物理力學在機械設計制造方面的應用探究

摘 要：自我國進入新社會以來，科學技術和經濟都已經快速發展，機械制造業也出現較大的提升空間。機械是所有制造業的基礎，也是多數工業生產的必備，而在機械的設計制造乃至運行中，物理知識無限蘊含其中，包括力學、電磁學等等。物理知識也在近現代成為一門非常重要的學科，在生活的各個領域中廣泛應用。本文基于此情，探討分析物理力學在機械的設計和制造方面的應用。

關鍵詞：物理力學;機械設計;機械制造

物理力學是一門非常基礎的學科，主要研究物質的宏觀機械運動，應用非常廣泛，在其在機械設計制造方面的應用，也是物理知識在生活中實際應用的典范，同時也是我國工業化發展的必經之路。在科學技術水平不斷提升的如今，機械制造業也需要更加新穎更高水平的進步，為此，需要更充分地應用物理力學知識，推動機械制造業的發展[1]。

1.物理力學概述

力學包括運動學、靜力學和動力學，主要研究的也是力、能量的關聯和力、能量與氣液固之間的關聯，是具有基礎性的一門學科。而物理力學是力學的一個全新分支，其基于物質的微觀結構和其運動規律，結合近代物理學、物理化學和量子化學等學科內容，利用分析研究與計算數值，繼而對介質和材料的宏觀性質做出具體分析，也對介質和材料的宏觀現象、運動規律進行微觀說明。

物理力學是在上世紀50年代末才正式出現的，而出現原因是因為近代科學的發展和一些介質、材料需要發掘極端條件下的規律，隨著科學的發展，人們已經能比較清晰的發現物質的微觀結構和運動規律，也在朝著以微觀狀態去發掘宏觀性質的方向努力[2]。

2.物理力學在機械設計方面的應用

2.1彈力

彈性力學主要屬于固體力學部分，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、應力、應變情況，根據研究結果處理在機械設計階段出現的問題。實際設計機械式，因為會存在機械運行速度過快，承載力很強的狀況，彈性系統的作用也因此更為重要。機械系統必須要嚴格結合彈性系統開展更有效的的分析思考，以保證系統的準確運行，而彈性力學最多用于齒輪機構設計和凸輪結構設計方面。

齒輪機構設計時不僅應用彈力知識，也會將漸開線當做齒輪曲線，這種方式有利有弊。根據彈性理論，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構的尺寸，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，無法在短期內形成齒輪機構尺寸較小，承載力卻非常高的狀況[3]。

2.2? 斷裂力

斷裂力學包括線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學，線彈性斷裂力學主要應用在裂紋尖端周圍范圍較小的情況，而彈塑性斷裂力學則與線彈性斷裂力學相反，應用在裂紋尖端周圍范圍較大的情況。斷裂力學發展非常快，已經在機械工程中有著較高的發展和應用地位，特別是使用時可以明顯提高機械的使用功效和性能，繼而提早發現工程中的安全隱患并提前處理，提高機械運行時的安全程度和可靠程度。

我國的斷裂力學已經取得較高的研究結果，特別是在發電機和壓力容器等方面，都推動著我國的機械工程進一步發展。在設計可靠程度時，會根據參量分布和安全余度將常規設計中無法體現的客觀實際展現出來，也會將安全評定物無法體現的實際的安全程度展現出來。現實中，外國研究機構將這種結果應用在飛機的結構和事故分析方面并取得較積極的作用，我國則主要應用于海洋石油類的機械工程設計和運行方面。

2.3 工程力學

工程力學大多應用在機械后期運行的修理過程中，特別是一些機械出現的嚴重破壞性的問題時，基本依靠工程力學進行判斷。比如修理汽車機械時，要先根據汽車狀況判斷汽車的半軸套管斷裂原因，并根據具體原因制定詳細的修復措施，在此過程中應用的所有方式，都是物理力學在實際中的機械修理的應用[4]。

3.物理力學在機械制造方面的應用

3.1 彈性理論

彈性理論不止在機械設計時具有著較廣泛的應用，在機械制造領域中也同樣應用廣泛，這也是彈性理論最重要的實際體現。實際應用時，重點應用彈性力學中彈性物體會在外部壓力或溫度變化情況下的位移、應力和應變特性，將這個特性應用在機械制造中的機械結構設計里，可以有效提升機械的整體剛度和強度。比如應用在火車結構制造時，可以在其中應用減震預壓縮彈簧的彈性變形特質來確保火車車身的完整結構不受到影響。而物理力學分為三個應用階段：第一階段為機械運行階段時應速度過快產生的彈性形變;第二階段是內部承載力的彈性應變，內部承載力的每一次變化，都會增加彈性形變，繼而影響到機械系統的運行，例如汽車的板簧和凸輪結構都是以此提升機械的整體運行水平;第三階段是因為機械的硬度和剛度，直接發生彈性形變，比如各種汽車懸掛，減震預壓縮彈簧等設計。

而機械結構中的齒輪漸開線問題，要利用物理力學理念，最大限度降低兩個齒輪間的基礎面最大受力，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作下的軸直徑和相關結構材料的特性，讓機械結構更合理，也能增加機械的整體質量和壽命[5]。

3.2 工程應用

同樣是工程力學的應用，更合理的應用工程力學可以提升機械設計和機械維修的效率。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，也能在現場應用工程力學。比如一些稱重秤的損壞，其主要是因為所秤物體超出秤的最大承受力度。常用的秤包括機械式和電子式，機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載能力會使彈性材料塑性變形的情況，直接導致設備無法正常使用。而電子式的設備本身就有壓敏電阻的限制。工程力學的核心是牛頓力學，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，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，若用代數式表示則為F1· L1=F2·L2（F1為動力，L1為動力臂，F2為阻力，L2為阻力臂。），想要使杠桿達到平衡狀態，就要將動力臂設置為阻力臂的幾倍，即阻力是動力的幾倍。舉例而言，現在應用的共享單車，轉向系統和鏈條傳動系統都會在設計時應用杠桿理論[6]。

4.結語

物理知識應用在機械設計和制造方面具有廣泛的意義，而物理力學在機械設計和制造中的應用也具有普遍性。提高物理力學在機械設計和機械制造中的應用水平，不僅能提升機械設計的水平和機械制造的質量，也體現著我國社會工業化對機械行業的要求。不斷的探索分析物理力學，將其更充分的應用在機械設計和機械制造方面，也能夠促進我國社會經濟的可持續發展。

參考文獻：

[1]盧鵬宇. 物理力學在機械制造中的應用[J]. 發現.

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

[3]譚素文. 機械設計與加工問題研究[J]. 科技致富向導（29）：162-162.

[4]張鑫. 優化設計在機械設計中的應用淺析[J]. 工業設計， No.115（02）：102+104.

[5]孫千宸. 淺談物理知識在機械設計中的運用[J]. 科學中國人， 2017（24）：251-251.

[6]李濤. 石油機械設計加工中常見問題分析[J]. 科技經濟導刊（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