材料選擇與設計

想把長度L固定、支撐拉伸負荷F而不降伏的拉桿(受拉構件),在截面積可自由選擇的條件下做得最輕。設材料的降伏強度為σf、密度為ρ,應最大化的性能指標為下列何者?

  1. Aσf/ρ
  2. BE/ρ
  3. C∛(σf²)/ρ
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正確答案:A. σf/ρ

不降伏的條件為 F/A ≤ σf,因此所需的截面積為 A = F/σf。拉桿的質量為 m = ρAL = FL(ρ/σf),F 與 L 固定,因此要使質量最小,只要選擇 σf/ρ(比強度)最大的材料即可。E/ρ(比彈性模數)是在不是強度、而是伸長量也就是剛性成為限制條件的拉桿中要最大化的指標。∛(σf²)/ρ 是承受彎曲的樑以改變截面大小來避免降伏時的指標,來自改變截面大小時彎曲應力與尺寸的3次方成反比變化。即使同樣是「輕而強」,指標也會隨負荷方式而改變,這是重點。

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