機(jī)械行業(yè)中的力學(xué)應(yīng)用問題的相關(guān)思考

王靜 崔巍 王瑾

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，機(jī)械制作業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用，機(jī)械科技的革新發(fā)展日趨深化，有利于實(shí)現(xiàn)技術(shù)與科學(xué)之間的完美融合。力學(xué)作為物理學(xué)和機(jī)械科學(xué)之間的主要連接點(diǎn)，將其應(yīng)用到機(jī)械行業(yè)中，可以通過力學(xué)建模與力學(xué)計(jì)算等為機(jī)械設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和工作的效率。本文就對機(jī)械行業(yè)中的力學(xué)應(yīng)用問題進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)械行業(yè)；力學(xué)；應(yīng)用

引言

隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，工業(yè)經(jīng)濟(jì)逐步呈現(xiàn)出式微的發(fā)展態(tài)勢，但其在經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和社會(huì)生活中仍然發(fā)揮著重要的功能與價(jià)值，對國家復(fù)興具有積極的推動(dòng)作用。機(jī)械行業(yè)是傳統(tǒng)工業(yè)部門中的主體，不僅在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面起著重要作用，而且在科技創(chuàng)新領(lǐng)域有著重要的平臺(tái)作用。通常力學(xué)在機(jī)械行業(yè)中起著很大的干預(yù)作用，如何解決機(jī)械行業(yè)中的力學(xué)應(yīng)用問題，已經(jīng)成為研究人員的關(guān)注重點(diǎn)。

1力學(xué)概述

力學(xué)屬于運(yùn)動(dòng)和力相結(jié)合的科學(xué)，主要研究力和能量及其與氣體、液體、固體的運(yùn)動(dòng)、變形或平衡的關(guān)系，可以粗略劃分為動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)，在諸多方面的應(yīng)用都十分廣泛。作為一門獨(dú)立的基礎(chǔ)學(xué)科，力學(xué)的研究對象為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)宏觀體現(xiàn)，將其滲透到機(jī)械行業(yè)，有利于實(shí)現(xiàn)該行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。通常力學(xué)擁有十分悠久的發(fā)展歷史，其在古希臘時(shí)代屬于自然哲學(xué)的范疇，后來逐漸發(fā)展為物理學(xué)的重要分支，而在牛頓三大定律提出之后成為獨(dú)立的學(xué)科。在資本主義生產(chǎn)發(fā)展的趨勢下，以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)為主的經(jīng)典力學(xué)日趨完善；19世紀(jì)的大機(jī)器生產(chǎn)時(shí)期，力學(xué)在工程技術(shù)中的發(fā)展促進(jìn)了流體力學(xué)、彈性固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等分支的形成；19世紀(jì)末期，力學(xué)已經(jīng)發(fā)展為自成體系的基礎(chǔ)學(xué)科。

2力學(xué)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用

2.1工程力學(xué)的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及科研活動(dòng)理論基礎(chǔ)的日益夯實(shí)，物理學(xué)中的相關(guān)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣泛，不僅能夠有效滿足機(jī)械設(shè)備的相關(guān)要求，還能提高生產(chǎn)水平。工程力學(xué)作為一門系統(tǒng)性較強(qiáng)的學(xué)科，相關(guān)的定律和定理都被廣泛應(yīng)用在機(jī)械領(lǐng)域，尤其是機(jī)械設(shè)計(jì)方面，很好解決了現(xiàn)場問題；同時(shí)工程力學(xué)在實(shí)踐應(yīng)用中得出的相關(guān)結(jié)論被應(yīng)用于機(jī)械維修和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面，如現(xiàn)場的機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)損壞時(shí)，利用工程力學(xué)的相關(guān)理論及其知識(shí)來分析與處理故障，提高生產(chǎn)效率。

2.2斷裂力學(xué)的應(yīng)用

作為固體力學(xué)中的重要組成部分，斷裂力學(xué)的研究對象主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的裂紋壽命和裂紋強(qiáng)度，其在機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用。斷裂力學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中可分為彈塑性斷裂力學(xué)和彈性斷裂力學(xué)這兩種類型，其中前者主要是對裂紋尖端位置的大范圍屈服設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，而后者則是對裂紋尖端位置小范圍的屈服設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。將斷裂力學(xué)分析應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中，不僅能保證機(jī)械設(shè)備與機(jī)械部件的安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免設(shè)備存在毀滅性的斷裂，還能促進(jìn)機(jī)械功效與機(jī)械性能的提升。目前我國將斷裂力學(xué)應(yīng)用在機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷的處理和評(píng)定等方面，取得了良好的成效，例如：概率斷裂力學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在很大程度上提高了設(shè)計(jì)的可靠性，對機(jī)械設(shè)計(jì)可靠性的創(chuàng)新發(fā)展具有積極作用；斷裂力學(xué)在壓力容器設(shè)備中的運(yùn)用，很好地保證了壓力容器的運(yùn)行及使用。值得注意的是，在斷裂力學(xué)實(shí)際應(yīng)用過程中，必須要科學(xué)運(yùn)用相關(guān)的余度分布和設(shè)計(jì)參量，通過這些參數(shù)的校驗(yàn)與計(jì)算來客觀反應(yīng)機(jī)械設(shè)計(jì)的常規(guī)設(shè)計(jì)問題和安全系數(shù)。當(dāng)然為了保證機(jī)械設(shè)計(jì)中的安全性能，可以采用強(qiáng)度二階矩和應(yīng)力二階矩，以便直觀體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的安全性能。此外，在機(jī)械設(shè)備材料的選擇環(huán)節(jié)應(yīng)用斷裂力學(xué)，通過相關(guān)的斷裂力學(xué)知識(shí)來改進(jìn)加工工藝，或者是借助斷裂力學(xué)系統(tǒng)檢測與科學(xué)分析機(jī)械設(shè)備的斷裂故障等，有利于節(jié)省勞動(dòng)生產(chǎn)力，準(zhǔn)確找出設(shè)備斷裂位置及其原因，提高設(shè)備的失效維修和生產(chǎn)效率。

2.3彈性力學(xué)的應(yīng)用

彈性力學(xué)也稱之為彈性理論，是機(jī)械力學(xué)領(lǐng)域中的重要分支，主要研究的是在外部溫度發(fā)生變化或外部壓力干擾的前提下，彈性體所發(fā)生的一系列變形、位移與應(yīng)力等，以此滿足機(jī)械設(shè)計(jì)中所要求的結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。一般來說，許多機(jī)械在實(shí)際運(yùn)行中往往會(huì)呈現(xiàn)出三種狀態(tài)：①運(yùn)行中出現(xiàn)彈性變形；②運(yùn)行中機(jī)械內(nèi)部的承載力較大；③運(yùn)行中的速度較快。這幾種狀態(tài)會(huì)對機(jī)械系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，這就需要在機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)充分運(yùn)用與力學(xué)分析相關(guān)的彈性問題。在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用彈性力學(xué)時(shí)，基本內(nèi)容涉及軸、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)。以齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用彈性力學(xué)的知識(shí)時(shí)，漸開線的存在為齒輪曲線的設(shè)計(jì)提供了有利條件，利用彈性力學(xué)進(jìn)行確認(rèn)與分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪漸開線設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的缺陷，特別是兩個(gè)齒輪相互嚙合運(yùn)行時(shí)存在的缺陷。根據(jù)赫茲公式可知：在相同的外部條件下，要想使兩個(gè)齒輪基礎(chǔ)面的最大受力有所降低，則需適當(dāng)增大兩個(gè)齒輪相交處的曲率半徑。但是對漸開線齒輪來說，只有適當(dāng)擴(kuò)大齒輪外部輪廓，才能增加兩個(gè)齒輪接觸點(diǎn)之間的曲率半徑，而在實(shí)際中其曲率半徑的增大相對有限，很難加大齒輪的外部尺寸，也無法有效提升齒輪外部承載力。另外，軸設(shè)計(jì)中彈性力學(xué)的應(yīng)用也十分廣泛，利用彈性力學(xué)的相關(guān)公式與理論對軸的設(shè)計(jì)材質(zhì)及直徑大小進(jìn)行運(yùn)算，以此解決軸共振問題，如發(fā)動(dòng)機(jī)或汽輪機(jī)主軸設(shè)計(jì)中采用彈性力學(xué)知識(shí)，有效確定與計(jì)算相關(guān)的共振。

3結(jié)語

總而言之，我國機(jī)械行業(yè)中的諸多問題研發(fā)都是以相應(yīng)的力學(xué)分析為基礎(chǔ)進(jìn)行處理與闡述，借助力學(xué)建模與力學(xué)計(jì)算來解決機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用問題十分常見，可以為機(jī)械設(shè)計(jì)提供理論支持。在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，機(jī)械產(chǎn)品使用與機(jī)械設(shè)備之間的聯(lián)系愈加緊密，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中需要深入研究力學(xué)理論，結(jié)合市場的實(shí)際發(fā)展需要進(jìn)行理論創(chuàng)新與技術(shù)變革，進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)械行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

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