空心圆截面直杆,内外径比为0.8,两端承受拉力作用,如将内外径增加一倍,则抗拉刚度是原来的( )倍。
空心圆截面直杆,内外径比为0.8,两端承受拉力作用,如将内外径增加一倍,则抗拉刚度是原来的( )倍。
题目解答
答案
4
解析
本题考查空心圆截面直杆抗拉刚度的计算以及尺寸变化对其的影响。解题思路是先明确空心圆截面直杆抗拉刚度的计算公式,再分别计算出内外径变化前后的抗拉刚度,最后求出两者的倍数关系。
步骤一:明确空心圆截面直杆抗拉刚度的计算公式
空心圆截面直杆的抗拉刚度 $EA$ 计算公式为 $EA = E\times\frac{\pi}{4}(D^{2}-d^{2})$,其中 $E$ 为材料的弹性模量,$D$ 为外径,$d$ 为内径。
步骤二:计算原来的抗拉刚度 $EA_1$
设原来的外径为 $D_1$,内径为 $d_1$,已知内外径比为 $0.8$,即 $\frac{d_1}{D_1}=0.8$,则原来的抗拉刚度为:
$EA_1 = E\times\frac{\pi}{4}(D_1^{2}-d_1^{2})$
步骤三:计算内外径增加一倍后的抗拉刚度 $EA_2$
内外径增加一倍后,新的外径 $D_2 = 2D_1$,新的内径 $d_2 = 2d_1$,则此时的抗拉刚度为:
$EA_2 = E\times\frac{\pi}{4}(D_2^{2}-d_2^{2})=E\times\frac{\pi}{4}((2D_1)^{2}-(2d_1)^{2})$
根据幂运算法则 $(ab)^n=a^nb^n$,上式可化简为:
$EA_2 = E\times\frac{\pi}{4}(4D_1^{2}-4d_1^{2}) = 4\times E\times\frac{\pi}{4}(D_1^{2}-d_1^{2})$
步骤四:计算 $EA_2$ 与 $EA_1$ 的倍数关系
将 $EA_1 = E\times\frac{\pi}{4}(D_1^{2}-d_1^{2})$ 代入上式可得:
$EA_2 = 4EA_1$
即内外径增加一倍后,抗拉刚度是原来的 $4$ 倍。