001 型材截面选择的一点心得

做机械设计，80%的工作是结构设计；结构设计中，有很大一部分是焊接结构；提到焊接结构，就不能不说型材截面的选择。

新手做设计，不知道是该选角钢，工字钢，槽钢，H钢，圆管还是方管的时候，我建议你一律选方管了事。为什么这么说呢？且让我慢慢道来。

就我自己而言，是最喜欢用角钢的。角钢呢它有两个侧平面来定位，若与扁钢想比它的优势是在纵横两个方向的刚度是相等的，这个理由我觉得就足够了，另外它的翅膀是平的，且是开口截面，连接起什么东西来真是非常方便，做拉压杆是不二之选。工字钢呢，上下翅膀承弯矩，中间腹板抗剪切，分工明确，完美的悬臂梁截面！但是它无侧平面，并且腿是斜的，不好直接上螺栓，这太烦人了，再加上分析表明，同样截面积的H钢比工字钢的模量要大很多，所以它有被H钢代替的势头。槽钢比工字钢的优势，是它有一个侧平面，但是它跟角钢一样，截面是不对称的，这就有点不好，因为机械设计一个最大的秘诀就是对称，对称意味着受力上的均载，所以对称不仅仅是外形上的美观而已！下面说到圆管了，圆管是好，但是节点不好做，并且圆滚滚的，不好定位。但方管就不同了，它竟然有四个平面，并且跟圆管一样同属闭口截面，闭口截面较之开口截面一个最大的优势，就是扭转刚度非常高，也就是说，开口截面的一个最大弱点就是扭转刚度低。

那么为什么说开口截面的扭转刚度低？

你只要看看开口截面的剪力流分布状况就一清二楚了！

为什么开口截面的剪力流是那样分布的？

依据是切应力互等定律！

切应力互等定律是哪儿来的？

是从静力学公理推出来的！

静力学公理是哪儿来的？

来自平衡假说！

但方管唯一的缺陷也因它是闭口截面，做连接时不方便。除此之外，它比前述所有型材都优越！所以不管三七二十一，选方管再错也错不远！

我们在上面谈的只是截面，没谈节点，因为节点的设计有点复杂，鄙人还没有什么心得，无从谈起，只谈距离节点很远的杆件中部截面，中部截面的受力很明确，为什么受力很明确，因为这是大科学家已经证明了的。

从材料力学的观点看，截面受力无非“拉压剪扭弯”五种。先说拉杆，拉杆只要力线过形心，就没什么可说的了，偏心拉杆要产生弯曲应力，这可不是闹着玩的，所以凡是桁架节点，你仔细留意一下，各个杆件的形心都是交于一点的。

再说压杆，说压杆，它竟然联系到“扭”和“弯”，这是非常奇妙复杂的事情。压杆可不是简单的跟拉杆相反，因为它有屈曲的问题，为什么会屈曲失稳？这完全跟材料的强度无关，那它跟什么有关？跟力的“方向”有关，我个人认为，力的三要素之中，最重要的就是“方向”这一要素。力的作用面，大小你可以差点，但方向绝对不可弄差了，因为它会导致受力性质的变化。比方说，压杆压杆，它受的是轴向力是吧？但力的方向稍微有一点偏离形心，它就变成了一根梁，就产生了弯曲应力，所有的应力里面，就数弯曲应力最厉害，因为它会随着尺寸被放大！那么，影响压杆稳定的因素是什么？它竟然是截面的弯曲惯性矩！所以

当你看到压杆时，你把它当做一根梁，准没错。

说到这儿，发现扭转和纯弯曲也没啥说的了，只能说一点，就是工字钢受力时，受压的那个翅膀，也是一根压杆，它也有屈曲的问题。薄壁管受压或受扭转时，它也有屈曲的问题，屈曲问题归根结底都是稳定问题，而稳定问题就是微分方程解的问题，微分方程属于数学分析，数学分析的基础是连续统，连续统的精髓是开区间(0,1)，此区间的谜团是其中“既无最大值也无最小值”，这个性质让人费解！所以对于稳定问题敝人也只是略知概念而已。

下笔之前，雄心勃勃，及至写到后来，感觉笔下艰涩，不禁喟叹余学力之不足，只好用些笔法来藏拙，但其中破绽，行家看来一目了然，所以敝人写完这篇帖子后，很想把它删除了事，并且已经删除了对于焊接桁架节点为什么可以当铰接计算的理解。当我欲删之时，忽然记起古龙曾说过，“歌女的歌，舞者的舞，剑客的剑，文人的笔，英雄的斗志，都是这样子的，只要是不死，就不能放弃”。我想，机械设计师的思想，何尝不是这样？只要是不死，他就不会停止思考，哪里会有完美的那一天？所以我还是贴上了，顺便就教于方家。