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我正在考虑建造另一个拖车。过去，我已经制造了许多小型拖车，但是这次我想为自己制造一个重7,500磅的小型串联鹅颈管。

我是一名合格的焊工，拥有物理学学士学位，并且是软件开发人员。我知道如何使用，但是我想在材料选择方面提供一些建议。

圆管
角钢
工字梁
矩形管

我目前倾向于将矩形管作为最好的支持，但似乎找不到任何可以证实这一点的在线方法。

在确定适合拖车的最佳材料之后，我在哪里可以找到好的图表来告诉我应该使用什么尺寸和厚度？显然，我可能会矫kill过正，但我想更智能地构建它，而不是给它扔太多的铁。

有人有任何输入吗？是否有更好的小组可以发布此信息？我一直在寻找工业工程方面的东西，但这就是全部。

编辑：
我试图保持一个通用的问题，有人可以告诉我，例如“这是我们使用的公式，这是如何使用它……”看来我不会明白。

我最重的负载是一台拖拉机，其前端装有装载机，背面配有割灌机，总重量为5500至6500磅。具有两（2）个3500磅车桥的串联车轴拖车可以承受此载荷。我从西南车轮的扭力轴中选择了带制动器的轴（前轴将带制动器，但后轴则没有）。

拖车的长度将为18英尺，并具有鹅颈状的配置（与保险杠拖车相比，它可以更好地分散重量并拉得更顺畅）。为了进行计算，我将使用7500磅的容量。

我正在使用规格表HERE来查看方管的结构数据（尝试不做广告其他网站，但这是我看到的数据）。第21页显示了各种尺寸和厚度的数据值。

有一行叫做弯曲因子。对于18英尺的拖车（18 x 12 = 216英寸），3/8英寸厚的4x2方形管显示的弯曲系数为（x = 1.03，y = 1.55）。

昨天我使用了Rogue Fabrication的计算器，在其中输入了以下值：管形状=方形管，外径= 4英寸，壁厚= 0.1875英寸，材料=“密封缝管”，载荷= 3800磅，管长度= 216英寸，危险因子= 1，我得到的材料强度是装载条件的1.22倍。

接下来，我尝试了EasyCalculation的“梁挠度计算器”，其值是Length = 216，Width = 2，Height = 4，Wall Thickness = 0.1875，Force = 3750。它显示了2种长度的矩形管大约100英寸的挠度。如果我使用4种长度，则每个梁的力降低到7500/4 = 1875，挠度降低到50英寸。这些偏转值似乎很高。这比大多数拖车的铁多。

我现在使用的旧式串联轴拖车只有两（2）个长度为4英寸的角铁（1/4厚）。它可以弯曲几英寸，但不能弯曲50英寸。我肯定错过了什么。

我如何计算20英尺长的材料的弯曲量？

如果方管不是最好的，那很好，只要您让我知道什么会更好，以及在发表评论时如何选择该配置即可。

— jp2code
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1

这个问题似乎不在本网站的范围之内。它是主观意见的结合（每个横截面都有其优点和缺点，因此您不能在不知道其确切含义的情况下定义“最佳”意见）和请求参考，两者均不在范围之内。

— 山葵

2

构件的形状会影响其区域惯性矩，从而会影响构件中的载荷。您需要定义一个载荷，一个安全系数，一种材料，然后处理尺寸和形状，直到找到一种组合，该组合可以在材料的屈服强度以下获得载荷*（安全系数）。我将其放在注释中而不是答案中，因为除了通用类之外，您还没有定义关于拖车的任何内容，并且您想要在其上安装牵引车。如果需要参考，请尝试任何“可变形的物体”或“机器设计”文本。

— Chuck

6

我们并没有要求使其尽可能复杂。我们要求使其尽可能正确。弄清楚好的设计并非易事，不应掉以轻心。

— 山葵

4

您有3个选择-做数学运算并得到正确的部分，复制别人的工作并希望他们做数学运算，或者猜测并希望计算结果可以。我的意思是，在人口稠密的高速公路上，以55英里/小时的速度行驶的汽车要承受3.5吨的负载，最糟糕的情况是什么？除了讽刺，您可能应该认真对待并做好工作，或者找到其他项目。

— 查克（Chuck）

3

在我们的办公室里，我们有一条一般规则……“如果有什么动作，那是机械的”也许可以尝试用“机械工程”进行标记？梁上的动态载荷，尤其是连接处，将变得至关重要。仅对结构进行静态分析是不够的。

— NamSandStorm 2015年

9

这是我们使用的公式

梁弯曲（在Wikipedia上可用）

E I \frac{d^{4} δ y}{d x^{4}} = q (x)

$EI\frac{d^4\,\delta y}{d\,x^4}=q(x)$

I = \int (y - \bar{y})^{2} d A

$I=\int (y-\bar y)^2 dA$

\bar{y} = \frac{1}{A} \int y d A

$\bar y= \frac1{A}\int y \;dA$

σ_{m a x} = y_{m a x} E {\frac{d^{2} δ y}{d x^{2}}}_{m a x}

$\sigma_{max} = y_{max}E\frac{d^2\,\delta y}{d\,x^2}_{max}$

其中是梁的横截面面积，是沿光束加载，的方向的轴的位置是在装载方向上的偏转，是弹性模量（搜索MatWeb的获得值），最后是每距离载荷。 $A$ $y$ $\delta y$ $E$ $q(x)$

这是使用方法

对于具有高度，宽度和厚度的矩形管，我们有： $H$ $W$ $t$

\bar{y} = 0

$\bar y=0$

I = W \int_{- \frac{H}{2}}^{\frac{H}{2}} y^{2} d y - (W - 2 t) \int_{- \frac{H}{2} + t}^{\frac{H}{2} - t} y^{2} d y = \frac{H^{3} W - (H - 2 t)^{3} (W - 2 t)}{12}

$I=W\int_{-\frac{H}2}^{\frac{H}2}y^2\;dy-(W-2t)\int_{-\frac{H}2+t}^{\frac{H}2-t}y^2\;dy=\frac{H^3W-(H-2t)^3(W-2t)}{12}$

对于 $H=4\,in\,,\quad W=2\,in\,,\quad t=.1875\,in$

I \approx 4.2 i n^{4}

$I\approx4.2\,in^4$

现在有光束加载，这可能是您遇到困难的地方。首先，让我们看一下悬臂梁：

此处仅加载了两个点，即支撑和尖端。想想跳水板的情况。我们会说的支撑位在和负载为 $x=0$ $F$ $x=L$

q (x) = - δ (x) F + δ (x - L) F

$q(x)= -\delta(x)F+\delta(x-L)F$

E I \frac{d^{4} δ y}{d x^{4}} = q (x)

$EI\frac{d^4\,\delta y}{d\,x^4}=q(x)$

E I \frac{d^{3} δ y}{d x^{3}} = \int_{0^{-}}^{x} q (x) d x = F

$EI\frac{d^3\,\delta y}{d\,x^3}=\int_{0^-}^xq(x) dx = F$

这基本上就是说，在整个方向上，梁中存在恒定的剪切应力。

E I \frac{d^{2} δ y}{d x^{2}} = \int F d x + C = F (x - L)

$EI\frac{d^2\,\delta y}{d\,x^2}=\int F dx +C=F(x-L)$

该表达式用于梁中的弯矩。我们知道自由端的弯矩必须为零，因此我们设置积分常数以适应这一点。

\frac{d δ y}{d x} = \frac{1}{E I} \int F (x - L) d x + C = \frac{F}{E I} (\frac{1}{2} x^{2} - L x)

$\frac{d\,\delta y}{d\,x}=\frac1{EI}\int F(x-L) dx +C=\frac{F}{EI}(\frac12 x^2-Lx)$

这代表偏转光束的斜率。在这里，我们知道支撑处的斜率必须为零，因此我们相应地设置了积分常数。

δ y = \frac{F}{E I} \int \frac{1}{2} x^{2} - L x d x + C = \frac{F}{E I} (\frac{1}{6} x^{3} - \frac{L}{2} x^{2})

$\delta y=\frac{F}{EI}\int \frac12 x^2-Lx \; dx +C=\frac{F}{EI}(\frac16 x^3-\frac{L}2 x^2)$

$x=L$

δ y = - \frac{F L^{3}}{3 E I}

$\delta y=-\frac{FL^3}{3EI}$

这对应于您帖子中最后一个网站上的等式。

$E=30\,000\,ksi$

δ y = - \frac{3.750 k l b (216 i n)^{3}}{3 30000 k s i 4.2 i n^{4}} \approx - 100 i n

$\delta y= -\frac{3.750\,klb \, (216 in)^3}{3\,30000\,ksi\,4.2\,in^4}\approx -100\,in$

这正是在线计算器产生的结果。但是，如果您尝试像这样加载梁，它将永久变形。一个18英尺长的杠杆臂确实很长，可以轻松地将鼻涕弯曲成4英寸薄壁梁。问题是拖车不是悬臂梁。

因此，让我们看一个更合理的加载方案。让我们将车轴建模为点负载 $40\,in$ $80\,in$ $7500 lbf$ $18\,ft$ $5ft$

现在我们尚不知道其中的一些负载，但是我们可以在此过程中找出其中的一些负载。其中一些我们无法做到，所以让我们添加一个额外的约束。重量分布将根据变量在车轴之间分配 $\alpha$

F_{一个 X 升 Ë s} = F_{[R Ë 一个 [R} \frac{1个}{α} = F_{F [R Ø ñ Ť} \frac{1个}{（ 1个 - α ）}

$F_{axles}=F_{rear} \frac1{\alpha}=F_{front}\frac1{(1-\alpha)}$

现在我们有：

q （ X ） = - \frac{F}{大号} H （ 大号 - X ） + F_{一个 X Ë 升 s} （ α δ （ X - X_{[R Ë 一个 [R} ） + （ 1个 - α ） δ （ X - X_{F [R Ø ñ Ť} ） + （ F - F_{一个 X Ë 升 s} ） δ （ X - X_{G Ø Ø s Ë} ）

$q(x)=-\frac{F}{L}H(L-x)+F_{axels}(\alpha\delta(x-x_{rear})+(1-\alpha)\delta(x-x_{front})+(F-F_{axels})\delta(x-x_{goose})$

整合：

E I \frac{d^{3} δ y}{d x^{3}} = {\begin{cases} - \frac{F}{L} x & x \leq x_{r e a r} \\ - \frac{F}{L} x + F_{a x e l s} α & x_{r e a r} < x \leq x_{f r o n t} \\ - \frac{F}{L} x + F_{a x e l s} & x_{f r o n t} < x \leq L \\ F_{a x e l s} - F & L \leq x \end{cases}

$EI\frac{d^3\,\delta y}{d\,x^3}=\begin{cases} -\frac{F}{L}x & x\leq x_{rear} \\ -\frac{F}{L}x+F_{axels}\alpha & x_{rear} \lt x\leq x_{front} \\ -\frac{F}{L}x+F_{axels} & x_{front} \lt x\leq L \\ F_{axels}-F & L \leq x \end{cases}$

然后再次集成：

E I \frac{d^{2} δ y}{d x^{2}} = {\begin{cases} - \frac{F}{2 L} x^{2} & x \leq x_{r e a r} \\ - \frac{F}{2 L} x^{2} + F_{a x e l s} α (x - x_{r e a r}) & x_{r e a r} \leq x \leq x_{f r o n t} \\ - \frac{F}{2 L} x^{2} + F_{a x e l s} (x - (1 - α) x_{f r o n t} - α x_{r e a r}) & x_{f r o n t} \leq x \leq L \\ (F_{a x e l s} - F) (x - x_{g o o s e}) & L \leq x \end{cases}

$EI\frac{d^2\,\delta y}{d\,x^2}=\begin{cases} -\frac{F}{2L}x^2 & x\leq x_{rear} \\ -\frac{F}{2L}x^2+F_{axels}\alpha (x-x_{rear}) & x_{rear} \leq x\leq x_{front} \\ -\frac{F}{2L}x^2+F_{axels} (x-(1-\alpha)x_{front}-\alpha x_{rear}) & x_{front} \leq x\leq L \\ (F_{axels}-F) (x-x_{goose}) & L \leq x \end{cases}$

$F_{axles}$

F_{a x e l s} = F \frac{x_{g o o s e} - \frac{L}{2}}{x_{g o o s e} - (1 - α) x_{f r o n t} - α x_{r e a r}}

$F_{axels}=F\frac{x_{goose}-\frac{L}2}{x_{goose}-(1-\alpha)x_{front}-\alpha x_{rear}}$

$F_{axels}$

现在斜率将是：

\frac{d δ y}{d x} = \frac{1}{E I} {\begin{cases} - \frac{F}{6 L} x^{3} + C_{1} & x \leq x_{r e a r} \\ - \frac{F}{6 L} x^{3} + F_{a x e l s} α \frac{1}{2} (x - x_{r e a r})^{2} + C_{1} & x_{r e a r} \leq x \leq x_{f r o n t} \\ - \frac{F}{6 L} x^{3} + F_{a x e l s} (α \frac{1}{2} (x - x_{r e a r})^{2} + (1 - α) \frac{1}{2} (x - x_{f r o n t})^{2}) + C_{1} & x_{f r o n t} \leq x \leq L \\ (F_{a x e l s} - F) \frac{1}{2} (x - x_{g o o s e})^{2} + C_{2} & L \leq x \end{cases}

$\frac{d\,\delta y}{d\,x}=\frac1{EI}\begin{cases} -\frac{F}{6L}x^3+C_1 & x\leq x_{rear} \\ -\frac{F}{6L}x^3+F_{axels}\alpha \frac12 ( x-x_{rear})^2+C_1 & x_{rear} \leq x\leq x_{front} \\ -\frac{F}{6L}x^3+F_{axels}(\alpha \frac12 (x-x_{rear})^2+(1-\alpha)\frac12(x-x_{front})^2)+C_1 & x_{front} \leq x\leq L \\ (F_{axels}-F)\frac12 (x-x_{goose})^2 +C_2 & L \leq x \end{cases}$

至此，我转到了数值解。我再次积分，求出所有常数的值，使得坡度和位移都是连续的，鹅和后轴的位移均为零。所产生的偏转最大约为2英寸。但是我用了满负荷，所以我应该用一半的负荷给1英寸。这听起来对我来说是正确的。

$9\, kN \,m$ $38 ksi$

挂车上的加速力很容易在短时间内使负载增加三倍。此外，道路上的颠簸会循环负载，这使其不是您要查看的屈服强度，而是您希望拖车持续使用的适当次数的疲劳强度。疲劳强度可能低至屈服强度的10％，因此我希望最小载荷系数约为30（3/10％），然后加上2的安全系数，并且梁的强度约为60倍比在静态负载情况下满足屈服应力所需的强度更高。简而言之，我会选择更大的光束。

— 里克
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2

+1为壮观的答案。我希望@ jp2code能够实现制作“只是预告片”所涉及的工作。

— Chuck 2015年

@Chuck，我怀疑任何鹅颈挂车制造商都使用过这些计算。这是我最终可能接受的一个惊人的答案，但是我想知道制造商在给定负载范围内建造拖车时如何确定所需的材料尺寸。

— jp2code

1

@ jp2code是这或猜测。

— Chuck

@ jp2code像大多数问题一样，一旦解决问题，您就可以制作一个工具，在数字变化时重新进行所有计算。因此，不，他们不会在每个拖车设计中都经历过这一过程。他们为他们做了一个工具。然后，他们可能会通过FEA分析来验证其设计。我怀疑任何鹅颈挂车制造商使用的细节计算水平都不会低于此水平，它很可能嵌入与您发现的在线工具类似的工具中。

— 里克（Rick）

1

我不确定这是否真的对现实世界设计有用。我曾经设计了一个六车道的公路桥梁，却完全没有整合任何东西。我认为它仍然站立。工程师不要整合。

— 保罗·乌萨克 Paul Uszak），2015年

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这是有关拖车设计标准的一些其他信息和冗长的讨论。线程中甚至还有关于负载和安全因素的白皮书：

拖车设计负荷

该站点上还有许多其他线程可提供有关拖车设计的良好信息。

对于它的价值，我会在设计结构时考虑到拖车的某种矩形钢型材。它们定期可用，并且“易于使用”（切割，钻孔，焊接，安装其他组件等）。

— 吉斯·莫克斯
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2

对于拖车的结构，矩形截面管可能是强度刚度与设计和制造容易程度之间最有效的折衷方案。圆管的重量稍重一些，但由于矩形管具有方便的平坦表面，因此更难于准确地组装和连接。

正如已经提到的，这种事情不是由现实世界中的演算设计的，到目前为止，您最好的选择是复制现有设计，因为当您遇到意外的负载集中时，这种应用程序中的故障往往会发生，而不是将设计视为近似的光束，因此除非您可以使用FEA软件，否则纸张计算将毫无意义。

— 克里斯·约翰斯
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我曾希望该站点上的一位工程师会说：“最好以{something}磅的价格使用X”。最后，我只是客串了：i.imgur.com/mkOJrhS.jpg

— jp2code

1

问题是拖车上的实际负载只是整个问题的一小部分，我要说的是，对于3000公斤的A框架负载，大约3m长的100mm x 50mm矩形箱形截面（沃尔厚度为3mm）是正确的可以给您一个舒适的安全因素。

— 克里斯·约翰斯

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如果这是您第一次使用结构钢型材，或者只是寻找有关其机械性能的准确数据，请查找您所在地区的官方《钢结构手册》。在加拿大，这是“加拿大钢结构学会（CISC）：钢结构手册”，在美国，这是“美国钢结构学会（AISC）：钢结构手册”。我不确定其他国家/地区，但它们几乎都遵循相同的标题格式，或者被称为《钢结构手册》或《钢结构手册》。如果您搜索该地区的正式版本，应该会非常容易。

当一个偶然发现这个问题的人试图研究这些相同的问题时，我知道找到可靠答案的难度有多大。因此，我对此压力不足。自己复制！！这本书从字面上回答了您的每一个问题，我真希望我早日找到它。

干杯，嗯。

— livedeht
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1

简单的答案是不要设计-作弊。去寻找与您想要的拖车相似的拖车。拍摄并测量所有位。（不要表现得像您要刻痕一样）。类似的部分也可以，但我会较大。

现在您的问题将是：

焊接接头。我不确定您通过了哪种焊接认证，但是10mm钢的角焊不同于在汽车机翼上的定位。
刹车您需要确保它们正常工作。您将如何测试它们？挂车不会滑落驱动器这一事实并不意味着它们正在工作。
在英格兰，如果您将其带到公共高速公路上，则需要测试证书。

我讨厌整个“健康与愚蠢”，但不要低估如果您将其快速驶向道路，您将承担的责任。

— 保罗·乌萨克
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建造拖车的钢材选择

我如何计算20英尺长的材料的弯曲量？

这是我们使用的公式

梁弯曲（在Wikipedia上可用）

这是使用方法