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        什么叫刚度,正刚度,负刚度,动刚度,静刚度

        返回列表来源:天氏库力 发布日期 2022-09-01 浏览:

        什么叫刚度,正刚度,负刚度,动刚度,静刚度?
        刚度就是构件抵抗变形的能力,通常来说产生同样的位移,需要施加的荷载越大,则刚度越大。用白话说,就是越难变形,刚度越大。刚度是用来描述力与位移关系的。

        以生活中最简单的弹簧位移,弹簧恢复力F=kx,其中x为弹簧变形量,k为劲度系数,让弹簧变形同样的x,劲度系数k越大,需要的力F就越大,所以这个k=F/x就是弹簧的刚度。

         

        刚度的算法,通常就是力与位移的斜率,如果是直线,那么斜率是个定值,这时候一般取单位位移对应的力就是刚度,或者用力除以位移。如果不是直线,那么斜率会变化,刚度也不就不是定值了。

        2.正负刚度
        通常来说,要让结构产生的位移越大,那么需要加的力就越大,所以曲线斜率都是正的,也就是所谓的正刚度。
        但我们也可以通过某种方法,使结构在荷载作用下产生位移时,位移越大,需要的力越小,这就是负刚度。
        最常见的一直负刚度现象,就是压杆失稳。
        如果一根杆保持轴线为直线状态,想要在外力作用下缩短,和弹簧一样会表现出正刚度。如果杠件在外界干扰下出现弯曲,这时候轴向压缩就变得容易的多,而且随着位移增加,杠件弯的越厉害,需要加的力就越小。

        这是因为杠件弯曲与弯矩有关,对于集中力,弯矩可以用类似力*力臂的算法。杠件被压缩,产生轴向位移x越大,弯曲程度越大,中点偏移轴线距离y越大,弯矩m越大,则使杠件越容易进一步发生弯曲变形,压缩也变得更容易。
        还有其他实现负刚度的方法,比如这种:


         

        连杆机构中间加一根弹簧,上下施加荷载,随着竖向位移增加,斜杆倾斜的角度变化,中间结点对弹簧的拉力也变大,使得弹簧更容易被拉长,整体的刚度也就在不断减小。
        上述两种负刚度的实现方法分别来自以下参考文献:
        1.张建卓,董卓,李旦,基于正负刚度并联的新型隔振系统研究.纳米技术与精密工程,2004(04):314-318.
        2.彭献,陈树年,宋福磐.负刚度的工作原理及应用初探.湖南大学学报(自然科学版)1992(04):89-94.

        3.动静刚度
        上述所指刚度,都是在静力荷载作用下的力与位移关系。所谓静力荷载指的是荷载不随时间变化,或者变化较慢,不会产生加速度等动力效应的荷载。

        相应的如果是快读变化的荷载,出现了明显的加速度,比如振动,那就是动力荷载。动力荷载作用下力与位移的关系,可以用动刚度来描述。

        以单自由度体系在简谐荷载作用下的受迫振动为例,也就是外荷载是三角函数周期变化的,


         

        公式不好理解,我们取个膜,然后画一下图像,解释一下。


         

        当荷载频率很小,接近于零时,动刚度等于静刚度,即相当于静荷载作用。
        当荷载频率接近固有频率时,会出现共振,这时候很小的荷载会引起很大的位移,所以动刚度会出现最小值。
        当荷载频率非常大的时候,由于每个周期都太短,结构来不及做出响应,实际产生的位移也就很小,所以动刚度就会增大。
        参考文献:倪振华.振动力学.西安交通大学出版社.1989.

         

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