物理原理在機械設計中的應用研究

張山林

紹興文理學院元培學院 浙江 紹興 312069

前言

俗話說：物理源自于生活且應用于生活，其不僅增加了人們生活的便利性，而且彌補了生產力的缺失，特別是在工業機械的設計中，物理原理占有非常重要的地位。將物理原理融合到機械設計中，最大程度提升了設計和技術的革新能力，強化了產品設計的可行性和設計的全面性。

1 物理原理在機械設計中的作用

機械工程是一門利用物理定律為機械系統作分析、設計、制造及維修的工程學科。機械工程是以有關的自然科學和技術科學為理論基礎，結合生產實踐中的技術經驗，研究和解決在開發、設計、制造、安裝、運用和維修各種機械中的全部理論和實際問題的應用學科。在機械工程中最重要的就是機械設計，它既是生產機械的依據，也是獲得經濟效益的基礎，需要從多個物理原理出發，改善機械設計問題，如自鎖角、荷載分擔、應力改善等等。

物理原理在機械設計中的作用主要有以下三個層面：第一，應用物理原理開展的機械設計結構合理，能夠最大化機械優勢；第二，應用物理原理可以校正核對機械強度；第三，應用物理原理設計的機械設備運行較可靠。其中優化機械結構指的是機械運行的可行性、荷載的分布形態等；機械強度的校對核實需要運用物理力學知識；可靠性指的是機械使用年限和運行安全性的系數分析，需要帶入力學公式運算得出。由此可見，在機械設計中融合物理原理是非常重要且必要的[1]。

2 在機械設計中應用物理原理的策略

2.1 應用物理原理解決自鎖角問題的具體策略

自鎖角問題又叫作自鎖現象，指的是作用于物體的主動力的合力Q的作用線在摩擦角之內，無論這個力怎樣大，總有一個全反力R與之平衡，物體保持靜止。反之，如果主動力的合力Q作用線在摩擦角之外，則無論這個力多么小，物體也不可能保持平衡。這種與力大小無關而與摩擦角有關的平衡條件稱為自鎖條件。物體在這種條件下的平衡現象稱之自鎖現象。摩擦角與自鎖現象法向反力N與摩擦力F的合力R稱為支持面對物體的全反力。即摩擦力F達到最大值Fmax時，這時的夾角a也達到最大值b,把b稱為摩擦角。在進行機械設計的過程中，解決自鎖問題非常關鍵，能夠避免機械設備發生靜止不動的行為。以石油管道內的封堵機械設備為例，需要由鋸齒狀卡齒鋼材牽引運動完成斜面上的徑向伸縮，想要運行正常，必須要將傾斜面角度控制在摩擦角度之上，保證卡齒鋼材可以接觸管道內壁，保證風度設備的正常運行，錨定成功。當錨定完成時，卡齒鋼材可以按照原有運行軌跡返回至起點，錨定解除。解決自鎖現象，是機械設備良好運行的基礎，也是設計中需要遵循的重要原則。

2.2 應用物理原理解決荷載分擔問題的具體策略

在機械設計中，荷載分擔問題也是需要解決的重點內容之一，荷載包括機械設備運行的外部應力、部件間的扭矩彎矩等等，可以分為靜荷載力和動荷載力兩種。靜荷載力不會受力方向和大小的影響，荷載值相對靜止；動荷載力受作用力的方向和大小影響，會產生周期性變化。在實際開展機械設計時，需要將荷載力分擔，這樣就會降低每個元件承受的力，且受力值在可承受范圍內，繼而保障機械設備運行的穩定性。機械設備中關于荷載力分擔設計例子有很多，最經典的莫過于軸設計分擔和減載分擔。軸設計分擔需要改善軸的結構，將心軸替換成轉軸，改善軸的受力情況，彌補轉軸結構容易發生彎矩的缺陷，減輕轉軸的負擔，增強軸的使用壽命，增加受力的合理性。減載分擔就是應用銷零件和鍵零件連接螺紋，緩解這些零件產生的橫向荷載，提高連接的精準度。若沒有應用零件連接螺紋，荷載量就會增加，預緊力也會相應增加，加大了螺栓的尺寸，設計缺乏合理性，因此必須要應用零件改善設計缺陷。

2.3 應用物理原理改善集中應力問題的具體策略

利用物理原理改善集中應力問題是機械設計的重中之重。應力常常集中在某個點或區域內，應力值遠超其他部分，甚至超過零件自身的承受范圍，這就增加了機械設備發生故障的可能，加大安全事故發生的概率，降低設計的可靠性。基于此，設計人員必須要應用物理原理改善應力集中問題。一方面，設計人員要以物理視角來分析應力集中問題：應力集中問題多產生于交變應力結構，影響機械裝置各位置的承載能力，應力集中在哪個零件，哪個零件在工作時就會產生大幅度損傷，可以從改變突變應力為平緩應力入手，改善這個問題，如在結構設計中加入過度圓角等。另一方面，由于機械設備需要承受外部環境的所有應力，因此在機械設計時需要考慮應力疊加問題，設計人員可以應用多媒體軟件設計不同的結構，輸入相關數值計算應力，比較不同結構各個部位承受的應力值，選擇最適合的設計方式，為設計可行性奠定良好的基礎。另外，設計人員也可以嘗試改變結構周圍零件的強度來緩解應力集中的問題，有助于機械設計合理化的提升。

2.4 應用物理原理改善荷載分布不均問題的具體策略

荷載分布不均是荷載分擔的升華問題，荷載分擔后，力已經被轉移到各個零件上，需要應用物理原理來增加荷載分布的平均性，防止出現集中轉移的行為。將集中在某一零件上的力進行分布能夠延長零件的使用壽命，減少零件的不良損耗，有助于最大化零件的強度，增加設計的科學性，滿足機械設備的使用需求，具有非常重要的現實意義[2]。

3 結束語

綜上所述，機械設計中蘊藏非常多的物理學知識和原理，只有明確物理原理的規律才能夠更好地開展機械設計。因此，設計人員需要不斷完善自我，強化自身對物理原理的理解能力，根據設計需求采用適合的物理原理開展設計，從根本上提升機械設計的應用能力。