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试析在机械结构设计中运动力学的运用
摘要：在很多领域中都应到了运动力学，即对物体的运动规律的研究，机械结构设计的应用体现更为显著。基于以上原因，对机械结构的设计特点及设计要素进行了阐述，并对运动力学在机械结构设计中的应用准则展开了探讨，对于运动力学在机械结构设计中的具体应用进行了深入研究。
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机械结构设计是一项复杂的工作。运动力学对机械结构设计具有理论指导作用。在机械结构设计不断创新的背景下，研究人员也在深入研究运动力学理论，以此希望优化机械结构设计，提升机械结构设计质量。
1、机械结构设计特点及设计要素
1.1 机械结构设计特点
机械结构设计具有以下特点：一体化设计。机械结构设计思考、绘图、计算等工作是统一的、紧密相连的。这就意味着机械结构设计的工作量比较大，出现的问题比较多，设计人员若想保证机械结构设计的质量，就要深入探讨整个机械结构设计过程，尽可能地保证每一个设计环节都能准确、完善。涉及的问题比较多，且具有复杂、多解的特征。比如，对于同一个设计，可以制定多个设计方案。作为设计人员，应充分发挥自身的主导作用，从中选择最佳的设计方案，保证机械结构设计的质量。活跃性最强。在机械设计中，需要对方案不断地修改、优化、完善，以满足设计要求。这一过程是非常繁琐、复杂的。
1.2 设计要素
在机械结构设计中，必须要考虑各种设计要素，保证机械结构设计符合要求。但是，设计人员也应当充分认识到，在机械结构设计中，涉及的理论、技术要素非常复杂，需综合考虑各种影响因素，保证机械结构设计方案的合理性。首先，在机械结构设计中要考虑几何要素。相对来说，机械结构设计是一项非常精密的工作，各部分之间的咬合、位置、距离都需要经过精心设计。在这一过程中，必须要考虑几何要素、科学设计机械零部件的面，并充分考量各零部件的接触设计。其次，在机械结构设计中要充分考虑联结要素。设计人员不仅要对单个零件的设计进行分析，更要充分考虑不同零件之间的联接问题，尤其要科学地设计不同零部件之间的功能面联接方法。另外，在机械结构设计中，不同零部件之间的联接包括直接联接、间接联接两种。在直接联接的设计中要充分考虑其功能面之间的缝隙问题，确保功能面之间的摩擦力最小，在间接联接中则要充分考虑联动轴设计。最后，材料要素。材料选择对机械结构设计的影响非常大，尤其是在一些易磨损的部位，必须要选择耐磨损、质量好的零件，保证机械设备的运行效率。
2、运动力学在机械结构设计中的应用准则
2.1 满足力学设计要求
满足力学设计要求，具体来说，是在机械结构设计中充分考虑弹性力学、疲劳力学等力学准则，以便提升机械结构设计的科学性。其中，疲劳力学与轴承、齿轮、轴的使用寿命有着密切的联系。在具体设计中，设计人员需要充分考虑机械零部件的荷载变化，并灵活处理力学计算结果，优化产品结构，延长机械产品的使用寿命。同时，在这一过程中，设计人员还需充分考虑零部件截面尺寸的变化，保证其内应力能灵活变化、各截面强度能相等。这样就可保证材料能得到充分利用。如在阶梯轴、悬臂支架的结构设计中，其截面强度都是相等的。阶梯轴、悬臂支架的结构设计如图1所示。
图1阶梯轴、悬臂支架的结构设计
2.2 不断创新设计理念
就目前来看，大部分机械结构设计多应用机械结构设计变元法，即对机械结构设计的相关要素进行优化、筛选，保证能将最新的设计理念、方法应用到机械结构设计中。所以，在现代化背景下，要继续加大机械结构设计理念的创新，不断优化机械设计方法。
2.3 积极引入新材料
随着我国科学技术的发展，新材料、新工艺不断出现。在这一背景下，设计人员更要尝试引入新材料，并依据新材料特性优化机械结构设计，从而保证能充分发挥新材料的优势，提升机械结构质量，延长机械结构的使用寿命。尤其是充分考虑新材料的力学性质，深入优化机械结构设计的每一个环节[1]。
3、运动力学在机械结构设计中的具体应用
3.1 应用步骤
运动力学应用是一个系统性的工程，涉及的要素、环节非常多，需要机械结构设计人员充分掌握运动力学基本理论，并在此基础上进行机械结构设计的论证、实验，从而选出最优的机械结构设计方案。其具体应用步骤包括：
首先，整体分析运动力学设计策略。在应用运动力学时应当从整体入手，确定设计策略，而后再进行分支应用模型的构建。这样可以规范、有效地应用运动力学。在形成整体策略时，设计人员应先充分考虑运用整体策略想要达到的目的，并形成一个比较模糊的设计概念。需要注意的是，对于精密度要求比较高的机械结构设计，还需充分应用微积分计算、模糊计算等运算方法，将运动力学灵活应用到机械结构设计中。这样，设计人员就可以基本确定机械结构尺寸、占用空间。随后，就可以科学地选择应用材料，并分析机械结构在运动中发生的参数变化情况。
其次，确定机床结构。对于重要零部件的设计应当在图纸上给出理论阐述，在实际组装中保证其能顺畅对接。实现这一目标的前提是科学设计机床结构，因为机床是制作各种关键零件的主要工具，科学设计其结构可以保证重要零部件的设计、制作质量，还可以在冲压过程中对重要零部件进行力学分析，并通过适当地改变机床结构，进行重要零部件结构力学的试验。在这一过程中，设计人员还应当保证设计图纸与实物对应，避免实物存在偏差，无法完成预期设计目标的现象。
再者，应当合理设计机械结构各部件及总体结构形式功能。对机械总体结构、形成、机器功能进行设计，充分彰显出运动力学在机械结构设计中的应用优势，并保证机械结构部件功能、性质等在较小物理碰撞下仍能正常运行。比如机械结构设计空间较小，可通过设计使部件更换变得更加简单、方便。以齿轮、皮带等损耗性部件为例，应当在保证其机构合理的前提下，用小齿轮代替皮带，这样可延长机械结构的使用寿命。另外，在这一过程中还应充分考虑运动力学理论，合理设计机械运动方式。
最后，应结合运动力学理论，进行机械结构设计结算，对其结械结构进行优化。设计人员一定要充分掌握相应的计算方法，如可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）、数控系统、运动控制对应的逻辑算法。以N轴联动机械手算法为例，设计人员应当充分计算臂关节、轴关节等所遵循的运动方程，并结合弹性力学、流体力学等，考虑各关节所承担的任务，并以此为基础确定其设计形状，然后结合热变形、受力情况等因素确定形状、位置、尺寸。
3.2 运动力学在零部件链接中的应用
机械结构包含的零部件非常多，且不同零部件之间的链接方式并不相同。不同链接方式的作用、效果也是不相同的。所以，设计人员应当充分依据运动力学理论，科学确定不同零部件之间的链接方式，以免零部件的链接方式不正确，导致机械结构整体功能无法发挥。
如在机械结构设计中，需要考虑观测力矩变化，计算不同联接点之间的摩擦力、压力，从而选择零部件的链接方式。一般来说，每个零部件至少有两个与其相连的零部件。在考虑其链接方式时，需认真分析其材料热处理方式、尺寸、精度、表面质量等。同时，还需计算其联结精度、尺寸等。需要注意的是，随着其关联零部件个数的增多，其结构就越复杂，精度就越高。设计人员应从大局出发，考虑各种影响因素。
3.3 在零部件损耗中的应用
机械结构的零部件非常多，且所有零部件都能顺畅对接。在机械结构的运动中，各零部件也会运动。并且，在相互运动中，零部件会发生摩擦，出现损耗。最重要的是这种损耗是无法杜绝的。所以，设计人员只能结合运动力学理论，尽量减缓零部件之间的损耗，延长机械结构的使用寿命。
具体来说，要结合零部件的运动情况、运动力学理论，精确计算零部件结构的损耗情况，并确定其损耗系数，然后从零部件材料、保养等方面入手，降低零部件结构的损耗。这种方法在精密度比较高的机械结构中应用最为广泛。以往复式活塞隔膜泵的曲柄滑块机构为例，若其零部件出现磨损，可建立含间隙隔膜泵磨损故障时的动力学分析模型，并结合力学特性，对其磨损故障进行非线性分析，然后再通过计算其动力学方程，得到其磨损部件运动的结论。接下来，在此基础上制定针对性的故障处理、保养措施。总之，运动力学在机械结构零部件的损耗中也有着非常广泛的应用[2-3]。
4、结语
运动力学理论知识对机械结构设计有着非常重要的指导作用，设计人员应当充分了解运动力学理论知识，并依据相应的准则开展机械结构设计。同时，还应按照一定的步骤进行机械设计，最重要的是要在零部件链接、零部件损耗中应用运动力学理论知识，指导其设计工作。
参考文献:
[1]陈冲.运动力学在机械结构设计中的应用[J].赤峰学院学报:自然科学版,2017,33(19):62-64.
[2]乔栋.解析运动力学在机械结构设计中的应用[J].绿色环保建材,2016(8):59.
[3]胡晓芳.解析运动力学在机械结构设计中的应用[J].山东工业技术,2015(16):258.
宫立忠.探讨运动力学在机械结构设计中的应用[J].现代盐化工,2020,47(1):62-63.
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理论力学是一门理论性较强的专业技术基础课。它是研究力学中最普遍、最基本的规律，是后续力学课程的重要基础[1]。受力分析是理论力学教学中极其重要的教学内容，是学好其它力学课程的根基。倘若这部分内容掌握不好，就不利于后续理论力学内容和其它力学课程的顺利学习。受力分析在中学和大学物理课程中已经学习过，学生有些基础。
2020-07-08
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期刊名称：力学学报
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
邮发代号： 2-814
创刊时间：1957年
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2020-04-25
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