物理原理在机械设计中的应用研究

张山林

绍兴文理学院元培学院 浙江 绍兴 312069

前言

俗话说：物理源自于生活且应用于生活，其不仅增加了人们生活的便利性，而且弥补了生产力的缺失，特别是在工业机械的设计中，物理原理占有非常重要的地位。将物理原理融合到机械设计中，最大程度提升了设计和技术的革新能力，强化了产品设计的可行性和设计的全面性。

1 物理原理在机械设计中的作用

机械工程是一门利用物理定律为机械系统作分析、设计、制造及维修的工程学科。机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和维修各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。在机械工程中最重要的就是机械设计，它既是生产机械的依据，也是获得经济效益的基础，需要从多个物理原理出发，改善机械设计问题，如自锁角、荷载分担、应力改善等等。

物理原理在机械设计中的作用主要有以下三个层面：第一，应用物理原理开展的机械设计结构合理，能够最大化机械优势；第二，应用物理原理可以校正核对机械强度；第三，应用物理原理设计的机械设备运行较可靠。其中优化机械结构指的是机械运行的可行性、荷载的分布形态等；机械强度的校对核实需要运用物理力学知识；可靠性指的是机械使用年限和运行安全性的系数分析，需要带入力学公式运算得出。由此可见，在机械设计中融合物理原理是非常重要且必要的[1]。

2 在机械设计中应用物理原理的策略

2.1 应用物理原理解决自锁角问题的具体策略

自锁角问题又叫作自锁现象，指的是作用于物体的主动力的合力Q的作用线在摩擦角之内，无论这个力怎样大，总有一个全反力R与之平衡，物体保持静止。反之，如果主动力的合力Q作用线在摩擦角之外，则无论这个力多么小，物体也不可能保持平衡。这种与力大小无关而与摩擦角有关的平衡条件称为自锁条件。物体在这种条件下的平衡现象称之自锁现象。摩擦角与自锁现象法向反力N与摩擦力F的合力R称为支持面对物体的全反力。即摩擦力F达到最大值Fmax时，这时的夹角a也达到最大值b,把b称为摩擦角。在进行机械设计的过程中，解决自锁问题非常关键，能够避免机械设备发生静止不动的行为。以石油管道内的封堵机械设备为例，需要由锯齿状卡齿钢材牵引运动完成斜面上的径向伸缩，想要运行正常，必须要将倾斜面角度控制在摩擦角度之上，保证卡齿钢材可以接触管道内壁，保证风度设备的正常运行，锚定成功。当锚定完成时，卡齿钢材可以按照原有运行轨迹返回至起点，锚定解除。解决自锁现象，是机械设备良好运行的基础，也是设计中需要遵循的重要原则。

2.2 应用物理原理解决荷载分担问题的具体策略

在机械设计中，荷载分担问题也是需要解决的重点内容之一，荷载包括机械设备运行的外部应力、部件间的扭矩弯矩等等，可以分为静荷载力和动荷载力两种。静荷载力不会受力方向和大小的影响，荷载值相对静止；动荷载力受作用力的方向和大小影响，会产生周期性变化。在实际开展机械设计时，需要将荷载力分担，这样就会降低每个元件承受的力，且受力值在可承受范围内，继而保障机械设备运行的稳定性。机械设备中关于荷载力分担设计例子有很多，最经典的莫过于轴设计分担和减载分担。轴设计分担需要改善轴的结构，将心轴替换成转轴，改善轴的受力情况，弥补转轴结构容易发生弯矩的缺陷，减轻转轴的负担，增强轴的使用寿命，增加受力的合理性。减载分担就是应用销零件和键零件连接螺纹，缓解这些零件产生的横向荷载，提高连接的精准度。若没有应用零件连接螺纹，荷载量就会增加，预紧力也会相应增加，加大了螺栓的尺寸，设计缺乏合理性，因此必须要应用零件改善设计缺陷。

2.3 应用物理原理改善集中应力问题的具体策略

利用物理原理改善集中应力问题是机械设计的重中之重。应力常常集中在某个点或区域内，应力值远超其他部分，甚至超过零件自身的承受范围，这就增加了机械设备发生故障的可能，加大安全事故发生的概率，降低设计的可靠性。基于此，设计人员必须要应用物理原理改善应力集中问题。一方面，设计人员要以物理视角来分析应力集中问题：应力集中问题多产生于交变应力结构，影响机械装置各位置的承载能力，应力集中在哪个零件，哪个零件在工作时就会产生大幅度损伤，可以从改变突变应力为平缓应力入手，改善这个问题，如在结构设计中加入过度圆角等。另一方面，由于机械设备需要承受外部环境的所有应力，因此在机械设计时需要考虑应力叠加问题，设计人员可以应用多媒体软件设计不同的结构，输入相关数值计算应力，比较不同结构各个部位承受的应力值，选择最适合的设计方式，为设计可行性奠定良好的基础。另外，设计人员也可以尝试改变结构周围零件的强度来缓解应力集中的问题，有助于机械设计合理化的提升。

2.4 应用物理原理改善荷载分布不均问题的具体策略

荷载分布不均是荷载分担的升华问题，荷载分担后，力已经被转移到各个零件上，需要应用物理原理来增加荷载分布的平均性，防止出现集中转移的行为。将集中在某一零件上的力进行分布能够延长零件的使用寿命，减少零件的不良损耗，有助于最大化零件的强度，增加设计的科学性，满足机械设备的使用需求，具有非常重要的现实意义[2]。

3 结束语

综上所述，机械设计中蕴藏非常多的物理学知识和原理，只有明确物理原理的规律才能够更好地开展机械设计。因此，设计人员需要不断完善自我，强化自身对物理原理的理解能力，根据设计需求采用适合的物理原理开展设计，从根本上提升机械设计的应用能力。