工程力学在机械制造中的应用

工程力学在机械制造中的应用

1 工程力学的发展

1.1 工程力学的产生

在20世纪50年代，出现了一些极端条件下的工程技术问题，所涉及的温度高达几千度到几百万度，压力达几万到几百万大气压，应变率达百万分之一～亿分之一秒等。在这样的条件下，介质和材料的性质很难用实验方法来直接测定。为了减少耗时费钱的实验工作，需要用微观分析的方法阐明介质和材料的性质；在一些力学问题中，出现了特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况，因而必须从微观结构分析入手处理宏观问题；出现一些远离平衡态的力学问题，必须从微观分析出发，以求了解耗散过程的高阶项；由于对新材料的需求以及大批新型材料的出现，要求寻找一种从微观理论出发合成具有特殊性能材料的“配方”或预见新型材料力学性能的计算方法。在这样的背景条件下，促使了工程力学的建立。工程力学之所以出现，一方面是迫切要求能有一种有效的手段，预知介质和材料在极端条件下的性质及其随状态参量变化的规律；另一方面是近代科学的发展，特别是原子分子物理和统计力学的建立和发展，物质的微观结构及其运动规律已经比较清楚，为从微观状态推算出宏观特性提供了基础和可能。

1.2 工程力学的特点

工程力学注重从微观到宏观，以往的技术科学和绝大多数的基础科学，都是或从宏观到宏观，或从宏观到微观，或从微观到微观，而工程力学则建立在近代物理和近代化学成就之上，运用这些成就，建立起物质宏观性质的微观理论，这也是工程力学建立的主导思想和根本目的。

虽然工程力学引用了近代物理和近代化学的许多结果，但它并不完全是统计物理或者物理化学的一个分支，因为无论是近代物理还是近代化学，都不能完全解决工程技术里所提出的各种具体问题。工程力学所面临的问题往往要比基础学科里所提出的问题复杂得多，它不能单靠简单的推演方法或者只借助于某一单一学科的成就，而必须尽可能结合实验和运用多学科的成果。

1.3 工程力学的研究内容及方向

工程力学主要研究平衡现象，如气体、液体、固体的状态方程，各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。对于这类问题，工程力学主要借助统计力学的方法。

工程力学的研究工作，目前主要集中三个方面：高温气体性质，研究气体在高温下的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性质、辐射性质以及与各种动力学过程有关的弛豫现象；稠密流体性质，主要研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性质以及相变行为等；固体材料性质，利用微观理论研究材料的弹性、塑性、强度以及本构关系等

工程力学研究方向主要有：非线性力学与工程、工程稳定性分析及控制技术、应力与变形测量理论和破坏检测技术、数值分析方法与工程应用、工程材料物理力学性质、工程动力学与爆破。

2 理论力学在机械制造业的应用

2.1 理论力学的研究对象

理论力学是机械运动及物体间相互机械作用的一般规律的学科，也称经典力学。是力学的一部分，也是大部分工程技术科学理论力学的基础。其理论基础是牛顿运动定律，故又称牛顿力学。20世纪初建立起来的量子力学和相对论，表明牛顿力学所表述的是相对论力学在物体速度远小于光速时的极限情况，也是量子力学在量子数为无限大时的极限情况。对于速度远小于光速的宏观物体的运动，包括超音速喷气飞机及宇宙飞行器的运动，都可以用经典力学进行分析。

2.2 理论力学研究的内容

理论力学研究的内容是速度远小于光速的宏观物体的机械运动，它以伽利略和牛顿总结的基本定律为基础，属于古典力学的范畴。至于速度接近于光速的物体的运动，必须用相对论的理论进行研究；而基本粒子的运动，则用量子力学的观点才能予以完善的描述。宏观物体远小于光速的运动是日常生活及一般工程中最常见的，因此说，在现代科学技术中，古典力学仍然起着重大作用。

理论力学通常分为静力学、运动学、动力学三部分。静力学：研究物体的平衡规律，同时也研究力的一般性质及其合成法则。运动学：研究物体运动的几何性质，而不考虑物体运动的原因。动力学：研究物体的运动变化与其所受的力之间的关系。

2.3 理论力学的研究目的

理论力学研究的是力学中最一般、最基本的规律，它是机械、建筑类专业的技术基础课。许多后继课程，例如材料力学、机械原理、机械零件、结构力学、振动理论等等，都要以理论力学的理论为基础。理论力学分析问题、解决问题的思路和方法，对学好后继课程也很有帮助。

一些日常生活中的现象和工程技术问题，可直接运用理论力学的基本理论去分析研究。比较复杂的问题，则需要用理论力学知识结合其它专业知识进行研究。所以，学习理论力学知识，可为解决工程实际问题打下一定基础。

随着科学技术的日益发展和我国现代化进程的加快，会不断提出新的力学问题。在机械行业，机械结构小型化、轻量化设计，复合材料的研制，机械人、机械手的研究和应用，等等，给力学知识的发展和应用提供了新的机遇和天地。学好理论力学知识，将有利于我们去解决和理论力学有关的新问题，从而促进科学技术的进步，同时也推动理论力学向前发展。

2.4 理论力学在机械制造业中的应用

2.4.1 理论力学在实际中的应用

理论力学与许多技术学科直接有关，如水力学、材料力学、结构力学、机器与机构理论、外弹道学、飞行力学等，是这些学科的基础。

在生活中，理论力学经常应用于三角形支架稳定（野外烧锅架）、千斤顶、加油站的屋顶桁架结构、吊车滑轮组结构。各种机械零件和建筑物结构应用最广泛，如铰链连接，塔吊，二力杆等等。

同时，在我们生活中最意想不到简单的东西也涉及到理论力学，如指甲刀，剪子这些都是应用杠杆原理。钳子，板子这些也是杠杆原理。滑轮。有一种可以粘在墙上的粘钩，那是用的大气压强。

2.4.2 理论力学在机械制造中的应用举例

1、拉链的应用

拉链的链牙有大小之分，齿形也各有不同，但同一拉链左右两边的链牙一定是大小相同的。拉链头造型富于变化，既可作拉手，又可作装饰。拉链头还可作为保险，当拉链拉合后不会自动滑开。拉链的工作原理很简单，即两条拉链带通过拉头的作用，使其能随意的拉合或拉开，或者说是随意的锁住与打开。它的应用主要采用了斜面的原理。

早在西元前2500年埃及人建金字塔时，即使用斜面来移动巨大石块。虽斜面已被人使用数世纪之久，直到1586年时斯蒂文才提出理论上的说明，当一物体沿一光滑斜面向上推时，将其提高到斜面顶端所需的力是F=wh/d，其中F是平行於斜面方向施加於物体的外力，W是物重，h足斜面的高度，d是斜面长度。斜面减少了提高物体所需之外力，因斜面具有机械利益，即d/h比值。斜面越平缓，机械利益越大。