力学在机械工程中的应用PPT课件
工程力学在机械制造中的应用
工程力学在机械制造中的应用1 工程力学的发展1.1 工程力学的产生在20世纪50年代，出现了一些极端条件下的工程技术问题，所涉及的温度高达几千度到几百万度，压力达几万到几百万大气压，应变率达百万分之一～亿分之一秒等。
在这样的条件下，介质和材料的性质很难用实验方法来直接测定。
为了减少耗时费钱的实验工作，需要用微观分析的方法阐明介质和材料的性质；在一些力学问题中，出现了特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况，因而必须从微观结构分析入手处理宏观问题；出现一些远离平衡态的力学问题，必须从微观分析出发，以求了解耗散过程的高阶项；由于对新材料的需求以及大批新型材料的出现，要求寻找一种从微观理论出发合成具有特殊性能材料的“配方”或预见新型材料力学性能的计算方法。
在这样的背景条件下，促使了工程力学的建立。
工程力学之所以出现，一方面是迫切要求能有一种有效的手段，预知介质和材料在极端条件下的性质及其随状态参量变化的规律；另一方面是近代科学的发展，特别是原子分子物理和统计力学的建立和发展，物质的微观结构及其运动规律已经比较清楚，为从微观状态推算出宏观特性提供了基础和可能。
1.2 工程力学的特点工程力学注重从微观到宏观，以往的技术科学和绝大多数的基础科学，都是或从宏观到宏观，或从宏观到微观，或从微观到微观，而工程力学则建立在近代物理和近代化学成就之上，运用这些成就，建立起物质宏观性质的微观理论，这也是工程力学建立的主导思想和根本目的。
虽然工程力学引用了近代物理和近代化学的许多结果，但它并不完全是统计物理或者物理化学的一个分支，因为无论是近代物理还是近代化学，都不能完全解决工程技术里所提出的各种具体问题。
工程力学所面临的问题往往要比基础学科里所提出的问题复杂得多，它不能单靠简单的推演方法或者只借助于某一单一学科的成就，而必须尽可能结合实验和运用多学科的成果。
1.3 工程力学的研究内容及方向工程力学主要研究平衡现象，如气体、液体、固体的状态方程，各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。
物理力学在机械制造中的应用
物理力学在机械制造中的应用物理力学是机械制造领域不可或缺的一个学科。
它对机械制造工程师具有重要的指导作用。
本文旨在探讨物理力学在机械制造中的应用。
物理力学在机械制造中的应用表现在材料的强度设计和优化方面。
机械制造需要材料具有足够的强度，才能够承受外力和负荷，不会因为在运行过程中产生的电机、热、补偿等影响而变形、破坏。
此时，物理力学可以帮助工程师通过试验、模拟和计算来研究材料的强度特性，从而制定出更好的优化方案。
物理力学可以为机械制造提供可靠的准确性分析。
在制造机器之前，需要进行一系列复杂的设计和计算。
对于机器的性能、稳定性和耐用性等方面的分析与测试尤为重要。
在这个过程中，物理力学科学提供了可靠、准确的测试与验证方法。
通过模拟和实验，机械制造者可以确定机器制造过程中所需设计的具体参数，从而减少制造中的失误和错误。
更进一步地说，物理力学对机械制造的应用还可以帮助工程师理解特定机器的行为方式和机制。
在机械系统中，各个部分之间的相互作用非常复杂。
通过物理力学的研究，可以更深入的了解这些互动，以及它们对整个机械系统的性能产生的影响。
了解这些，就可以根据预测结果去优化整个机械系统的设计和制造。
物理力学在机械制造中的应用可以增强机械工程师的制造能力和专业技能，使他们能够更准确地、更节省资源地设计、制造优质的机器产品。
还可以帮助进行精确的性能评估，从而确保机器的良好性能和长期稳定性。
物理力学在机械制造中的应用还可以帮助工程师进行机器的故障分析和维修。
在机器制造系统中，故障和损坏都是难免的。
此时，物理力学可以为工程师提供有效的帮助。
通过对机器各个组件的运动分析，可以发现机器故障的原因，并对其进行及时维修和保养。
在制造机器时，物理力学的应用也可以帮助工程师进行全面的风险评估和管理。
通过物理力学的研究，可以找到制造过程中的机器设计和构造缺陷，及时解决，并加强质量控制与监管。
通过全面风险评估和管理，可以有效减少制造污染和安全事故，为人们的生命健康和生态环境做出贡献。
机械设计中的力学分析与计算
机械设计中的力学分析与计算在机械设计领域中，力学分析与计算起着至关重要的作用。
力学分析可以帮助工程师们了解机械系统的受力情况，为其设计和优化提供依据。
而力学计算则是通过数学方法和工程实践，计算出各种受力情况下的力、位移、应力等参数，为工程实施提供重要的技术支持。
一、力学分析的基础力学分析是基于牛顿力学原理的应用。
牛顿力学原理分为力的平衡条件和加速度原理，分别用于分析处于平衡和非平衡状态下的机械系统。
在力学分析中，通常使用的基本量有力、质量、加速度、位移等。
而力学分析的基础方程为牛顿第二定律：F=ma，其中F是作用力，m是质量，a是加速度。
力学分析的过程主要包括以下几个步骤：1. 确定受力对象：明确需要分析的机械系统或零件。
2. 绘制受力图：根据系统受力情况，绘制受力图，准确表示各个作用力的方向和大小。
3. 确定坐标系和参考点：选择适当的坐标系和参考点，方便后续计算。
4. 列写方程：根据力的平衡条件或加速度原理，列写出与受力对象相关的方程。
5. 求解未知量：通过解方程组，求解出需要求解的未知量，如受力、位移等。
二、力学力计算的方法力学力计算是力学分析中的重要内容，通过计算可以得到受力对象在受力条件下的各种力值。
常用的力学力计算方法有以下几种：1. 静力学方法：静力学方法是指在受力对象处于静止或平衡状态下进行力学分析和计算的方法。
根据受力对象的受力情况，通过平衡条件列写方程，解方程组即可求解出各个力的大小。
2. 动力学方法：动力学方法是指在受力对象处于运动或非平衡状态下进行力学分析和计算的方法。
根据受力对象的受力情况和运动特性，通过加速度原理列写方程，解方程组即可求解出各个力的大小和加速度等相关参数。
3. 弹性力学方法：弹性力学方法是指对弹性材料和结构进行力学分析和计算的方法。
通过材料的弹性模量、材料的形变和受力情况，可以计算出对象的应力、应变等参数。
4. 转矩平衡方法：转矩平衡方法是指对转动系统进行力学分析和计算的方法。
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单元一 静力学基础
2. 常见的几种类型的约束 柔绳、链条、胶带构成的约束
F1
F
F1
F2 A
F2 G
单元一 静力学基础
胶带构成的约束
单元一 静力学基础
链条构成的约束
单元一
光滑接触面约束
静力学基础
公法线
F
F
C
FA A
FC
FB B
公切面
F
F
单元一 静力学基础
公切线 公法线
F
光滑接触面约束实例
单元一 静力学基础
单元一 静力学基础
1.2 静力学公理 公理1(二力平衡公理)
要使刚体在两个力作用下维持平衡状态，必须 也只需这两个力大小相等、方向相反、沿同一直 线作用。
公理2(加减平衡力系公理)
可以在作用于刚体的任何一个力系上加上或去 掉几个互成平衡的力，而不改变原力系对刚体的 作用。
单元一 静力学基础
推论(力在刚体上的可传性)
光滑接触面约束动画
单元一 静力学基础
光滑圆柱铰链约束
A B
F A
B
单元一 静力学基础
光滑圆柱铰链约束实例
单元一 静力学基础
光滑圆柱铰链约束实例
Fy Fx
向心轴承
单元一 静力学基础
光滑圆柱铰链约束 固定铰链支座
F
Fy
Fx
单元一
光滑圆柱铰链约束 活动铰链支座
静力学基础
F F
单元一 静力学基础
单元一 静力学基础
力的定义
力是物体相互间的机械作用，其作用结果使物 体的形状和运动状态发生改变。
外效应——改变物体运动状态的效应。 力的效应
内效应——引起物体变形的效应。
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人机交互优化
通过改进人机交互方式，提高机械操作的便捷性和舒适性。
未来机械设计的创新点与突破
• 跨领域融合：将不同领域的技术和理念融 入机械设计，创造出更具创新性和实用性 的产品。
未来机械设计的创新点与突破
新材料应用
探索和应用新型材料，提高机械 产品的性能和寿命。
先进制造技术
采用先进的制造技术，如精密加工、 超精密加工等，提高机械制造的精 度和效率。
绿色设计
注重环保和可持续发展，减少资源消耗 和环境污染。
机械设计的发展历程与趋势
集成化设计
实现多学科、多领域的协同设计和优化。
个性化设计
满足用户个性化需求，提供定制化的设计方案。
02
机械零件设计基础
机械零件的分类与功能
传动零件
包括齿轮、带轮、链轮 等，用于传递动力和扭
矩。
轴系零件
连接零件
密封零件
机械制造工艺的优化与改进
工艺优化
通过对现有工艺的改进和优化， 提高产品质量和生产效率，降低
生产成本。
新技术应用
积极引进和应用新技术、新工艺、 新材料等，推动机械制造工艺的 创新和发展。
智能化制造
借助人工智能、大数据等先进技 术，实现机械制造工艺的智能化 和自动化，提高生产效率和果
完成齿轮减速器的三维模型设 计、二维工程图绘制及装配图
等。
案例二：轴承座的设计
设计背景
轴承座是支撑轴承并传递载荷的重要部件， 广泛应用于各种机械设备中。
设计步骤
确定轴承类型、选择轴承座结构形式、计算 轴承座尺寸、校核轴承座强度等。
设计目标
实现支撑轴承、传递载荷、保证轴的旋转精 度等功能。
机械设计的发展趋势与挑战
工程力学中的杆件受力分析在机械设计中的应用
工程力学中的杆件受力分析在机械设计中的应用工程力学是研究物体受力及其变形规律的一门学科，而杆件受力分析是工程力学的一个重要分支。
杆件受力分析在机械设计中具有广泛的应用，可以有效地帮助工程师设计出稳定可靠的机械结构。
本文将探讨杆件受力分析在机械设计中的应用，并分析其重要性和优势。
一、杆件受力分析的重要性在机械设计中，杆件承载着各种受力，如压力、拉力、剪切力等。
了解杆件的受力情况对于设计合理的机械结构至关重要。
通过对杆件受力分析，可以确定各个部分的受力情况，进一步评估结构的稳定性和安全性。
因此，杆件受力分析是机械设计中不可或缺的一部分。
二、杆件受力分析的方法杆件受力分析可以通过数学计算、力学模型和计算机仿真等方法进行。
其中，最为常用的方法是力学模型。
通过建立合适的力学模型，可以准确地描述杆件受力的过程，并得到各个节点和部分的受力大小。
此外，还可以结合数学计算和计算机仿真的方法，对杆件受力进行进一步分析和验证。
三、杆件受力分析在机械设计中的应用1. 结构强度评估杆件受力分析可以评估机械结构的强度。
通过计算杆件的应力和变形，可以确定结构是否能够承受外部加载和工作条件下的力量。
如果杆件的应力超过了其材料的强度极限，就可能导致结构的破坏。
因此，在机械设计中，通过杆件受力分析来评估结构的强度是至关重要的。
2. 结构优化设计杆件受力分析可以帮助设计师进行结构优化。
通过对杆件受力情况的分析，可以确定设计中存在的问题和不足之处，并提出改进的建议。
例如，在杆件受力分析中发现某个部分的应力过高，设计师可以通过增加杆件的截面积或改变材料来提高结构的承载能力。
通过这种优化设计的方式，可以提高机械结构的性能和可靠性。
3. 故障分析与预防杆件受力分析还可以用于故障分析与预防。
通过对杆件受力情况的分析，可以找出结构中存在的潜在问题，并采取相应的措施进行预防。
例如，在梁柱连接处的应力分析中，设计师可以评估连接是否足够牢固，并避免由于连接松动而导致的故障。
机械工程力学基础PPT课件
.
3
公理二（加减平衡力系公理）
在已知力系上加上或减去任意平衡力系，都不会改变原力系对
刚的效应。
推论一（力的可传性原理）
作用在刚体上某点的力，沿其作用线移到刚体内任意一点，不
会改变它对刚体的作用。
公理三（力的平行四边形公理）
D
C
作用于物体上某一点的两个力的合力， 作用点也在该点，大小和方向是由这两个力
物体沿光滑接触面切线方向的运动。因此，光滑面约束对物体的 约
束反力，是通过接触点沿着公法线指向被约束物体。其约束反力
常
用F N来表示。F T 灯
G
FN
G
柔体 约束
.
7
光滑面约束
3、光滑铰链约束
光滑铰链约束是指当两个非自由体相互连接后，接触处的摩擦
忽略不计时，只能限制两个非自由ห้องสมุดไป่ตู้的相对移动，而不能限制它们
用的外效应，这两个力系互为等效力系。
若一个力和一个力系等效，则称这个力是该力系的合力。而力
系中的各个力都是其合力的分力。把各分力代换成合力的过程，称
为力系的合成。把合力换成几个分力的过程，称为力的分解。
.
2
3、平衡的概念 平衡是指物体相对地面保持静止或作匀速直线运动状态。 物体在力系作用下处于平衡状态时，称该力系为平衡力系。作 用于物体上的力系，若使物体处于平衡状态，必须满足一定的条 件，这些条件称为力系的平衡条件。 4、刚体和变形固体的概念 （1）刚 体：是指在力的作用下，大小和形状都不发生改变
相对转动的约束。由于两个光滑圆柱面接触时，因主动力的方向不
能预先确定，故约束反力方向也不能预先确定。因此，圆柱形销钉
连接的约束反力通过铰链中心，方向不定，常以两正交分力Nx、 Ny
机械工程学科导论 ppt课件
毕业实习与毕 业设计814w
优化设 可靠性设 有限元分 机电创新 模具设
机械
学科专题
计 51 计 61
析 62 设计 71 计 62.5 CAD/CAM62.5 讲座71
钻探工程概 机电产品质量 机电产品生 市场营销 其他(学科竞赛、发明
论 32
控制 71.5 产管理 72 B 71.5 创造、科研报告) 3
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•对应的典型就业渠道和职业 （1）研究生或专业研究所产品设计（教师和研究人员） （2）研究与开发ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ（3）制造业 （4）管理 （5）营销 （6）咨询 （7）开公司自主创业
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•机械工程的学科分类 机械工程：包括机械学和制造科学两大领域。
分4个2级学科：
机械设计及理论 机械制造及自动化 机械电子工程 车辆工程
专业主干课 学科基础课
数控机 数控技术 机电一体化机电一体化课 工程机械 工程机械施工技
床 72 实习 71w
技术 72 程设计82w
设计 73 术工程实习 72w
机械原 机械原理课程 机械设 机械设计课程 机械制造 机械制造生 机械工程控 机电传动
理43.5 设计 41.5w 计54
设计 53w 工艺学63 产实习 65w 制基础 52 控制 63
机械设计及理论是研究机械结构和系统性能及其设计理论与方法的科学。
机械制造及自动化以工艺流程、工装夹具、制造系统为主。
机械电子工程是以系统工程科学观点，对光机电一体化系统的相关理论、 方法和技术为研究内容的一门交叉综合学科。
车辆工程是以系统工程科学观点，对交通器具系统的相关理论、方法和技
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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。
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
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。
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 。
Mechanics In
Machinery
2014研 2014/11/21
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。
SUCCESS
THANK YOU
2019/7/26
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。
• 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。
框形铸件中的动态应力分 析
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。
3.工艺系统受力变形与加工精度
振动危害的典型案例
塔科马桥的风毁事故
塔科马桥毁于冯·卡门涡街与共振现象
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
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
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
纪录片中的力学问题
三个阶段
巨浪一号发射的
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。
• 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）
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 。
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。
北车高铁动力学仿真
徐工4000吨级履带起重机静力学试验及吊装 高度118 米、直径14.4 米、重1680吨的丙烯 塔
• 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）
如下图的曲柄滑块机构
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。
振动的有利方面和应用
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。
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