力流最短路徑準則
力流最短路徑準則是一個在機械設計、結構工程等領域廣泛使用的結構設計準則 [1] [2][3],是力流法的原則之一。
力流[4]是在一些工程學科常用的概念。在《機械結構設計準則及實例》一書中有這様的說明:「它把力的傳遞視如水的流動,用力線表示力流的路徑。力線的疏密代表力流密度,亦即應力的大小。力流最重要的特性是:力流優先走較短的路徑,更確切地說優先走剛度較大的路徑。」[1]。
力流在構件中經過的路徑越短,累積變形就越小,從而構件剛度越高。力流路徑越接近直線,力所引起的附加彎矩就越小,從而構件的強度越高。因此,為了提高構件的剛度和強度,應使力流路徑儘量地短和直[5]。力流走最短路徑是力流的重要特性[6][7]。
1898年德國的恩斯特·古斯塔夫·基爾施首先得出了單向拉伸開孔平板的力流(應力)分佈的解析解。說明在此條件下,力流會優先走較短路徑。設平板中心的圓孔的半徑為單位長度1。在垂直方向拉伸開孔平板時,被圓孔擋道而不得不改道的那部分力流q1(應力增量)在剩餘的流道里不是均勻分佈,而是高度集中在孔邊附近。其在流道最窄截面上的分佈規律是:
[8]。
其中
- q是無孔時的均勻力流(應力)
- r是在流道最窄截面上離開圓孔中心的距離
改道的那部分力流q1(應力增量)值按離孔心距離的平方的規律在迅速衰減(忽略高階項)。
參考資料
- ^ 1.0 1.1 楊文彬. 机械结构设计准则及实例. 機械工業出版社. 1997-12: 59 [2016-09-18]. ISBN 978-7-111-05782-6 (中文).
- ^ 中国电子电器可靠性工程协会:《机械结构设计规范》高级培训班(第四期): “力流最短路径准则”. 2012-03-24 [2016-09-18]. (原始內容存檔於2018-10-01) (中文).
- ^ 东南大学硕士学位论文:《复合粘钢加固混凝土梁试验与理论分析研究》),“遵循最短路径原理作为力流法的普适准则”. 2016-01 [2016-09-18]. (原始內容存檔於2016-09-19) (中文).
- ^ Leyer A: 《Maschinenkonstruktionslehre》, Heft 2, Techinca-Reihe, Germany, 1969 (德語)
- ^ 杨文彬《遵循力学原理的结构设计准则》《机械设计》1996 No7, Pg.2 : “2.2 力流最短路径准则”:”若为了提高构件的刚度,则应尽量使力流路径最短。。。。“”保证力流的路径较短,通常也可以起到提高强度的目的。因为力流路径越接近直线,力所引起的附加弯矩越小,。。。“. 1996-07 [2016-09-18]. (原始內容存檔於2016-09-22) (中文).
- ^ 杨文彬《遵循力学原理的结构设计准则》《机械设计》1996 No7, Pg.2 : “力流有两个重要特性:(1)力流优先走较短路径,。。。(2)力线总是封闭的。”. 1996-07 [2016-09-18]. (原始內容存檔於2016-09-22) (中文).
- ^ 陈贻伍:《力流法及其在机械设计中的应用》 《中国有色金属学报》1994年02期,”力在受载机械系统中的传递路线,遵循传递路径最短的规律。“ (PDF). 1994-02 [2016-09-18]. (原始內容存檔 (PDF)於2016-09-20) (中文).
- ^ 陆明万,张雄,葛东云 编 《工程弹性力学与有限元法》pg. 90, 公式(6.39),清华大学出版社. 2005-10 (中文).