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高考申論題 108年 [機械工程] 機械設計

第 一 題

📖 題組:
三、如圖所示之梁結構(單位為 mm),以兩個矩型冷抽鋼板透過兩個 ISO 5.8 螺栓結合,鋼板的抗拉降伏強度為 Sy = 370 MPa,螺栓的抗拉降伏強度為 Sy = 420 MPa,抗剪降伏強度為 Ssy = 242.3 MPa,試求下列各種方式的最小安全係數: (一)螺栓的剪切破壞(Shear of bolts)。(5 分) (二)梁的支撐破壞(Bearing on members)。(5 分) (三)梁的彎矩破壞(Bending of members)。(10 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

螺栓的剪切破壞(Shear of bolts)。(5 分)

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看到此題,首先應視其為簡支梁,利用整體靜力平衡求出兩端支撐反力;接著取左側或右側鋼板為自由體,透過力矩與力平衡,找出受剪力最大的螺栓。最後代入平均剪應力公式與材料抗剪降伏準則,即可求得最小安全係數。

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【解題關鍵】利用靜力平衡求得螺栓承受的最大剪力,並代入單剪應力公式 ( \tau = \frac{V}{A} ) 與安全係數公式 ( n = \frac{S_{sy}}{\tau} ) 進行求解。 【解答】 計算:

小題 (二)

梁的支撐破壞(Bearing on members)。(5 分)

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本題的核心在於找出受力最大的螺栓,並計算鋼板(梁)孔壁的承壓應力。先透過靜力平衡求出各個螺栓傳遞的剪力,找出最大受力值;接著以『螺栓直徑 × 鋼板厚度』作為投影承壓面積,求得最大承壓應力,最後與梁的降伏強度比對求出安全係數。

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【解題關鍵】求出單一螺栓最大受力,再利用承壓應力公式 $\sigma_b = \frac{F_{max}}{d \cdot t}$ 計算並求取安全係數。 【解答】 Step 1:計算支承反力

小題 (三)

梁的彎矩破壞(Bending of members)。(10 分)

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  1. 先透過靜力平衡求出支承反力,分析全梁彎矩分佈,找出最大彎矩的發生位置(集中荷重處 $x=350$ mm)。
  2. 觀察圖面搭接結構,確認在最大彎矩處僅有單一右側鋼板承受負載;同時需同步檢核含有螺栓孔的淨斷面($x=250$ mm)應力狀態,確認何處為最危險的臨界斷面。
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【解題關鍵】利用靜力平衡找出最大彎矩位置,並透過撓曲公式 $\sigma = Mc/I$ 比較實心斷面與螺栓孔淨斷面之最大彎曲應力,據此求得安全係數。 【解答】 Step 1:支承反力與彎矩分析

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