金属结构设计(高等学校机械设计制造及其自动化国家特色专业规划教材)

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  • 印刷时间:2012年08月01日
  • 开 本:16开
  • 纸 张:胶版纸
  • 包 装:平装
  • 是否套装:否
  • 国际标准书号ISBN:9787560980676
作者:燕怒 主编出版社:华中科技大学出版社出版时间:2012年08月 
编辑推荐

  本书编写时力求由浅入深、通俗易懂、理论联系实际、注重应用,适用于高等学校本科机械设计制造及其自动化、自动化、电气工程、电子信息、机电一体化及相关专业的教学,也可作为工业自动化技术人员的培训教材和自学参考书。

 
内容简介

  本书是高等学校机械设计制造及其自动化国家特色专业规划系列教材之一。本书在编写指导思想上,以国家特色专业建设计划中“高素质、强能力、应用型”的培养目标为依据,在保证结构体系完整的前提下,突出实用性及适用性,不追求理论的深度和广度。全书共分7章。第1章为绪论;第2章为金属结构的材料;第3章为金属结构的连接,主要介绍了金属结构的连接形式及方法;第4、5章和第6章分别介绍轴心受力构件、受弯构件和拉弯压弯构件,突出这些构件的工作性能和基本设计方法;第7章简单介绍平面钢闸门门体部分的金属结构设计方面的内容。本书可作为机械类专业、材料成形专业及其他相关专业的本科生教材,也可供有关工程技术人员参考。

作者简介

燕 怒, 男,湖北沙市人,工学博士,硕士生导师,2011年起至今任三峡大学机械与材料学院教授。主要从事机械零件与结构的失效与安全服役方面的研究。目前主要研究内容为高强度金属材料和MEMS的超长寿命服役性能、零件与结构的失效评价与寿命预测、表面改性等。现主持国家自然科学基金面上项目,教育部留学回国人员科研基金、湖北省教育厅科学技术研究重点项目等项目。近年来共发表学术论文40余篇,其中被SCI收录的5篇,EI收录17篇,被国际同行引用60多次。

目  录
前  言
  序 言当前,我国机械专业人才培养面临社会需求旺盛的良好机遇和办学质量亟待提高的重大挑战。抓住机遇,迎接挑战,不断提高办学水平,形成鲜明的办学特色,获得社会认同,这是我们义不容辞的责任。三峡大学机械设计制造及其自动化专业作为国家特色专业建设点,以培养高素质、强能力、应用型的高级工程技术人才为目标,经过长期建设和探索,已形成了具有水电特色、服务行业和地方经济的办学模式。在前期课程体系和教学内容改革的基础上,推进教材建设,编写出一套适合于该专业的系列特色教材,是非常及时的,也是完全必要的。系列教材注重教学内容的科学性与工程性结合,在选材上融入了大量工程应用实例,充分体现与专业相关产业和领域的新发展和新技术,促进高等学校人才培养工作与社会需求的紧密联系。系列教材形成的主要特点,可用“三性”来表达。一是“特殊性”,这个“特殊性”与其他系列教材的不同在于其突出了水电行业特色,其不仅涉及测试技术、控制工程、制造技术基础、机械创新设计等通用基础课程教材,还结合水电行业需求设置了起重机械、金属结构设计、专业英语等专业特色课程教材,为面向行业经济和地方经济培养人才奠定了基础。二是“科学性”,体现在两个方面:其一体现在课程体系层次,适应削减课内学时的教学改革要求,简化推导精练内容;其二体现在学科内容层次,重视学术研究向教育教学的转化,教材的应用部分多选自近十年来的科研成果。三是“工程性”,凸显工程人才培养的功能,一些课程结合专业增加了实验、实践内容,以强化学生实践动手能力的培养;还根据现代工程技术发展现状,突出了计算机和信息技术与本专业的结合。我相信,通过该系列教材的教学实践,可使本专业的学生较为充分地掌握专业基础理论和专业知识,掌握机械工程领域的新技术并了解其发展趋势,在工程应用和计算机应用能力培养方面形成优势,有利于培养学生的综合素质和创新能力。当然,任何事情不能一蹴而就。该系列教材也有待于在教学实践中不断锤炼和修改。良好的开端等于成功的一半。我祝愿在作者与读者的共同努力下,该系列教材在特色专业建设工程中能体现专业教学改革的进展,从而得到不断的完善和提高,对机械专业人才培养质量的提高起到积极的促进作用。谨此为序。教育部高等学校机械学科教学指导委员会委员、机械基础教学指导分委员会副主任全国工程认证专家委员会机械类专业认证分委员会副秘书长第二届国家级教学名师奖获得者华中科技大学机械学院教授,博士生导师吴昌林
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  第3节 轴心受压构件的整体稳定 4.3.1轴心受压构件整体稳定的基本概念稳定是指结构或构件受到外力作用发生变形后保持平衡状态的一种属性。随着荷载的逐渐增大,结构或构件的原始平衡状态可能由稳定平衡状态转变为不稳定平衡状态,这时原始平衡状态丧失稳定性,简称失稳(或称屈曲)。当结构或构件所受载荷达到某一数值时,若增加一个微小的增量,则结构或构件的平衡位形将发生很大的改变,这种情况称为结构或构件失稳或屈曲,相应的荷载称为屈曲荷载或临界载荷。一般来说,结构或构件失稳后的承载能力有时可增加,有时则减小,这与载荷种类、结构的几何特征等因素有关。金属结构的可能破坏形式有如下几种:结构和构件的整体失稳;结构和构件的局部失稳;结构的塑性破坏;结构的脆性断裂;结构的疲劳破坏和结构的损伤累积破坏等。失稳破坏是金属结构的主要破坏形式,必须予以充分重视。传统上,将失稳粗略地分为两类:分支点失稳和极值点失稳。分支点失稳的特征是:在临界状态时,结构从初始的平衡位形突变到与其临近的另一平衡位形,表现出平衡位形的分岔现象。在轴心压力作用下的完善直杆以及在中面受压的完善平板的失稳都属于这一类型。没有平衡位形分岔,临界状态表现为结构不能再承受荷载增量是极值点失稳的特征,由建筑钢材做成的偏心受压构件,在经历足够的塑性发展过程后常呈极值点失稳c并非所有的结构在屈曲时都立即丧失承载能力,因此,如果着眼于研究结构的极限承载能力,可依屈曲后性能分为如下三类:(1)稳定分岔屈曲。分岔屈曲后,结构还可承受荷载增量。换言之,变形的进一步增大,要求荷载增加。轴心压力作用下的杆以及中面受压的平板都具有这种特征,尤其是平板,具有相当可观的屈曲后强度可供工程设计利用。(2)不稳定分岔屈曲。分岔屈曲后.结构只能在比临界荷载低的荷载下才能维持平衡位形。承受轴向荷载的圆柱壳,承受均匀外压的球壳都呈不稳定分岔屈曲形式。长细比不大的圆管压杆与圆柱完很相似,薄壁方管压杆亦有可能表现为不稳定分岔屈曲。(3)跃越屈曲。结构以大幅度的变形从一个平衡位形跳到另一个平衡位形。承受横向均布压力的球面扁壳的失稳属于这种类型。在发生跃越后,荷载一般还可以显著增加,但是其变形大大超出了正常使用极限状态,显然不宜以此为承裁能力的极限状态。长细比很小的轴心受压构件(短柱)在轴向压力作用下,可能因截面平均应力达到材料的屈服强度而发生破坏;而长细比较大的轴心受力构件,在截面平均应力远低于材料的屈服强度时就发生破坏,这说明承载能力与构件的长细比有关,此破坏形式称为轴心受力构件的整体失稳破坏。轴心受力构件更多是因丧失整体稳定性而发生破坏,其承载能力一般是由整体稳定性决定的。无缺陷的轴心受压构件,当轴心压力N较小时,构件只产生轴向压缩变形,保持直线平衡状态。此时,如有干扰力使构件产生微小弯曲,则当干扰力移去后,构件将恢复到原来的直线平衡状态,这种直线平衡状态下构件的外力和内力间的平衡是稳定的。当轴心压力N逐渐增加到一定大小,如有干扰力使构件发生微弯,但当干扰力移去后,构件仍保持微弯状态而不能恢复到原来的直线平衡状态,这种从直线平衡状态过渡到微弯曲平衡状态的现象称为平衡状态的分支,此时构件的外力和内力间的平衡是随遇的,称为随遇平衡或中性平衡。如轴心压力N再稍微增加,则弯曲变形迅速增大而使构件丧失承载能力,这种现象称为构件的弯曲屈曲或弯曲失稳(图4-8a)。中性平衡是从稳定平衡过渡到不稳定平衡的临界状态,中性平衡时的轴心压力称为临界力,相应的截面应力称为临界应力 ; 常低于钢材屈服强度,即构件在到达强度极限状态前就会丧失整体稳定。无缺陷的轴心受压构件发生弯曲屈曲时,构件的变形发生了性质上的变化,即构件由直线形式改变为弯曲形式,且这种变化带有突然性。结构丧失稳定时,平衡形式发生改变的,称为丧失了第一类稳定性或称为平衡分支失稳。除丧失第一类稳定性外,还有第二类稳定性问题。丧失第二类稳定性的特征是结构丧失稳定时其弯曲平衡形式不发生改变,只是由于结构原来的弯曲变形增大将不能正常工作。丧失第二类稳定性也称为极值点失稳。对某些抗扭刚度较差的轴心受压构件(如十字形截面),当轴心压力N达到临界值时,稳定平衡状态不再保持而发生微扭转。当N再稍微增加,则扭转变形迅速增大而使构件丧失承载能力,这种现象称为扭转屈曲或扭转失稳(图4-8b)。截面为单轴对称(如T形截面)的轴心受压构件绕对称轴失稳时,由于截面形心与截面剪切中心(或称扭转中心与弯曲中心,即构件弯曲时截面剪应力合力作用点通过的位置)不重合,在发生弯曲变形的同时必然伴随有扭转变形,故称为弯扭屈曲或弯扭失稳(图4-8c)。同理,截面没有对称轴的轴心受压构件,其屈曲形态也属弯扭屈曲。 (a)弯曲屈曲 (b)扭转屈曲 (c)弯扭屈曲图4-8两端铰接轴心受压构件的屈曲状态普通金属结构的轴心受压构件,常采用双轴对称截面,其板件较厚,一般构件的抗扭刚度也相对较大,失稳时主要发生弯曲屈曲;而对于常用的单轴对称截面的构件绕对称轴弯扭屈曲时,当采用考虑扭转效应的换算长细比后,也可按弯曲屈曲计算。因此弯曲屈曲是确定轴心受压构件稳定承载力的主要依据。此外,冷弯薄壁型钢金属结构中,由于构件截面很薄,对双轴对称截面构件需要考虑弯曲屈曲和扭转屈曲;对单轴对称截面构件则要考虑弯曲屈曲和弯扭屈曲。结构的失稳现象具有整体性。不能孤立地对单个构件进行稳定性的分析,而应综合考虑相邻构件与其连接方式以及对其产生的约束作用。结构的失稳现象还具有相关性。这种相关性表现为不同失稳形式之间的相互影响,以及整体失稳和局部失稳的相互影响。局部失稳虽不能立刻导致整体结构丧失承载能力,但对整体失稳却有加速作用,将降低结构的承载能力。这种相互的关联性对于存在缺陷的构件尤为复杂。

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