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材料力学理论在生活中的应用

这篇论文选取了三个生活实例，运用材料力学所学的知识，通过受力分析，应力分析，强度校核回答了三个基本问题：铝合金封的廊子窗格是否可以无限高；千斤顶的承载重量是否可以任意大小和桥梁。

关键词

材料力学拉压强度挠度剪切压杆稳定组合变形受力单元体铝合金千斤顶

1．铝合金封的廊子窗格是否可以无限高

图一铝合金门窗、廊子

走在大街上，我们可以看到各式各样的廊子样式，可以看到大小不一的窗格布置，学了材料力学这门课程，我们不禁要提问了，窗格尺寸的极限是多么大才能保证支撑它的铝合金材料安全，不会变形？

现在就将这个模型抽象出来，假设铝合金材料是空心铝管，厚度可以任意选择，屈服强度取σ，只受玻璃给的压力（设玻璃

居中，由于给定一段铝合金，主要承载件是玻璃，而且玻璃的相对总质量远远大于承载的铝合金的质量），外力是均匀分布力，

⁄（忽略玻璃的宽度），玻璃高度为H，设普通玻璃的密度是ρkg mm

取长度a mm的铝合金材料，宽度为b mm，高为h mm，如图二所示：

图二玻璃安装示意图

该结构危险点在铝合金与玻璃接触处，并且中间部位有一定的挠度（只要有承载，就一定有挠度），当承载到一定极限时，挠度太大不满足装配要求了，或者承载到一定极限就会使铝合金破坏。

情形（一）：挠度w不满足装配要求——

将图二简化为图三(a)所示的力学简图，装配要求挠度值为[w]，只要w≤[w]即可。

首先，做外力矩M F，单位力力矩图M̅，如图三(b)所示。

图三(a) 简化模型图三(b) 弯矩图

运用图乘法可以求的w=1

2×b

2

×ρH

4

×2

3

×1

4

×2=bρH

48

，进而，

bρH

48

≤[w]，可以满足装配要求。如果给定了最大允许装配误差[w]，知道铝合金管的宽b，还知道所使用的玻璃的密度ρ，那么H≤48[w]

bρ

，也就是玻璃不可能无限高，是有一个极限值的。

情形（二）：剪切破坏——

因为玻璃是有一定的厚度的，设厚为δ在玻璃与铝合金接触的地方，有剪切力存在，考虑剪切面是矩形面，最大的剪切应力

τ=3

2×F Q

A

，力学简图如图四所示。

图四铝合金侧面示意图

每个截面上，剪力F

Q

=1

2

ρδaH，切面面积A=at, (t为铝合金

厚度)，最大剪力为τ=3ρδH

，可见，最大剪力是一个跟铝合金长度

4t

，a，宽度b，高h无关的量。如果使之满足τ≤[τ]，可以得到H≪4t[τ]

3ρδ

或者t≫3ρδH

，从这个结果我们可以看到，可以通过增加铝合金4[τ]

的厚度提高承载玻璃重量，也可以通过降低玻璃的高度，从而使

结果安全。

以上的讨论是将铝合金结构与玻璃理想化了的，在实际应用

中，玻璃不是直接与铝合金接触，中间会有玻璃紧固条，相当于

加宽了玻璃的宽度，还要考虑安装工艺，如果玻璃紧固条与铝合

金是通过螺钉固定的，那么会导致应力集中，玻璃是脆性材料，

应力集中是非常危险的。所以尽量避免使用螺钉固定，如果非用

不可，可以在螺钉与玻璃之间加上松软的垫。采用规格厚的铝合

金，尽量减小窗格的高度可以有效地提高整个结构的强度与稳定。

虽然铝镁合金在最近几年得到了广泛的应用，但是铝镁合金

的使用量仍然不能跟钢铁相提并论。自从几千年前我们进入铁器

时代，铁这种金属材料一直都扮演着人们日常生活必不可少的材

料之一，直到今天，甚至更久的将来。铁的绝对优势首先源于铁

矿石的价格相对其他金属要便宜，其次就是钢铁的热处理简单，

技术成熟，可以制造出强度，刚度，韧性要求不同的材料，以满

足人类某一方面的需求。在我们的日常生活中，铁或者钢处处可

见，家里的拖拉机几乎就是一堆钢铁的组合，各种田间劳作的工