机械设计中的材料力学与疲劳分析

中国科技期刊数据库 工业C

2015年42期 113 机械制造中的机械设计技术分析 王进光 鲁西新能源装备集团有限公司，山东 聊城 252000 摘要：现今在机械制造行业中，机械设计时机械制造的前提基础，二者的关系是不可分开的，只有在经过机械设计工作后，机械制造流程才能得以开始，并且机械设计工作能够提高机械制造的质量、性能还有其生产效率，是机械制造产品的质量保证的前提。 关键词：机械制造；机械设计；技术分析 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)42-0113-02 1 我国机械设计与机械制造技术的发展现状 1.1 我国机械设计的发展现状 在机械制造业的传统制造过程中，机械设计人员根据原来的机械原理对机械构造、工作性能、力的传递以及其他零部件等相关因素进行重新构思，以原有的条件与设备作为基础进行机械设计。传统的机械设计以手工设计为主，采用封闭的收敛设计思维，经验类比设计形式，进行简单的设计构图和静态的计算分析，数据的准确性无法得到保证而采用增强安全性来解决。这种传统的机械设计方法一般产品开发周期较长，各部门之间工作不协调，获取信息的渠道少，机械设计的水平偏低。近年来，科学技术的发展为机械设计工作提供了有效的信息获取路径，形成资源共享的方式，有效避免了机械设计的误区，提高机械设计水平，缩短产品开发周期，加快机械制造业的发展。 1.2 我国机械制造技术的发展现状 在机械制造业的发展历程中，机械制造技术是从最原始的天然工具发展起来的，后来慢慢有了制造工具，从简单的手工制造发展到机床的使用，如今，科学技术的发展为机械制造技术水平的提高提供了良好的科技条件。现阶段的机械制造技术室先进机械制造技术的初级阶段，还保留着传统机械制造技术中的优势与精华，加上科学技术的力量支持，机械制造技术水平得到了质的提高，为整个机械制造业的发展提高了良好的基础，增强了机械制造业的社会效益与经济效益。 然而，我国的机械制造技术在发展中业存在着困难与挑战。在机械制造技术的管理方面，缺乏健全的计算机管理模式，无法对组织与管理体制的更新工作进行规范的管理；在机械制造的工艺上，我国没有成熟的精细加工、微细加工、高精密加工、激光加工等技术； 2 机械设计 所谓机械设计是指根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式，各个零件的材料和形状尺寸，润滑方法等进行构思，分析和计算并将其转化为具体的描述，以作为制造依据的过程。在机械领域发展越来越好的形势下，机械制造成为机械领域中中重要的组成部分。因此，有效的、合理的进行机械制造制作至关重要。然而，要想实现此目的需要保证机械设计的规范的进行，从而提高机械动态化水平，才能够实现机械制造合理而有效。一个好的机械设计必须有以下几个工作阶段构成。 （1）计划阶段在具体开展机械设计之前结合机械相关的资料进行设计是非常必要的。其目的是通过机械资料进行了解，从而合理的规划如何进行机械设计才能够保证机械的性能、安全、质量等方面能够符合规范性文件的要求，为后续进行具体的机械设计做好铺垫工作。 （2）方案阶段方案阶段是机械设计的关键部分，其主要进行的工作内容是详细的设计机械的每个部分，最终设计出完整的机械。但是，需要注意的是方案阶段所设计出的机械并不是最终定稿的设计方案。因为方案阶段仅是按照要求将机械设计出来，未涉及到设计方案检查相关的内容。 （3）技术设计阶段技术设计阶段需要进行的工作内容是结合总装配草图及相关技术性文件就机械设计方案中的设计部分进行优化和完善，最大限度的提高设计的合理性和有效性。由于在后续的工作中对机械设计方案改动的可能性较大，需要将此阶段设计完成的方案安全的保存，为后续工作做准备。 3 机械制造的技术分析 3.1 机械制造的主要工艺 随着科学技术的发展，当代的机械制造的技术涵盖的机械制造范围十分广泛，其中包括焊工和钳工等。当代的机械制造的焊接技术主要有：埋弧焊焊接技术和电阻焊焊接技术，其中埋弧焊是在焊剂的表层之下依靠燃烧的电弧完成构件的焊接工作，而电阻焊则是将所要焊接的物体牢固的压在正负电极之间，然后在电流的作用下使得被焊物品表面以及周围的物质发热，当热量积攒到一定程度之后就会融化被焊物质，进而将两种物质融合在一起的压力焊接方法；螺柱焊焊接技术，就是使螺柱的一端和管件或板件的表面紧紧连接在一起；进行焊接时除了涵节所必须使用的搅拌头，完全不需要其他的诸如焊剂和焊丝等物质的焊接方法称之为搅拌摩擦焊焊接技术；而使用电弧发热的焊接技术进行焊件的焊接技术称之为气体保护焊接技术。所有的全新焊接工艺的研究和使用，都是为了进一步促进我国的机械制造业的发展，保证我国的机械设计和制造在激烈的市场竞争中保持长久的竞争力，在残酷的市场淘汰体制下立于不败之地。 3.2 对于机械制造技术的特定分析 如今，机械制造技术在我国非常受重视，对于此，有几点重要的分析，首先，随着时代的进步，社会的发展，传统的机械制造技术已经无法满足对于现代机械产品的需要。所以，我们需要不断的跟新机械制造技术，在自己研究的基础上引进西方国家的先进技术，来改进完善我国的机械制造技术，从而发现我国的机械制造业。其次，机械制造已经越来广泛应用到人们的生产生活中了，我们需要大力开拓机械制造产品市场，来更好地发展机械制造业。还有就是，我们应该积极投身到机械制造的技术研究中去不应该满足于现状，停滞不前，应该将制造技术的范围扩大，用更加先进的制造技术和机械产品来实现机械产品的进一步发展。 3.3 针对现代机械产品的机械设计 现代的机械产品对于机械设计提出了更高的要求，而对于机械设计而言，其技术层面也发生了转变。 首先，对于产品的设计要求更加倾向于智能化。智能化的特点是利用现代化的设计手段，如CAD设计软件以及虚拟的设计技术对需要设计的产品进行模拟设计，并能够通过多媒体等对产品的性能、结构等进行模拟演示。其次是更加系统化。系统化要求是要将产品的每个部件的有机内在联系进行整合设计，并要求有一定的层次性，通过系统整体来完成设计任务。然后是模块化。模块化的设计理念较为简单，即将具有一定实现功能的模块进行组合，并实现产品的方案设计。最后是产品的特性设计。 4 我国机械制造技术的发展趋势 我国的机械制造技术发展方向主要从以下三个方面进行分析： （下转第 115 页） 中国科技期刊数据库 工业C

材料力学中的断裂和疲劳分析

在工程领域中，对材料的强度和耐久性进行评估和分析是至关重要的。而在材料力学中，断裂和疲劳分析是两个重要的研究方向。本文将从理论和应用两个方面，介绍材料力学中的断裂和疲劳分析。

首先，我们来介绍断裂分析。断裂是指在外部加载下，材料的破坏。断裂分析的目的是通过研究材料的断裂机制，预测和防止材料的破坏。断裂分析的核心是断裂力学，它通过分析应力场、应变场和裂纹尖端处的应力强度因子来揭示裂纹扩展的行为。

在断裂力学中，有两个经典理论被广泛应用：线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。线弹性断裂力学适用于处理材料的线弹性阶段，即只存在弹性变形，不发生塑性变形的情况。而弹塑性断裂力学则适用于材料同时发生弹性和塑性变形的情况。

对于断裂力学的研究，一个重要的参数是断裂韧性。断裂韧性是描述材料抵抗裂纹成长的能力，通常通过KIC来表示。KIC是裂纹尖端处单位断裂韧性的衡量指标，一般情况下，KIC越大，材料的抗裂纹扩展能力越强。断裂韧性的评估对于确保材料的可靠性和耐久性至关重要。

接下来，我们来了解疲劳分析。疲劳是指在循环加载下，材料经历应力的反复变化而引起的破坏。疲劳是材料工程中非常常见的一种破坏模式，因此对于疲劳强度的评估和分析也是非常重要的。

疲劳分析的核心是疲劳强度理论。常见的疲劳强度理论有极限应力理论、极限变形理论和能量理论等。这些理论通过对应力和应变历程的分析，确定了材料的疲劳强度边界，从而指导工程实践中的材料选择和设计。

除了理论研究，疲劳分析中还有实验方法。疲劳试验是评估材料疲劳性能的重要手段。通过在标准试样上施加循环加载，可以测定材料的疲劳寿命和疲劳强度。这些试验结果可以为工程实践中的疲劳分析提供可靠的参考。 近年来，随着计算机技术的快速发展，有限元分析成为疲劳分析的重要方法之一。有限元分析可以通过数值计算模拟材料在复杂载荷下的应力和应变分布情况，从而预测材料的疲劳寿命和破坏位置。这一方法不仅减少了试验成本和时间，还提高了分析的准确性和可靠性。

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PLC在机械设计中的应用分析

作者：申潇

来源：《数字技术与应用》2017年第10期

摘要：在了解PLC的应用价值及机械手系统运行、操作方式的基础上，从MCGS组态环境、功能设计等角度进行研究，旨在提高PLC在机械手、机械设计中的应用价值。

关键词：PLC；机械；应用分析

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）10-0010-01

目前，PLC技术在机械手开发方面应用较多，其中应用效果比较好的设备有三自由度机械手，除此之外，还有3D机器人等，这些设备均能够在3个方向上自由搬运物品[1]。使用PLC技术编写系统程序，不仅可以简化开发步骤，而且还能够丰富系统功能，为系统安全控制提供了一定安全保障[2]。本次研究选用PLC作为系统控制中心，在系统运行过程中起到协调作用，从而达到控制机械手搬运的目的。

1 机械手系统结构与运动方式

本文主要对三自由度机械手的结构与运行方式进行研究，该设备采用圆柱坐标类型，手臂沿着水平方向从左到右运行，通过伸缩步进电机实现上下控制。另外，设置设备底盘中直流电机的正转与反转实现机械手顺时针操作或者逆时针操作。该装置的关节结构利用气压驱动原理，完成松开与加紧动作，同时借助电磁阀进行控制[3]。

根据搬运需求编写相应程序，使得机械手以A为起点运动到B点，在垂直方向与水平方向上设置4个限位开关，并在终点位置与原点位置安装光接近开关。

2 PLC在三自由度机械中的具体应用分析

2.1 系统设计

本文设计的三自由度机械手系统采用的工作方式有两种，分别是自动工作方式、手动工作方式。前者又可以分为4种工作方式，包括单周期、自动回到起点、连续运行、单步运行。

系统硬件部分选用的是三菱FX2N系列中晶体管输出类型，将此类型PLC作为核心控制器，同时选取型号为SH-20403的步进电机驱动器进行驱动。如图1所示为机械手外部接线设计图。

机械结构设计中的受力分析

机械结构设计是机械工程领域内的一个重要分支，在虚拟仿真技术的支持下，越来越多的机械工程师开始重视这个领域。受力分析是机械结构设计的重要环节之一。机械结构在工作过程中承受着各种不同的力，如拉力、压力、剪力和弯矩等。了解机械结构在不同受力状态下的性能表现是机械工程师进行设计优化的关键，下面将从材料力学、力学和计算机仿真三个方面来详细阐述机械结构设计中的受力分析。

一、材料力学

材料力学是机械结构设计中的基础内容，主要包括材料的力学特性及其在不同受力状态下的表现。在机械结构设计中，材料的选择非常重要，一个好的机械结构需要选用适合的材料。材料选择需要考虑多个因素，如受力性能、成本、加工性能等。一般来说，材料的受力性能取决于其杨氏模量、屈服强度和断裂韧性等参数。

杨氏模量是衡量材料弹性能力的重要参数，可理解为材料在受力时的刚度。在机械结构设计中，强度往往是首要考虑的因素，然而杨氏模量也同样重要，决定着结构的整体刚度。可以通过拉伸实验测算杨氏模量。 屈服强度是材料最大可承受的破坏性质，也是衡量材料受力极限的一个指标。在力学中，常采用应力-应变曲线来描述材料受力时的表现。屈服强度对材料的设计承载能力以及结构的可靠性都有很大影响。

断裂韧性是材料对破坏的抵抗能力，即在材料受力过程中，材料被拉伸或压缩到断裂之前，所吸收的能量。断裂韧性对于材料受力状态的抵抗能力以及结构的缺陷容忍能力都有很大影响。

在机械结构的材料选择过程中，需要考虑到不同的受力状态，如拉力、压力、弯矩等，才能做出最优的选择。

二、力学分析

在机械结构设计中，力学分析是非常重要的环节。力学分析的目的是确定机械结构在不同受力状态下的性能表现，基于这些性能表现进行进一步的优化。常用的力学分析方法有静力学分析、模态分析和动力学分析等。

静力学分析主要是对机械结构在静止状态下的受力情况进行分析，包括计算机械结构的应力、变形和位移等参数。该分析方法对于机械结构的初步设计非常重要，可以帮助工程师找出机械结构的疲劳点和弱点，为后续的优化提供依据。