力学在机械工程中应用
力学基础知识的实际应用
力学基础知识的实际应用力学基础知识是物理学的重要组成部分，涉及到物体受力、运动和静止等方面的研究。
这些基础知识不仅仅停留在理论研究的层面，更有丰富的实际应用。
本文将通过介绍几个实际场景，展示力学基础知识在生活和工程中的实际应用。
第一部分：机械工程中的力学应用1. 汽车碰撞防护设计在汽车工程中，力学知识对于碰撞防护设计起着关键作用。
通过研究力的作用、力的分解和合成，工程师们能够设计出更加安全的汽车结构。
例如，在碰撞时，汽车车身需要能够吸收和分散撞击力，以减少乘客的受伤程度。
力学知识可以帮助工程师们确定车身设计的优化方案，确保安全性能满足标准要求。
2. 建筑物结构设计在建筑工程中，力学知识对于建筑物结构的可靠性和稳定性起着至关重要的作用。
通过应用静力学和动力学的原理，工程师们可以确定建筑物的受力分布、抗震性能和承载力等参数。
例如，在高层建筑设计中，工程师们需要考虑到风力、地震力和重力等外力对建筑物的影响，从而确保建筑物的结构安全。
第二部分：生活中的力学应用1. 运动中的力学原理在日常生活中，我们经常会遇到力学原理的应用。
例如，骑自行车时，我们需要通过踩踏来给自行车提供动力，从而驱动车轮转动。
这里涉及到力的作用和物体运动的原理。
力学知识能够帮助我们理解运动中的力的作用，以及如何运用力来进行运动。
2. 体力训练和运动损伤的预防在进行体力训练和运动活动时，了解力学基础知识可以帮助我们更好地进行训练和预防运动损伤。
例如，在进行重量训练时，我们需要学会正确使用肌肉力量来提起重物，以及保持良好的姿势来减少对关节、骨骼和肌肉的过度压力。
力学知识可以帮助我们了解身体的受力情况，从而避免运动损伤。
第三部分：工程应用中的力学知识1. 机械设计中的力学分析在机械工程领域，力学分析是进行机械设计的关键步骤之一。
通过应用强度学和刚度学的原理，工程师们可以预测和分析机械部件在工作时的受力情况。
这有助于工程师们选择合适的材料和尺寸，确保机械部件可以承受预期的载荷，并且具有足够的刚度和稳定性。
浅析力学在机械中的应用
立。 １ ９ 世纪末 ， 力学 已是 一 门相 当发展 并 自成体 系 的独立 学 科 。 ＝． 力 学在机 械 中的应 用
分布有 较直接 的关系 ， 使Ｔ ｏ Ａ ｐ ｚ 设计 更可靠 。 国外 已较完 整地应 用于飞机 结构 ， 如 概 率 损伤容 限分 析 、 飞机结 构 可靠性 和事故 分析 、 飞 机结 构的耐 久性 分析 等方 面。 我国在这 方面开展 的典型 陛研究 则是海 洋石油平 台导管架 焊接管 节点 的疲
劳强 度分析 。
再者 ， 可用断 裂力 学方法进 行机 械产 品的 失效分析 。 失效分 析是 指事故 或
故 障发生 后所进 行的检 侧和分 析 ， 目的在于 找到失 效的部位 、 失效原 因和机理 ， 从而 掌握产 品应 当改进 的方 向及修 复 的方法 ， 防 止 同类问题 再次 发生 ， 以推 进
文 章编 号 ： １ ０ ０ ９ — ９ １ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ０ ７ — ０ ２ ６ ９ 一Ｏ １
力学是力与运动的科学 ， 它的研究对象主要是物质的宏观机械运动 ， 它既
是一 门基 础科学 ， 又是 －１ ＇ １ 应 用众 多且广 泛 的科学 。 力 学与 天文学 方 法制订结 构缺陷评 定标准及 安全设计 规范 方 面 已取得 了较 好 的成 绩 ， 如压 力容器 、 小型但 用量 大 的液化石 油气 钢瓶及 汽 轮
一
几乎同时诞生 ， 在经典物理的发展 中起关键作用， 推动了地球科学的发展进步，
如大气 物理 、 海洋 科学等 ， 同时力学也 在机 械 中起着 越来越 重要 的作用 ， 且应 用 广泛 。
工程力学研究与机械制造中的应用
工程力学研究与机械制造中的应用工程力学被定义为一门学科，它研究物体在受力作用下的运动规律和相应的内力、应力分布等问题。
在机械制造中，工程力学的理论和方法得到了广泛应用，它是机械设计和加工过程中的重要基础和支撑。
本文就工程力学的研究及其在机械制造中的应用做一些阐述。
一、工程力学研究工程力学可分为静力学、动力学、强度学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等方面的内容，这些内容分别针对物体在静止或运动状态下，受到不同荷载作用而出现的应力、应变以及内部受力。
工程力学的研究范畴涉及很广，几乎与所有的工程学科都有着紧密的联系。
工程力学的研究对于机械制造来说十分重要，它在机械结构分析、机械零件设计、机器加工等方面都扮演着重要的角色。
比如，在机械零件设计中，对于零件的载荷情况和受力分布的分析，需要运用静力学的知识；机器加工中，需要掌握材料的力学性能和塑性变形规律等知识。
所以，工程力学是机械制造中必不可少的一部分。
二、工程力学在机械制造中的应用1. 载荷计算在机械设计中，计算设计元件的承载能力是关键过程。
这需要运用工程力学的知识，包括静力学、动力学和强度学等。
例如，在汽车设计中，轮胎需要承受车身的重量和行驶过程中的冲击力等多重荷载。
在计算轮胎的承载能力时，需要综合考虑这些因素，运用强度学和塑性力学等理论，评估轮胎的极限承载能力，保证其满足设计和使用要求。
2. 零件设计机械零件设计过程中，工程力学的理论和方法往往被广泛应用。
例如，对于齿轮、轴等机械零件的设计，需要考虑其在工作过程中的受力情况，计算扭矩、弯曲应力等参数。
而这些都需要运用弹性力学和塑性力学等工程力学理论，来优化零件的设计，保证其能够承受设计荷载，同时避免因过度设计造成制造成本增加。
3. 制造过程制造和加工过程中，也需要运用工程力学的理论和方法来解决很多实际问题。
例如，在金属加工过程中，需要掌握金属材料的塑性力学特性，以便选择合适的工艺参数，保证加工品质。
此外，还需要处理加工过程中的热应力、变形、磨损等问题，确保加工效率和精度的同时，能够保证加工零件的可靠性。
工程力学在机械工程中的应用
工程力学在机械工程中的应用工程力学是一门关于力、力的作用、力的平衡和运动的力学问题研究的学科。
在机械工程中，工程力学起到了至关重要的作用。
本文将重点探讨工程力学在机械工程中的应用，并对其应用领域进行了归纳总结。
一、应力与变形分析应力与变形分析是工程力学的基础，通过研究物体受到外力作用后的应力和变形情况，可以评估材料的强度和稳定性。
在机械工程中，应力与变形分析应用广泛。
例如，当设计机械零件或机械结构时，需要对其受力情况进行分析，确保其能够承受特定的负荷。
此外，应力与变形分析还可以帮助工程师确定合适的材料和工艺，并预测材料的寿命和疲劳失效。
二、力学传递与传动在机械工程中，力学传递与传动是必不可少的。
通过工程力学的原理，可以研究力的传递和传动方式，设计出高效可靠的机械传动系统。
例如，通过分析链轮传动、齿轮传动等传动系统的受力情况，可以确定正确的齿轮参数和齿轮组合方式，确保系统的传递效率和传动正常。
三、结构分析与设计结构分析与设计是机械工程中另一个重要的应用领域。
通过应用工程力学的方法，可以对机械结构进行静力学和动力学分析。
这些分析可以帮助工程师确定机械结构的合理尺寸、稳定性和可靠性，并确保其满足设计要求。
此外，结构分析与设计还可以应用于优化设计，通过改变结构参数和材料选用等因素，提高机械结构的性能和效率。
四、振动与噪声控制振动与噪声是机械工程中常见的问题，也是工程力学应用的一项重要内容。
通过分析机械结构的振动特性和受力情况，可以设计出有效的振动控制措施，减少振动对机械结构的破坏和噪声对环境的污染。
例如，在设计汽车发动机时，需要控制发动机的振动和噪声，以提高乘坐舒适度和降低对周围环境的影响。
五、疲劳分析与寿命评估在机械工程中，疲劳失效是一种常见的失效形式。
通过工程力学的方法，可以对机械零件和结构进行疲劳分析和寿命评估，预测其在实际使用中的寿命。
这对于确保机械设备的安全可靠性至关重要。
例如，在设计飞机结构时，需要对飞机零部件进行疲劳分析，预测其寿命，确保飞机的飞行安全。
工程力学在机械工程中的应用
工程力学在机械工程中的应用概述工程力学是研究物体在受力作用下的运动和变形规律的学科，是机械工程的基础。
工程力学的应用范围广泛，尤其在机械工程中发挥着重要作用。
本文将介绍工程力学在机械工程中的应用，并且以实际案例来加深理解。
静力学的应用静力学是工程力学的基础，主要研究物体在静力平衡下的受力分析。
在机械工程中，静力学广泛应用于各种结构件的设计与优化。
### 桥梁设计桥梁是机械工程领域中常见的结构之一，它需要经受车辆的载荷并保持稳定。
在桥梁的设计过程中，静力学是必不可少的。
通过静力学的原理，可以计算出桥梁在各个支点的受力情况，以确保桥梁的安全性和稳定性。
### 梁柱设计梁柱是机械工程中常见的结构构件。
通过静力学分析，可以计算出梁柱在受力下的变形和承受的应力，以保证梁柱的安全性。
静力学的应用能够帮助工程师准确计算出梁柱的尺寸和材料，从而满足设计要求并降低成本。
动力学的应用动力学是研究物体在受力作用下的运动规律的学科。
在机械工程中，动力学常应用于机械系统的设计与分析。
### 机械系统设计在机械系统设计中，动力学是必不可少的。
通过动力学分析，可以预测和优化机械系统的运动性能。
例如，可以通过动力学分析来确定机械系统的速度、加速度和功率输送能力，从而提高机械系统的效率和性能。
### 机械系统分析在已经设计好的机械系统中，动力学分析能够帮助工程师评估系统的工作状态和性能。
通过动力学分析，可以计算出机械系统中各个零件的受力和变形情况，以评估系统是否能够正常工作并满足设计要求。
应力分析与材料力学的应用应力分析和材料力学是研究物体受力下的变形和断裂规律的学科，在机械工程中也有广泛的应用。
### 结构强度分析在机械工程中，结构的强度是一个关键问题。
通过应力分析和材料力学的知识，可以计算出结构在受力下的应力分布情况，并判断结构是否足够强度以承受设计要求的荷载。
这对于结构件的设计和材料的选择都有着重要的指导意义。
### 断裂力学分析在机械工程中，断裂是一个重要的问题，尤其是对于高强度材料的应用。
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 。
THANKS
感谢观看
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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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。
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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
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
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力学在机械工程中应用
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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。
如下图的曲柄滑块机构
力学在机械工程中应用
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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
汽轮机组的振动分析
力学在机械工程中应用
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 – 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
• 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）
• 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。
力学在机械工程中应用
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。
力学在机械工程中应用
振动的有利方面和应用
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。
• 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。
力学在机械工程中应用
力学应用的几个重要方面
力学在机械工程中应用
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。
力学在机械工程中应用
• 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。
力学在机械工程中应用
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。
• 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。
力学在机械工程中应用
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
力学在机械工程中应用
框形铸件中的动态应力分析
力学在机械工程中应用
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。
力学在机械工程中应用
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
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
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。
• 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。
Mechanics In
Machinery
2014研 2014/11/21
力学在机械工程中应用
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。
力学在机械工程中应用