集中荷载作用点的最大挠度在梁的根部）。
提高刚度的措施
改善结构形式，减小弯矩M
a. 优化设计截面尺寸或形状，使截面惯性矩I增大；
b. 尽可能降低梁的最大弯矩值M，如合理布置梁的支点等。
增加支承，减小跨度l
缩短梁的跨度是有效降低梁挠度的办法之一，在设计时，条件允许的情况下，可以尽可能布置较多的中间支承，减小跨度。
**选用刚度较大的材料
如使用Q345而不是Q235钢材。
采用变截面梁，如鱼腹式梁等
减小挠度的其他措施
对受集中力较大的区域局部加强
如加大截面尺寸，或加设附加梁、附加桁架。
合理布置梁上荷载
在长度较大的梁上，将作用在梁上的集中力或较大集中力距，向两端分散移置，或加设中间支承，以减小其对某一梁段的集中效应，将荷载沿梁长均匀分布。
改变梁端支承形式
如变简支梁为固端梁，可使梁的挠度减小。
在梁的受拉区增设张紧的拉索或撑杆
可以减小梁的挠度。
对大型梁的挠度控制，可采用施加预应力法
如在桥梁中采用预应力混凝土梁等。
材料的强度、刚度和挠度是机械设计中非常重要的三个参数，对于非标机械设计来说更是如此。
强度是指材料抵抗破坏的能力，它决定了结构件在受到外力作用时是否会发生断裂或塑性变形。在非标机械设计中，我们需要根据受力情况选择合适的材料，确保结构件在工作过程中不会因为强度不足而发生破坏。
刚度则是指材料抵抗变形的能力。在非标机械设计中，我们不仅要考虑结构件的强度，还要关注其刚度。如果刚度不足，结构件在受力后会发生过大的变形，从而影响机械的性能和使用寿命。因此，在选择材料和设计结构时，我们需要综合考虑强度和刚度两个因素，确保结构件既具有足够的强度，又具有良好的刚度。
挠度则是指结构件在受力后发生的变形量。对于需要保持高精度和稳定性的非标机械设备来说，挠度的控制尤为重要。过大的挠度会导致机械设备的精度下降，甚至影响其正常工作。因此，在非标机械设计中，我们需要通过合理的结构设计和材料选择来减小挠度，提高机械设备的精度和稳定性。
强度、刚度和挠度是非标机械设计中必须考虑的重要因素。在设计和制造非标机械设备时，我们需要根据具体的工作条件和要求，选择合适的材料和结构形式，确保机械设备具有足够的强度、刚度和稳定性，从而满足生产和使用需求。
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文案来源：时光
排版编辑：时光
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