定性分析竹子的力学特性(红色推荐)

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定性分析竹子的力学特性

结12,高鸣,2001010132

初次见到竹子的人大概都为竹子如此之细却能长那么高而感到惊讶,尤其是竹子多生长在南方,而且最茂密的季节是夏季,很难想象竹子在南方夏天的狂风骤雨中如何屹立不倒。笔者试图通过自己有限的一点知识,从竹子的结构出发浅谈竹子的受力优点。

先看一下竹子的结构有哪些特点。竹子的断面是圆环形,中空,一般直径6厘米,壁厚0.5厘米,大约每隔15厘米有一个实心坚硬的竹节。

对于空心固体的受力性能,意大利科学家伽利略曾经做过专门的研究,这里摘录如下:“人类的技艺(技术)和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。这种物质可以不增加重量而大大增加它的强度,这一点不难在鸟的骨头上和芦苇上看到,它们的重量很小,但是有极大的抗弯力和抗断力,麦秆所支持的麦穗重量,要超过整株麦茎的重量,假如与麦秆同样重量的物质却生成实心的而不是空心的,它的抗弯和抗断力就要大大减低。”“实际上也曾经发现并且用实验证实了,空心的棒以及木头和金属的管子,要比同样长短同样重量的实心物体更加牢固,当然,实心的要比空心的细一些。人类的技艺就把这个观察到的结果应用到制造各种东西上,把某些东西制成空心的,使它们又坚固又轻巧。”

竹子在自然界中主要受自重荷载和风荷载。在自重荷载下(无风时),竹子相当于一根受压杆,根据欧拉公式,临界荷载:2

2)(l EI F Pcr µπ= ,对于竹子,E 是它的材料性能,

取决于竹纤维的强度,生长在土地上长度系数2=µ,

这些都是常数。除去长度因素外,还和截面抗弯刚度Pcr F EI 成正比。显然,在同样的重量下,把截面作成空心圆环对于提高抗弯刚度EI 是最有利的。计算表明,假如把竹子做成实心的,则其抗弯能力是原来的1/10。因此,竹子特有的空心圆环形的截面保证了它的受压整体稳定性,从而能提高其生长高度。那么竹子如何保证受压局部稳定性呢?竹节的作用此时就体现了。竹节所起到的作用与箱形截面柱中横向加劲肋是一样的,从而保证了竹子的受压局部稳定性。同时,竹节的存在也保证了竹子的抗扭能力,避免竹子发生扭转失稳。

在风荷载下,竹子主要抵抗的是弯矩和剪力。对于抗弯,边缘最大正应力与截面截面惯性矩I 成反比,而I 随截面半径增大而增大,故空心结构形成的大半径有利于降低边缘最大正应力提高抗弯能力。同时,由于边缘的正应力最大,故将优质材料布置在边缘是最优化的结构布置,竹子就做到了这点。竹壁自外而内,分为竹青、竹肉和竹黄三个部分,竹子的表面呈现出青色的叫竹青,由抗拉强度很高的纤维质构成。对于抗剪,竹节又起到了很关键的作用。坚硬实心的竹节将竹身分成小段小段的区格,在每个区格的端部提供可靠的变形约束,从而也能大大提高竹子的抗剪能力。举个例子,农业上小麦减产主要原因之一“倒伏”,就是小麦返青拔节时,由于雨水过多,生长迅速而拔节快,形成节与节之间间距大,减低了麦秆的抗剪能力,头重脚轻杆软倒伏于地。

从上面的分析可以看出,竹子的结构特点十分符合它在自然界中的受力需要。自然界中的许多动植物身上都有许多这样的特点,这些都是生物在进化过程中逐渐产生的有利于其生存的特点,受力优越性便是其中之一。

学习体会

本学期选修了袁老师的定性结构力学课,感觉收获是很大的,比如,光是学到的约束去约束法就屡试不爽,在定性结构分析的时候能起到很大的作用。以下我谈谈上完这门课后对定性结构分析的一点理解:

首先,定性分析是基于明确的力学概念的基础上,概念不清楚,分析就不正确。因此,做定性结构分析,要求我们要有扎实的力学功底;

其次,定性分析并不代表没有定量计算,而是这种定量的计算在脑中完成,不是精确完成,而是近似计算,近似计算本身就是一项很复杂的技巧,要求能定性地分析数据,比如要求的精确性、能模糊的舍入度等等。

再次,定性分析的过程中,运用形象的思维方式是十分有利的。比如在脑子中可以想象一个结构受力时的变形过程,以确定危险断面、纤维拉伸模态等等。

以上是我脑中一些不太成熟的理解,对于课程的建议,我想,如果可能的话,本门课程应该加课时,至少一个学期32个学时,这样能学到更多的东西。

教师点评:

很有意思的一篇短文。观察细致,分析合理。

作者从生活中来,有生活知识和积累;比如说“倒伏”,未必人人皆知,恰好我还知道。

定性分析需要敏锐的观察力和分析力,更需要积极主动的意识,同时也需要以生活实践、工程实践、研究实践作基础。

文章体现了定性分析的意识,这也是本门课程最想让学生学到的。

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