探讨鱼竿大变形挠度计算有关问题

2021-04-03徐新东

中国设备工程 2021年8期

徐新东

（山东环球渔具股份有限公司，山东潍坊 262200）

就目前而言，对于高端鱼竿的研究任重而道远，主要需要从鱼竿的设计理论方面入手进行研究。具体的研究过程中需要借助线性大挠度理论进行分析，根据线性大挠度理论可以进行复合材料层合结构钓鱼竿曲线方程的推导，同时所推导出的曲线方程也能够通过实验来进行理论合理性的判定，这就在一定程度上验证了经由线性大挠度理论所推导出的曲线方程。对鱼竿大变形挠度方面的相关计算很大程度上能够帮助鱼竿结构的设计，在进行鱼竿设计的过程中，可以根据曲线计算方程为理论依据，同时借助相应的钓鱼竿设计软件来生成原料下料图。钓鱼竿调性曲线设计软件能够以鱼竿的基准调性曲线为设计目标函数，同时通过对鱼竿截面尺寸设计、材料设计等来满足指标要求的曲线误差。此外，经过其他方面的一系列计算可以帮助指导钓鱼竿的结构设计，计算理论方面的相关内容以及合理的设计方法都是保证钓鱼竿设计质量的重要决定因素。总的来说，当前垂钓作为人们娱乐休闲的重要内容，是人们物质消费需求的项目之一，因而需要对垂钓项目所必需的钓鱼竿进行深入的研究，设计高端的钓鱼竿来提高使用者的满意度，在满足人们娱乐休闲的基础上促进我国垂钓业的快速发展。

1 鱼竿大变形挠度计算方法研究分析

1.1 大变形挠度简要介绍

对于高端鱼竿的设计来说，大变形挠度的计算方法可以为鱼竿的设计提供坚实的理论基础，同时也可以根据相应的设计软件来实现高端鱼竿的设计过程。所谓的大挠度的计算理论即是指结构稳定分析的两种理论之一，大挠度理论分析之后所得到的屈曲后的载荷虽然在一定程度上略高于屈曲荷载，但是当P 大于PE 的千分之一时，其挠度将能够达到构件长度的百分之三，由此以来便使得相应构件的中央截面处产生了较大的弯曲应力。尤其是对于细长的构件如钓鱼竿，在这种情况下便进入到了弹塑性的状态。以上便是大挠度计算理论的基本内容，由此可见，钓鱼竿的设计过程中使用大挠度计算理论能够提高设计的质量，同时应用了大挠度理论也能够最大限度的提高所设计钓鱼竿的结构性能。鱼竿变形可以归结为变形体理论之中，变形体理论中的应力是衡量变形的关键指标之一，其中线应变的定义即为长度的改变量除以原结构的参考长度。在此过程中如果所出现的变形过大时，就需要将变性之后的形状作为计算的依据，鱼竿的变形为大变形，其大变形中所引起的非线性问题也被称作是几何非线性，大变形中要考虑到小变形中所忽略到的量，这些量都会影响到挠度的计算过程。

1.2 鱼竿大变形挠度计算中有关问题的介绍分析

大挠度理论中指出，曲率的计算有着特定的公式作为指导，具体的大挠度理论计算公式如下：其中对于特定的轴心受压杆件，该受压杆件必须是两端铰接。在这样条件之下的轴心受压杆件作用于端部的荷载P 小于欧拉荷载PE 时，就会使得构件处于稳定平衡的状态。当P 大于PE 时，这时就可以根据大挠度理论进行解释，即能够根据大挠度理论说明构件发生屈曲后仍然处于稳定的平衡状态，同时在此过程中也能够给出相应的荷载以及挠度之间的关系式，该关系式中存在一一对应的确定数值。大挠度理论的分析过程中对于屈曲后载荷的研究可以看出，当P 大于PE 的千分之一时，其挠度在这时便达到了构件长度的百分之三，由此便能够在构件的中央截面处产生极大的弯曲应力，钓鱼竿便进入到了弹塑性的状态，同时也说明了轴心的受压构件在屈曲之后的强度也不能再次被利用。而钓鱼竿力学性能方面的定量计算理论对于计算钓鱼竿理论结构有着很大的帮助，在此过程中利用大变形挠度理论来设计钓鱼竿能够促进钓鱼竿产业可持续发展。钓鱼竿的调性曲线则有效的反映出了钓鱼竿的各项性能特点以及力学性能指标。大挠度理论计算过程中对于钓鱼竿弯曲时的最大水平位移研究得出了具体数值20.8cm，同时在此过程中使用小挠度计算弯曲挠度忽略了水平位移产生误差的重要原因。本文中对于钓鱼竿的大挠度理论研究所使用的鱼竿材料为碳纤维增强树脂基复合材料层结构，即钓鱼竿在该种材料结构下的线性大挠度的推导计算。在此过程中主要是推导钓鱼竿的调性曲线方程，并根据相应的实验来对计算的合理性进行了验证分析。钓鱼竿调性曲线方程的推导需要借助等厚度的单种材料独节钓鱼竿来进行验证，同时相应的试验结果也表明钓鱼竿的各个位置理论值与实测值的绝对误差在2cm 之内，其绝对误差的计算在百分之五以内。第一步的验证计算完成之后，接下来所要做的便是在双节钓鱼竿嵌套假设的基础之上来对复合材料双节钓鱼竿竿样的理论调性曲线以及实验过程中所研究出的调性曲线进行对比性研究，由此也验证了嵌套假设的合理性。当前在钓鱼竿结构的设计过程中会根据其模具进行制备，而模具的不同则会出现多个锥度，锥度的不同就会导致碳纤维预浸布卷绕后出现非整层的情况。在此过程中如果采取等效法可以将等效法的非整层等代替换为等效的整数层，非整层则按照实际的长度也可以换算为整层的厚度百分比，由此便可以通过改变锥度模具来实现等厚度复合材料钓鱼竿的制备，所制备的钓鱼竿也能够在一定程度上验证等效法的合理性。最后一步所要进行的计算便是相应的钓鱼竿理论计算以及实验分析，在此过程中主要是研究了钓鱼竿嵌套、变截面等方面的处理方法以及计算结果的综合影响，同时也能够通过变厚度双节钓鱼竿样竿来进一步的实现对于双节钓鱼竿的处理。由此可见，对于钓鱼竿大变形挠度曲线方程的研究与实际所测得的值相比，其最大的误差为0.83cm，符合钓鱼竿的使用标准。

通过对钓鱼竿调性曲线计算理论以及相应影响因素的处理方法研究可以看出，曲线计算理论能够很大程度上反映出钓鱼竿的实际调性曲线的基本特征。在此过程中实际调性曲线也能够当作是钓鱼竿设计的理论依据。在钓鱼竿的实际制作生产过程中，钓鱼竿调性曲线仅仅是作为理论依据，生产的过程中还需要借助曲线方程来制定相应的设计流程，即钓鱼竿调性曲线的设计流程，并据此来编制包含钓鱼竿调性曲线设计功能的综合设计软件，该设计软件将钓鱼竿的基准调性曲线作为设计的目标函数，在此过程中也对钓鱼竿的截面尺寸、材料等进行了设计，同时也要保证设计误差符合指标要求。钓鱼竿调性曲线设计软件设计并成型的两种钓鱼竿分别为独节型以及双节型，通过对于实际设计中的钓鱼竿实测调性曲线与基准调性曲线的对比可以得出所设计的独节钓鱼竿的实测调性曲线与基准的调性曲线最大的误差为1.5cm，而双节钓鱼竿的实测曲线与基准调性曲线的误差则为0.5cm，根据分析可知均满足相应的误差指标要求。此外独节竿的前尖极限载荷为2.94N，而双节竿则为5.71N，根据分析可知均符合标准要求。由以上的计算以及分析结果都可以说明，通过鱼竿大变形挠度计算可以为鱼竿的结构设计提供理论基础，同时也能够指导鱼竿的设计过程。