什么叫剛度,正剛度,負剛度,動剛度,靜剛度?
剛度就是構件抵抗變形的能力,通常來說產生同樣的位移,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系的。
以生活中最簡單的彈簧位移,彈簧恢復力F=kx,其中x為彈簧變形量,k為勁度系數,讓彈簧變形同樣的x,勁度系數k越大,需要的力F就越大,所以這個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,那么斜率是個定值,這時候一般取單位位移對應的力就是剛度,或者用力除以位移。如果不是直線,那么斜率會變化,剛度也不就不是定值了。
2.正負剛度
通常來說,要讓結構產生的位移越大,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,使結構在荷載作用下產生位移時,位移越大,需要的力越小,這就是負剛度。
最常見的一直負剛度現象,就是壓桿失穩。
如果一根桿保持軸線為直線狀態,想要在外力作用下縮短,和彈簧一樣會表現出正剛度。如果杠件在外界干擾下出現彎曲,這時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。
這是因為杠件彎曲與彎矩有關,對于集中力,彎矩可以用類似力*力臂的算法。杠件被壓縮,產生軸向位移x越大,彎曲程度越大,中點偏移軸線距離y越大,彎矩m越大,則使杠件越容易進一步發生彎曲變形,壓縮也變得更容易。
還有其他實現負剛度的方法,比如這種:
連桿機構中間加一根彈簧,上下施加荷載,隨著豎向位移增加,斜桿傾斜的角度變化,中間結點對彈簧的拉力也變大,使得彈簧更容易被拉長,整體的剛度也就在不斷減小。
上述兩種負剛度的實現方法分別來自以下參考文獻:
1.張建卓,董卓,李旦,基于正負剛度并聯的新型隔振系統研究.納米技術與精密工程,2004(04):314-318.
2.彭獻,陳樹年,宋福磐.負剛度的工作原理及應用初探.湖南大學學報(自然科學版)1992(04):89-94.
3.動靜剛度
上述所指剛度,都是在靜力荷載作用下的力與位移關系。所謂靜力荷載指的是荷載不隨時間變化,或者變化較慢,不會產生加速度等動力效應的荷載。
相應的如果是快讀變化的荷載,出現了明顯的加速度,比如振動,那就是動力荷載。動力荷載作用下力與位移的關系,可以用動剛度來描述。
以單自由度體系在簡諧荷載作用下的受迫振動為例,也就是外荷載是三角函數周期變化的,
公式不好理解,我們取個膜,然后畫一下圖像,解釋一下。
當荷載頻率很小,接近于零時,動剛度等于靜剛度,即相當于靜荷載作用。
當荷載頻率接近固有頻率時,會出現共振,這時候很小的荷載會引起很大的位移,所以動剛度會出現最小值。
當荷載頻率非常大的時候,由于每個周期都太短,結構來不及做出響應,實際產生的位移也就很小,所以動剛度就會增大。
參考文獻:倪振華.振動力學.西安交通大學出版社.1989.
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