很多人對力學(xué)中強度和剛度的概念總是混淆，今天就來(lái)談一下自己的理解波耗。書(shū)中說(shuō)為了保證機械系統或者整個(gè)結構的正常工作，其中每個(gè)零部件或者構件都必須能夠正常的工作。工程構件安全設計的任務(wù)就是保證構件具有足夠的強度、剛度及穩定性。

　　穩定性很好理解，受力作用下保持或者恢復原來(lái)平衡形式的能力泞垦。例如承壓的細桿突然彎曲，薄壁構件承重發(fā)生褶皺或者建筑物的立柱失穩導致坍塌，很好理解遥妒。今天主要來(lái)講一下對于剛度和強度的理解。

　　強度

　　1

　　定義：構件或者零部件在外力作用下衬粟，抵御破壞(斷裂)或者顯著(zhù)變形的能力。

　　比如說(shuō)孫越把ipad當成了體重秤澜掩，站上去弊摘，ipad屏幕裂了，這就是強度不夠。比如武漢每年的夏天看海時(shí)許多大樹(shù)枝被風(fēng)吹斷，這也是強度不夠。

　　強度是反映材料發(fā)生斷裂等破壞時(shí)的參數，強度一般有抗拉強度、抗壓強度等，就是當應力達到多少時(shí)材料發(fā)生破壞的量，強度單位一般是兆帕蔚叨。

　　1.1

　　破壞類(lèi)型

　　脆性斷裂：在沒(méi)有明顯的塑性變形情況下發(fā)生的突然斷裂持钉。如鑄鐵試件在拉伸時(shí)沿橫截面的斷裂和圓截面鑄鐵試件在扭轉時(shí)沿斜截面的斷裂。

　　塑性屈服：材料產(chǎn)生顯著(zhù)的塑形變形而使構件喪失工作能力蹂羹，如低碳鋼試樣在拉伸或扭轉時(shí)都會(huì )發(fā)生顯著(zhù)的塑性變形。

　　1.2

　　強度理論

　　最大拉應力理論：只要構件內一點(diǎn)處的最大拉應力σ1達到單向應力狀態(tài)下的極限應力σb，材料就要發(fā)生脆性斷裂乳侮。于是危險點(diǎn)處于復雜應力狀態(tài)的構件發(fā)生脆性斷裂破壞的條件是：σ1=σb。所以，按第一強度理論建立的強度條件為：σ1≤[σ] 。

　　最大拉應變理論：只要最大拉應變ε1達到單向應力狀態(tài)下的極限值εu漂翩，材料就要發(fā)生脆性斷裂破壞，ε1=εu。由廣義胡克定律得：ε1=[σ1-u(σ2+σ3)]/E，所以σ1-u(σ2+σ3)=σb。按第二強度理論建立的強度條件為：σ1-u(σ2+σ3)≤[σ]。

　　最大切應力理論：只要最大切應力τmax達到單向應力狀態(tài)下的極限切應力τ0，材料就要發(fā)生屈服破壞。τmax=τ0。依軸向拉伸斜截面上的應力公式可知τ0=σs/2(σs為橫截面上的正應力)由公式得：τmax=(σ1-σ3)/2翅睛。所以破壞條件改寫(xiě)為σ1-σ3=σs样傍。按第三強度理論的強度條件為：σ1-σ3≤[σ]烙夭。

　　形狀改變比能理論：只要構件內一點(diǎn)處的形狀改變比能達到單向應力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生屈服破壞。所以按第四強度理論的強度條件為：sqrt(σ12+σ22+σ32-σ1σ2-σ2σ3-σ3σ1)<[σ]

　　剛度

　　2

　　定義：指構件或者零件在外力作用下小泉，抵御彈性變形或者位移的能力酱吝，即彈性變形或者唯一不應該超過(guò)工程允許的范圍闻恶。

　　剛度是反映結構變形與力的大小關(guān)系的參數，即結構受多大力產(chǎn)生多少變形的量，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是一根彈簧，拉力除以伸長(cháng)量就是彈簧的剛度。剛度單位一般是N/m。

　　2.1

　　剛度類(lèi)型

　　當所作用的載荷是恒定載荷時(shí)，稱(chēng)為靜剛度;為交變載荷時(shí)，則稱(chēng)為動(dòng)剛度。靜剛度主要包括結構剛度和接觸剛度，結構剛度即指構件自身的剛度，主要有彎曲剛度和扭轉剛度。

　　彎曲剛度按下式計算：

　　式中，P 為靜載荷(N)，δ 為在載荷方向的彈性變形(μm)。扭轉剛度按下式計算：

　　式中，M 為作用的扭矩(N·m)，L 為扭矩作用處到固定端的距離(m)，θ 為扭轉角(°)。

　　兩者聯(lián)系

　　3

　　通過(guò)對上述關(guān)于強度和剛度的理論理解，相對于剛度班减，強度的定義針對的是外力作用下的破壞;而破壞類(lèi)型的分類(lèi)為塑性屈服及脆性斷裂，由此聯(lián)想到拉伸時(shí)的應力應變曲線(xiàn)。如圖所示。

　　圖中曲線(xiàn)可分為四個(gè)階段：I、彈性變形階段;

　　II、屈服階段;

　　III、強化階段;

　　IV毕嘹、局部頸縮階段。

　　而剛度的定義是在于抵抗彈性變形，是在第一階段下進(jìn)行的，彈性作用下滿(mǎn)足胡克定律，觀(guān)察靜載荷下彎曲剛度與扭轉剛度的計算公式，類(lèi)似于胡克定律，可推測剛度的測量?jì)H僅在彈性變形階段進(jìn)行。

　　在進(jìn)入下一階段后，對于拉伸過(guò)程中塑形應變或殘余應變不會(huì )消失，在應力應變曲線(xiàn)下，應力幾乎不變，而應變顯著(zhù)增加，此時(shí)應力為屈服極限艘共，且對于材料則進(jìn)入了塑性屈服的破壞階段泳寥。在進(jìn)入強化階段后，應變隨應力的增加而增加，最后到達強度極限。由此可見(jiàn)濒焰，關(guān)于強度的測量是在材料彈性形變之后而強度極限之前者吁。

　　綜上，可得出剛度與強度都是在對于零件失效階段的測量值，而剛度可以依靠應力來(lái)測量，強度可以依靠變形來(lái)測量。在應變過(guò)程中，剛度在前一階段而強度在后一階段，所以在零件失效的條件測量中簿屠，只要滿(mǎn)足了剛度要求，在彈性變形階段就可以抵抗足夠的應力，而強度在這樣的前提下也就滿(mǎn)足了零件的要求。按照這樣的關(guān)系，才會(huì )有在實(shí)際的生產(chǎn)中的各類(lèi)設計，例如機械設備中的軸，通常是先按強度條件確定軸的尺寸，再按剛度條件進(jìn)行剛度校核瞎边。精密機械對于軸的剛度要求也就因此而設定得很高，其截面尺寸的設計往往由剛度條件控制。