力学在机械工程中的应用

1、 Mechanics In Machinery 2014研 2014/11/21什么是机械？ 机械（machinery）是机器（machine）和机构（mechanism）的总称。 机构是用来传递与变换运动和力的可动的装置，如带传动机构、连杆机构和齿轮机构等。力学与机械的不解之缘力学与机械的不解之缘 单词mechanics同时表征机械学与力学两个含义；力学mechanics和机械装置mechanism是同源的。 因此，力学与机械有着密切的联系，力学主干知识包括理论力学、材料力学、流体力学、振动力学与断裂力学在机械中应用广泛。力学应用的几个重要方面力学应用的几个重要方面 一、应力及变形（如铸造焊

2、接时的热应力及机械加 工的残余应力都对机械加工的质量有影响） 二、机构运动设计（如连杆机构等效动力学模型，凸轮廓线的确定） 三、振动的控制及利用（如汽轮机振动故障及超声加工） 四、强度计算（如齿轮寿命校核及轴的强度校核）一、应力与加工精度 1、 铸造应力铸造应力：在铸件凝固冷却过程中，因结构：在铸件凝固冷却过程中，因结构、相变使收缩受到阻碍而产生的应力，称为铸造、相变使收缩受到阻碍而产生的应力，称为铸造应力。应力。按形成原因分类：按形成原因分类： 热应力热应力 铸件在冷却过程中，由于各部分冷却速度不一致，造成收缩量不一致，彼此制约的结果，所形成的应力。 相变应力相变应力 铸件冷却过程中发生固态

3、相变的时间不一致， 体积和长度变化的时间也不一致，彼此制约，形成的应力 机械应力机械应力 铸件冷却收缩过程中，线收缩受到机械阻碍而产生的应力。 框形铸件中的动态应力分框形铸件中的动态应力分析析2 2、焊接应力变形焊接应力变形分为分为5 5种基本变形形式：种基本变形形式：收缩变形收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。 3.工艺系统受力变形与加工精度工艺系统的刚度特性：l力和变形不是直线关系，即不力和变形不是直线关系，即不符合虎克定律符合虎克定律l加载和卸载曲线不重合加载和卸载曲线不重合l卸载后，变形不能恢复到起点卸载后，变形不能恢复到起点l部件刚度

4、比我们想象的小部件刚度比我们想象的小例1：车削细长轴时，在切削力的作用下，工件因弹性变形，而出现“让刀”，随着刀具的进给，在工件的全长上切削深度由多变少，又由少变多，结果使零件产生腰鼓形。例例2.误差复映规律误差复映规律误差复映由毛坯加工余量和材料硬度的变化引起切削力和工艺系统受力变形的变化，因而产生工件的尺寸、形状误差的现象二、机构运动设计 机械等效动力学模型：研究机械的运转问题时，需要建立作用在机械上的力、构件的质量、转动惯量和其运动参量之间的函数关系，即其运动方程。如下图的曲柄滑块机构三、振动的控制和利用 机械振动是指机械系统(即力学系统)中的振动问题 任何力学系统，只要它具有弹性和惯性

5、，都可能发生振动。 振动在机械工程中应用广泛，已经发展为机械振动学或称为机械振动与噪声学。 机械振动同很多事物一样，同样具有两面性。振动的有利方面和应用 振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础 。 利用振动的生产装备和工艺有：振动传输、振动筛选、振动研磨、振动抛光、振动消除内应力等 其在机械加工中的一典型应用便是超声加工。 超声波加工的基本原理 超声波加工是利用超声波作动力，推动磨料以极高的速度冲击工件表面，工件材料在磨料打击下被破坏、脱落。 振动的有害面 振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工精度，加剧构件的疲劳和磨损，缩短机器和结构物的使用寿命 飞机机翼的颤振、机轮的抖振往往造成事故车、

6、船和机舱的振动会劣化乘载条件强烈的振动噪声会形成严重的公害。 振动可能引起结构的大变形破坏，有的桥梁曾因振动而坍毁。振动危害的典型案例塔科马桥的风毁事故塔科马桥毁于冯卡门涡街与共振现象振动在机械设计中的一个研究方向便是振动的故障诊断与动态检测技术 汽轮机组的振动分析汽轮机组常见振动故障的诊断 下面介绍机组常见振动故障特征、判断方法。 质量不平衡 转子的弯曲 动静碰摩 油膜失稳和汽流激振 结构共振 结构刚度不足 联轴器不对中 裂纹转子 转子中心孔进油 转子截面刚度不对称四、机械结构的强度计算 机械工程中几乎一切重要结构都要进行静力学与动力学强度的校核。 例如：齿轮的强度校核 齿轮传动是机械传动中

7、最重要的传动之一，因其效率高、机构紧凑、工作可靠、寿命长、传动稳定的特点，齿轮传动应用非常广泛。 齿轮的失效形式主要有：轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形等。齿面点蚀齿面点蚀 齿面材料在变接触应力（脉动循环）作用下，由于疲劳而齿面材料在变接触应力（脉动循环）作用下，由于疲劳而产生的剥蚀损伤现象称为齿面点蚀，又称疲劳磨损。产生的剥蚀损伤现象称为齿面点蚀，又称疲劳磨损。 齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，后逐渐扩散，齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，后逐渐扩散，甚至数点联成一片，最后形成了明显的齿面损伤。甚至数点联成一片，最后形成了明显的齿面损伤。 一条裂纹引发的灾难德国

8、城际特快列车(ICE)事故1998年6月3日10时58分，这辆运载287人的德国城际特快列车(ICE)从德国慕尼黑开往汉堡，在途经小镇艾雪德附近的时候突然脱轨。短短180秒内，时速200公里的火车冲向树丛和桥梁，300吨重的双线路桥被撞得完全坍塌，列车的8节车厢依次相撞在一起，挤得仅剩下一节车厢的长度。这场列车事故造成101人死亡，88人重伤，106人轻伤ICE-1列车事故原因：为改进铸铁一体成型车轮严重的车身震荡与噪音问题，在车轮外由一层20毫米厚的橡胶包裹，外面再套上一个相对地较薄的金属车轮，然而该修改的双层金属车轮原本是设计用在速度较慢的大众运输系统上；因此，双层金属车轮出现金属疲劳形成的微细裂缝纪录片中的力学问题 巨浪一号发射的三个阶段第一阶段潜艇行进，弹仓打开，发射热量很高，产生大量气泡，开始受力不均。第二阶段，导弹完全在水中，导弹在水与大量高温水蒸气作用下，受力更加复杂。考虑弹体受力的必要性：考虑弹体受力的必要性：如果弹体受力不均，导如果弹体受力不均，导弹出水时角度发生偏差，直接结果是导弹自毁，还有弹出水时角度发生偏差，直