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力学基本概念-【强度、刚度、稳定性】

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 本文摘要:(由ai生成)

在工程结构设计中,强度、刚度和稳定性是三大核心要素。强度关注的是材料或构件在荷载下抵抗破坏的能力,而结构强度则是整个系统在荷载下的稳定性与完整性。刚度衡量的是材料或构件抵抗变形的能力,对保持结构功能至关重要。稳定性则侧重于构件或结构在荷载下保持平衡状态的能力,避免倾覆或显著变形。在设计中,需综合考虑这些要素,根据材料特性与结构受力情况确定结构强度,确保结构的安全与稳定。



   工程结构的设计中,要保证结构满足使用要求,通常会考虑以下三个方面,即强度、刚度、稳定性

强度

    强度是指材料或构件在荷载作用下抵抗破坏的能力。它反映了材料在受力时抵抗断裂或变形的能力。强度又分为材料强度与结构强度。

    材料强度材料强度是指材料本身所具有的抵抗外部荷载引起破坏的能力。材料的强度通常通过拉伸强度、压缩强度、屈服强度、剪切强度等参数来描述。不同材料具有不同的强度特性,比如钢材的强度通常比木材高,混凝土的强度也与钢材有所不同。

    结构强度:结构强度是指整个结构系统在承受外部荷载时保持稳定性和完整性的能力。结构强度考虑了结构中各个组成部分的相互作用以及整体结构的受力情况,同时还考虑了荷载的分布、结构的几何形状等因素。结构强度是综合考虑了材料性能、结构形式、荷载情况等多种因素的结果。

    在工程设计中,通常需要根据材料的强度特性和结构的受力情况来确定最终的结构强度,以确保结构在使用过程中具有足够的安全性和稳定性。因此,材料强度和结构强度是工程设计中需要综合考虑的两个重要方面。


 

 

试件塑性断裂(左)与脆性断裂(右)

    工程设计中,强度问题是考虑得最多的。例如:汽车设计中,强度设计主要是考虑零件会不会断裂、会不会撞坏这类问题;压力容器运行中因超压发生破裂等等。

汽车碰撞导致强度失效


 

 

压力容器超压破裂


刚度

刚度是指材料或构件在荷载作用下抵抗变形的能力。它与构件的尺寸、截面积、体积以及组成材料的弹性模量有关。刚度大的构件在受力时不易发生变形,而刚度小的构件则容易发生变形。

    有时候,我们的结构并没有发生强度破坏,但是变形超过了一定的限制,导致结构丧失了其功能,例如:法兰刚度太小发生变形导致泄漏、桥梁挠度过大;当机床零部件,如果受到加工负载或操作力矩的作用导致零部件变形,使得其刚度不足以确保精确加工或正常运行;汽车车身刚度不够,车身会出现扭曲和变形,悬架系统零部件如弹簧、减震器等的过度磨损,车辆操控性、舒适性等下降。


 

 

法兰刚度不足导致密封泄漏


 

 

机床刚度对零件加工精度影响很大

车身刚度不足会导致过大的扭曲变形


稳定性

稳定性是指构件或结构在荷载作用下保持其原有平衡状态的能力。它涉及到结构在受力时的几何形状和平衡形态的维持。稳定性对于防止结构在荷载作用下发生倾覆或显著变形至关重要。

    例如,细长杆件受压失稳,真空压力容器容易发生屈曲失稳、大雪压塌体育馆。


 

 

压杆失稳


 

 

压力容器屈曲失效


 

 

2024年2月月4日,河南信阳羊山新区体育馆因为一场大雪导致坍塌


来源:一起CAE吧
断裂碰撞汽车材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-04-21
最近编辑:6月前
侠客烟雨
硕士 竹杖芒鞋轻胜马,一蓑烟雨任平生
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从瞬态动力学分析结果看共振现象

一、什么是共振 当系统/物体在外部激励作用下,激励频率与系统/物体自身频率相等或接近时,会出现振幅急剧增大的现象,称为共振。 共振现象在我们的生活中无处不在,从乐器的发声到建筑物的振动,甚至是我们身体内的器官都有可能受到共振的影响。乐器的共鸣许多乐器,如吉他、小提琴和钢琴,都利用共振原理来放大声音。当琴弦或琴键被敲击或弹奏时,它们会引起乐器内部的空气和木材振动,进而产生共鸣,使声音更加悦耳动听。乐器中的共振现象桥梁和建筑物的振动当风力或地震等外力作用在桥梁或建筑物上时,它们会引起结构的振动。如果这些振动的频率与结构的固有频率相近,就会发生共振,导致结构受到破坏。因此,在设计和建造这些结构时,工程师们需要考虑共振的影响,以确保结构的安全性和稳定性。塔科马大桥因风载产生共振造成垮塌车辆的共振当车辆行驶时,车轮和发动机的振动会引起车身的振动。如果这些振动的频率与车身的固有频率相近,就会发生共振,使乘坐者感到不适。因此,汽车制造商需要采取措施来减少共振,提高乘坐的舒适性。车辆共振产生噪音声音的共振当我们听到某些声音时,它们会引起我们身体内部的器官振动。如果这些声音的频率与我们身体器官的固有频率相近,就会发生共振,使我们感到不适或受到损伤。例如,长时间暴露在高分贝的噪音环境中,会对我们的听力造成损害。金毛狮王的狮子吼(军事中的声波武器就是这个原理)电子设备的共振在电子设备中,电路和元件的振动也可能引起共振。如果这些振动的频率与电路或元件的固有频率相近,就会导致设备性能下降或出现故障。因此,在设计和制造电子设备时,需要考虑共振的影响,以确保设备的稳定性和可靠性。利用磁共振原理实现手机无线充电某些情况下,共振是我们想要的。例如,在音响设备中,音箱的共振能够增强声音的音量和音质;在无线电技术中,共振电路能够选择性地接收或发射特定频率的电磁波;在医学成像中,磁共振成像(MRI)利用共振原理来生成人体内部的高清晰度图像。此外,一些机械设备也利用共振原理来提高工作效率,如振动筛、振动输送机等。然而在某些情况下,共振又是危险的。当外部激励频率与系统的固有频率相近时,系统会发生共振,导致振幅显著增大,可能引发结构的破坏或设备的故障。例如,在桥梁、建筑和飞机等结构中,共振可能导致灾难性的事故,如桥梁坍塌、建筑物损坏、飞机颤振等。此外,长期暴露于共振环境中的人体也可能受到不良影响,如听力损失、身体疲劳等。为了避免共振的危害,人们通常会采取一些措施来防止共振的发生。例如,在设计和制造机械设备时,可以通过改变结构的固有频率或增加阻尼来避免与外部激励频率产生共振;在使用音响设备时,可以合理调整音箱的摆放位置和角度,以减少共振对音质的影响;在建筑物和桥梁等结构中,可以通过增加支撑、改变结构形式或使用减振材料等方法来增强结构的稳定性并避免共振的发生。 二、用Ansys瞬态动力学分析方法看共振 瞬态结构分析(Transient Structural Analysis)是一种研究结构在随时间变化的载荷作用下的动态响应的方法。与静态结构分析不同,瞬态分析考虑了时间对结构行为的影响,因此可以模拟结构在短暂或持续时间内的振动、冲击、爆炸等。大道至简,用一个简单得不能再简单的例子,采用瞬态动力学分析方法来看看结构共振现象。01问题描述简单悬臂板,长、宽、厚分别为208.02mm、10mm、1.0572mm(这个有零有整的尺寸,纯粹是为了搞出后面那个1阶固有频率为20Hz。得到该数据的方法,是采用目标优化分析。关于目标优化的操作,可以参考我之前的文章《采用Ansys Workbench DesignExploration进行目标优化分析实例》)。一端固定,另一端施加-1N载荷。分别进行模态分析,静力分析,瞬态动力分析(载荷按1阶固有频率施加)、瞬态动力学分析(载荷避开固有频率,按0.5倍1阶固有频率施加)。02模态分析一端固定,进行模态分析,分析结果如下图所示,其1阶固有频率为20Hz。03静力分析采用Static Structural进行静力分析。一端固定,一端施加-1N载荷。其Y方向位移如下,最大值为-15.146mm。04瞬态动力分析采用Transient Structrual模块进行瞬态结构分析,分两种频率加载,分别是20Hz和10Hz。1) 施加频率为20Hz的循环载荷,循环3次,施加载荷的施加总长0.15s,分析时长为1s。 结构某峰值时刻的Y方向位移如下图所示,可以看出,结构位移已远超静力分析时施加同样载荷情况下的位移。 结构悬臂端Y方向位移随时间变化曲线如下图所示。在20Hz激励载荷的作用下,结构发生了共振现象,结构在第一次加载时位移接近静力分析结果,此后两次加载过程中,位移呈振荡增加,远大于静力分析结果。在载荷卸载后,结构还是继续保持振荡模式(振荡频率为1阶固有频率20Hz),不过此时位移已不再持续增加。2) 施加频率为10Hz的循环载荷,循环3次,施加载荷的施加总长0.3s,分析时长为1s。结构某峰值时刻的Y方向位移如下图所示,可以看出,结构的位移值与静力分析时接近。结构悬臂端Y方向位移随时间变化曲线如下图所示。结构的一阶固有频率为20Hz,施加10Hz激励载荷时,结构并未发生共振现象。值得注意的是,在加载时,位移变化与激励载荷保持同频,均为10Hz的变化。但是在卸载后,结构仍然以微小幅度振荡(振荡频率为结构一阶固有频率20Hz)。其实,在工程设计中要避免共振,做个模态分析就可以了。本文纯属笔者无聊搞着玩,如果看完对您有那么一点点启发,可以顺手点个“在看”和“赞”! END来源:一起CAE吧

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