物理力學(xué)在機(jī)械設(shè)計制造方面的應(yīng)用探究

摘 要：自我國進(jìn)入新社會以來，科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)都已經(jīng)快速發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)也出現(xiàn)較大的提升空間。機(jī)械是所有制造業(yè)的基礎(chǔ)，也是多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的必備，而在機(jī)械的設(shè)計制造乃至運(yùn)行中，物理知識無限蘊(yùn)含其中，包括力學(xué)、電磁學(xué)等等。物理知識也在近現(xiàn)代成為一門非常重要的學(xué)科，在生活的各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。本文基于此情，探討分析物理力學(xué)在機(jī)械的設(shè)計和制造方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物理力學(xué);機(jī)械設(shè)計;機(jī)械制造

物理力學(xué)是一門非?；A(chǔ)的學(xué)科，主要研究物質(zhì)的宏觀機(jī)械運(yùn)動，應(yīng)用非常廣泛，在其在機(jī)械設(shè)計制造方面的應(yīng)用，也是物理知識在生活中實(shí)際應(yīng)用的典范，同時也是我國工業(yè)化發(fā)展的必經(jīng)之路。在科學(xué)技術(shù)水平不斷提升的如今，機(jī)械制造業(yè)也需要更加新穎更高水平的進(jìn)步，為此，需要更充分地應(yīng)用物理力學(xué)知識，推動機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展[1]。

1.物理力學(xué)概述

力學(xué)包括運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)，主要研究的也是力、能量的關(guān)聯(lián)和力、能量與氣液固之間的關(guān)聯(lián)，是具有基礎(chǔ)性的一門學(xué)科。而物理力學(xué)是力學(xué)的一個全新分支，其基于物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和其運(yùn)動規(guī)律，結(jié)合近代物理學(xué)、物理化學(xué)和量子化學(xué)等學(xué)科內(nèi)容，利用分析研究與計算數(shù)值，繼而對介質(zhì)和材料的宏觀性質(zhì)做出具體分析，也對介質(zhì)和材料的宏觀現(xiàn)象、運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行微觀說明。

物理力學(xué)是在上世紀(jì)50年代末才正式出現(xiàn)的，而出現(xiàn)原因是因?yàn)榻茖W(xué)的發(fā)展和一些介質(zhì)、材料需要發(fā)掘極端條件下的規(guī)律，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)能比較清晰的發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律，也在朝著以微觀狀態(tài)去發(fā)掘宏觀性質(zhì)的方向努力[2]。

2.物理力學(xué)在機(jī)械設(shè)計方面的應(yīng)用

2.1彈力

彈性力學(xué)主要屬于固體力學(xué)部分，也是彈性理論，主要研究彈性物體在外力作用或溫度變化情況下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變情況，根據(jù)研究結(jié)果處理在機(jī)械設(shè)計階段出現(xiàn)的問題。實(shí)際設(shè)計機(jī)械式，因?yàn)闀嬖跈C(jī)械運(yùn)行速度過快，承載力很強(qiáng)的狀況，彈性系統(tǒng)的作用也因此更為重要。機(jī)械系統(tǒng)必須要嚴(yán)格結(jié)合彈性系統(tǒng)開展更有效的的分析思考，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行，而彈性力學(xué)最多用于齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計和凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。

齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計時不僅應(yīng)用彈力知識，也會將漸開線當(dāng)做齒輪曲線，這種方式有利有弊。根據(jù)彈性理論，兩輪齒廓若是想在其他各種條件都相同的情況下減小接觸部位的最大接觸力，增加兩輪齒廓于接觸部位的綜合曲率半徑是必然的方式，而這種方式對于漸開線齒輪來說，增加接觸部位的最大接觸力，也就必須增加齒輪機(jī)構(gòu)的尺寸，但兩輪齒廓于接觸部位的綜合曲率半徑卻是有很大限制的，無法在短期內(nèi)形成齒輪機(jī)構(gòu)尺寸較小，承載力卻非常高的狀況[3]。

2.2? 斷裂力

斷裂力學(xué)包括線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)，線彈性斷裂力學(xué)主要應(yīng)用在裂紋尖端周圍范圍較小的情況，而彈塑性斷裂力學(xué)則與線彈性斷裂力學(xué)相反，應(yīng)用在裂紋尖端周圍范圍較大的情況。斷裂力學(xué)發(fā)展非?？?，已經(jīng)在機(jī)械工程中有著較高的發(fā)展和應(yīng)用地位，特別是使用時可以明顯提高機(jī)械的使用功效和性能，繼而提早發(fā)現(xiàn)工程中的安全隱患并提前處理，提高機(jī)械運(yùn)行時的安全程度和可靠程度。

我國的斷裂力學(xué)已經(jīng)取得較高的研究結(jié)果，特別是在發(fā)電機(jī)和壓力容器等方面，都推動著我國的機(jī)械工程進(jìn)一步發(fā)展。在設(shè)計可靠程度時，會根據(jù)參量分布和安全余度將常規(guī)設(shè)計中無法體現(xiàn)的客觀實(shí)際展現(xiàn)出來，也會將安全評定物無法體現(xiàn)的實(shí)際的安全程度展現(xiàn)出來。現(xiàn)實(shí)中，外國研究機(jī)構(gòu)將這種結(jié)果應(yīng)用在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和事故分析方面并取得較積極的作用，我國則主要應(yīng)用于海洋石油類的機(jī)械工程設(shè)計和運(yùn)行方面。

2.3 工程力學(xué)

工程力學(xué)大多應(yīng)用在機(jī)械后期運(yùn)行的修理過程中，特別是一些機(jī)械出現(xiàn)的嚴(yán)重破壞性的問題時，基本依靠工程力學(xué)進(jìn)行判斷。比如修理汽車機(jī)械時，要先根據(jù)汽車狀況判斷汽車的半軸套管斷裂原因，并根據(jù)具體原因制定詳細(xì)的修復(fù)措施，在此過程中應(yīng)用的所有方式，都是物理力學(xué)在實(shí)際中的機(jī)械修理的應(yīng)用[4]。

3.物理力學(xué)在機(jī)械制造方面的應(yīng)用

3.1 彈性理論

彈性理論不止在機(jī)械設(shè)計時具有著較廣泛的應(yīng)用，在機(jī)械制造領(lǐng)域中也同樣應(yīng)用廣泛，這也是彈性理論最重要的實(shí)際體現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用時，重點(diǎn)應(yīng)用彈性力學(xué)中彈性物體會在外部壓力或溫度變化情況下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變特性，將這個特性應(yīng)用在機(jī)械制造中的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計里，可以有效提升機(jī)械的整體剛度和強(qiáng)度。比如應(yīng)用在火車結(jié)構(gòu)制造時，可以在其中應(yīng)用減震預(yù)壓縮彈簧的彈性變形特質(zhì)來確保火車車身的完整結(jié)構(gòu)不受到影響。而物理力學(xué)分為三個應(yīng)用階段：第一階段為機(jī)械運(yùn)行階段時應(yīng)速度過快產(chǎn)生的彈性形變;第二階段是內(nèi)部承載力的彈性應(yīng)變，內(nèi)部承載力的每一次變化，都會增加彈性形變，繼而影響到機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行，例如汽車的板簧和凸輪結(jié)構(gòu)都是以此提升機(jī)械的整體運(yùn)行水平;第三階段是因?yàn)闄C(jī)械的硬度和剛度，直接發(fā)生彈性形變，比如各種汽車懸掛，減震預(yù)壓縮彈簧等設(shè)計。

而機(jī)械結(jié)構(gòu)中的齒輪漸開線問題，要利用物理力學(xué)理念，最大限度降低兩個齒輪間的基礎(chǔ)面最大受力，合理增加漸開線曲率半徑，提升齒輪的承載力，并使用彈性理論計算齒輪高速運(yùn)作下的軸直徑和相關(guān)結(jié)構(gòu)材料的特性，讓機(jī)械結(jié)構(gòu)更合理，也能增加機(jī)械的整體質(zhì)量和壽命[5]。

3.2 工程應(yīng)用

同樣是工程力學(xué)的應(yīng)用，更合理的應(yīng)用工程力學(xué)可以提升機(jī)械設(shè)計和機(jī)械維修的效率。比如汽車維修中的滑輪組和千斤頂，其添加著接觸面物體重力角度變化，并生成摩擦力自鎖，不僅能增加安全性，也能在現(xiàn)場應(yīng)用工程力學(xué)。比如一些稱重秤的損壞，其主要是因?yàn)樗游矬w超出秤的最大承受力度。常用的秤包括機(jī)械式和電子式，機(jī)械式的有包括杠桿式和彈力式，彈力式秤存在拉力或壓力超出彈性零件負(fù)載能力會使彈性材料塑性變形的情況，直接導(dǎo)致設(shè)備無法正常使用。而電子式的設(shè)備本身就有壓敏電阻的限制。工程力學(xué)的核心是牛頓力學(xué)，其更注重對象的受力分析，主要以平面幾何和牛頓第二定律進(jìn)行。

3.3 杠桿理論

杠桿理論又稱為“杠桿平衡條件”，想使杠桿處于平衡狀態(tài)，必須要讓杠桿上的力矩大小一致。公式為：動力×動力臂=阻力×阻力臂，若用代數(shù)式表示則為F1· L1=F2·L2（F1為動力，L1為動力臂，F(xiàn)2為阻力，L2為阻力臂。），想要使杠桿達(dá)到平衡狀態(tài)，就要將動力臂設(shè)置為阻力臂的幾倍，即阻力是動力的幾倍。舉例而言，現(xiàn)在應(yīng)用的共享單車，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和鏈條傳動系統(tǒng)都會在設(shè)計時應(yīng)用杠桿理論[6]。

4.結(jié)語

物理知識應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計和制造方面具有廣泛的意義，而物理力學(xué)在機(jī)械設(shè)計和制造中的應(yīng)用也具有普遍性。提高物理力學(xué)在機(jī)械設(shè)計和機(jī)械制造中的應(yīng)用水平，不僅能提升機(jī)械設(shè)計的水平和機(jī)械制造的質(zhì)量，也體現(xiàn)著我國社會工業(yè)化對機(jī)械行業(yè)的要求。不斷的探索分析物理力學(xué)，將其更充分的應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計和機(jī)械制造方面，也能夠促進(jìn)我國社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧鵬宇. 物理力學(xué)在機(jī)械制造中的應(yīng)用[J]. 發(fā)現(xiàn).

[2]劉一暢. 物理力學(xué)在機(jī)械方面的應(yīng)用探究[J]. 考試周刊， 2018（A5）.

[3]譚素文. 機(jī)械設(shè)計與加工問題研究[J]. 科技致富向?qū)В?9）：162-162.

[4]張鑫. 優(yōu)化設(shè)計在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用淺析[J]. 工業(yè)設(shè)計， No.115（02）：102+104.

[5]孫千宸. 淺談物理知識在機(jī)械設(shè)計中的運(yùn)用[J]. 科學(xué)中國人， 2017（24）：251-251.

[6]李濤. 石油機(jī)械設(shè)計加工中常見問題分析[J]. 科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊（3）：88-88.

作者簡介：段毅（1997.07-），男，漢族，山西省臨汾市，本科，研究方向：物理力學(xué)