力学在机械工程中的应用(课堂PPT)

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一条裂纹引发的灾难 德国城际特快列车(ICE)事故
• 1998年6月3日10时58分 ，这辆运载287人的德国 城际特快列车(ICE)从德 国慕尼黑开往汉堡，在 途经小镇艾雪德附近的 时候突然脱轨。短短180 秒内，时速200公里的火 车冲向树丛和桥梁，300 吨重的双线路桥被撞得 完全坍塌，列车的8节车 厢依次相撞在一起，挤 得仅剩下一节车厢的长 度。这场列车事故造成 101人死亡，88人重伤， 106人轻伤
– 结构刚度不足
– 联轴器不对中
– 裂纹转子
– 转子中心孔进油
– 转子截面刚度不对称
.源自文库
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四、机械结构的强度计算
• 机械工程中几乎一切重要结构都要进行静 力学与动力学强度的校核。
例如：齿轮的强度校核
齿轮传动是机械传动中最重要的传动 之一，因其效率高、机构紧凑、工作可靠、寿命 长、传动稳定的特点，齿轮传动应用非常广泛。
齿轮的失效形式主要有：轮齿折断 、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形等 。
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齿面点蚀
齿面材料在变接触应力（脉动循环）作用下，由于疲劳 而产生的剥蚀损伤现象称为齿面点蚀，又称疲劳磨损。
齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，后逐渐扩散， 甚至数点联成一片，最后形成了明显的齿面损伤。
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• 相变应力 – 铸件冷却过程中发生固态相变的时间不一
致，
体积和长度变化的时间也不一致，彼此制
约，形成的应力
• 机械应力 – 铸件冷却收缩过程中，线收缩受到机械阻碍
而产生的应力。
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框形铸件中的动态应力分析
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2、焊接应力变形分为5种基本变形形式：收缩变形 、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。
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例2.误差复映规律
误差复映——由 毛坯加工余量和 材料硬度的变化 引起切削力和工 艺系统受力变形 的变化，因而产 生工件的尺寸、 形状误差的现象
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二、机构运动设计
• 机械等效动力学模型：研究机械的运转问题时，需要
建立作用在机械上的力、构件的质量、转动惯量和其运动 参量之间的函数关系，即其运动方程。
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振动的有害面
振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工精度， 加剧构件的疲劳和磨损，缩短机器和结构物的使用寿 命
飞机机翼的颤振、机轮的抖振往往造成事故车、船 和机舱的振动会劣化乘载条件强烈的振动噪声会形成 严重的公害。
振动可能引起结构的大变形破坏，有的桥梁曾因 振动而坍毁。
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振动危害的典型案例
Mechanics In
Machinery
2014研 2014/11/21
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什么是机械？
• 机械（machinery）是机器（machine）和机构（ mechanism）的总称。
• 机构是用来传递与变换运动和力的可动的装置， 如带传动机构、连杆机构和齿轮机构等。
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力学与机械的不解之缘
• 单词mechanics同时表征机械学与力学两个含义； 力学mechanics和机械装置mechanism是同源的。
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ICE-1列车事故原因：为改进铸铁一体成型车轮严重的车身震荡与噪
音问题，在车轮外由一层20毫米厚的橡胶包裹，外面再套上一个相对地 较薄的金属车轮，然而该修改的双层金属车轮原本是设计用在速度较慢 的大众运输系统上；因此，双层金属车轮出现金属疲劳形成的微细裂缝
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纪录片中的力学问题
巨浪一号发射的三个阶段
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振动的有利方面和应用
• 振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础 。 • 利用振动的生产装备和工艺有：振动传输、振动
筛选、振动研磨、振动抛光、振动消除内应力等 • 其在机械加工中的一典型应用便是超声加工。
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超声波加工的基本 原理
超声波加工是利 用超声波作动力，推 动磨料以极高的速度 冲击工件表面，工件 材料在磨料打击下被 破坏、脱落。
• 因此，力学与机械有着密切的联系，力学主干知 识包括理论力学、材料力学、流体力学、振动力 学与断裂力学在机械中应用广泛。
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力学应用的几个重要方面
• 一、应力及变形（如铸造焊接时的热应力及机械加 工的残余应力都对机械加工的质量有影响）
• 二、机构运动设计（如连杆机构等效动力学模型，凸 轮廓线的确定）
• 三、振动的控制及利用（如汽轮机振动故障及超声加
工）
• 四、强度计算（如齿轮寿命校核及轴的强度校核）
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一、应力与加工精度
• 1、 铸造应力：在铸件凝固冷却过程中，因结构 、相变使收缩受到阻碍而产生的应力，称为铸造
应力。
按形成原因分类：：
• 热应力 – 铸件在冷却过程中，由于各部分冷却速度不一 致，造成收缩量不一致，彼此制约的结果，所形成的应力 。
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3.工艺系统受力变形与加工精度
工艺系统的刚度特性： 力和变形不是直线关系，即不
符合虎克定律 加载和卸载曲线不重合 卸载后，变形不能恢复到起点 部件刚度比我们想象的小
• 例1：车削细长轴时，在切削力 的作用下，工件因弹性变形， 而出现“让刀”，随着刀具的 进给，在工件的全长上切削深 度由多变少，又由少变多，结 果使零件产生腰鼓形。
第一阶段潜艇行进，弹仓打开，发 射热量很高，产生大量气泡，开始 受力不均。
第二阶段，导弹完全在水中，导 弹在水与大量高温水蒸气作用下， 受力更加复杂。
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第三阶段，弹尖刚刚出 水时，空气作用力加入 力学方阵，极易导致弹 体姿态偏差。
考虑弹体受力的必要性：如果弹体受力不均，导
弹出水时角度发生偏差，直接结果是导弹自毁，还有 可能摧毁潜艇。
如下图的曲柄滑块机构
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三、振动的控制和利用
• 机械振动是指机械系统(即力学系统)中的振动问 题
• 任何力学系统，只要它具有弹性和惯性，都可能 发生振动。
• 振动在机械工程中应用广泛，已经发展为机械振 动学或称为机械振动与噪声学。
• 机械振动同很多事物一样，同样具有两面性。
塔科马桥的风毁事故
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塔科马桥毁于冯·卡门涡街与共振现象
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振动在机械设计中的一个研究方向便是振 动的故障诊断与动态检测技术
汽轮机组的振动分析
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汽轮机组常见振动故障的诊断
• 下面介绍机组常见振动故障特征、判断方法。
– 质量不平衡
– 转子的弯曲
– 动静碰摩
– 油膜失稳和汽流激振
– 结构共振