物理原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張山林

紹興文理學(xué)院元培學(xué)院 浙江 紹興 312069

前言

俗話說：物理源自于生活且應(yīng)用于生活，其不僅增加了人們生活的便利性，而且彌補(bǔ)了生產(chǎn)力的缺失，特別是在工業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)中，物理原理占有非常重要的地位。將物理原理融合到機(jī)械設(shè)計(jì)中，最大程度提升了設(shè)計(jì)和技術(shù)的革新能力，強(qiáng)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性和設(shè)計(jì)的全面性。

1 物理原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的作用

機(jī)械工程是一門利用物理定律為機(jī)械系統(tǒng)作分析、設(shè)計(jì)、制造及維修的工程學(xué)科。機(jī)械工程是以有關(guān)的自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，研究和解決在開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)用和維修各種機(jī)械中的全部理論和實(shí)際問題的應(yīng)用學(xué)科。在機(jī)械工程中最重要的就是機(jī)械設(shè)計(jì)，它既是生產(chǎn)機(jī)械的依據(jù)，也是獲得經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，需要從多個(gè)物理原理出發(fā)，改善機(jī)械設(shè)計(jì)問題，如自鎖角、荷載分擔(dān)、應(yīng)力改善等等。

物理原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的作用主要有以下三個(gè)層面：第一，應(yīng)用物理原理開展的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，能夠最大化機(jī)械優(yōu)勢(shì)；第二，應(yīng)用物理原理可以校正核對(duì)機(jī)械強(qiáng)度；第三，應(yīng)用物理原理設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行較可靠。其中優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)指的是機(jī)械運(yùn)行的可行性、荷載的分布形態(tài)等；機(jī)械強(qiáng)度的校對(duì)核實(shí)需要運(yùn)用物理力學(xué)知識(shí)；可靠性指的是機(jī)械使用年限和運(yùn)行安全性的系數(shù)分析，需要帶入力學(xué)公式運(yùn)算得出。由此可見，在機(jī)械設(shè)計(jì)中融合物理原理是非常重要且必要的[1]。

2 在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用物理原理的策略

2.1 應(yīng)用物理原理解決自鎖角問題的具體策略

自鎖角問題又叫作自鎖現(xiàn)象，指的是作用于物體的主動(dòng)力的合力Q的作用線在摩擦角之內(nèi)，無論這個(gè)力怎樣大，總有一個(gè)全反力R與之平衡，物體保持靜止。反之，如果主動(dòng)力的合力Q作用線在摩擦角之外，則無論這個(gè)力多么小，物體也不可能保持平衡。這種與力大小無關(guān)而與摩擦角有關(guān)的平衡條件稱為自鎖條件。物體在這種條件下的平衡現(xiàn)象稱之自鎖現(xiàn)象。摩擦角與自鎖現(xiàn)象法向反力N與摩擦力F的合力R稱為支持面對(duì)物體的全反力。即摩擦力F達(dá)到最大值Fmax時(shí)，這時(shí)的夾角a也達(dá)到最大值b,把b稱為摩擦角。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，解決自鎖問題非常關(guān)鍵，能夠避免機(jī)械設(shè)備發(fā)生靜止不動(dòng)的行為。以石油管道內(nèi)的封堵機(jī)械設(shè)備為例，需要由鋸齒狀卡齒鋼材牽引運(yùn)動(dòng)完成斜面上的徑向伸縮，想要運(yùn)行正常，必須要將傾斜面角度控制在摩擦角度之上，保證卡齒鋼材可以接觸管道內(nèi)壁，保證風(fēng)度設(shè)備的正常運(yùn)行，錨定成功。當(dāng)錨定完成時(shí)，卡齒鋼材可以按照原有運(yùn)行軌跡返回至起點(diǎn)，錨定解除。解決自鎖現(xiàn)象，是機(jī)械設(shè)備良好運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)中需要遵循的重要原則。

2.2 應(yīng)用物理原理解決荷載分擔(dān)問題的具體策略

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，荷載分擔(dān)問題也是需要解決的重點(diǎn)內(nèi)容之一，荷載包括機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的外部應(yīng)力、部件間的扭矩彎矩等等，可以分為靜荷載力和動(dòng)荷載力兩種。靜荷載力不會(huì)受力方向和大小的影響，荷載值相對(duì)靜止；動(dòng)荷載力受作用力的方向和大小影響，會(huì)產(chǎn)生周期性變化。在實(shí)際開展機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，需要將荷載力分擔(dān)，這樣就會(huì)降低每個(gè)元件承受的力，且受力值在可承受范圍內(nèi)，繼而保障機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。機(jī)械設(shè)備中關(guān)于荷載力分擔(dān)設(shè)計(jì)例子有很多，最經(jīng)典的莫過于軸設(shè)計(jì)分擔(dān)和減載分擔(dān)。軸設(shè)計(jì)分擔(dān)需要改善軸的結(jié)構(gòu)，將心軸替換成轉(zhuǎn)軸，改善軸的受力情況，彌補(bǔ)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)容易發(fā)生彎矩的缺陷，減輕轉(zhuǎn)軸的負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)軸的使用壽命，增加受力的合理性。減載分擔(dān)就是應(yīng)用銷零件和鍵零件連接螺紋，緩解這些零件產(chǎn)生的橫向荷載，提高連接的精準(zhǔn)度。若沒有應(yīng)用零件連接螺紋，荷載量就會(huì)增加，預(yù)緊力也會(huì)相應(yīng)增加，加大了螺栓的尺寸，設(shè)計(jì)缺乏合理性，因此必須要應(yīng)用零件改善設(shè)計(jì)缺陷。

2.3 應(yīng)用物理原理改善集中應(yīng)力問題的具體策略

利用物理原理改善集中應(yīng)力問題是機(jī)械設(shè)計(jì)的重中之重。應(yīng)力常常集中在某個(gè)點(diǎn)或區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力值遠(yuǎn)超其他部分，甚至超過零件自身的承受范圍，這就增加了機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的可能，加大安全事故發(fā)生的概率，降低設(shè)計(jì)的可靠性?；诖?，設(shè)計(jì)人員必須要應(yīng)用物理原理改善應(yīng)力集中問題。一方面，設(shè)計(jì)人員要以物理視角來分析應(yīng)力集中問題：應(yīng)力集中問題多產(chǎn)生于交變應(yīng)力結(jié)構(gòu)，影響機(jī)械裝置各位置的承載能力，應(yīng)力集中在哪個(gè)零件，哪個(gè)零件在工作時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大幅度損傷，可以從改變突變應(yīng)力為平緩應(yīng)力入手，改善這個(gè)問題，如在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加入過度圓角等。另一方面，由于機(jī)械設(shè)備需要承受外部環(huán)境的所有應(yīng)力，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮應(yīng)力疊加問題，設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用多媒體軟件設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)，輸入相關(guān)數(shù)值計(jì)算應(yīng)力，比較不同結(jié)構(gòu)各個(gè)部位承受的應(yīng)力值，選擇最適合的設(shè)計(jì)方式，為設(shè)計(jì)可行性奠定良好的基礎(chǔ)。另外，設(shè)計(jì)人員也可以嘗試改變結(jié)構(gòu)周圍零件的強(qiáng)度來緩解應(yīng)力集中的問題，有助于機(jī)械設(shè)計(jì)合理化的提升。

2.4 應(yīng)用物理原理改善荷載分布不均問題的具體策略

荷載分布不均是荷載分擔(dān)的升華問題，荷載分擔(dān)后，力已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到各個(gè)零件上，需要應(yīng)用物理原理來增加荷載分布的平均性，防止出現(xiàn)集中轉(zhuǎn)移的行為。將集中在某一零件上的力進(jìn)行分布能夠延長(zhǎng)零件的使用壽命，減少零件的不良損耗，有助于最大化零件的強(qiáng)度，增加設(shè)計(jì)的科學(xué)性，滿足機(jī)械設(shè)備的使用需求，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械設(shè)計(jì)中蘊(yùn)藏非常多的物理學(xué)知識(shí)和原理，只有明確物理原理的規(guī)律才能夠更好地開展機(jī)械設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)人員需要不斷完善自我，強(qiáng)化自身對(duì)物理原理的理解能力，根據(jù)設(shè)計(jì)需求采用適合的物理原理開展設(shè)計(jì)，從根本上提升機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用能力。