力學(xué)在機(jī)械工程中的應(yīng)用

1、 Mechanics In Machinery 2014研 2014/11/21什么是機(jī)械？ 機(jī)械（machinery）是機(jī)器（machine）和機(jī)構(gòu)（mechanism）的總稱。 機(jī)構(gòu)是用來傳遞與變換運(yùn)動(dòng)和力的可動(dòng)的裝置，如帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)等。力學(xué)與機(jī)械的不解之緣力學(xué)與機(jī)械的不解之緣 單詞mechanics同時(shí)表征機(jī)械學(xué)與力學(xué)兩個(gè)含義；力學(xué)mechanics和機(jī)械裝置mechanism是同源的。 因此，力學(xué)與機(jī)械有著密切的聯(lián)系，力學(xué)主干知識(shí)包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)與斷裂力學(xué)在機(jī)械中應(yīng)用廣泛。力學(xué)應(yīng)用的幾個(gè)重要方面力學(xué)應(yīng)用的幾個(gè)重要方面 一、應(yīng)力及變形（如鑄造焊

2、接時(shí)的熱應(yīng)力及機(jī)械加 工的殘余應(yīng)力都對機(jī)械加工的質(zhì)量有影響） 二、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)（如連桿機(jī)構(gòu)等效動(dòng)力學(xué)模型，凸輪廓線的確定） 三、振動(dòng)的控制及利用（如汽輪機(jī)振動(dòng)故障及超聲加工） 四、強(qiáng)度計(jì)算（如齒輪壽命校核及軸的強(qiáng)度校核）一、應(yīng)力與加工精度 1、 鑄造應(yīng)力鑄造應(yīng)力：在鑄件凝固冷卻過程中，因結(jié)構(gòu)：在鑄件凝固冷卻過程中，因結(jié)構(gòu)、相變使收縮受到阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為鑄造、相變使收縮受到阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為鑄造應(yīng)力。應(yīng)力。按形成原因分類：按形成原因分類： 熱應(yīng)力熱應(yīng)力 鑄件在冷卻過程中，由于各部分冷卻速度不一致，造成收縮量不一致，彼此制約的結(jié)果，所形成的應(yīng)力。 相變應(yīng)力相變應(yīng)力 鑄件冷卻過程中發(fā)生固態(tài)

3、相變的時(shí)間不一致， 體積和長度變化的時(shí)間也不一致，彼此制約，形成的應(yīng)力 機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力 鑄件冷卻收縮過程中，線收縮受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。 框形鑄件中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分框形鑄件中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析析2 2、焊接應(yīng)力變形焊接應(yīng)力變形分為分為5 5種基本變形形式：種基本變形形式：收縮變形收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。 3.工藝系統(tǒng)受力變形與加工精度工藝系統(tǒng)的剛度特性：l力和變形不是直線關(guān)系，即不力和變形不是直線關(guān)系，即不符合虎克定律符合虎克定律l加載和卸載曲線不重合加載和卸載曲線不重合l卸載后，變形不能恢復(fù)到起點(diǎn)卸載后，變形不能恢復(fù)到起點(diǎn)l部件剛度

4、比我們想象的小部件剛度比我們想象的小例1：車削細(xì)長軸時(shí)，在切削力的作用下，工件因彈性變形，而出現(xiàn)“讓刀”，隨著刀具的進(jìn)給，在工件的全長上切削深度由多變少，又由少變多，結(jié)果使零件產(chǎn)生腰鼓形。例例2.誤差復(fù)映規(guī)律誤差復(fù)映規(guī)律誤差復(fù)映由毛坯加工余量和材料硬度的變化引起切削力和工藝系統(tǒng)受力變形的變化，因而產(chǎn)生工件的尺寸、形狀誤差的現(xiàn)象二、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 機(jī)械等效動(dòng)力學(xué)模型：研究機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)問題時(shí)，需要建立作用在機(jī)械上的力、構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和其運(yùn)動(dòng)參量之間的函數(shù)關(guān)系，即其運(yùn)動(dòng)方程。如下圖的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)三、振動(dòng)的控制和利用 機(jī)械振動(dòng)是指機(jī)械系統(tǒng)(即力學(xué)系統(tǒng))中的振動(dòng)問題 任何力學(xué)系統(tǒng)，只要它具有彈性和慣性

5、，都可能發(fā)生振動(dòng)。 振動(dòng)在機(jī)械工程中應(yīng)用廣泛，已經(jīng)發(fā)展為機(jī)械振動(dòng)學(xué)或稱為機(jī)械振動(dòng)與噪聲學(xué)。 機(jī)械振動(dòng)同很多事物一樣，同樣具有兩面性。振動(dòng)的有利方面和應(yīng)用 振動(dòng)是通信、廣播、電視、雷達(dá)等工作的基礎(chǔ) 。 利用振動(dòng)的生產(chǎn)裝備和工藝有：振動(dòng)傳輸、振動(dòng)篩選、振動(dòng)研磨、振動(dòng)拋光、振動(dòng)消除內(nèi)應(yīng)力等 其在機(jī)械加工中的一典型應(yīng)用便是超聲加工。 超聲波加工的基本原理 超聲波加工是利用超聲波作動(dòng)力，推動(dòng)磨料以極高的速度沖擊工件表面，工件材料在磨料打擊下被破壞、脫落。 振動(dòng)的有害面 振動(dòng)會(huì)影響精密儀器設(shè)備的功能，降低加工精度，加劇構(gòu)件的疲勞和磨損，縮短機(jī)器和結(jié)構(gòu)物的使用壽命 飛機(jī)機(jī)翼的顫振、機(jī)輪的抖振往往造成事故車、

6、船和機(jī)艙的振動(dòng)會(huì)劣化乘載條件強(qiáng)烈的振動(dòng)噪聲會(huì)形成嚴(yán)重的公害。 振動(dòng)可能引起結(jié)構(gòu)的大變形破壞，有的橋梁曾因振動(dòng)而坍毀。振動(dòng)危害的典型案例塔科馬橋的風(fēng)毀事故塔科馬橋毀于馮卡門渦街與共振現(xiàn)象振動(dòng)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的一個(gè)研究方向便是振動(dòng)的故障診斷與動(dòng)態(tài)檢測技術(shù) 汽輪機(jī)組的振動(dòng)分析汽輪機(jī)組常見振動(dòng)故障的診斷 下面介紹機(jī)組常見振動(dòng)故障特征、判斷方法。 質(zhì)量不平衡 轉(zhuǎn)子的彎曲 動(dòng)靜碰摩 油膜失穩(wěn)和汽流激振 結(jié)構(gòu)共振 結(jié)構(gòu)剛度不足 聯(lián)軸器不對中 裂紋轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油 轉(zhuǎn)子截面剛度不對稱四、機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算 機(jī)械工程中幾乎一切重要結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度的校核。 例如：齒輪的強(qiáng)度校核 齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中

7、最重要的傳動(dòng)之一，因其效率高、機(jī)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長、傳動(dòng)穩(wěn)定的特點(diǎn)，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用非常廣泛。 齒輪的失效形式主要有：輪齒折斷、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合和塑性變形等。齒面點(diǎn)蝕齒面點(diǎn)蝕 齒面材料在變接觸應(yīng)力（脈動(dòng)循環(huán)）作用下，由于疲勞而齒面材料在變接觸應(yīng)力（脈動(dòng)循環(huán)）作用下，由于疲勞而產(chǎn)生的剝蝕損傷現(xiàn)象稱為齒面點(diǎn)蝕，又稱疲勞磨損。產(chǎn)生的剝蝕損傷現(xiàn)象稱為齒面點(diǎn)蝕，又稱疲勞磨損。 齒面上最初出現(xiàn)的點(diǎn)蝕僅為針尖大小的麻點(diǎn)，后逐漸擴(kuò)散，齒面上最初出現(xiàn)的點(diǎn)蝕僅為針尖大小的麻點(diǎn)，后逐漸擴(kuò)散，甚至數(shù)點(diǎn)聯(lián)成一片，最后形成了明顯的齒面損傷。甚至數(shù)點(diǎn)聯(lián)成一片，最后形成了明顯的齒面損傷。 一條裂紋引發(fā)的災(zāi)難德國

8、城際特快列車(ICE)事故1998年6月3日10時(shí)58分，這輛運(yùn)載287人的德國城際特快列車(ICE)從德國慕尼黑開往漢堡，在途經(jīng)小鎮(zhèn)艾雪德附近的時(shí)候突然脫軌。短短180秒內(nèi)，時(shí)速200公里的火車沖向樹叢和橋梁，300噸重的雙線路橋被撞得完全坍塌，列車的8節(jié)車廂依次相撞在一起，擠得僅剩下一節(jié)車廂的長度。這場列車事故造成101人死亡，88人重傷，106人輕傷ICE-1列車事故原因：為改進(jìn)鑄鐵一體成型車輪嚴(yán)重的車身震蕩與噪音問題，在車輪外由一層20毫米厚的橡膠包裹，外面再套上一個(gè)相對地較薄的金屬車輪，然而該修改的雙層金屬車輪原本是設(shè)計(jì)用在速度較慢的大眾運(yùn)輸系統(tǒng)上；因此，雙層金屬車輪出現(xiàn)金屬疲勞形成的微細(xì)裂縫紀(jì)錄片中的力學(xué)問題 巨浪一號發(fā)射的三個(gè)階段第一階段潛艇行進(jìn)，彈倉打開，發(fā)射熱量很高，產(chǎn)生大量氣泡，開始受力不均。第二階段，導(dǎo)彈完全在水中，導(dǎo)彈在水與大量高溫水蒸氣作用下，受力更加復(fù)雜?？紤]彈體受力的必要性：考慮彈體受力的必要性：如果彈體受力不均，導(dǎo)如果彈體受力不均，導(dǎo)彈出水時(shí)角度發(fā)生偏差，直接結(jié)果是導(dǎo)彈自毀，還有彈出水時(shí)角度發(fā)生偏差，直