1、材料力學(xué)(ci lio l xu)在釣竿(diogn)設(shè)計(shj)中的應(yīng)用柯小麗 本碩131班 5603513037一、摘要 釣竿是我們生活中常見的一種娛樂工具，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，釣竿的材質(zhì)發(fā)生了革命性的變化，本文就探討了釣竿的最古老的材質(zhì)竹子與最新材質(zhì)碳纖維制作釣竿的優(yōu)勢。其中竹竿的結(jié)構(gòu)特征使其成為了最佳制作釣竿的天然材料；碳纖維竿在竹竿結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改善材料的綜合性能質(zhì)輕、抗拉強(qiáng)度高等，使其成為目前制作釣竿的最優(yōu)材料二、前言2.1問題提出從古至今，垂竿釣魚一直是人們酷愛的一項文體活動。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，釣竿的材質(zhì)發(fā)生了革命性的變化，即由竹竿發(fā)展到玻璃鋼竿，由玻璃鋼竿正在向碳竿（碳纖維復(fù)

2、合材料）過渡。以上三種不同材質(zhì)的釣竿有如下性質(zhì)：釣竿材質(zhì)詳情竹竿使用歷史最長的釣竿，竹竿有單節(jié)和多節(jié)之分，價格低廉，強(qiáng)度較好，重量重，體積大，竿體不夠平直，彈性較差玻璃纖維竿輕巧結(jié)實，富有彈性，韌性，美觀大方，竿體挺直，攜帶方便多系內(nèi)藏伸縮式結(jié)構(gòu)，價格適中碳素纖維竿目前性能最好的釣竿，質(zhì)量更輕，強(qiáng)度更高，耐磨性和耐腐蝕性更好據(jù)我們所知，竹竿上相鄰竹節(jié)間是空心的，新型的碳纖維竿也是空心的，這樣的結(jié)構(gòu)對其強(qiáng)度和剛度有何好處呢？是因為竹子的這種結(jié)構(gòu)才使得其成為最適合做釣竿的天然材質(zhì)(ci zh)嗎？那么竹竿和碳纖維竿又分別有哪些力學(xué)性質(zhì)呢？ 2.2分析(fnx)問題從力學(xué)(l xu)角度看，釣竿應(yīng)具

3、有以下特點：（1）輕；（2）細(xì)而長，剛而強(qiáng)；重心適當(dāng)；在設(shè)計釣竿時，應(yīng)考慮到重量、重心和力矩之間的關(guān)系。挺拔適中；一般要求釣竿在承受負(fù)荷時垂直（擾度）變換點的位置對總長的比例要適中。衰減特性好；碳竿不僅比玻璃鋼竿輕22%，而且對振動的傳遞性能也比它好得多。碳竿可把微妙的魚信迅速傳遞到垂釣者的手中，且可使釣竿的振幅很快減幅復(fù)原。信賴度高；釣竿的強(qiáng)度可靠性要高，足以把上鉤的魚拎出水面而竿不斷。此外，釣竿還應(yīng)具備耐疲勞、耐候性等方面的要求。 而材料力學(xué)的任務(wù)就是在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，以最經(jīng)濟(jì)的代價為構(gòu)件確定合理的形狀和尺寸，選擇適宜的材料，為構(gòu)件設(shè)計提供必要的理論基礎(chǔ)的計算方法。換句話說

4、，材料力學(xué)是解決構(gòu)件的安全與經(jīng)濟(jì)問題。所謂安全是指構(gòu)件在外力作用下要有足夠的承載能力，即構(gòu)件要滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。所謂經(jīng)濟(jì)是指節(jié)省材料，節(jié)約資金，降低成本。當(dāng)然構(gòu)件安全是第一位的，降低經(jīng)濟(jì)成本是在構(gòu)件安全的前提下而言的。實際工程問題中，構(gòu)件都應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本文以釣竿為研究對象，研究其材料性能對可靠度的影響。釣竿(diogn)的力學(xué)分析3.1竹竿(zhgn)傳統(tǒng)(chuntng)的竹竿的破壞形式主要以折斷為主，即屬于彎曲以致竿件受到破壞，根據(jù)材料力學(xué)的彎曲強(qiáng)度理論，彎曲正應(yīng)力是控制強(qiáng)度的主要因素。彎曲強(qiáng)度理論是，因此，要提高竿的強(qiáng)度，除了合理安排受力，降低的數(shù)值以外，主

5、要是采用合理的截面形狀，盡量提高抗彎截面模量W的數(shù)值。而對于釣竿來說，無法確定或改變，所以只能通過增大抗彎截面模量W來提高彎曲強(qiáng)度。分析可知，竹子分為很多節(jié)，即竹節(jié)，每個竹節(jié)就相當(dāng)于一個橫向抗扭箱，抵抗水平方向上的扭矩，在此為方便對彎曲強(qiáng)度和穩(wěn)定性的分析，特將竹竿等效為薄壁圓筒（忽略中間竹節(jié)的影響），與其他天然材料（等效為等直圓桿）進(jìn)行比較，驗證其作為釣竿首選天然材質(zhì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。3.1.1彎曲(wnq)強(qiáng)度分析：實心(shxn)圓截面和空心圓截面的抗彎截面模量分別是：W實=(1/32)d 3，W空=(1/32)D3(1-4) ，式中，d是實心(shxn)桿直徑，D是空心桿外徑，D1是空心桿內(nèi)徑

6、，=D1/D為空心桿內(nèi)外徑之比。當(dāng)空心桿和實心桿的截面積相同時1/4d2=1/4（D2-D12）可得d2=D2-D12=(1-2)D2把上式代入實心(shxn)圓截面的抗彎截面模量 與比較(bjio)可見，空心圓截面的抗彎截面模量比等截面積的實心(shxn)圓截面的抗彎截面模量大，并且空心圓截面桿的內(nèi)、外直徑的比值越大，其抗彎截面模量越大，抗彎截面模量越大，竿的抗彎強(qiáng)度越高。因此，空心竿比實心竿的抗彎強(qiáng)度高。例如 = 0.7時，空心竿是同樣重量的實心竿的抗彎強(qiáng)度的兩倍，因為竿件橫截面上的任意點處的彎曲正應(yīng)力與該點到中性軸的距離成正比。即竿橫截面上離中性軸越遠(yuǎn)，正應(yīng)力越大，中性軸附近的正應(yīng)力較小

7、，這樣中性軸附近材料的性能未能充分發(fā)揮。為了充分利用材料，應(yīng)盡可能地把材料置放在離中性軸較遠(yuǎn)的地方。空心圓截面是將實心圓截面中性軸附近的集中材料移置到離中性軸距離較遠(yuǎn)處，以提高其抗彎強(qiáng)度。撓度和轉(zhuǎn)角是彎曲變形的兩個基本量，竿件抵抗彎曲變形的能力即為彎曲剛度。撓度和轉(zhuǎn)角與竿件橫截面對中性軸的慣性矩成反比，即慣性矩越大，彎曲變形越小，彎曲剛度越高。所以增大竿件橫截面對中性軸的慣性矩，是提高彎曲剛度的有效措施之一。實心圓截面和空心圓截面對其中性軸的慣性矩分別是: I實=/64d4，I空=/64D4（1-4），式中d、D、D1的含義(hny)同前面。當(dāng)空心(kng xn)竿和實心(shxn)竿的截面積

8、相等時，空心圓截面比實心圓截面對其中性軸的慣性矩大，并且空心圓截面內(nèi)外直徑的比值越大，其對中性軸的慣性矩越大，慣性矩越大，桿的抗彎剛度越高。因此，空心竿比實心桿的抗彎剛度要好。竹竿上細(xì)下粗，是變截面竿件。同時竹竿可看成是軸線鉛垂的懸臂梁。在外荷載作用下，沿竿自上而下各截面的彎矩越來越大，竹竿底部所受的彎矩最大，所以竹竿下端較受小彎矩的上端粗。竹竿上細(xì)下粗這一特征也是等強(qiáng)度桿的應(yīng)用。竹竿這種上細(xì)下粗的中空結(jié)構(gòu)在滿足其承載能力的前提下，減輕了自重，方便漁民攜帶。3.1.2 穩(wěn)定性分析竹竿的中空結(jié)構(gòu)同時提高了其穩(wěn)定性，由臨界壓力的歐拉公式:可得截面的慣性矩越大，則臨界壓力越大，又由經(jīng)驗公式:cr=a

9、-b可知，柔度越小臨界壓力越高， 可見，提高慣性半徑i的數(shù)值就能減小的數(shù)值。如不增加截面面積，而盡可能把材料放在離截面形心較遠(yuǎn)處，就能取得比較大的I和i，這就等于提高了臨界壓力（臨界應(yīng)力）。空心的環(huán)形截面與實心圓截面比較，若兩者截面面積相等，環(huán)形截面的慣性矩I和慣性半徑i都比實心圓截面的大得多。因此，空心桿的穩(wěn)定性比實心桿的穩(wěn)定性大得多。結(jié)果：竹竿的形態(tài)結(jié)構(gòu)賦予竹竿以高的縱向彎曲強(qiáng)度(qingd)和模量以及細(xì)長、挺直等性能。因此竹竿的結(jié)構(gòu)是人造竿的楷模3.2碳纖維竿3.2.1碳纖維竿的性能(xngnng)特點 碳纖維竿，也叫碳素竿，是20世紀(jì)90年代我國生產(chǎn)的一種新型魚竿。碳纖維竿的主要特點是

10、輕便。同樣長度的碳纖維竿比玻璃纖維竿幾乎輕一半，一支5米多長碳纖維竿的重量僅300克左右，竿體也比玻璃纖維竿細(xì)得多。近幾年，碳纖維竿使用巳十分普及，其優(yōu)良的使用性能得到(d do)了大多數(shù)垂釣者的認(rèn)可。 碳纖維竿所用的是高科技材料碳纖維，這種材料的特點是堅實、抗拉強(qiáng)度高、耐熱、質(zhì)輕、耐腐蝕，不足之處是導(dǎo)熱、導(dǎo)電且質(zhì)地較脆，韌性不及玻璃纖維竿，釣魚時如遇到雷雨天氣，使用此竿易發(fā)生雷擊事故，若觸及了高壓電線，會發(fā)生觸電事故。3.2.2碳纖維竿材料選擇釣竿屬于薄壁細(xì)管類的管材。薄壁細(xì)管的彎曲剛性可用下式計算：在上式中，E為彈性模量，I為斷面二次矩，d1和d2分別為圓筒管的內(nèi)、外徑。據(jù)以上公式可以(k

11、y)看出當(dāng)外徑一定(ydng)時，為提高剛性應(yīng)增加壁厚；當(dāng)外徑(wi jn)和壁厚一定時，為提高剛性應(yīng)增加壁厚；具有高比強(qiáng)度和高比模量的碳纖維是制造薄壁細(xì)管的最好選材。結(jié)果：碳纖維制造的釣竿具有輕、堅實、抗拉強(qiáng)度高的特點，使其成為制作釣竿的首選材料。結(jié)論竹子以其結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，增加了其自身的彎曲強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使其成為制作釣竿的最佳天然材質(zhì)。碳纖維本身具有極高的抗拉強(qiáng)度，并且質(zhì)輕，使最終制作出來的釣竿性能好并易攜帶。參考文獻(xiàn)1賀福. 釣竿的今昔J. 化工新型材料,1987,03:5-9.2黃聰儒. 日本之碳纖維復(fù)合材料釣竿及高爾夫球桿J. 特種合成纖維與復(fù)合材料簡報,1995,06:10-13.3百度(bi d)百科搜索 內(nèi)容總結(jié)（1）材