运动力学中机械结构设计应用探析

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摘要：运动力学是研究物体运动规律的，通常指的是物体的运动.随着现代运动力学理论的不断延伸发展，其在很多领域已经有了比较深入的应用.基于此，在本文的研究中，主要对运动力学在机械结构设计中的应用进行论述，并结合一些实际机械设计案例，对运动力学的应用价值和作用进行分析，希望可以对相关机械结构设计领域对运动力学的科学运用起到一定的参考和启发作用.

关键词：运动力学；零部件链接；机械结构；设计应用；疲劳力学

机械结构设计过程中，会运用很多原理，其中运动力学原理发挥着非常重要的理论指导作用.在物理学的很多力学实验中，运动力学也是受到很多研究人员重视和关注的.可以说，运动力学作为机械科学与物理学科的一种连接纽带，通过科学合理的应用运动动力学，对于机械结构设计的改良和优化，具有十分有价值的指导意义.机械机构设计质量和效率的提升，离不开运动力学理论的支撑.因此，本文通过对运动力学进行深度解析，并将机械结构设计的要素进行系统归纳总结，结合一些实际案例，对运动力学在机械结构设计中的应用问题进行分析.

1机械结构设计在应用中的技术要素

机械结构设计是机械工艺技术革新的重要技术手段，而在结构设计中很多关键技术要素，正是决定机械机构设计水平的基础.运动力学在机械结构设计中，不仅要实现关键技术要素的改良优化，并且在设计工艺、生产效率方面也要得到提升.机械机构设计在几何层面、理论原理层面，要遵循精密设计技术的原则指导，保证零部件之间实现精细紧密的咬合，并保证咬合力得到一定程度的提升.在机械机构运动过程中，咬合力能够随着机械零部件的转动，而实现动态的变化，保持同机械运动作业要求相符合的力度要求.机械结构设计中要对不同的面进行优化，通过应用运动力学原理，保证每一个不同的面上的用力、收礼以及摩擦阻力等，在机械设备运转的过程中，达到和动态平衡变化.

2运动力学在机械结果设计中的应用

运动力学在机械结构设计中，有着很高的应用价值.从当前的实践应用情况来看，其价值主要体现在如下两个方面：

2.1在机械结构零部件的链接方面

机械结构设计过程中，会用到很多零部件，而对零部件的链接，不同的链接方式，其效果和作用也不相同.例如，应用较多的零部件链接模式，间接链接和直接链接.在实际运用时，会出现相差较大的表现.不过在运动力学的核心指导思想上，机械结构设计中的关键要素在根本上是相同的.例如，很多机械结构，通过观测力矩的不同变化，然后计算不同联接点之间的摩擦力和压力，根据这些数据就可以合理的选择零部件的链接方式，并对零部件的材料选择、工艺制作等，提出更加的科学建议.运动力学在精确计算下，能够为机械零部件的指标性选择，提供更加有力的理论支撑.在一些工业机械设备中，常见到由于动力输出、链接方式的不恰当，容易导致结构整体功能发挥不出来，或者是动力传输效率低下，这些都与运动力学的运用情况有关，合理的运动力学应用设计，能够提高机械设备的运作效率.对于减少不合理的动力输出减损，提高传输效率，有着很重要的作用.

2.2指导合理解决零部件的损耗

机械结构包含丰富的零部件，机械结构整体作用的发挥，主要是依靠零部件的运动实现的.而在对机械零部件进行操作环节，由于各种零件之间会产生摩擦，所以摩擦损耗几乎是不可避免的.在这种情况下，运动力学的原理和理念，就可以发挥非常重要的指引作用.通过借助运动力学的机械运动理论，根据机械机构中的零部件在摩擦运动中的实际做功情况，可以比较精确的计算不同结构部位的损耗系数.机械结构设计如果掌握了各种零部件比较精确的损耗系数，则会在零部件的材质选择、调试保养方式方面，进一步提高水平，从而降低机械结构的损耗程度，延长使用寿命.在一些比较重要的精密机械结构中，例如，医疗设备、分析仪器等，里面往往有一些容易损耗的材料，如果相关的结构的力学设计不合理，会导致局部作用力的偏大失衡，其结构就是导致一些抗磨性较差的部件发生损坏，从而影响实际使用效果.因此，通过对运动力学应用的科学分析，梳理每一个结构部件的运动力学应用情况，对存在问题的，要进行调整优化.

3机械结构设计中，运动力学的常用设计准则

3.1要能够满足力学的各方面综合要求

机械结构的设计，是一项比较复杂、系统的工作，而在设计过程中，很多地方运用到运动力学原理以及其他方面的物理力学原理.这就要求在设计机械结构时，要综合考虑各种情况下，力学原理的使用准则.例如，对于在使用时，不断运动的机械结构，要考虑运动力学在不同结构部位运用是否合理，机械结构自身的强度、运转速度等，都会影响运动力学原理的最终表现效果.机械设备在运转作业时，不同的结构部位，其所受到的作用力不同，也会使得结构部件的抗疲劳性能发生变化，从这个角度来说，在研究运动力学应用的同时，也需要考虑到材料力学、疲劳力学以及其他可能发生的物理变化的，在综合各方面要求的基础上，通过合理的设计，发挥运用力学的综合指导作用，提高机械结构设计的合理性.

3.2创新机械结构的设计理念

运动力学在现代机械结构设计中，运用的方式方法在不断创新变化.而机械结构设计的理念，也要随着新的技术的应用突破，进行不断创新.机械结构设计中运用较多的设计理念，就是变元设计方法.变元设计理念的核心内涵就是定元、定向控制设计，找到影响结构设计的关键因素，并通过对变量的调整变化，设计好机械结构变化情况下运动力学适用模型.很多创新结构和新的结构模型，在使用过程中表现的效果非常好.运用运动力学，既要达到结构设计的科学合理，同时，又要保证机械结构设计使用的经济效益.在很多大型的机械设备运转时，有结构组织的变化，可能会导致结构部件之间的作用力发生变化，在这种情况下，定元、定向的设计方法，就能够控制好机械结构的关键程序，实现最优化的设计，减少不当的设计失误.

4运动力学在机械结构设计中应用的程序

运动力学的应用是一项比较复杂的系统过程，需要机械结构设计人员做到整体的把握，并且做好其他相关理论的论证和实验.在本文的研究过程中，通过对一些实际设计案例的分析，基本上总结出如下几个方面的设计步骤程序.

4.1形成运动力学设计的整体策略

运动力学的应用，要从结构设计大的方面确定整体策略.有了一个比较完善的整体策略，在全局观的视角下，形成运动力学在不同细小分支部件的应用模型.这对于设计者来说，首先在整体策略中，要考虑好哪些大的部件结构，需要运用运动力学，其运用的实际效果能够达到什么程度，这就需要形成一个比较模糊的设计形象概念.比较精密的机械结构设计，还需要运用一些科学算法，如数学模糊算法、微积分计算等，得到运动力学的设计应用参数范围.在这个基础上，设计者可以基本上确定机械结构设计的大小尺寸，占用空间等.尺寸设定好之后，需要对结构部件的材料进行选择，材料的确定，要考虑对应的力学参数，以及在结构运动过程中，参数的变化.

4.2对机床的结构方式进行确定

在机械结构设计过程中，一些重要的部位零部件，不仅要在图纸上进行理论论证说明，分析运用力学的应用逻辑，而且在实际结构部件组装时，还要能够顺畅对接.这就需要做好机床加工的结构布置方案.机床是冲压各种零部件的重要设备，在冲压过程中，会对一些关键的结构部位进行力度检验，运动力学运用是否合理，通过机床结构方式的变化，能够进行反复试验.所以，对于机械结构来说，运动力学的应用，必须要做到图纸与实物的顺畅对接，不能出现在设计图纸上论证可行的理论，而在实物机械结构中不能发挥作用的现象.机床的结构方式，同实际机械结构设备的设计模型要匹配，在运动力学原理的应用方法，机床内部的结构方式、动力作用传输、结构控制等，要做好设计科学，使用合理，这样才能够为机械结构的合理设计，提供良好的基础架构支撑.

4.3合理设定机械结构的各部件及总成结构形式功能

运动力学在机械结构运作时，要显示出其应用优势和特点，就需要对总体的结构形式机器功能进行合理设定.机械结构中的部件功能、性质，以及组合方式，要能够确保在发生一些较小的物理碰撞下，保持完好.各种组件的安装和拆卸，要考虑设计空间结构的便利性.例如，在内部空间结构比较小的情况下，一般耗材部件的更换，如果能够通过科学的设计，改变部件的一些形式，则会使得部件的更换变得省时省力.运动力学中常用的一些动力传输工具，例如齿轮、皮带、链条等，在这些传递部件中，皮带是比较容易损坏的.在考虑综合结构部件合理、性能达到要求的情况下，如果能够在设计中减少对皮带的使用，或者使用一些较小的齿轮代替，则会大大减小更换皮带的时间.这在实际机械设备施工作业中，往往会影响效率和实际作业质量.所以，对于机械结构设计中，很多部件更换问题，通过运动力学相关理论的融合与指导，变化动力、机械运动方式，保证其功能作用不受影响，这样才能够充分体现运动力学的应用价值.

4.4做好运动力学相关理论的计算校核

运动力学在机械结构设计应用方面，是需要进行比较复杂的计算和校核的.因此，对于设计技术人员一定要掌握必要的计算方法.例如支持PLC或数控系统或运动控制卡等这一类东西所需要的程序逻辑算法.举个简单的例子就是比如解决一只N轴联动的机械手的算法问题.需要考虑当臂关节平面移动，臂关节转动，肘关节平面移动，肘关节转动，腕关节转动，指关节摆动等一切运动所遵循的运动轨迹方程.要紧密联系物理现象的计算.比如静力学，运动力学，弹性力学，流体力学等.当设计某个零件时，首先要考虑这个零件所要承担或完成什么任务，再结合这些任务去确定这个零件的形状，确定形状和所需要满足的运动关系尺寸后再去针对这个零件的受力状态和受力性质以及材质同时考虑转速、热变形以及设计寿命等等诸多因素后到最后才能下手去确定各个部位的形状和位置尺寸.对于零件或部件加工或组装时候的工时以及各项工艺参数的计算，就比如制造某款设备，铁板下料部分需要进行铁板排料的计算.金加工部分对于不同的加工性质有不同的加工参数的计算以及不同的加工方法排列的计算，以及在这样的工艺参数下各个步骤所需要的加工时间的计算.

5结语

通过对运动力学的理论阐释及对其在机械结构设计应用中的使用角度和应用范围进行深度分析，便可得知运动力学对机械设计所具有的非比寻常的指导作用和干预影响.由于机械产品的使用在当今经济活动中，与运动设备之间的联系越发紧密，因此在机械结构的设计活动中，需要机械运动理论的深度化透析和研究，并且紧随市场需求的步伐，进行相应的技术改革与理念创新，为国家的机械制造业提供更为便捷的服务.

参考文献：

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作者:陈冲 单位:福州大学至诚学院