机械(金属)结构设计 概要
1. 机械结构，又可叫金属结构（建筑领域里的钢结构和铝结构也属于金属结构），一般系指主要用“杆”连接在一起的刚架结构（或曰：杆件结构、桁架结构、框架结构）或用“板”制成的容器结构（如：钣金结构、压铸结构、焊接箱体、压力罐…等）。两者的混合结构一般也被简称为“结构”——这里的“板（壳）”有时起着联结“杆”件的作用，或将“板”通过焊接、铆接…等方式组合之后再起到“杆”一样的作用，且可由此制造成能承受压力的容器（器具）。一般所说的机械结构，意指“刚架”结构——它与一般意义上所谓的零件结构（实心零件结构）有所不同。2. 金属结构的分类方法： ① 按基本元件的几何特征：杆系结构（长度尺寸大于其它两个尺寸，一般认为：长度与其它任一个尺寸的比值超过4即可）、板壳结构（也称薄壁结构，它的厚度远小于其它两个尺寸。根据厚度上中面的性质还可分为薄板和薄壳，如：箱结构、容器）。而实体结构（它的三个尺寸相差不大，如：基础、桥墩、档土墙、埃及金字塔…等）一般属于水利、桥梁或建筑上的工程结构。 ② 按基本元件或构件间的接连方式：铰接结构、刚接(焊接、铆接…等)结构、混合结构。 ③ 按外载荷与结构构件在空间的相互位置是否共面：平面结构、空间结构。 ④ 按杆件系统的形状和位置可分为：几何不变体系（F≤0）、几何可变体系（F＞0）。 其中：几何不变体系包括：静定结构（F＝0，无多余约束）、 超静定结构（F＜0，有多余约束，静不定问题）。 几何可变体系包括：瞬变体系（结构）、常变体系（结构）。
3.杆系结构按其受力特点可分为五类： ① 梁——受弯杆件的一种，杆件轴线一般为直线，分“单跨梁”和“多跨梁”两种。 ② 拱——轴线为曲线，在竖直载荷的作用下能产生水平推力。 ③ 刚架——具有刚结点的直杆结构。 ④ 桁架——由直杆组成且所有的结点均为铰结点。当仅承受结点载荷时各杆只产生轴力。 ⑤ 组合结构——两种或两种以上的上述结构的组合。其中有些杆件只承受轴力，有些杆件则在承受轴力的同时还承受着弯矩或剪力。 4. 组成金属结构的“基本元件”主要有两种：型材与板材。型材包括开环的薄壁型材（角钢、槽钢、工字钢）和闭环的薄壁管材（方管、圆管）。一般地，板材可组合成箱形截面的“杆”—人们会因为这种“杆”的截面够大而把它叫做“梁”。 5. 金属结构的两个组成部分：构件（杆件）、连接件(铰、固)。 6. 金属结构中的“基本构件”，根据其受力情况可分为： ① 受弯构件——作用力与轴线不平行（仅受弯矩作用）； ② 轴心受力构件——作用力与轴线平行且通过截面的形心（轴心受拉或受压）； ③ 压弯构件——作用力与轴线平行但不通过截面的形心（受偏心弯矩作用）。 7. 将“杆”连接成“结构”的方式有两种：铰结 和 刚接。其中的“刚接”方式包括：焊接、铆接、螺栓联结、高强度螺栓联接、胶接、标准化冲压件联结、榫接、嵌入式联结…等——所有的刚接方式均可分别地划归到可拆式联结或不可拆式联结的范畴。 8. 结构计算简图即结构的“力学模型”，其包括三个方面的“简化”： ① 构件及构件间联系的简化、 ② 支座的简化、 ③ 载荷的简化。 9.“支座”是指用来支承结构并与基础（机架）相连的构件或结构，结构所承受的全部载荷均是通过支座来传递到基础（机架）或其它的结构上——可以这样说：凡是与基础直接相接触的构件或结构均可称为支座。 根据支座本身的材料属性可分为：“刚性支座（或曰：刚接支座——组成支座的元件是刚性的）”和“弹性支座（组成支座的元件是弹性的）”两类。 10.“刚性支座”根据其与基础的连接方式又可分为四种：固定支座（3约束）、固定铰支座（2约束）、活动铰支座（辊轴支座，1约束）、定向支座（滑动支座，2约束）。 11.“弹性支座”根据支座的反力不同可分为：弹性线支座（产生铅直的弹性线位移和支反力）和弹性铰支座（产生弹性角位移和支反力矩）。从宏观上看，弹性支座本身均不能相对基础进行“平动”；但从微观上看，弹性线支座只可相对基础在铅直方向上进行“平动”；弹性铰支座既可相对基础在水平方向或铅直方向进行“平动”，也可相对基础进行“转动”。 12.力的两个属性：大小、方向；载荷的三个要素：大小、方向、作用点。 13.载荷(作用在结构上的各种外力，包括重力)的分类方法：① 根据载荷在结构上的分布情况（即：载荷的作用范围）可分为：集中载荷和分布载荷；② 根据载荷作用随时间变化的情况可分为：静载荷(或曰：恒载/固定载荷)和动载荷(或曰：活载。在载荷的三个要素中，只要有一个要素是变化的都被称作动载荷。特别地，对大小和方向都不变，只有作用点在变的动载荷我们称其为“移动载荷”；仅大小作周期性变化的动载荷则被称做“交变载荷”)；③ 根据载荷的性质可分为五类： 1. 自重载荷——结构处于非作业时是一种静载荷，但结构在工作时会因结构的振.动而产生动载效应，这个效应通常用动载系数来描述： 2. 工作载荷——结构在工作时所承受的外载荷，如工作阻力…同样，处于工作时的工作载荷也会因结构的振动而产生动载效应； 3. 动力载荷——包括惯性载荷和冲击载荷，它们均系结构在工作时由于速度的变化而产生，其中的冲击载荷特指结构在不平的基础上行驶时，于垂直方向上所受的最大振动惯性力； 4. 自然载荷——结构因自然环境影响所造成的载荷，如：风、雪、冰、温度变化、地震…等所带来的载荷； 5. 其它载荷——如结构在运输和安装过程中受到的振动冲击力(载荷)、捆扎力、吊装力，在轨道中移动时轨道作用于轮子上的水平侧向力…等；④ 根据载荷作用的概率可分为：基本载荷、附加载荷、特殊载荷、随机载荷…。⑤ 按作用力的方向可分为：.垂直载荷（如：结构自重，雪载荷…等）、水平载荷（如：风载荷，水平地震作用…等）。⑥ 从外力不同的角度可分为：.人为载荷、环境载荷（如：约束反力、重力、风压力、风阻力、水压力、水浮力、水阻力、水冲力、电磁力、惯性力、其它场力…等）。 14.上面所述的各种载荷，不可能同时作用于结构上。因此，在结构设计前需要将几种可能同时作用在结构上载荷进行组合——这个过程叫作“载荷组合”。 15.载荷组合可分为三类： 第Ⅰ类载荷组合(只考虑基本载荷组合)、 第Ⅱ类载荷组合(考虑基本载荷和附加载荷组合)、 第Ⅲ类载荷组合(考虑基本载荷和特殊载荷组合者或三类载荷都组合)。
16.使结构产生内力或变形的不仅仅只是载荷！其它的影响因素还有： 温度变化、 支座移动、 制造误差、 材料(冷)收缩…等。 而内力只有轴力和剪力两种；但变形却有四种方式: 拉伸或压缩 剪切 弯曲 扭转 17.计算结构承载能力的两种方法：许用应力法和极限状态法。 18.材料的安全系数包括三种： 载荷系数——反映实际载荷超过标准载荷的程度； 材料系数——反映材料的变异程度； 调整系数——考虑结构的重要性程度。 19.许用应力因“载荷组合”的不同而不同，它不完全等于材料的极限应力。许用应力由实验决定，其大小可查相关的设计手册。 20. 强度的定义：指金属材料在外力的作用下抵抗永久变形和断裂的能力。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。
强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。 机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度（弯曲疲劳和接触疲劳等）、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度…等项目。 强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。 21.刚度的定义：结构或构件抵抗变形的能力，包括构件刚度和截面刚度，按受力状态不同可分为轴向刚度、弯曲刚度、剪变刚度和扭转刚度等。对于构件刚度，其值为施加于构件上的力（力矩）与它引起的线位移（角位移）之比。对于截面刚度，在弹性阶段，其值为材料弹性模量或剪变模量与截面面积或惯性矩的乘积。抗裂度：结构或构件抵抗开裂的能力。零件的刚度（或称刚性）常用单位变形所需的了或力矩来表示，刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类（即材料的弹性模量）。刚度要求对于某些弹性变形量超过一定数值后，会影响机器工作质量的零件尤为重要，如机床的主轴、导轨、丝杠等。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。各向同性材料的刚度主要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刚度外，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（如建筑物、机械等）也要通过控制刚度以防止发生振动、颤振或失稳。另外，如弹簧秤、环式测力计等，须通过控制其刚度为某一合理值以确保其特定功能。在结构力学的位移法分析中，为确定结构的变形和应力，通常也要分析其各部分的刚度。 22.疲劳强度的定义：疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷的作用下而不被破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。一般试验时规定，钢在经受107次、非铁（有色）金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用σ–1表示。
许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧…等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但在经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。
疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。 23.强度(抗破坏能力)、刚度(抗变形能力)、稳定性(抗振动/扰动能力) 、疲劳寿命(抗循环动载荷的破坏能力) 是描述零件或结构性能（承载能力）的四个基本要素。其中的“疲劳”是零件或结构失效的主要原因。引起疲劳失效的循环载荷往往远小于根据静强度分析所得的“安全”载荷。疲劳失效的直接表现是：裂纹或断裂。
24.强度理论是判断材料在复杂应力状态下是否破坏（屈服或断裂）的理论。一般地，材料在外力的作用下有两种不同的破坏形式：一是在不发生显著塑性变形时的突然断裂,称为脆性破坏；二是因发生显著塑性变形而不能继续承载的破坏，称为塑性破坏。四个基本的强度理论分别为第一强度理论、第二强度理论(与实验结果不符，故不可用)、第三强度理论和第四强度理论。另加莫尔强度理论和双剪应力强度理论，共五大强度理论可用于实际工程材料的强度校核。 25.疲劳分析包括五种：应力疲劳分析、应变疲劳分析、多轴疲劳分析（二向应力状态或三向应力状态的疲劳分析）、焊接疲劳分析、振动疲劳分析。 26.疲劳分析最专业的FEA软件是：nSoft。 27.机械零件或金属结构的五种失效形式： 强度失效（屈服或断裂）、 刚度失效（产生塑性变形）、 位移失效（即：形变失效，如：压杆失稳…）、 疲劳失效（产生裂纹或断裂）、 蠕变失效（蠕动塑性变形）。
28. 结构的失稳可分为五类： ① 欧拉屈曲 ② 极值型失稳 ③ 屈曲后极值失稳 ④ 有限干扰屈曲 ⑤ 跳跃型失稳 29. 材料按其具有的物理和化学属性可分为五类： ①金属材料； ②硅酸盐材料（无机非金属材料，如：陶瓷、玻璃…）； ③聚合物材料（有机高分子材料，如：塑料、橡胶、纤维材料…）； ④ 复合材料； ⑤半导体材料（功能材料）。 30.材料按其所起的作用可分为两类：结构材料（力学性能、温度性能）； 功能材料（电性能、磁性能、光性能、热性能）。 31.材料按其所作用的领域可分为：电子材料、电工材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料…。 32.结构的构造分析：从机械运动和几何学的角度出发，对结构或系统的“组成”进行分析。
33.材料力学解决了单个构件（杆状构件/ 单杆)）的应力、变形与稳定性分析；结构力学是材料力学的延伸，其研究的是整个杆件结构（杆系）的应力、变形与稳定性分析；弹性力学则主要是以板壳结构和实体结构作为主要的研究对象。而结构美学一般划归工业设计的范畴。
34. 结构力学（Structural Mechanics）是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科。
35.结构力学研究的内容包括： ① 结构的组成规则（构造分析）； ② 结构在各种效应（外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力 （轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，位移（线位移，角位移）计算； ③ 结构的稳定性及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期，振型）的计算…等。
36.结构力学通常有三种分析的方法： ① 能量法； ② 力法； ③ 位移法； ④ 由位移法衍生出的矩阵位移法； ⑤ 后来发展出有限元法 ，成为利用计算机进行结构计算的理论基础。 基于有限元法的结构分析软件主要有：MIDAS、SAP、Robot Millenium …等。
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_548f1a050100mzky.html
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