梁和板类结构件的选材、尺寸和计算要点

梁、板类结构件多数用于承受，如拉伸、弯曲等各种形式载荷的结构制品，按结构形式可分为许多种。

1.按截面形状的分类

除了矩形、圆形、环形、正方形、多边形等常规几何形状外，还有各种异形截面，如工形、T形、形、形、H形、⊥形、形截面及其他异形材等。另外，容器底、盖板件制品、还有矩形、圆形、半球形、圆锥形等结构。在设计不同截面制品时，需从有关力学材料公式中选用不同的公式计算各种截面的形心位置、形心轴惯性矩、弯曲截面模量等几何参数来进行刚性计算。

2.按梁、板支撑方式的分类

按梁、板支撑方式可分为简支梁、悬臂梁、固定支撑（如两端固定的梁或多点和周边固定的板等）、导向支撑等形式。这里要按受力形式（如均匀受力、集中受力）和力距作用支点的不同距离等计算最大挠度。

3.按材质均匀性的分类

按材质的均匀性可分为均质梁及非均质梁两类。非均质梁、板品种很多，如共挤共注复合板、层压板、结构泡沫板、塑料芯/金属或其他材料贴面板、表面涂覆板、带加强筋板、空心板、中空异型材、各种蜂窝结构的夹芯板等，如图19-129～图19-131所示。这些型材均可作梁、支承板和主墙板等制品。

这些特殊截面的梁、板材各有不同的力学计算方法和特点，如实心梁具有最小的拉伸和压缩应力，下垂变形量最小，但制造耗费材料多，成本高。加工成型时存在较大收缩，会有凹陷和真空泡。

图19-129 不同截面形状的板（梁）

a）实心梁 b）空心梁 c）筋条梁 d）结构泡沫梁 e）交叉排列的双层波纹板

图19-130 不同的加强筋板(www.xing528.com)

a）圆筒节点直筋 b）圆筒节点直筋加对角筋 c）星形节点辐射筋 d）井字形加强筋

空心梁可节约材料48%。但比实心梁增加27%变形，也增大27%压缩和拉伸应力。这种梁单件注射困难，可分成两半分别注射成型再焊接在一起。可用气体辅助注射成型。充气成型中空孔道。也可连续挤出成型，在梁的两端要连接端盖塑件。

筋条梁可节约材料38%，但增加42%下垂变形。增加筋的数目和加大筋条截面可以减小变形量。由于筋条承受拉伸应力，拉伸一侧材料的减少使拉伸应力提高57%。此结构的优点是注射模塑方便；壁厚可较薄，塑件顶出脱模容易；在梁的两端可直接模塑边壁。

图19-131 夹芯板结构

a）硬木或金属实心侧边 b）金属框紧箍在板上 c）成型的壳层 d）带有斜度的芯层 e）Z形 f）专门挤压侧条

结构泡沫梁的性能取决于密度与密度分布、泡沫结构、皮层与芯部的相对性能。结构泡沫梁的变形比实心梁大，但节约了材料。它的表观质量取决于加工工艺。

各种结构的梁，应该从材料消耗、加工条件、载荷下变形和应力进行综合考量。梁的横截面上单位面积所具有轴惯性矩J/A，是一项综合性的比较指标，如实心梁的J/A值是120mm²。空心梁是194mm²，说明空心梁的材料利用率比实心梁高27%。

支撑板（或托板）一般均需进行刚度计算。当板上设置加强筋、板厚不均匀，或有加强刚性的翻边，或有沟槽、凸台及各种形状的孔时，要考虑这些结构特征进行复杂的刚性计算（但一般情况下，板上只有小尺寸的凸台和小孔可忽略不计）。如果采用计算机通过有限元分析软件，则可快捷准确地完成刚性计算及设计。

另外，设计加强筋时应选用合理的参数（如尺寸形状、数量及布局）才可有效地达到不要增加板厚，即可提高板件刚度，节省材料的目的。加强筋越高，则板刚性越大，但成型困难，不易脱模；加强筋越宽，越易产生缩孔和塌坑。所以设计时应择取合理的刚度与质量的比值，即只有一定的刚度和较小的体积质量才为理想的值。

综上所述，对用作梁、支撑板等用的结构件，其强度和刚性是主要的性能指标，其力学性能应满足制品承受负载的形式和大小。

因此，在设计中需经选材、初步确定结构尺寸、进行应力和应变计算、校核结构尺寸和使用寿命等一系列的计算工作。另外，由于塑料是一种粘弹性材料，其力学性能随承载时间和温度、湿度等环境因素的变化和老化程度而变化，所以不能单纯地采用弹塑性的金属材料力学公式计算，需要按弹塑性和粘弹性相结合的方法进行计算和校核，即要进行蠕变计算。例如对某梁结构件，先按短期载荷下参照金属材料力学公式计算出结构尺寸，然后按使用期限及在负荷下允许变形量，利用蠕变曲线等资料，校核和确定最终结构尺寸。现在还可采用计算机进行逼近法计算，从而可快速得到计算结果，也便于选择多种材料进行计算对比，进而择取最佳的优化设计方案。