力学在机械工程中的应用.pptx

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1、力学在机械工程中的应用力学在机械工程中的应用什么是机械？机械（机械（machinerymachinery）是机器（）是机器（machinemachine）和机构）和机构（mechanismmechanism）的总称。）的总称。机构机构是用来传递与变换运动和力的可动的装置，是用来传递与变换运动和力的可动的装置，如如带传动机构、连杆机构带传动机构、连杆机构和和齿轮机构齿轮机构等。等。第1页/共36页力学与机械的不解之缘力学与机械的不解之缘单词单词mechanicsmechanics同时表征同时表征机械学机械学与与力学力学两个含义；力学两个含义；力学mechanicsmechanics和机械装置和机

2、械装置mechanismmechanism是同源的。是同源的。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、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。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。第2页/共36页力学应用的几个重要方面力学应用的几个重要方面一、应力及变形一、应力及变形（如铸造焊接时的热应力及机械加如铸造焊接时的热应力及机械加 工工的残余应力都对机械加工的质量有影响的残余应力都对机械加工的质量有影响）二、机构运动设计二、机构运动设计（如连杆机构等效动力学模型，凸轮廓线的确定如连杆机构等效

3、动力学模型，凸轮廓线的确定）三、振动的控制及利用三、振动的控制及利用（如汽轮机振动故障及超声加工）如汽轮机振动故障及超声加工）四、强度计算四、强度计算（如齿轮寿命校核及轴的强度校核如齿轮寿命校核及轴的强度校核）第3页/共36页一、应力与加工精度 1 1、铸造应力铸造应力铸造应力铸造应力：在铸件凝固冷却过程中，因结构、：在铸件凝固冷却过程中，因结构、：在铸件凝固冷却过程中，因结构、：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，称为铸造应相变使收缩受到阻碍而产生的应力，称为铸造应相变使收缩受到阻碍而产生的应力，称为铸造应相变使收缩受到阻碍而产生的应力，称为铸造应力。力。力。力。按

4、形成原因分类：按形成原因分类：按形成原因分类：按形成原因分类：热应力热应力热应力热应力 铸件在冷却过程中，由于各部分冷却速度不一铸件在冷却过程中，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，所形成的应致，造成收缩量不一致，彼此制约的结果，所形成的应力。力。相变应力相变应力相变应力相变应力 铸件冷却过程中发生固态相变的时间不一致，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，形成的应体积和长度变化的时间也不一致，彼此制约，形成的应力力 机械应力机械应力机械应力机械应力 铸件冷却收缩过程中，线收缩受到机械阻碍铸件冷却收缩过程中，线收缩受到机械阻碍而

5、产生的应力。而产生的应力。第4页/共36页框形铸件中的动态应力分框形铸件中的动态应力分析析第5页/共36页2 2 2 2、焊接应力变形焊接应力变形焊接应力变形焊接应力变形分为分为分为分为5 5 5 5种基本变形形式：种基本变形形式：种基本变形形式：种基本变形形式：收缩变形、收缩变形、收缩变形、收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。第6页/共36页3.工艺系统受力变形与加工精度工艺系统的刚度特性：工艺系统的刚度特性：l l力和变形不是直线关系，即不力和变形不是直线关系，即不力和变

6、形不是直线关系，即不力和变形不是直线关系，即不符合虎克定律符合虎克定律符合虎克定律符合虎克定律l l加载和卸载曲线不重合加载和卸载曲线不重合加载和卸载曲线不重合加载和卸载曲线不重合l l卸载后，变形不能恢复到起点卸载后，变形不能恢复到起点卸载后，变形不能恢复到起点卸载后，变形不能恢复到起点l l部件刚度比我们想象的小部件刚度比我们想象的小部件刚度比我们想象的小部件刚度比我们想象的小例例1 1：车削细长轴时，在切削：车削细长轴时，在切削力的作用下，工件因弹性变形，力的作用下，工件因弹性变形，而出现而出现“让刀让刀”，随着刀具的，随着刀具的进给，在工件的全长上切削深进给，在工件的全长上切削深度由多

7、变少，又由少变多，结度由多变少，又由少变多，结果使零件产生腰鼓形。果使零件产生腰鼓形。第7页/共36页例例例例2.2.误差复映规律误差复映规律误差复映规律误差复映规律误差复映误差复映由毛坯加由毛坯加工余量和材料硬度的变工余量和材料硬度的变化引起切削力和工艺系化引起切削力和工艺系统受力变形的变化，因统受力变形的变化，因而产生工件的尺寸、形而产生工件的尺寸、形状误差的现象状误差的现象第8页/共36页二、机构运动设计机械等效动力学模型：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

8、动方程。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。如下图的曲柄滑块机构第9页/共36页第10页/共36页第11页/共36页第12页/共36页第13页/共36页第14页/共36页三、振动的控制和利用机械振动是指机械系统机械振动是指机械系统(即力学系统即力学系统)中的振动问题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。任何力学系统，只要它具有弹性和惯性，都可能发生振动。振振动动在在机机械械工工程程中中应应用用广广泛泛，已已经经发发展展为为机机械械振振动动学学或或称称为为机机械械振动与噪声学。振动与噪声学。机械振动同很多事物一样，同样具有两面性。机械振动同

9、很多事物一样，同样具有两面性。第15页/共36页振动的有利方面和应用振动是通信、广播、电视、振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础雷达等工作的基础 。利利用用振振动动的的生生产产装装备备和和工工艺艺有有：振振动动传传输输、振振动动筛筛选选、振振动动研研磨磨、振动抛光振动抛光、振动消除内应力等、振动消除内应力等其在机械加工中的一典型应用便是其在机械加工中的一典型应用便是超声加工。超声加工。第16页/共36页 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。第17页/共36页振动的有害面 振动会影响精密仪器设备的功能，降低加

10、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。第18页/共36页振动危害的典型案例塔科马桥的风毁事故第19页/共36页塔科马桥毁于冯塔科马桥毁于冯 卡门涡街与共振现象卡门涡街与共振现象第20页/共36页振动在机械设计中的一个研究方向便是振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动的故障诊断与动态检测技术 汽轮机组的振动分析第21页/共36页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

11、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第22页/共36页四、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。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。齿面

12、胶合和塑性变形等。第23页/共36页齿面点蚀齿面点蚀 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。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。散，甚至数点联成一片，最后形成了明显的齿面损伤。第24页/共36页第25页/共36页第26页/共36页第27页/共36页一条裂纹引发的灾难一条裂纹引发的灾难德国城际特快列车德国城际特快列车(ICE)(ICE)事

13、故事故19981998年年6 6月月3 3日日1010时时5858分，这辆运载分，这辆运载287287人的人的德国城际特快列车德国城际特快列车(ICE)(ICE)从德国慕尼黑开从德国慕尼黑开往汉堡，在途经小镇艾往汉堡，在途经小镇艾雪德附近的时候突然脱雪德附近的时候突然脱轨。短短轨。短短180180秒内，时秒内，时速速200200公里的火车冲向公里的火车冲向树丛和桥梁，树丛和桥梁，300300吨重吨重的双线路桥被撞得完全的双线路桥被撞得完全坍塌，列车的坍塌，列车的8 8节车厢节车厢依次相撞在一起，挤得依次相撞在一起，挤得仅剩下一节车厢的长度。仅剩下一节车厢的长度。这场列车事故造成这场列车事故造成

14、101101人死亡，人死亡，8888人重伤，人重伤，106106人轻伤人轻伤第28页/共36页ICE-1ICE-1列车事故原因列车事故原因：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，在车轮外由一层音问题，在车轮外由一层2020毫米厚的橡胶包裹，外面再套上一个相对地毫米厚的橡胶包裹，外面再套上一个相对地较薄的金属车轮，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的大众运输系统上；因此，双层金属车轮出现；因此，双层金属车轮出现金属疲劳形成的微细裂缝金属疲劳形成的微细裂缝第2

15、9页/共36页纪录片中的力学问题 巨浪一号发射的三个阶段第一阶段潜艇行进，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。第30页/共36页考虑弹体受力的必要性：考虑弹体受力的必要性：考虑弹体受力的必要性：考虑弹体受力的必要性：如果弹体受力不均，导如果弹体受力不均，导如果弹体受力不均，导如果弹体受力不均，导弹出水时角度发生偏差，直接结果是导弹自毁，还有弹出水时角度发生偏差，直接结果是导弹自毁，还有弹出水时角度发生偏差，直接结果是导弹自毁，还有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。可能摧毁潜艇。可能摧毁潜艇。可能摧毁潜艇。第三阶段，弹尖刚刚第三阶段，弹尖刚刚出水时，空气作用力出水时，空气作用力加入力学方阵，极易加入力学方阵，极易导致弹体姿态偏差。导致弹体姿态偏差。第31页/共36页北车高铁动力学仿真第32页/共36页徐工徐工40004000吨级履带起重机吨级履带起重机静力学试验及吊装静力学试验及吊装高度高度118 118 米、直径米、直径14.4 14.4 米、重米、重16801680吨的丙烯吨的丙烯塔塔第33页/共36页空警2000三维仿真及雷达承载试验第34页/共36页第35页/共36页