探讨运动力学在机械结构设计中的应用

探讨运动力学在机械结构设计中的应用

赵越凡 郑志勇 陈彦龙

河北机电职业技术学院 054000

摘要：运动力学研究的是物体的运动规律。这一理论在诸多领域中都有应用，在机械结构设计中也有着非常重要的应用。就此展开了讨论，通过对机械结构运动力学分析，从而优化结构设计特点和设计要素，详细阐述了其在机械结构设计中的具体应用。

关键词：结构运动学；机械结构优化；机械结构应用

引言

近年来随着我国“一带一路”不断发展，对我国机械制造业产生了较大的影响。在我国经济转型现状下，我国机械制造业须依靠技术改革和技术创新。利用智能机械替代现有人力，从而极大地提高企业的生产效率。机械结构优化是涉及内容较为复杂，设计人员必须具有较强的运动学分析能力及丰富的设计经验。在设计过程中需遵循以下设计原则。

1运动力学在机械结构设计中应用的原则

1.1力学原则

在运用运动力学时，研究人员在设计过程中须遵循理论力学、材料力学、结构力学等基本原理。例如，在结构设计中，充分利用结构力学知识等；在材料选择方面，合理运用材料力学知识。以材料力学知识的应用为例，在应用材料力学进行设计的过程中，改变材料的不同属性及零件的机械特性，会使零件产生不同程度的形变。究其原因，原材料的变形程度是由原材料的属性及机械特性所决定。例如，在机械加工过程中，最常见的连接部件，如销钉、螺钉、铰链等连接部件的变形属于剪切变形的范畴。因此研究人员在机械结构设计时应充考虑分剪切力对连接类部件的的影响。设计者只有充分了解机械结构的组成材料，结合其机械特性，并充分考虑每个零件的运动特性，从而实现机械产品的优化设计，构建一个完美的机械结构。

1.2创新原则

机械结构的研究及设计应充分把握创新原则。在整个过程中，重点应集中在结构设计的概念创新上。研究人员需在满足产品基本使用要求的条件下，对材料选择和结构模式进行创新性的尝试，以追求高性能机械产品为根本目的。在设计过程中，研究人员需要灵活运用仿真模拟技术，创建产品的虚拟数字模型来辅助创新设计，以达到控制创新成本的目的。需要着重注意的是，在创新的过程中必须遵循基本的机械原理。违反原理的机械设计是没有任何实用价值的。

1.3创新性引入新型材料

随着我国科技的进步，新型材料和工艺不断涌现。设计人员应及时学习了解相关新型材料的知识及特性，充分利用新型材料的特点，尝试性地优化机械结构设计，以保证新材料的优势得到充分发挥，提高机械结构的效率，延长使用寿命。尤其是新材料的力学性能应该得到充分考虑，从而对机械结构设计的各个环节得到的深入优化。

2机械运动学在结构设计中的应用

2.1正确分析机械结构

在进行机械结构设计的开始，设计者不仅要对其核心部件及整体架构构思出设计图纸，更重要的是对组件进行计算机建模。在建模过程中，设计师首先需要设计出图纸，从而建立基本的计算机模型。通过建立计算机模型的可以快速判断机械结构是否合理，同时能实现先关零部件的应力、干涉、运动等检测，从而确保机构运动合理性。在应用计算机建模的过程中，设计师能够快速调整机械模型，并通过重复进行计算机模拟从而保证机械结构的精确行、机械结构的正确运动。

2.2优化机械结构

之所以将机械运动学应用于机械结构设计，主要优点是由于通过运动力学可以实有效优化机械结构，提高其合理性，并有助于有效降低成本，提升效益。因此，在进行设计的时候，设计师可以先进行机械设备基本设计，而后再针对重点零部件以及零部件的结合部位，进行相应的疲劳强度计算，从而保证保证设备在实际环境中运转状态满足设计要求。另一方面，设计师也需重点关注机械零件的空间安装合理性，尤其是大型机械设备，在进行检修过程中，如果相机械零件所需拆装空间不合理，就会不可避免造成零部件损坏。从而造成零部件损耗率较高，同时会给维修人员的维修工作带来大量的不便，或者直接导致无法对其进行及时维护维修，从而对整个产线造成影响。通过利用机械运动学相关设计知识，设计人员可以对损坏频率较高的机械零件进行优化。主要可以从以下两方面入手，第一，尝试调整材料的耐磨强度；第二，通过提高该部分零件检修频率，从而减少该零部件故障时长，提升设备在线运行时长。另外，在设计过程中，设计人员还需重点关注动力传输零件，其在机械结构中的属于基础零件，如链轮、丝杆、皮带轮等，在运行过程中用易发生撞击，零件故障率相对较高。因此，设计师需要条此类零件的结构强度，优化其结构设计，从而降低故障率，提高设备整体在线运行时长。

2.3减少设备零部件损耗

在运动过程中机械零件之间存在机械摩擦，造成不可避免损耗。通常情况下这种损耗是无法完全杜绝的。所以，作为设计师，应当有效利用运动力学理论，通过合理设计尽量减少摩擦损耗，从而提高机械结构的运行寿命。因此，再设计过程中，充分考虑零部件的运动情况，进行机械运动学分析，建立计算机模型，量化分析零部件结构的磨损情况，合理确定其损耗系数，同时提高设备维护的合理性，从而最大限度减少零部件的结构损耗。针对精密机械通常使用计算机建模，并进行机械动力学分析。以常见的活塞式隔膜泵的曲轴滑块机构为例，通过对磨损零部件建立计算机模型，对其磨损故障进行模拟，进一步建立有限元模型进行动力学有限元分析，得到其磨损部件运动情况结果。

2.4运动力学在零部件链接中的应用

机械结构中包含许多不同种类的部件，部件与部件之间的联系是不同的，因此链接方法的功能和效果也不同。设计人员应遵循相关力学理论，科学有效地确定各个零件之间的连接方式，避免连接方式的不正确，而导致机械结构整体功能的失效。例如，在机械结构设计中，需要考虑测量扭矩的变化，计算不同连接处的压力和摩擦力，再根据分析选择零件的连接方式。一般来说，每个组件至少有两个链接部件，在考虑其连接方式之前，有必要分析各个部件的材料特性、机械特性及表面质量等，并提高配合精度。随着部件数量的增加，其结构越复杂，精度要求越高，研究人员须考虑各种影响因素。

结语

目前，我正处于产业结构转型升级的关键时期。注重智能自动化生产、控制生产成本和解放劳动力是转型升级的根本目的。在此种背景下，机械产品的需求势必会大大增长。在运用力学原理在机械结构设计中过程中，应坚持市场化原则，以市场需求为导向，创新设计目标和方向，优化和升级机械产品。

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