承載結構的最佳幾何形狀

若要針對專題中每個功能性零件解方程式就有點超過了：況且在日常生活中，又不是所有東西都像橫木一樣重要，但上述理論強調幾個多用途的設計策略，讓我們做出各種形狀的堅固耐用零件。

怎么辦到呢？我們試想另一個簡單的例子，假設你想修理一個機械連動裝置，這是大約1mm厚、5mm寬塑膠棒，X軸所承受的壓力持續毀損這根塑膠棒，你厘清這個問題之后，決定將壓力承受能力提升三倍。

我們最好怎樣達到目標呢？看一下 Fbreak 方程式，可見寬度（w）和最大承受壓力呈現線性關系，我們顯然要把橫木寬度從5mm加大為15mm，但反過來看，塑膠棒會變得太笨重，其重量和所需材料也會提升200%。

以天馬行空的方式，把零件的承壓能力提升三倍

當然還有更好的辦法。前述公式告訴我們，最大承受壓力跟高度（h）成正比，換言之，你只要把原本的高度加乘 √3，差不多是1.73mm，承壓能力就會提升三倍，所需材料卻只會增加73%，零件也很接近原本的形狀。

以更好的方法解決問題：增加零件的厚度

事實上，就連這個方法也太保守。若沒有理由保留原本的寬度，不妨把橫剖面變成正方形，讓X和Y的抗彎強度相等，這樣橫剖面會是2.47mm寬和2.47mm高，比起5mm x 1mm的橫木，這個所需材料只增加了22%，但承壓能力卻提升三倍。

不過先別急，還有一個問題：根據我們對彎曲壓力在橫木橫剖面分布的了解，大家不免懷疑舍棄中心附近的材料，難道不會犧牲整體抗彎強度嗎？我們試著打造一個工字梁，來看看實際成果如何吧。

為了搞清楚會有什么后果，我們不再關注長方形橫剖面的公式，反而要鎖定 Fbreak一般公式：

Fbreak = σmax * Ix / (L * cx)

既然工字梁是對稱的，中軸永遠都在中央，因此cx = h / 2。只有Ix

不知道數值，截面矩符號公式可在在線輕易找到，但這種橫木形狀有點麻煩，最好利用CAD軟件或在線計算器，得出移除中央材料后的Ix數值變化，才能知道外圍凸緣要增加多少，以便回復預計的Fbreak數值。

打造工字梁以符合預期目標。移除紅色區域，擠壓綠色區域。

上述例子從中央移除大量材料，外圍凸緣只要增加少數材料，橫木承壓能力就比5 x 1 mm增加了三倍…卻節省20%的材料，很棒吧？

事實上，工字梁在小型專題并不常見，主要是因為采用工字梁，反而會讓釘制過程變得更復雜（例如射出成型或金屬沖壓），但只要你觀察力夠好，你就會發現工業設計隨處可見其近親。

薄壁零件常見的強化方法，通道（右）也可能是圓形的

   這些特征經常融入零件設計本身，舉凡肋材、巧妙彎曲的表面、有凸緣的蓋子等現代工業美學特色，這些絕對不是只為了好看，畢竟少了這些設計，我們的手機、整理箱和塑膠杯都可能馬上解體。

(責任編輯：admin)

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