淺談《材料力學》在測控技術領域中的應用

摘要：“測控技術與儀器”是一個比較“低調”的專業，很多人可能都沒有聽說過它的名字，本文就從《材料力學》出發，用生活中常見的例子讓人們對測控技術與儀器這個專業有一個更好地了解。

關鍵詞：測控技術與儀器;測量;控制;材料力學

測控，顧名思義，可以將其分開為“測”和“控”，“測”即測量，用一些儀器去測量一些物質的參數。“控”，即控制，根據你使用儀器測得的一些數據和信息對其進行適當的控制，使得某些物體達到我們想要它達到的狀態。下面我將就《材料力學》和生活中的例子來向大家詳細說明，讓大家對這個專業有更清晰地認識。

在給大家詳細說明之前我先用一個非常經典的例子向大家解釋：人，我們每一個人都是一個很好的測控系統。很多人都喜歡打籃球，打籃球這個過程就需要很多測量與控制，比如，要投籃，首先，要用眼睛去看，去測量人與籃筐之間的距離。這就是“測”，測量。然后要把球投進籃筐，就要用適當的力量將球投出去，要用多大的力氣，就要用眼睛測量出來的大致距離，根據距離，方向來決定力量，將球投出。可能幾乎每個人都打過籃球，投過籃，但是可能就大部分人都沒有想過投籃和測控的關系吧。如果真的這樣去想的話，不難理解，基本上生活中任何事情都要用到測控。簡單到從桌子上拿起一個東西，難至發射航空飛船，讓飛船進行一系列運動，都要用到測控。

《材料力學》就是在滿足強度、剛度和穩定性要求的前提下，為設計既經濟又安全的構件，提供必要的理論基礎和計算方法。簡單來說就是在滿足安全的前提下合理地使用材料，使得構件既經濟又安全。

1 《材料力學》中的測量

生活中材料的變形一般就是拉壓、剪切、扭轉、彎曲。當我們想要設計一個構件時，首先就要選材，材料有很多，各有各的長處，各有各的不足，那么要想合理地選材，首先就要了解各個材料的性質。這時就需要測量計算，測量這個材料是否耐拉，那個材料是否耐壓。計算這根桿的比例極限是多少，那根桿的極慣性矩是多少？有了這些數據后，才能通過合理控制，設計既經濟又安全的構件。

寒假期間和妹妹一起玩的時候，意外發現，妹妹的小剪刀好像跟平時見到的不太一樣，兩個把手中間多了一個有些彎曲的很有彈性的桿件。一旦剪到底的同時，桿件也會被“掰”直，然后桿件就會有恢復原有形態的趨勢，會產生一個彈力，使得兩個把手可以很輕易地分開。這正是用到了桿件的彎曲和彈性形變。

T型截面鑄鐵梁的載荷和截面尺寸如圖1所示，鑄鐵的許用拉應力為σt=30MPa，許用壓應力為σc=160MPa，y1=52mm，校核梁的強度。

解析：雖然給出了y1就可以算出形心坐標和圖形對其的慣性矩。由σmax=My1IzSymbolcB@

σt可以檢驗梁的強度。

畫出剪力彎矩圖可得：

FRA=2.5kN，FRB=10.5kN（1.1）

最大正彎矩在截面C上：

MC=2.5kN·m（1.2）

最大負彎矩在截面B上：

MB=4kN·m（1.3）

B截面：

σtmax=MBy1Iz=27.2MPa<σt（1.4）

σcmax=MBy2Iz=46.2MPa<σc（1.5）

C截面：

σtmax=MCy2Iz=28.8MPa<σt

用這樣的方法，就可以很好地檢驗金屬桿件彎曲時的強度。

2 《材料力學》中的控制

首先，舉一個很簡單的例子：現在很多空調地外機都是掛在墻上的，那么重的一個機器，怎樣才能讓它安全地在外面呢？可以看到很多聰明的工人都想到了利用三角形的穩定性來解決這一問題。所以可以看到很多外機下面都有兩個直角三角形的支架，大致形狀和受力圖，如圖2所示：

通過測量可以得知鑄鐵十分耐壓，而不耐拉。相比鑄鐵，鋼更加耐壓且耐拉，但是其價格卻比鑄鐵高很多。從承載能力和經濟效益兩方面考慮我們可以采用BC桿使用鑄鐵，AB桿使用鋼。這種方法既可以讓其安全性得到保障，成本也可以降低很多。

通過觀察可以發現：現在很多空調外機下面的支架都是三角形的，而且有的中間都有空心圓空，這是為什么呢？是因為美觀嗎？其實，那樣設計最主要的目的還是為了減輕重量、降低成本的同時，使其安全性也要得到保障。有時也會看到很多工廠里有很多各式各樣的工字鋼。那么剛體為什么要設計成“工”字形呢？同樣，其目的就是減輕重量、降低成本，又保障其安全性。材料彎曲時：

σ=MyIz（2.1）

若剛體橫截面為“工”字，上式中的Iz相對于實心圓或實心矩形就會大大增加，從而減小其彎曲內力。

3 結語

測控技術與儀器需要使用一些適當的儀器測量、控制，所以就要求學生的知識面要廣，動手能力要強，當然學習的科目也比其他的專業要多一些，難度也會大一些。但其在生活中是非常有用的，生活處處有測控。

參考文獻：

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[2]宋子康，蔡文安.材料力學[M].上海：同濟大學出版社，1998：14.

[3]魏媛，李鋒.材料力學[M].北京：機械工業出版社，2019：16.

[4]戴宏亮.材料力學[M].長沙：湖南大學出版社，2014：15.

作者簡介：郭澤宇（2001—），男，漢族，河南濮陽人，本科在讀，研究方向：測控技術與儀器。