轴向拉压杆强度自动校核技术研究_曹智梅.pdf
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1、2 0 2 3 4第卷总第期5459第期44轴向拉压杆强度自动校核技术研究*曹智梅广东松山职业技术学院摘要强度校核是工程实际设计环节中重要的一环,轴向拉压杆的强度校核最具代表性。杆件各部分的轴力因外力的改变而变化,杆件各部分的横截面也不尽相同,快速找出杆件的最大应力是强度校核的关键。应用 V B 软件的强大编译功能,自动计算各段的轴力及各段的横截面面积,找出最大的正应力,并自动完成最大应力与许用正应力的比较,得出杆件的强度校核结论,从而实现强度的自动校核,提高校核的效率和准确率,为工程技术人员提供便利。关键词:强度条件;V B;自动校核;拉压杆*基金项目:2021 年韶关市科技计划项目(210
2、722184532389)作者简介:曹智梅(1976),女,湖北鄂州人,高级实验师,硕士,研究方向:数控技术。强度校核是工程实际设计环节中重要的一环,轴向拉压杆的强度校核最具代表性。轴向拉压杆强度校核公式为:=FN/A(1)式中:为计算应力;FN为轴力;A 为横截面面积;为许用应力。轴向拉压杆的强度条件要求杆件横截面上所受的正应力不超过杆件的许用正应力。杆件在轴向拉伸或压缩时会产生内力,这个内力也叫轴力,用 FN表示1。外力的变化会导致轴力的变化。当杆件各段的横截面的尺寸不相同时,最大正应力并不一定发生在最大轴力处,还和杆件的横截面面积有关,要通过各段的轴力与各段的横截面面积的比值来计算各段的
3、正应力,并找出最大正应力。通过比较正应力与许用正应力的大小,从而正确判断杆件是否满足强度条件,并给出结论。强度自动校核技术能够减少工程技术人员的计算量,减化操作流程,自动得出结论,从而将工程技术人员从繁琐的计算中解脱出来,提高工作效率。VB 软件是一种可视化的窗口编程软件,其操作简单,编译性好2。本文将 VB 的强大编译功能与强度校核的逻辑思维相结合,编制一套轴向拉压杆强度自动校核软件,提高强度校核的效率和准确率,为工程技术人员提供便利。89设计 计算Design and Calculation2 0 2 3 41强度校核理论分析为了保证拉压杆件在工作中有足够的强度,必须使杆件横截面上的工作应
4、力不超过材料的许用正应力,即轴向拉压杆的强度条件要求为:杆件所受的最大正应力不超过杆件的许用正应力。要进行强度校核,则需要计算各段轴力和横截面面积,通过比较杆件的最大正应力与许用正应力的值,得到强度条件是否满足的结论。同时当杆件材料的许用压应力和许用拉应力不相同时,要分别计算杆件所受的最大拉应力和最大压应力,并分别与材料的许用应力值进行比较,由于压应力为负值,比较数值时,最大压应力要取绝对值后再与许用压应力进行比较。2自动校核基础2.1轴力的计算原理杆件的轴力大小与所受外力直接相关,采用截面法,在杆件轴向上列平衡方程,从而求解出此段杆的轴力,当求解的轴力为负值时,表示杆件所受的内力为压力;当求
5、解的轴力为正值时,表示杆件所受的内力为拉力。值得注意的是,在计算轴力时,首先要将所有外力设置为已知,在后面的分析中,要将所有外力作为已知量。通过计算所得的轴力可以绘制出轴力图3。在计算时,外力的单位一般为 N 或 kN,如果已知的外力单位不相同,要先进行转化。2.2横截面面积的计算方法杆件的外形一般相对比较规则,如形状为正方形、矩形及圆形等,当知道边长或圆的半径时,可以通过面积公式来计算横截面面积;当外形不规则时,可以由技术人员将面积值算好,输入对应的面积参数位置。为了计算方便,需要将已知的尺寸单位转化成 mm,从而保证计算时横截面面积的单位为 mm2。2.3正应力的计算方法对于轴向拉压杆来说
6、,每一段的轴力是不相同的,需要分开来计算。在计算过程中,特别要注意的是应力单位,常用的应力单位有 MPa 和 Pa。由于材料许用正应力的单位一般为 MPa,为了方便计算,在设计时,无论外力的单位是 N,还是 kN,取 MPa 作为正应力的单位。在实际计算时,要特别注意单位的换算,即 1 MPa=1 N/mm2。当轴力用 N 作单位,横截面用 mm2作单位;当轴力用 kN作单位,横截面用 mm2作单位,这样计算出来的应力值为103MPa。计算的单位统一确定之后,才能正确地进行数值的比较。3强度自动校核分析VB 作为一种编程软件,可以很好地实现各种计算、条件判断、循环和跳转,为强度的自动校核提供了
7、技术支持。用 VB 软件来实现强度自动校核,需要认真计算轴力、截面面积和正应力的数值,并将绘图中可能遇到的条件编译为一条条的语言,形成清晰逻辑链路和技术路线。3.1强度自动校核中的变量分析强度自动校核中的变量包括横截面面积、轴力大小及正应力大小。在进行强度自动校核时,需要由外力计算出轴力的大小,根据已知横截面尺寸计算出横截面面积,再通过公式自动计算出各段所受的正应力,最后再与许用正应力比较,给出强度校核结论4-6。3.2编程步骤在编制程序时,要先给定外力,检验外力的合力是否为 0,若不为 0,则需要再次输入外力,直至合力为 0,再执行下一步。接下来,利用截面法计算出各段轴力,并绘制出轴力图。然
8、后选择杆件的横截面形状,输入截面已知尺寸,再计算各段的横截面面积,同时要确保横截面面积不能是 0。再利用公式计算正应力,并用绘制轴力图相似的方法绘制应力图。最后再通过比较计算值与许用值的大小来自动判断杆件强度是否满足要求。当外力修改后或横截面尺寸修改后,为了避免上一次生成的图形对本次生成图形的影响,需要设置“清除屏幕”按钮将原图形取消。3.3算法流程图强度自动校核算法流程图如图 1 所示7。3.4自动校核系统界面设计拉压杆轴强度自动校核系统界面如图 2 所示,整个界面中左侧为受力情况、力的单位及横截面形状;中间部分为轴力图、应力图的绘图区域,以及各段轴力值、应力值显示区域;最右侧为横截面面积计
9、算区、强度结论区。902 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 2拉压杆轴强度自动校核系统界面图 1拉压杆强度自动校核算法流程图最下部分设置“外力平衡检测”“计算各段轴力”“计算横截面面积”“计算各段应力”“绘制轴力图”“强度校核”“清除屏幕”“完成”等 8 个按键,界面干净整洁。默认情况下只在杆件的 A、B 两个端点受力,数值为 10,单位为 N,杆件横截面形状为圆形,直径为 30 mm。杆件许用拉应力和许用压应力均为 160 MPa。4编程变量的软件实现杆件的外力分析以及杆件轴力图的自动绘制方法在文献3中已有介绍。本文重点对横截面面积、正应力的计算及强度校核结论等方面进行研究。4.1
10、横截面形状设置及面积计算杆件横截面形状有很多种,若形状为圆形、正方形及矩形等常见形状,可以通过面积公式直接算出各段面积,若截面为不规则形状时,选择其他,此时需要直接输入横截面面积。需要注意的是,无论何种情况,横截面面积不能为 0。因为当面积值为 0 时,正应力公式无意义。选择横截面形状,当选择圆形截面或正方形截面时,默认的直径为 30,其面积数值为 706.86;当选择正方形截面时,默认的边长为 30;当选择矩形截面时,默认的边长分别为 30 和 40。91设计 计算Design and Calculation2 0 2 3 4当杆件形状选择为“圆形”时,编写的计算面积程序如下:Private
11、 Sub Option15_Click()Label62.Visible=TrueLabel62.Caption=直径 Label62.ForeColor=vbRedLabel41.Visible=FalseLabel80.ForeColor=vbBlackText9.Text=Round(Val(Text1.Text)*Val(Text1.Text)*3.1415926/4,2)Text15.Text=Round(Val(Text13.Text)*Val(Text13.Text)*3.1415926/4,2)Text19.Text=Round(Val(Text17.Text)*Val(Tex
12、t17.Text)*3.1415926/4,2)Text23.Text=Round(Val(Text21.Text)*Val(Text21.Text)*3.1415926/4,2)Text27.Text=Round(Val(Text25.Text)*Val(Text25.Text)*3.1415926/4,2)End Sub当杆件形状选择为“正方形”时,编写的计算面积程序如下:Private Sub Option16_Click()Label62.Caption=边长 Label62.ForeColor=vbRedLabel41.Visible=FalseLabel80.ForeColor=v
13、bBlackText9.Text=Round(Val(Text1.Text)*Val(Text1.Text),2)Text15.Text=Round(Val(Text13.Text)*Val(Text13.Text),2)Text19.Text=Round(Val(Text17.Text)*Val(Text17.Text),2)Text23.Text=Round(Val(Text21.Text)*Val(Text21.Text),2)Text27.Text=Round(Val(Text25.Text)*Val(Text25.Text),2)End Sub当杆件形状选择为“长方形”时,编写的计算
14、面积程序如下:Private Sub Option17_Click()Label62.Visible=TrueLabel62.Caption=边长 1Label62.ForeColor=vbRedLabel41.Visible=TrueLabel41.Caption=边长 2Label41.ForeColor=vbRedText9.Text=Round(Val(Text1.Text)*Val(Text8.Text),2)Text15.Text=Round(Val(Text13.Text)*Val(Text14.Text),2)Text19.Text=Round(Val(Text17.Text)
15、*Val(Text18.Text),2)Text23.Text=Round(Val(Text21.Text)*Val(Text22.Text),2)Text27.Text=Round(Val(Text25.Text)*Val(Text26.Text),2)End Sub当杆件形状选择为“其他”时,则需要使用者直接输入各段的横截面面积。4.2正应力计算进行正应力计算时,首先要判断横截面面积是否为0。当横截面面积为 0 时,将弹出对话框提示“横截面面积为 0,请重新计算或输入面积!”。利用面积所对应文本框的数值乘积是否为 0 来判断。当横截面面积不为 0,用各段轴力与各段横截面面积的比例来计算各段
16、的应力值,并取 2 位小数。编写的程序如下:If Val(Text9.Text)*Val(Text15.Text)*Val(Text19.Text)*Val(Text23.Text)*Val(Text27.Text)=0 ThenMsgBox 横截面面积为 0,请重新计算或输入面积!Elseyla=Round(a/Val(Text9.Text),2)ylb=Round(b/Val(Text15.Text),2)ylc=Round(c/Val(Text19.Text),2)yld=Round(d/Val(Text23.Text),2)yle=Round(e/Val(Text27.Text),2)
17、922 0 2 3 4第卷总第期5459第期44End If本设计中,将应力的单位设置为 MPa。当外力的单位不同时,则计算出的应力数值不同,为了将应力值显示在屏幕上,编写如下程序:If Option13.Value=True Then 外力的单位选择为 NLabel42.Caption=各段应力值:&Chr$(10)&Chr$(10)&AC=&yla&MPa&Chr$(10)&CD=&ylb&MPa&Chr$(10)&DE=&ylc&MPa&Chr$(10)&EH=&yld&MPa&Chr$(10)&HB=&yle&MPa&Chr$(10)&Chr$(10)&广东松山职业技术学院欢迎您!La
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