物理力学在机械设计制造方面的应用探究

摘 要：自我国进入新社会以来，科学技术和经济都已经快速发展，机械制造业也出现较大的提升空间。机械是所有制造业的基础，也是多数工业生产的必备，而在机械的设计制造乃至运行中，物理知识无限蕴含其中，包括力学、电磁学等等。物理知识也在近现代成为一门非常重要的学科，在生活的各个领域中广泛应用。本文基于此情，探讨分析物理力学在机械的设计和制造方面的应用。

关键词：物理力学;机械设计;机械制造

物理力学是一门非常基础的学科，主要研究物质的宏观机械运动，应用非常广泛，在其在机械设计制造方面的应用，也是物理知识在生活中实际应用的典范，同时也是我国工业化发展的必经之路。在科学技术水平不断提升的如今，机械制造业也需要更加新颖更高水平的进步，为此，需要更充分地应用物理力学知识，推动机械制造业的发展[1]。

1.物理力学概述

力学包括运动学、静力学和动力学，主要研究的也是力、能量的关联和力、能量与气液固之间的关联，是具有基础性的一门学科。而物理力学是力学的一个全新分支，其基于物质的微观结构和其运动规律，结合近代物理学、物理化学和量子化学等学科内容，利用分析研究与计算数值，继而对介质和材料的宏观性质做出具体分析，也对介质和材料的宏观现象、运动规律进行微观说明。

物理力学是在上世纪50年代末才正式出现的，而出现原因是因为近代科学的发展和一些介质、材料需要发掘极端条件下的规律，随着科学的发展，人们已经能比较清晰的发现物质的微观结构和运动规律，也在朝着以微观状态去发掘宏观性质的方向努力[2]。

2.物理力学在机械设计方面的应用

2.1弹力

弹性力学主要属于固体力学部分，也是弹性理论，主要研究弹性物体在外力作用或温度变化情况下的位移、应力、应变情况，根据研究结果处理在机械设计阶段出现的问题。实际设计机械式，因为会存在机械运行速度过快，承载力很强的状况，弹性系统的作用也因此更为重要。机械系统必须要严格结合弹性系统开展更有效的的分析思考，以保证系统的准确运行，而弹性力学最多用于齿轮机构设计和凸轮结构设计方面。

齿轮机构设计时不仅应用弹力知识，也会将渐开线当做齿轮曲线，这种方式有利有弊。根据弹性理论，两轮齿廓若是想在其他各种条件都相同的情况下减小接触部位的最大接触力，增加两轮齿廓于接触部位的综合曲率半径是必然的方式，而这种方式对于渐开线齿轮来说，增加接触部位的最大接触力，也就必须增加齿轮机构的尺寸，但两轮齿廓于接触部位的综合曲率半径却是有很大限制的，无法在短期内形成齿轮机构尺寸较小，承载力却非常高的状况[3]。

2.2  断裂力

断裂力学包括线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学，线弹性断裂力学主要应用在裂纹尖端周围范围较小的情况，而弹塑性断裂力学则与线弹性断裂力学相反，应用在裂纹尖端周围范围较大的情况。断裂力学发展非常快，已经在机械工程中有着较高的发展和应用地位，特别是使用时可以明显提高机械的使用功效和性能，继而提早发现工程中的安全隐患并提前处理，提高机械运行时的安全程度和可靠程度。

我国的断裂力学已经取得较高的研究结果，特别是在发电机和压力容器等方面，都推动着我国的机械工程进一步发展。在设计可靠程度时，会根据参量分布和安全余度将常规设计中无法体现的客观实际展现出来，也会将安全评定物无法体现的实际的安全程度展现出来。现实中，外国研究机构将这种结果应用在飞机的结构和事故分析方面并取得较积极的作用，我国则主要应用于海洋石油类的机械工程设计和运行方面。

2.3 工程力学

工程力学大多应用在机械后期运行的修理过程中，特别是一些机械出现的严重破坏性的问题时，基本依靠工程力学进行判断。比如修理汽车机械时，要先根据汽车状况判断汽车的半轴套管断裂原因，并根据具体原因制定详细的修复措施，在此过程中应用的所有方式，都是物理力学在实际中的机械修理的应用[4]。

3.物理力学在机械制造方面的应用

3.1 弹性理论

弹性理论不止在机械设计时具有着较广泛的应用，在机械制造领域中也同样应用广泛，这也是弹性理论最重要的实际体现。实际应用时，重点应用弹性力学中弹性物体会在外部压力或温度变化情况下的位移、应力和应变特性，将这个特性应用在机械制造中的机械结构设计里，可以有效提升机械的整体刚度和强度。比如应用在火车结构制造时，可以在其中应用减震预压缩弹簧的弹性变形特质来确保火车车身的完整结构不受到影响。而物理力学分为三个应用阶段：第一阶段为机械运行阶段时应速度过快产生的弹性形变;第二阶段是内部承载力的弹性应变，内部承载力的每一次变化，都会增加弹性形变，继而影响到机械系统的运行，例如汽车的板簧和凸轮结构都是以此提升机械的整体运行水平;第三阶段是因为机械的硬度和刚度，直接发生弹性形变，比如各种汽车悬挂，减震预压缩弹簧等设计。

而机械结构中的齿轮渐开线问题，要利用物理力学理念，最大限度降低两个齿轮间的基础面最大受力，合理增加渐开线曲率半径，提升齿轮的承载力，并使用弹性理论计算齿轮高速运作下的轴直径和相关结构材料的特性，让机械结构更合理，也能增加机械的整体质量和寿命[5]。

3.2 工程应用

同样是工程力学的应用，更合理的应用工程力学可以提升机械设计和机械维修的效率。比如汽车维修中的滑轮组和千斤顶，其添加着接触面物体重力角度变化，并生成摩擦力自锁，不仅能增加安全性，也能在现场应用工程力学。比如一些称重秤的损坏，其主要是因为所秤物体超出秤的最大承受力度。常用的秤包括机械式和电子式，机械式的有包括杠杆式和弹力式，弹力式秤存在拉力或压力超出弹性零件负载能力会使弹性材料塑性变形的情况，直接导致设备无法正常使用。而电子式的设备本身就有压敏电阻的限制。工程力学的核心是牛顿力学，其更注重对象的受力分析，主要以平面几何和牛顿第二定律进行。

3.3 杠杆理论

杠杆理论又称为“杠杆平衡条件”，想使杠杆处于平衡状态，必须要让杠杆上的力矩大小一致。公式为：动力×动力臂=阻力×阻力臂，若用代数式表示则为F1· L1=F2·L2（F1为动力，L1为动力臂，F2为阻力，L2为阻力臂。），想要使杠杆达到平衡状态，就要将动力臂设置为阻力臂的几倍，即阻力是动力的几倍。举例而言，现在应用的共享单车，转向系统和链条传动系统都会在设计时应用杠杆理论[6]。

4.结语

物理知识应用在机械设计和制造方面具有广泛的意义，而物理力学在机械设计和制造中的应用也具有普遍性。提高物理力学在机械设计和机械制造中的应用水平，不仅能提升机械设计的水平和机械制造的质量，也体现着我国社会工业化对机械行业的要求。不断的探索分析物理力学，将其更充分的应用在机械设计和机械制造方面，也能够促进我国社会经济的可持续发展。

参考文献：

[1]卢鹏宇. 物理力学在机械制造中的应用[J]. 发现.

[2]刘一畅. 物理力学在机械方面的应用探究[J]. 考试周刊， 2018（A5）.

[3]谭素文. 机械设计与加工問题研究[J]. 科技致富向导（29）：162-162.

[4]张鑫. 优化设计在机械设计中的应用浅析[J]. 工业设计， No.115（02）：102+104.

[5]孙千宸. 浅谈物理知识在机械设计中的运用[J]. 科学中国人， 2017（24）：251-251.

[6]李涛. 石油机械设计加工中常见问题分析[J]. 科技经济导刊（3）：88-88.

作者简介：段毅（1997.07-），男，汉族，山西省临汾市，本科，研究方向：物理力学