论运动力学在机械结构设计中的应用

论运动力学在机械结构设计中的应用

张锦标

关键词：运动力学；机械结构设计；应用

引言

在机械结构的设计应用中，运动力学作为机械科学和物理学中的主要连接点，对机械结构的生产革新能起到非比寻常的引导功能和借鉴价值，并在技术革新的进程中，起到工作效率和产品质量的双重提升。本文通过对运动力学的解析，辅之以机械结构设计要素的归纳和总结，有助于实现针对运动力学在机械结构设计中的应用态势的洞悉与掌握。

一、机械设计元素分类

1.1几何元素

机械结构设计往往需要保证设计的严谨性，任意相邻零件的契合度及设计的方位联系应当满足相应标准。这些往往需要保证设计流程中融入更多的几何元素，因为各类机械零件包含多面，在设计流程中设计人员应当充分分析考虑，以保证各个接触点面位置均能达到设计规定。

1.2关联元素

虽然已针对单一零件设计存在的不足进行有效分析，但在现实运作过程，零件之间的关联性往往更需要关注问题所在。而且针对不同零件的功能面的关联问题，往往是机械构造设计流程中直挂重要的一环。而一般在机械设计流程中，传统零件的关联可包含两类：（1）零件的直接关联；（2）零件的间接关联；在设计流程中应当完整考虑其中问题，在具体关联设计流程中应当着重于关注如何将各个零件功能面关联存在的间隙减少，并且最大程度降低摩擦几率，以达到减少功能损失问题。

二、运动力学在机械结构设计中的必要性

如何在技术层面上保证机械结构设计的安全性与高效性，需从技术理论层面上来进行研究。就目前来看，市场对于机械设备的要求不仅局限于传统的静态力学原理，还需要将动态力学理论进行综合分析。特别是在力矩呈现非线性变化的情况下，更应分析其相应的运动力学。因此将运动力学合理运用于机械结构设计中是未来机械结构设计的主要发展趋势。特别是计算机技术高度发展的今天，在三维仿真与模拟中运动力学也得到广泛的应用与开发。

三、运动力学在机械结构中的设计准则

3.1满足力学要求的设计准则

在进行机械产品结构设计过程中，必须要考虑到材料力学、弹性力学、疲劳力学等相关的力学准则，并在此基础上，通过相应力学的强度计算法则，实现设计合格化的机械产品，积极引用在生产活动中。在运动力学的物理学术体系中，疲劳力学便是一个值得参照的对象。由于其与轴承、齿轮及轴的使用寿命等存在直接关联，因此在设计过程中，研究人员会依据不同机械零件的载荷变化，实现力学计算的灵活化处理，实现产品结构的优化，并延长机械产品的使用寿命和利用周期。由于零件的截面尺寸的变化，能带动其内应力变化适应能力的提高，使各截面的强度相等。而按等强度原理设计的结构，材料才能得到充分利用，提高经济效益。

3.2创新机械结构的设计理念

机械结构创新设计活动大体是指采用机械结构设计变元法，通过针对机械结构设计中相关因素的遴选和改变，以实现机械结构在实用层面上的技术革新和理念创新，以便满足应用上的诸多需求。在这种呼之欲出的科研背景下，创新型结构在便利性和经济性等多方面上均能优于传统设计结构的主要原动力，就是近年来推出的变元法。这种机械结构的设计法则主要包括多种装配原理，例如数量变元、材料变元、位置变元及装配联接变元等，在变元中实现机械结构设计方案的革新，并在数学模型的引导和助推下，计算和测试其结构性能，便能选择出最优化的机械结构设计。

四、运动力学用于机械结构设计的运用

4.1运动力学用于机械结构设计的运用方向

运动力学用于机械结构设计主要体现在两点，（1）对于零件关联设计流程中，关联方式并不仅局限于间接关联，也可以采取直接关联方式，两种方式无论在运用环境与技术方面也体现出更大的差异化。此外，设计流程中采用运动力学的环节也存在差异性，不仅需要得出力矩改变情况，还需要运算各类关联位置的摩擦及压力指标，确定各个节点零件材质挑选方向。这些重要指标的计算与分析往往需要按照运动力学的原理进行，运动力学还能为零件的材料选择及部位调整带来一定的参考价值；（2）在机械使用过程中的损耗原因需采运动力学思想及技术和摩擦损耗原理，常规表现为多样性损耗特征，利用运动力学理论能参考运动做功流程算出对应的损耗指标参数，并按照损耗情况完成预估工作，在损耗区域完成科学配置，达到合理取材的目标。例如在日常锻炼中的一些小区运动器材，很多就是运动力学与机械结构设计的结合，典型例子就是室外漫步机，其中活动连接处以轴承进行连接，轴承形状表现为圆形，其优势是减少活动过程的磨损，达到运动效果，这也是能轻松通过室外漫步机完成运动量不大的行走锻炼。

4.2运动力学在机械结构中的设计准则

在设计机械结构过程中，应当满足力学要求，将力学准则如弹性力学、材料力学、疲劳力学等内容充分考虑在内，并以此为基础，采用相关计算力学强度的法则来设计出合格的机械产品。在运动力学的物理学术体系中，一个较为重要的参照对象为疲劳力学，加上疲劳力学直接关系着机械齿轮、轴和轴承的使用性能及使用寿命。在进行设计时，设计人员应当结合各类机械零件的荷载情况来灵活处理力学计算，以有效优化机械结构产品，并有效延长机械结构产品的利用周期及使用寿命。因为零件截面尺寸发生变化，可促使零件内应力变化，提高其适应能力，实现各截面强度相等。而机械结构设计时采用等强度原理进行设计的，则能充分利用材料，提升机械结构产品的经济效益。

4.3运动力学用于机械结构设计的运用价值

考虑到一般静态力学往往难以达到当下市场对机械设备的需求，对机械构造设计而言，也往往体现出更多的动态力学研究流程。一旦出现力矩非线性改变，就需要采用运动力学的理念进行研究。在机械构造设计流程中，酌情选择运动力学作为设计辅助，也是未来设计改革的重点，随着信息化技术的普及，运动力学的三维模型构建与仿真技术也得到拓展与运用。

结束语：作为一门基础学科，物理的主要目标就是服务于公众，服务于社会，为人民生活带来更多的便利。而运动力学作为物理学科中较为重要的章节，也应当体现出其关键性的价值，其在机械设备设计流程中较为多见，机械日常工作流程也是一个动态运动的过程，相对静态力学，其对机械设计运用将会带来更高的契合度，保证设计的科学性与合理性。

参考文献

[1]王永利，上官林宏，刘永跃.ANSYS软件在机械结构优化设计中的应用[J].机械制造与自动化，2015，03：116-119.

[2]卫江，王胜.运动力学在机械结构设计中的应用[J].无线互联科技，2015，15：61+66.