U型悬臂梁结构的力学建模算法
【专利摘要】本发明提供一种U型悬臂梁结构的力学建模算法，包括以下步骤，设梁的几何尺寸、材料属性、偏斜力已知，求活动端点A点沿力作用方向的位移，以及校核强度；建立力学计算的数学模型，将此曲梁分成五段，包括AB直线段、BG曲线段、GC曲线段、CD直线段、DE曲线段，根据实际载荷F与单位载荷1，分别计算各段弯矩、轴力、剪力，进而可以计算出关键点的正应力和切应力，查询所用材料手册，校核强度，确保变形在允许范围内。该种U型悬臂梁结构的力学建模算法，工业设计师或结构工程师可以利用该方法快速计算和设计产品出中U型悬臂梁的几何形状，承受载荷的信息。可以节省利用有限元软件仿真的时间和成本。缩短研发时间，提高可靠性。
【专利说明】U型悬臂梁结构的力学建模算法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种U型悬臂梁结构的力学建模算法。
【背景技术】
[0002]在产品设计中，有类似塑料卡扣或金属弹片的弹性体结构，为了在有限的空间内获得较大的变形而不屈服，往往设计成各种形状的曲线悬臂梁结构。塑料零件的卡扣设计存在于日常生活的各种产品当中，它的优点:1、有生产快速装配，节省生产成本；2、省去螺钉、螺母、胶等装配零件成本；3、卡扣通常和壳体结合在一起，不易丢失。金属弹片一股应用于需要较精确控制压力大小的场合，它与高分子塑料相比，应力应变曲线在弹性范围内更接近线性，材质连续且均匀，各向同性方面也要优于塑料。
[0003]据可查阅的资料显示，国外主要聚合物公司在20世纪末就有针对卡扣设计的研究，其卡扣计算公式主要通过理论计算和实验数据修正得到的，主要是力学模型是等截面矩形、梯形、圆形、圆环形悬臂梁，以及变厚度和变宽度悬臂梁。对曲线悬臂梁的介绍较少，几乎没有理论计算方法的说明，随着近年来有限元分析方法的引用，曲线悬臂梁的设计可以参照有限元仿真的结果。但是需要相关软件的支持。
[0004]国内对卡扣的早期研究主要是卡扣连接的工作原理方面，对于具体的设计计算涉及较少，大部分停留在对不同卡扣原型工作原理进行介绍的层面，在卡扣的关键尺寸的研究方面还局限在悬臂梁和环形卡扣等较少类型，与国外差距较大。
[0005]上述问题是在U型悬臂梁结构的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种U型悬臂梁结构的力学建模算法解决现有技术中存在的针对卡扣设计的研究，其卡扣计算公式主要通过理论计算和实验数据修正得到的，主要是力学模型是等截面矩形、梯形、圆形、圆环形悬臂梁，以及变厚度和变宽度悬臂梁，对曲线悬臂梁的介绍较少，没有理论计算方法的说明的问题。
[0007]本发明的技术解决方案是:
[0008]一种U型悬臂梁结构的力学建模算法，包括以下步骤，
[0009]设梁的几何尺寸、材料属性、偏斜力已知，求活动端点A点沿力作用方向的位移，以及校核强度；
[0010]建立力学计算的数学模型，将此曲梁分成五段，包括AB直线段、BG曲线段、GC曲线段、CD直线段、DE曲线段，根据实际载荷F与单位载荷1，分别计算各段弯矩、轴力、剪力，进而可以计算出关键点的正应力，查询所用材料手册，校核强度，确保变形在允许范围内。
[0011]优选地，令偏斜力=F ;弹性模量=E ;切变模量=G ;宽度=B ;厚度=H ;第一段直梁长度=L1 ;第二段直梁长度=L2 ;第一段曲梁形心层半径=Rb:第二段曲梁形心层半径=Rs ；k为截面系数，对于矩形截面k=l.2 ；
[0012]根据莫尔积分原理，位移可由公式(I)求得
【权利要求】
1.一种U型悬臂梁结构的力学建模算法，其特征在于:包括以下步骤， 设梁的几何尺寸、材料属性、偏斜力已知，求活动端点A点沿力作用方向的位移，以及校核强度； 建立力学计算的数学模型，将此曲梁分成五段，包括AB直线段、BG曲线段、GC曲线段、CD直线段、DE曲线段，根据实际载荷F与单位载荷1，分别计算各段弯矩、轴力、剪力，进而可以计算出关键点的正应力，查询所用材料手册，校核强度，确保变形在允许范围内。
2.如权利要求1所述的U型悬臂梁结构的力学建模算法，其特征在于:令偏斜力=F;弹性模量=E ;切变模量=G ;宽度=B ;厚度=H ;第一段直梁长度=L1 ;第二段直梁长度=L2 ;第一段曲梁形心层半径=Rb ;第二段曲梁形心层半径=Rs ；k为截面系数，对于矩形截面k=l.2 ； 根据莫尔积分原理，位移可由公式(I)求得
3.如权利要求1所述的U型悬臂梁结构的力学建模算法，其特征在于:计算AB段的M(X)和[M(x)，Fn(X)和Fs(X)和1^(^).AB段O≤X1≤L1:
M(X1) = F.X1.cos a ； M(X1) = 1.x - cosα ;
M(B) =F.L1.cos α ； M(S) = 1.L1-Cma ;
Fn(X1)=-F.sin α ； Fx(Xl) = -1-%m α β
4.如权利要求1所述的U型悬臂梁结构的力学建模算法，其特征在于:计算BG段的M(X)和[SM，Fn(X)和_，Fs(X)和画； BG 段 O ≤ Θ: ^ π/2-a:
5.如权利要求1所述的U型悬臂梁结构的力学建模算法，其特征在于:计算CG段的M(X)和_， Fn(X) ?Ρ[%β} Fs(X)和_ ；
6.如权利要求1所述的U型悬臂梁结构的力学建模算法，其特征在于:计算CD段的
7.如权利要求1所述的U型悬臂梁结构的力学建模算法，其特征在于:计算DE段的M(X)
8.如权利要求1-7任一项所述的U型悬臂梁结构的力学建模算法，其特征在于:计算水平方向位移:
9.如权利要求8所述的U型悬臂梁结构的力学建模算法，其特征在于: 令α=0，ρ=0，同时不考虑轴力和剪力的影响，水平方向位移的计算公式简化为:
【文档编号】G06F17/50GK103955553SQ201410062072
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】许莉钧, 高俊, 袁自龙 申请人:南京工程学院