机械设计的一点心得体会

转自在工程设计的各学科当中， 机械设计是发展最早， 且已经发展得日臻完善的学科。

机械这种东 西比较直观， 所有的东西都摆在面上， 好不好使一目了然， 当造成破坏和事故的时候， 也更容 易遭人诟病，使你无处遁形，也不好狡辩。

机械设计的范围很广，天上飞的，地上跑的各种各样的东西，当你拆了电缆、卸掉管路以后， 基本上就算是机械结构。

许多人认为：‘水、电、风、气'的家伙都是有专业的，人家是‘术 业有专攻'， 但你要是搞机械的， 大家就可以认为你是‘万金油'， 在总结一个现场故障的时 候，当别人都有理由逃遁以后， 剩下的那个倒霉家伙就是你， 即使就真的是人家的毛病， 只要 别人稍稍耍一点赖， 说他不明白， 他就可以安然脱逃， 领导是绝对不会允许你逃走的， 因为你 是机械专业的。

所以，为避免尴尬，许多的东西都是你要学习的。

在机械专业混了不少年的事， 虽然机械行业看似庞杂， 好像没有什么头绪， 似乎不知从哪里下 手，但我习惯上总体将机械分成两大类： 一类是‘运动结构'， 另一类是‘静态结构'。

运动 结构可以从飞行装置算起， 从航天器， 到飞行器，再到各种运动的设备， 本质都是一样的东西。

静态结构包含各种桥梁、建筑结构、各种工业的仓体、支撑结构和各种梁体、底座、绗架、网 架等等。

相对而言，机械设计的‘人才'也可以分成两类， 伙，另一类人才是善于设计‘静态结构'的。

除了人才以外， 还有一部分是混在机械设计领域里的家伙， 称懂机械， 实际是一知半解， 他们不需要理解具体的结构， 另一部分是学什么都不明白，基本上是抄了一辈子别人的图纸的笨家伙，鄙人就属于这类人。

许多搞机械的、 自认为是有天赋的家伙自己就瞧不起稿‘静态结构'的其他人， 他们觉得设计 各种支撑梁、 连杆、绗架、底座，以至于是设计斜拉结构和悬索结构的人都是没有什么水平的 人，干这种活体现不了人生的价值， 事实并不是这样的。

当一个重载箱型梁破坏的时候， 能说 得清楚是什么原因导致破坏的人实际上并不是很多，这正说明懂得设计这种东西的人其实不 多。

除此以外， 什么时候用绗架， 什么时候用箱型梁， 其各自的载荷特点和承载方式也是许多‘聪 明人'说不清楚的。

我国因为没有工程学的教育， 大家又都学的很窄， 纯理论的课堂教育。

于 是，很多的问题都说不清。

计算一个承载结构，不外乎是计算强度、刚度和结构的稳定性。

计算强度是比较简单的事情， 你只要上过中专， 你就应该很明确地计算出一个断面的强度， 无论断面的结构有多复杂， 就是 花费的时间长短的问题。

假如你说不会算， 谁都帮不上你， 只有再回学校念书。

而刚度的计算 就比较复杂一些， 要考虑各种工况， 考虑最复杂的一种组合状态， 这就不是学校里能学到的东 西了，想学明白了，第一要有好的师父，师父就不明白，你学不明白。

第二，就是你要肯学， 要下功夫。

比较复杂的问题是计算一个结构的稳定性， 它不仅要考虑工况， 许多外在的条件你必须要考虑 进去。

比如：当你设计一个大型的料仓和附属结构的时候，要考虑的因素就特别多，例如，风 雪引起的荷载， 地震的不同振型引起的破坏效应等等东西。

就仓体的支撑形式而言， 条件许可 的时候，要尽可能采用较为‘柔和'的多柱支撑结构， 在地震过程中， 它的‘弹性'和‘柔软 性'都比较好，在承受以‘扭转'振型为主的地震破坏中，边上的柱子的联结节点可以‘拧 断'，以吸收地震的冲击波。

当地震过后，虽然有些支撑体破坏了，但整体结构是完整的，达 到这种水平，你就基本是‘人才'了。

一类是擅长设计‘运动结构'的家 这部分人里面有一部分是老板， 自 只要挣钱就好， 这类老板不好相处。

当不允许采用多柱支撑结构时， 支撑形式的的刚度就一定比较大， 柱子就不允许被拧断， 这时 的变形就被转移到仓体本身上去了，你必须选择一个变形 / 破坏点，通过它的破坏而保留结构 的完整性。

采用少柱结构时， 就必须要慎重使用型钢作为柱子， 有些时候， 方形或圆形就可能是你的唯一 选择。

重载箱形梁的破坏， 你要是细看或者说你看明白了， 你就知道： 真正由弯矩导致的破坏并不很 多。

一般情况下， 主要是扭转载荷破坏了结构。

扭转载荷首先是破坏了箱形梁的纵横筋板之间 的焊缝， 导致形变的加大， 而形变的增加又进一步破坏了纵横结构，最后导致了翼板 （有时称 梁的‘上下盖板'）与间隔结构的分离，失去了承载的理论位置，最终使整体结构分崩离析。

煤矿上使用的液压支架就是一种典型的重型承载支撑结构， 其顶梁、掩护梁、 连杆、底座的设 计都比较讲究。

什么地方要加强是非常重要的， 也有许多的学问。

在型式试验的时候， 虽然只 有 5000 次的循环，看似次数很少，但能撑过试验结束的的架型也并不很多，或多或少都有些 问题。

尽管现在是有限元时代了， 但根本问题并没有完全解决， 特别是偏载试验， 从根本上讲 还是扭转载荷作用的问题许多人没有完全理解透，或者没计算好。

能设计结构巧妙而又经久耐用的钢梁其实并不是一件非常简单的事情，是很看一个人的功底 的，它和在学校的学习和后天的锻炼都有很大的关系， 别小看了它。

但像我这样的笨家伙就干 不了。

在结构设计的时候， 你需要特别重要的是： 除了正常计算弯曲载荷以外， 一定要搞清楚最大的 扭转载荷，这种载荷可能不一定是什么东西施加给梁体的， 也可能是基础的不均匀沉降造成的， 假如你当时没有仔细考虑基础沉降的问题， 到时候，土建的家伙是救不了你的， 你哭都没人理 你。

如果是薄板结构， 你还必须计算剪切和冲切的问题， 你的钢梁是没问题， 但人和物件掉到底下 去了，你同样有不可推卸的责任。

筋板的联结也是特别重要的东西， 焊缝尽可能不放在受力大的位置上， 如果必须放在那里， 要 作额外的加强和支撑，通过增加局部的刚度， 减少此处的形变， 使变形发生在非焊接位置。

当 然，书上说了许多特别细致的东西，都特别重要，我不重复什么，以免引起卖弄的嫌疑。

有人会说： 你说了一大堆没有用的东西， 到底用什么来衡量一个家伙是不是行呢？这个我比较 在行，因为我不会干什么， 再不知谁会干？岂不是要饿死？其实， 衡量一个家伙只用一个标准 就够了，他自己设计的结构， 随便取一个截面， 他都能讲得清楚何处的应力是多大？哪个断面 在何种条件下可能破坏，这个截面破坏以后引起的后果是什么？什么条件下，整体结构会崩 溃？在众人面前可以讲清这件事，他就合格了。

假如是抄图，抄一辈子也还是抄。

假如我们把钢结构叫‘重型结构'的话， 同的，或者说根本就是两码事。

铝结构就是‘轻结构'， 它的设计与钢结构是完全不 因为某些需求，你必须设计铝结构。

铝结构得到充分的发展是在二战时期， 当时是‘玩命时代'， 你的飞机速度快， 灵活，载弹量 大，生存条件好，你就有了制空权，一旦有了这东西，就可以在人家头上扔炸弹，炸掉滚针轴 承厂，潜艇制造厂， Me109 的组装厂、重水厂，最后纳粹就玩完了。

在这场竞争中，美国佬胜出，直到制造出 B29 的时候，世界知道，大局已定了。

铝是一种柔软而耐氧化的物质， 正是因为这些特点， 它不太适合做结构件使用， 首先是不宜焊 接，另外是比钢材的耐温性能差许多， 但对于某些领域又必须使用它， 于是人们开发了许多与 钢结构完全不同的设计方式来利用铝及其合金结构。

铝结构就是‘轻结构'， 它的设计与钢结构是完全不假如我们把钢结构叫‘重型结构'的话， 同的，或者说根本就是两码事。

有些时候，由于铝的机械性能差，美国率先开发所谓的‘硬铝'用作航空材料，除少量必须用钢材的结构以外，当年的大型轰炸机的机身和机翼都是这东西，由于铝的延展性能好，做结构件时，要充分利用这种性能，使应力大的地方实行一体化的结构设计，避免使用铆接，连接的位置可以在‘中性线'上，大大地提高了铝结构的整体承载能力。

这一点和钢结构的设计完全不同。

这种设计思想一直延续到今天，当代的高速列车就采用了大量的铝结构件，这些结构件是大型的铝型材，从车厢的断面上看，是由几块大型型材拼接而成的，受力区域都是连续结构，不会有焊接或铆接的设计结构。

假如你原来是搞钢结构的人，后来转到设计铝结构，你就要特别注意这一点，你必须要能独立拆解一个铝断面，用什么方式提高强度和刚度？用什么方式进行联结？同时要知道热挤机是否可以挤出你要的断面，有没有这么大的力能参数。

你觉得很难吗？其实也不难！像我这样的笨家伙都是自行拆解铝断面，设计刚度的，你一定可以做到的。

把铝结构联结到一起的方式也不如钢结构多，早年一般是铆接，今天还在用，世界上铆制铝的铆接设备和铆钉并不很多，说白了吧！就美国佬和欧洲有。

日本准备要造 100 吨级以上的大飞机了，为什么没有早动手，他不好意思说，我替小鬼子说了：日本没有合适的航空铆钉。

我不算泄漏日本人的秘密吧！今天，铝结构可以焊接，当然，方法比较特殊，还有一种被称为‘摩擦搅拌焊'的工艺，做厚结构时也用得比较好。

假如你做铝结构设计，能设计断面，会计算，再能拆了这个结构，分块做型材，再将其联结起来，你就会有饭吃，做这个的家伙比作钢结构挣钱多，这只是我悄悄告诉你的呀！你可别告诉其他人，否则，别人都学会了和你争饭碗。

随着人们对航空器‘更高、更大、更快、更远、寿命更长、事故条件下的生存能力更强'的多‘更'要求，铝材已经远远不能满足这些要求了。

无论是强度、刚度和温度适应性及稳定性能都不够了。

这时，纤维热压增强材料就开始逐步登上历史舞台了。

这些纤维热压增强材料主要是做结构用的碳纤维结构材料和做蒙皮及结构翼板的凯夫拉夹层材料。

碳纤维的模量很大，用它制作的结构，在有很高的强度的同时可以有很大的刚性，这是其它材料所不具备的。

碳蜂窝结构是历史上最强的蜂窝结构。

凯夫拉夹层结构是由凯夫拉纤维和薄铝板的多层复合体，欧洲称‘凯夫拉三明治'，由于它的模量略小，具有一定的弹力和变形能力，是作轻结构蒙皮的上等材料，有时是唯一的选择。

作碳纤维结构设计时，你主要是考虑用什么结构形式，它和加工方法有密切的关系。

在断面很薄的时候，蜂窝结构是你的唯一选择。

会蜂窝结构的设计，你可以有一碗不错的饭，就可以作真正的白领了。

纤维热压增强材料的联结就比较特殊了， 它与钢铁结构和铝结构的联结方式是截然不同的。

这 种材料一般是采用粘-铆联结方式。

承载的联结体是环氧或类环氧胶，而铆钉只是辅助固定的 方式，无论是哪国的铆钉都不会有这样大的联结强度。

粘-铆结构有其致命的缺陷，腐蚀会沿着边界层渗透，当层间结构被破坏到一定的程度，这种 看似无敌的结构体就会瞬间崩溃，而在这之前是没有任何先兆的。