机械工程中的力学
机械工程中的力学模型与仿真分析
机械工程中的力学模型与仿真分析机械工程是一门综合性较强的学科，涵盖了力学、材料学、电子技术等多个学科的知识。
在机械工程中，力学模型与仿真分析是非常重要的研究方法和工具。
通过构建合理的力学模型，并利用仿真分析方法，可以对机械系统的行为进行预测与分析，为设计和优化机械系统提供重要依据。
一、力学模型的建立力学模型的建立是机械工程中非常重要的一步。
力学模型是对真实系统的简化和抽象，它可以通过一些基本假设、物理定律和数学方程来描述机械系统的行为。
例如，在研究物体的运动时，可以使用牛顿力学中的运动方程；在研究弹性变形时，可以使用胡克定律。
通过将这些基本定律和方程应用于具体的机械系统，可以建立起相应的力学模型。
在建立力学模型的过程中，需要考虑到系统的各种因素和约束条件。
例如，如果研究一个受力平衡的机械结构，则需要考虑平衡条件以及各个部件之间的连接关系。
此外，还需要考虑材料性能、工作环境等因素对机械系统行为的影响。
通过合理的建模，可以更好地理解机械系统的工作原理和行为特性。
二、仿真分析的方法仿真分析是一种通过计算机模拟机械系统行为的方法。
它通过将建立的力学模型转化为数学模型，并通过计算机程序进行求解和分析，以预测和评估机械系统的性能和行为。
仿真分析可以帮助工程师在设计阶段对机械系统进行验证和改进，减少设计过程中的试错成本，并优化设计方案。
在进行仿真分析时，需要选择合适的数值计算方法和软件工具。
常见的数值计算方法包括有限元法、计算流体力学等。
有限元法是一种常用的仿真分析方法，它将机械系统划分为有限数量的单元，利用数学模型和边界条件求解出每个单元的行为。
另外，还需要选择适合的仿真软件工具，如ANSYS、ABAQUS等。
三、力学模型与仿真分析在机械工程中的应用力学模型与仿真分析在机械工程中广泛应用于各个领域。
在机械设计中，可以建立力学模型对机械结构进行分析和优化。
例如，在设计一个承重结构时，可以通过仿真分析来确定合适的结构材料、截面尺寸等参数，以满足设计要求。
力学在机械工程中应用
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
力学在机械工程中应用
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。
力学在机械工程中应用
力学在机械工程中应用
力学在机械工程中应用
力学在机械工程中应用
力学在机械工程中应用
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。
如下图的曲柄滑块机构
力学在机械工程中应用
力学在机械工程中应用
力学在机械工程中应用
力学在机械工程中应用
力学在机械工程中应用
力学在机械工程中应用
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。
振动危害的典型案例
塔科马桥力学在的机械风工程中毁应用事故
塔科马桥毁于冯·卡门涡街与共振现象
力学在机械工程中应用
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
机械工程中的力学原理
机械工程中的力学原理引言机械工程是一门应用科学，它利用力学原理来设计、制造和操作机械设备。
力学原理是机械工程的基础，它涉及到物体的运动、力的作用和物体的结构。
本文将探讨机械工程中的力学原理，并介绍它们在实际应用中的重要性。
第一部分：静力学静力学是力学原理的基础，它研究物体在静止状态下的力学行为。
静力学的核心概念是平衡，即物体受到的所有力的合力为零。
平衡的条件是物体的重力和支撑力平衡，这可以通过牛顿第一定律来解释。
静力学还研究力的分解和合成，这对于设计支撑结构和计算物体受力非常重要。
第二部分：动力学动力学是研究物体在运动状态下的力学行为。
它涉及到物体的加速度、速度和位移。
动力学的核心概念是牛顿第二定律，它表明物体的加速度与作用在物体上的合力成正比，与物体的质量成反比。
这个定律在机械工程中被广泛应用于设计和分析运动系统，例如机械传动和运动控制。
第三部分：弹性力学弹性力学是研究物体在受到外力作用后恢复原状的力学行为。
它涉及到物体的弹性变形和应力分布。
弹性力学的核心概念是胡克定律，它表明弹性体的应力与应变成正比。
这个定律在机械工程中被广泛应用于设计和分析弹性元件，例如弹簧和悬挂系统。
第四部分：流体力学流体力学是研究流体运动和力学行为的学科。
它涉及到液体和气体的流动性质、压力和阻力。
流体力学的核心概念是贝努利定律，它表明在稳定流动的条件下，流体的压力与速度成反比。
这个定律在机械工程中被广泛应用于设计和分析流体系统，例如管道和涡轮机。
第五部分：热力学热力学是研究能量转化和传递的学科。
它涉及到热量、功和热力学循环。
热力学的核心概念是热力学第一定律和第二定律，它们描述了能量守恒和热量传递的规律。
这些定律在机械工程中被广泛应用于设计和分析热力系统，例如发动机和制冷设备。
结论力学原理是机械工程的基础，它们为机械工程师提供了分析和解决问题的工具。
通过应用力学原理，机械工程师可以设计出更安全、高效和可靠的机械设备。
因此，对力学原理的深入理解和应用是机械工程师的基本要求。
力学在机械工程专业中的应用分析
力学在机械工程专业中的应用分析力学在机械工程专业中的应用分析导语：力学是力与运动的科学，它既是一门基础科学，又是一门应用众多且广泛的科学。
以下“力学在机械工程专业中的应用”，欢迎阅读原文！力学虽然属于机械工程学，但是力学中所涉及的内容之广，是一门独立的基础学科，在很长一段时间的学习和研究中，已经被人们应用到各行各业，其中在力学这门学科中，有一项工程力学所涉及的范围实用性最大，工程力学具有现代多重工程建设以及理论相结合的特点，所涉及到的知识面和实践范围都非常广，也更加具有灵活性，对现代社会经济科技的发展和进步有着重大意义。
因此，本文将立足于机械工程中的力学分支，简要论述力学的概念和发展历程，并对力学在机械中的应用进行探讨与分析。
1、力学概念以及力学在机械工程专业中的发展过程1.1力学的概念：力学是一门非常基础的学科，很多的专业和学科中都有力学的存在，都需要通过学习和研究力学的基础概念和技能进行实际的操作，力学是有关力、运动和介质（固體、液体、气体和等离子体），宏、细、微观力学性质的学科，研究以机械运动为主，及其同物理、化学、生物运动耦合的现象。
虽然力学在根本上是一门非常基础的学科，在很多专业和技术上都有非常大的作用，很多学科也都用得上力学，但是力学所被应用最广泛的专业还是机械工程专业，根据机械工程的特点，力学发挥了其最大的作用。
与此同时，力学也是一门技术学科，力学所涉及和所要研究的范围非常广，在力学所涉及的众多力学学科领域中，工程力学相对来说是最为实用的一种，实用性非常强，这类基础性很强的实用学科，被广泛的应用于社会各行各业，是解决工程实际问题的重要基础。
下文也会对工程力学的重要作用作出简单论述。
1.2力学的发展。
力学的发展历史非常悠久，力学的起源最早是人们对自然现象的观察，人们通过观察和研究生产劳动中的各种自然现象，最早在建筑以及农耕方面使用，比如杠杆、汲水器等。
最初在古希腊时期，力学附属于自然哲学，后来成为物理学的一个大分支。
机械工程中的力学问题
机械工程中的力学问题机械工程是一门工程学科，它涉及到机械系统的设计、制造、运行和维护等方面。
在机械工程中，力学问题是一个重要的方面，它可以帮助工程师理解机械系统的力学特性，从而更好地解决各种实际问题。
一、力学基础在机械工程中，力、速度和加速度是最基本的物理量，也是最基本的力学概念。
工程师需要理解这些概念的定义和运用，才能进行力学计算和机械系统设计。
此外，还需要知道牛顿力学（也称为经典力学）的基本原理，如牛顿第一定律、牛顿第二定律和牛顿第三定律等。
二、力学应用通过理解力学基础，工程师可以进行各种力学应用，例如：1、刚体平衡问题刚体是指形状和大小在外力作用下不发生变形的物体，它们的平衡状态是一个基本问题。
通过力学分析，可以计算刚体的受力状态和受力大小，在实际系统中可以应用于物体的支撑设计、固定和悬挂等问题。
2、摩擦和滑动问题摩擦和滑动问题是机械工程中常见的问题，它们涉及到机械系统的动力学特性。
通过力学分析可以计算物体的静摩擦力和动摩擦力，并应用于轮子、轴承和钢材等部件的摩擦力计算和优化设计。
3、弹性变形问题在机械工程中，被受力的物体普遍存在着一定的弹性变形现象，这是一个重要的问题。
通过力学分析可以计算物体的应变和应力分布，并应用于材料的弹性模量、设计和强度分析等问题。
三、力学图示为了更清晰地展现机械工程中的力学问题，我们往往需要使用力学图示和图像。
力学图示是一种通过图示和表格来表达力学问题的技术。
通过绘制受力图、张力图、力矩图和位移图等，可以更好地呈现和分析机械系统的力学特性。
四、力学工具为了更方便地进行力学计算，机械工程师通常会使用一些力学工具。
这些工具可以帮助工程师进行力学分析、计算和优化设计等。
常见的力学工具包括计算器、模拟器、力学软件和手动计算方法等。
其中，力学软件是一种非常方便且广泛应用的工具，它可以自动完成力学分析、优化设计和计算等。
五、总结机械工程中的力学问题是非常重要的问题，它涉及到机械系统的设计、制造、运行和维护等方面。
力学在机械工程中的应用
疲劳断裂与蠕变现象
疲劳断裂
疲劳与蠕变寿命预测
研究材料在交变载荷作用下的疲劳断 裂行为，了解疲劳裂纹的萌生和扩展 机制。
结合材料的疲劳和蠕变数据，对机械 结构的使用寿命进行预测。
蠕变现象
分析材料在长期恒定载荷作用下的蠕 变行为，预测结构的长期变形和稳定 性。
复合材料力学性能
复合材料组成与性能
了解复合材料的组成、结构和基本力学性能，如比强度、比刚度 等。
02
单元刚度矩阵和载荷向量的组装
根据各单元的刚度矩阵和载荷向量，按照节点编号组装成整体刚度矩阵
和载荷向量。
03
约束处理和方程求解
根据边界条件和约束条件对整体刚度矩阵和载荷向量进行修正，然后求
解线性方程组得到节点位移和内力。
04
机构运动学与动力学分析
机构运动学建模方法
几何法
利用机构的几何关系建立运动学模型，包括位置 、速度和加速度分析。
柔度矩阵法
利用柔度矩阵建立节点载 荷与位移之间的关系，通 过求解线性方程组得到节 点位移和支反力。
力法
以多余未知力为基本未知 量，通过建立力法方程求 解多余未知力，进而计算 结构内力和位移。
结构动力特性研究
特征值分析法
通过求解结构特征值和特征向量 ，得到结构自振频率和振型，用 于评估结构动力特性和抗震性能 。
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响应谱法
利用地震响应谱或其他激励响应 谱，结合结构动力特性，计算结 构在地震或其他动力作用下的响 应。
时程分析法
直接输入地震波或其他动力时程 ，通过逐步积分方法求解结构动 力响应，适用于复杂结构和非线 性问题。
优化设计理论及实践应用
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机械工程专业基础知识
机械工程专业基础知识一、介绍机械工程是一门应用科学，研究如何设计、制造和运用各种机械设备的工程学科。
本文将介绍机械工程专业的基础知识，包括力学、热学、材料学和流体力学等方面的内容。
二、力学1. 静力学静力学是研究物体处于平衡状态的力学学科。
它涉及到力的平衡、杠杆原理、力的分解和合成等内容。
2. 动力学动力学是研究物体在施加力的情况下的运动状态的力学学科。
它包括牛顿运动定律、加速度和力的关系等内容。
三、热学1. 热力学热力学是研究能量转换和能量传递的物理学分支。
它涉及热力学定律、热功和热量的关系等。
2. 热传导热传导是指热量在物质内部的传递过程。
它与材料的导热性能有关，涉及到导热方程和热传导系数等。
四、材料学1. 材料结构材料结构包括晶体结构和非晶体结构。
晶体结构涉及晶格参数、晶系和晶格缺陷等内容。
非晶体结构包括胶体和非晶态材料。
2. 材料力学性能材料力学性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为。
它包括弹性模量、屈服强度和断裂韧性等。
五、流体力学1. 流体静力学流体静力学是研究静止流体的力学学科。
它涉及压力、密度和浮力等内容。
流体静力学常用于设计和分析水压系统。
2. 流体动力学流体动力学是研究流体在运动状态下的力学学科。
它涉及速度、流量和雷诺数等内容。
流体动力学常用于设计和分析管道系统和空气动力学问题。
六、结论以上是机械工程专业的基础知识的简要介绍。
力学、热学、材料学和流体力学是机械工程师必须熟悉的基础学科。
掌握这些知识能够帮助机械工程师更好地进行设计、制造和运用机械设备。
在实践中，机械工程师还需要结合具体的工程问题应用这些基础知识。
机械原理机械工程中的静力学分析
机械原理机械工程中的静力学分析在机械工程中，静力学是一个重要的分析方法，它研究物体在静止或平衡状态下的力学性质。
静力学分析对于设计和运行各种机械设备都有着重要的作用。
本文将介绍机械原理中的静力学分析方法和应用。
1. 静力学的基本概念静力学是力学的一个分支，研究物体在静止或平衡状态下的受力和力的平衡关系。
在静力学中，物体的力学平衡需要满足两个条件：合力为零和力矩为零。
合力为零表示物体受力的合力为零，即物体不会运动或加速；力矩为零表示物体受力的合力矩为零，即物体不会转动。
2. 物体受力分析静力学分析的第一步是对物体受力进行分析。
物体受到两种类型的力：外力和内力。
外力是外部物体对物体施加的力，例如重力、绳索拉力等；内力是物体内部各部分之间的相互作用力。
通过理解并分析这些力的作用，我们可以确定物体的受力情况。
3. 受力平衡方程静力学分析的关键是建立受力平衡方程。
对于一个物体在受到多个力的作用下保持静止或平衡的情况，我们可以根据力的平衡条件，建立受力平衡方程。
在一个平面内，合力为零和合力矩为零是受力平衡的基本条件。
通过解这些方程，我们可以求解物体各个受力的大小和方向。
4. 静力学分析的应用静力学分析在机械工程中有着广泛的应用。
首先，它在机械设计中起着重要的作用。
通过对机械部件受力情况的分析，可以确定合适的材料和尺寸，保证机械的结构强度和稳定性。
其次，静力学分析也用于机械装配和调试过程中。
通过对各个部件的静力学分析，可以保证装配的正确性和机械系统的正常工作。
5. 静力学分析的挑战和方法静力学分析在实际应用中也面临一些挑战。
首先，受到外界因素的影响，例如空气阻力、地面摩擦力等，需要进行合理的修正。
其次，对于复杂的机械系统，受力分析的计算量较大，需要借助计算机辅助分析方法。
为了解决这些问题，研究人员提出了许多方法和工具。
例如，有限元分析方法可以模拟和分析大型复杂结构的受力情况；多体动力学模拟方法可以对机械系统进行全面的力学分析。
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• 即使对于一般运动中的机构，在采用了某些特殊方法（达 朗贝尔原理）后，也能够采用静力学方法来处理动力学问 题
• 静力学方法也是动力学、材料力学、振动力学、弹塑性力 学等力学课程的基础
• 自然坐标：以质点在轨迹上的动点为原点，以轨迹上的切 线、主法线、副法线为轴的坐标系统
• 自然坐标系是动坐标系统，其坐标原点随质点运动而动， 其坐标方向随轨迹而变化
• 无论用直角坐标法还是自然坐标法，点的速度和加速度作 为点运动的固有性质，是不变的。
• 这些矢量结果超脱于具体的坐标系之上 • 这也正是矢量分析法的优点
• 自然坐标确定点的运动，由于引入了轨迹、法线、切线等因素，在一 定程度上反映了点运动的内在物理本质
• 轨迹上的运动方程
s s(t)
• 速度
指明了点运动时速度方向是切线方向
加速度
v
• 运动学的分析方法，主要采用矢量法以及矢量投影的代数 方程，该方法一般只能对某些瞬时的运动状态进行分析。
• 目前也有一些教材采用了以矩阵代数为标志的新的数学分 析的方法。以矩阵代数为数学基础的运动学以及动力学， 是建立多体系统力学的基础。多体系统力学在现代机器人、 航空航天等领域有着广泛的应用
• 点的运动分析：研究质点运动时各运动参量之间的关系 • 点的运动参量：运动方程、速度、加速度 • 运动的描述：矢量法、直角坐标法、自然坐标法 • 矢量法：能够超越各种具体的坐标系的制约，是进行点的运动分析的
•力 • 力偶 • 力螺旋
F1 F2
• 约束：非自由体所受到的对其运动的限制 • 约束力：由约束周围物体提供的限制物体运动的作用力
方向与被限制的运动方向相反 大小不能预先确定而必须由平衡方程确定 机械中广泛地存在各种约束，部件与部件的联结、机械与 地面的固定、机械之间的互相作用等，都是通过约束实现 的
• 机械中静力学应用
摩擦及其应用
轴承
轮
• 运动学：以数学的观点研究物体运动时的几何规律
• 运动学主要包括点的运动分析、刚体简单运动、点的复合 运动、刚体平面运动等。对于某些特殊专业，还需要研究 刚体定点运动和刚体空间一般运动
• 在运动学中，研究物体的运动，主要是讨论物体运动的几 何规律，对产生该种运动的物理背景并不关心
• 力系的等效与简化是刚体静力学的基本原理 • 力系的等效：两个力系对刚体作用的效果相同，称该两力
系为等效力系 利用等效力系的概念，可以对复杂力系进行简化 力系等效于一个力，称该力为原力系的合力 力系等效于一个力偶，称该力偶为原力系的合力偶 力系等效于一个力及另一个与之平行的力偶，称该力及力
偶的组合为一个力螺旋 力、力偶、力螺旋都是基本力学量，他们都不能进一步简 化
定的变形，称为内效应；与此同时，物体还将发生整体的 运动，称为外效应。
• 物体的内、外效应同时交织在一起，使物体的力学分析极 为困难
• 专门研究物体的外效应——理论力学 研究对象：只有外效应，无内效应的刚体
• 专门研究物体的内效应——材料力学 研究对象：有内效应的弹性体
• 理论力学奠基——牛顿 • 理论力学的局限：宏观、低速 • 宏观：研究对象的大小远远大于基本粒子
主矢为0→力系内各力的矢量和为0 主矩为0→各力对某点的力偶的矢量和为0
对于空间问题，平衡方程为两个空间矢量方程，可以转化 为六个标量的代数方程，用以解决六个未知数
对于平面问题，平衡方程为一个平面矢量方程加一个代数 方程，可以转换为三个代数方程，用以解决三个未知数
• 机械设备中很多是处于平衡状态的，如塔架、龙门吊车、 机床的床身等。
基本方法
• 运动方程：联系质点运动时间与空间位置的方程 r r (t)
• 速度：质点运动位移的导数
速度是矢量，方v向沿运动d轨r迹的切线方向 dt
加速度：质点运动速度的导数，反映了速度（大小、方向）变化
加速度也是矢量
a
dv dt
d
2
r
dt 2
• 直角坐标法：把矢量直接投影到直角坐标上
• 直角坐标法的运动学分析比较直观，容易理解，但不能反 映出运动的物理本质
对于基本粒子的力学研究需要量子力学 低速：研究对象的运动速度远远小于光速
对于运动速度接近光速的研究属于相对论力学 机械产品与机械结构：
最小：微电子机械结构 MEMS系统 尺寸：微米/纳米量级
最快：军用飞机2-3马赫，约660-1000m/s 巡航导弹5马赫，约1600m/s 第三宇宙速度，约11000m/s
第二章 机械工程中的力学
• 第一节 机械工程与理论力学 • 第二节 机械工程与材料力学 • 第三节 机械工程与流体力学 • 第四节 机械工程与振动力学
机械工程与理论力学
• 理论力学：研究物体的机械运动一般规律的学科 • 机械运动：物体空间位置的变化 • 理论力学的研究对象通常是固态物体，称为固体 • 力对固体的作用：当力作用在物体上时，物体将会发生一
确定约束力，需要确定力的方向和大小 约束力的方向由约束性质确定 约束力的大小，需要求解平衡方程得到
• 机械中存在着大量的约束
• 工程中的铰约束 铰
球 股骨
球窝 盆骨
• 平衡：物体相对于惯性参考系处于静止或匀速直线运动 • 处于平衡状态物体受到的力系为平衡力系 • 从力系等效的角度，平衡力系等效于0力系 • 所谓0力系，也就是力系简化的结果：
机械结构都在宏观低速范围内，属于理论力学研究范畴
牛顿和《自然哲学之数学原理》
• 理论力学一般包含 静力学：研究物体的平衡以及平衡规律 静力学主要涉及力系的简化、物体的受力分析、 平面力系的平衡规律、空间力系的平衡规律、摩 擦等 运动学：研究物体运动的几何规律 运动学主要包括点的运动分析、刚体简单运动分 析、点的复合运动分析、刚体平面运动分析等 动力学：研究物体受力后运动与力之间的关系 动力学主要内容有质点动力学基本定理、动量定 理、动量矩定理、动能定理、达朗贝尔原理、碰 撞等 分析力学简介：用数学分析手段研究静力学和动力学问 题，主要包括虚位移原理和拉格朗日方程