材料力学在生活中的应用

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1、材料力学理论在生活中的应用这篇论文选取了三个生活实例，运用材料力学所学的知识，通过受力分析，应力分析，强度校核回答了三个基本问题：铝合金封的廊子窗格是否可以无限高；千斤顶的承载重量是否可以任意大小和桥梁。关键词材料力学拉压强度挠度剪切压杆稳定组合变形受力单元体铝合金千斤顶1．铝合金封的廊子窗格是否可以无限高图一铝合金门窗、廊子走在大街上，我们可以看到各式各样的廊子样式，可以看到大小不一的窗格布置，学了材料力学这门课程，我们不禁要提问了，窗格尺寸的极限是多么大才能保证支撑它的铝合金材料安全，不会变形？现在就将这个模型抽象出来，假设铝合金材料是空心铝管，厚度可以任意选择，屈服强度取σ，只受玻璃给的

2、压力（设玻璃居中，由于给定一段铝合金，主要承载件是玻璃，而且玻璃的相对总质量远远大于承载的铝合金的质量），外力是均匀分布力，设普通玻璃的密度是ρkgmm（忽略玻璃的宽度），玻璃高度为H，取长度amm的铝合金材料，宽度为bmm，高为hmm，如图二所示：铝合金玻璃abh8/8图二玻璃安装示意图该结构危险点在铝合金与玻璃接触处，并且中间部位有一定的挠度（只要有承载，就一定有挠度），当承载到一定极限时，挠度太大不满足装配要求了，或者承载到一定极限就会使铝合金破坏。情形（一）：挠度w不满足装配要求——将图二简化为图三(a)所示的力学简图，装配要求挠度值为[w]，只要w≤[w]即可。首先，做外力矩MF，单

3、位力力矩图M，如图三(b)所示。hbρHMρH41/4MF图三(a)简化模型图三(b)弯矩图运用图乘法可以求的w=12×b2×ρH4×23×14×2=bρH48，进而，bρH48≤[w]，可以满足装配要求。如果给定了最大允许装配误差[w]，知道铝合金管的宽b，还知道所使用的玻璃的密度ρ，那么H≤48[w]bρ，也就是玻璃不可能无限高，是有一个极限值的。情形（二）：剪切破坏——因为玻璃是有一定的厚度的，设厚为δ在玻璃与铝合金接触的地方，有剪切8/8力存在，考虑剪切面是矩形面，最大的剪切应力τ=32×FQA，力学简图如图四所示。铝合金玻璃图四铝合金侧面示意图每个截面上，剪力FQ=12ρδaH，切面

4、面积A=at,(t为铝合金厚度)，最大剪力为τ=3ρδH4t，可见，最大剪力是一个跟铝合金长度a，宽度b，高h无关的量。如果使之满足τ≤[τ]，可以得到H≪4t[τ]3ρδ，或者t≫3ρδH4[τ]，从这个结果我们可以看到，可以通过增加铝合金的厚度提高承载玻璃重量，也可以通过降低玻璃的高度，从而使结果安全。以上的讨论是将铝合金结构与玻璃理想化了的，在实际应用中，玻璃不是直接与铝合金接触，中间会有玻璃紧固条，相当于加宽了玻璃的宽度，还要考虑安装工艺，如果玻璃紧固条与铝合金是通过螺钉固定的，那么会导致应力集中，玻璃是脆性材料，应力集中是非常危险的。所以尽量避免使用螺钉固定，如果非用不可，可以在螺钉

5、与玻璃之间加上松软的垫。采用规格厚的铝合金，尽量减小窗格的高度可以有效地提高整个结构的强度与稳定。虽然铝镁合金在最近几年得到了广泛的应用，但是铝镁合金的使用量仍然不能跟钢铁相提并论。自从几千年前我们进入铁器时代，铁这种金属材料一直都扮演着人们日常生活必不可少的材料之一，直到今天，甚至更久的将来。铁的绝对优势首先源于铁矿石的价格相对其他金属要便宜，其次就是钢铁的热处理简单，技术成熟，可以制造出强度，刚度，韧性要求不同的材料，以满足人类某一方面的需求。在我们的日常生活中，铁或者钢处处可见，家里的拖拉机几乎就是一堆钢铁的组合，各种田间劳作的工具，各种交通工具……2.千斤顶的承载重量是否可以任意大小下

6、面，就以我们常见的机械式千斤顶为例，利用材料力学的知识，分析它的规格参数与强度要求。8/8机械式千斤顶（如图五(a)示），设其丝杠长度为l,有效直径为d，弹性模量E，材料抗压强度为σc，承载力大小为F，规定稳定安全因数为nw。lFBABA图五(a)千斤顶示意图图五(b)千斤顶丝杠简化图首先，计算丝杆柔度，判断千斤顶丝杆为短粗杆，中等柔度杆，还是细长杆。丝杆可以简化为一端固定，另一端自由的压杆（如图五(b)所示），长度因数μ=2。圆截面的惯性半径为i=IA=d4，可计算柔度λ=μli，查阅千斤顶这种材料的柔度表，将得到的λ与之比较，确定千斤顶丝杆的性质（一般千斤顶丝杆为中等柔度杆，但是针对具体千

7、斤顶，应该具体分析），最后计算临界力Fcr。如果千斤顶丝杆是细长杆，临界力用欧拉公式Fcr=π2Eλ2A计算，其中E是丝杆的弹性模量；如果千斤顶丝杆是中等柔度杆，还要查阅丝杆材料数据手册，利用经验公式Fcr=(a-bλ)×A，其中a，b都是常数，可以从表里查阅到；如果千斤顶的丝杆是短粗杆，它只会发生强度破坏，不会发生失稳。计算所得的Fcr是临界力，实际生活中，我们是不能直接加载到这个力大小的，因为