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力流最短路徑準則

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力流最短路徑準則是一個在機械設計結構工程等領域廣泛使用的結構設計準則 [1] [2][3],是力流法的原則之一。

力流[4]是在一些工程學科常用的概念。在《機械結構設計準則及實例》一書中有這様的說明:「它把力的傳遞視如水的流動,用力線表示力流的路徑。力線的疏密代表力流密度,亦即應力的大小。力流最重要的特性是:力流優先走較短的路徑,更確切地說優先走剛度較大的路徑。」[1]

力流在構件中經過的路徑越短,累積變形就越小,從而構件剛度越高。力流路徑越接近直線,力所引起的附加彎矩就越小,從而構件的強度越高。因此,為了提高構件的剛度和強度,應使力流路徑儘量地短和直[5]。力流走最短路徑是力流的重要特性[6][7]

1898年德國的恩斯特·古斯塔夫·基爾施英語Ernst Gustav Kirsch]]]首先得出了單向拉伸開孔平板的力流(應力)分布的解析解。說明在此條件下,力流會優先走較短路徑。設平板中心的圓孔的半徑為單位長度1。在垂直方向拉伸開孔平板時,被圓孔擋道而不得不改道的那部分力流q1(應力增量)在剩餘的流道里不是均勻分布,而是高度集中在孔邊附近。其在流道最窄截面上的分布規律是:

[8]

其中

q是無孔時的均勻力流(應力)
r是在流道最窄截面上離開圓孔中心的距離

改道的那部分力流q1(應力增量)值按離孔心距離的平方的規律在迅速衰減(忽略高階項)。

參考資料[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 楊文彬. 机械结构设计准则及实例. 機械工業出版社. 1997-12: 59 [2016-09-18]. ISBN 978-7-111-05782-6 (中文). 
  2. ^ 中国电子电器可靠性工程协会:《机械结构设计规范》高级培训班(第四期): “力流最短路径准则”. 2012-03-24 [2016-09-18]. (原始內容存檔於2018-10-01) (中文). 
  3. ^ 东南大学硕士学位论文:《复合粘钢加固混凝土梁试验与理论分析研究》),“遵循最短路径原理作为力流法的普适准则”. 2016-01 [2016-09-18]. (原始內容存檔於2016-09-19) (中文). 
  4. ^ Leyer A: 《Maschinenkonstruktionslehre》, Heft 2, Techinca-Reihe, Germany, 1969 (德語) 
  5. ^ 杨文彬《遵循力学原理的结构设计准则》《机械设计》1996 No7, Pg.2 : “2.2 力流最短路径准则”:”若为了提高构件的刚度,则应尽量使力流路径最短。。。。“”保证力流的路径较短,通常也可以起到提高强度的目的。因为力流路径越接近直线,力所引起的附加弯矩越小,。。。“. 1996-07 [2016-09-18]. (原始內容存檔於2016-09-22) (中文). 
  6. ^ 杨文彬《遵循力学原理的结构设计准则》《机械设计》1996 No7, Pg.2 : “力流有两个重要特性:(1)力流优先走较短路径,。。。(2)力线总是封闭的。”. 1996-07 [2016-09-18]. (原始內容存檔於2016-09-22) (中文). 
  7. ^ 陈贻伍:《力流法及其在机械设计中的应用》 《中国有色金属学报》1994年02期,”力在受载机械系统中的传递路线,遵循传递路径最短的规律。“ (PDF). 1994-02 [2016-09-18]. (原始內容存檔 (PDF)於2016-09-20) (中文). 
  8. ^ 陆明万,张雄,葛东云 编 《工程弹性力学与有限元法》pg. 90, 公式(6.39),清华大学出版社. 2005-10 (中文).