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什么叫剛度,正剛度,負(fù)剛度,動(dòng)剛度,靜剛度

返回列表來源:天氏庫力 發(fā)布日期 2022-09-01 瀏覽:

什么叫剛度,正剛度,負(fù)剛度,動(dòng)剛度,靜剛度?
剛度就是構(gòu)件抵抗變形的能力,通常來說產(chǎn)生同樣的位移,需要施加的荷載越大,則剛度越大。用白話說,就是越難變形,剛度越大。剛度是用來描述力與位移關(guān)系的。

以生活中最簡單的彈簧位移,彈簧恢復(fù)力F=kx,其中x為彈簧變形量,k為勁度系數(shù),讓彈簧變形同樣的x,勁度系數(shù)k越大,需要的力F就越大,所以這個(gè)k=F/x就是彈簧的剛度。

 

剛度的算法,通常就是力與位移的斜率,如果是直線,那么斜率是個(gè)定值,這時(shí)候一般取單位位移對(duì)應(yīng)的力就是剛度,或者用力除以位移。如果不是直線,那么斜率會(huì)變化,剛度也不就不是定值了。

2.正負(fù)剛度
通常來說,要讓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移越大,那么需要加的力就越大,所以曲線斜率都是正的,也就是所謂的正剛度。
但我們也可以通過某種方法,使結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生位移時(shí),位移越大,需要的力越小,這就是負(fù)剛度。
最常見的一直負(fù)剛度現(xiàn)象,就是壓桿失穩(wěn)。
如果一根桿保持軸線為直線狀態(tài),想要在外力作用下縮短,和彈簧一樣會(huì)表現(xiàn)出正剛度。如果杠件在外界干擾下出現(xiàn)彎曲,這時(shí)候軸向壓縮就變得容易的多,而且隨著位移增加,杠件彎的越厲害,需要加的力就越小。

這是因?yàn)楦芗澢c彎矩有關(guān),對(duì)于集中力,彎矩可以用類似力*力臂的算法。杠件被壓縮,產(chǎn)生軸向位移x越大,彎曲程度越大,中點(diǎn)偏移軸線距離y越大,彎矩m越大,則使杠件越容易進(jìn)一步發(fā)生彎曲變形,壓縮也變得更容易。
還有其他實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度的方法,比如這種:


 

連桿機(jī)構(gòu)中間加一根彈簧,上下施加荷載,隨著豎向位移增加,斜桿傾斜的角度變化,中間結(jié)點(diǎn)對(duì)彈簧的拉力也變大,使得彈簧更容易被拉長,整體的剛度也就在不斷減小。
上述兩種負(fù)剛度的實(shí)現(xiàn)方法分別來自以下參考文獻(xiàn):
1.張建卓,董卓,李旦,基于正負(fù)剛度并聯(lián)的新型隔振系統(tǒng)研究.納米技術(shù)與精密工程,2004(04):314-318.
2.彭獻(xiàn),陳樹年,宋福磐.負(fù)剛度的工作原理及應(yīng)用初探.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)1992(04):89-94.

3.動(dòng)靜剛度
上述所指剛度,都是在靜力荷載作用下的力與位移關(guān)系。所謂靜力荷載指的是荷載不隨時(shí)間變化,或者變化較慢,不會(huì)產(chǎn)生加速度等動(dòng)力效應(yīng)的荷載。

相應(yīng)的如果是快讀變化的荷載,出現(xiàn)了明顯的加速度,比如振動(dòng),那就是動(dòng)力荷載。動(dòng)力荷載作用下力與位移的關(guān)系,可以用動(dòng)剛度來描述。

以單自由度體系在簡諧荷載作用下的受迫振動(dòng)為例,也就是外荷載是三角函數(shù)周期變化的,


 

公式不好理解,我們?nèi)€(gè)膜,然后畫一下圖像,解釋一下。


 

當(dāng)荷載頻率很小,接近于零時(shí),動(dòng)剛度等于靜剛度,即相當(dāng)于靜荷載作用。
當(dāng)荷載頻率接近固有頻率時(shí),會(huì)出現(xiàn)共振,這時(shí)候很小的荷載會(huì)引起很大的位移,所以動(dòng)剛度會(huì)出現(xiàn)最小值。
當(dāng)荷載頻率非常大的時(shí)候,由于每個(gè)周期都太短,結(jié)構(gòu)來不及做出響應(yīng),實(shí)際產(chǎn)生的位移也就很小,所以動(dòng)剛度就會(huì)增大。
參考文獻(xiàn):倪振華.振動(dòng)力學(xué).西安交通大學(xué)出版社.1989.

 

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