鄭麗萍+張延平

[摘 要]機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器產(chǎn)品的物化，也是機(jī)器功能實現(xiàn)的載體。本文從經(jīng)驗設(shè)計、理論設(shè)計和模型設(shè)計討論了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。結(jié)合理論力學(xué)原理、材料力學(xué)原理、彈性力學(xué)原理、疲勞力學(xué)原理、流體力學(xué)原理、熱力學(xué)原理、摩擦學(xué)原理、聲學(xué)原理、智能原理和目前的新物理原理，分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械結(jié)構(gòu)；設(shè)計方法；設(shè)計原理；智能化

中圖分類號：TH111 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0175-01

一、引言

從18世紀(jì)以來，機(jī)器逐步代替人力勞動，用于做功或轉(zhuǎn)換能量。做功的機(jī)器不僅大大提高了勞動生產(chǎn)率，而且很好地保證和提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。由于機(jī)器實現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換，人們發(fā)明了多種多樣的工作機(jī)械，提高了人類的生產(chǎn)水平，改善了自己的生活條件。機(jī)器的設(shè)計是由具體的機(jī)構(gòu)物化為實體的產(chǎn)品，以提供用戶所要求的使用功能。因此，機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的重要一環(huán)，在機(jī)械設(shè)計課程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計也是非常重要的教學(xué)內(nèi)容。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，應(yīng)“勤于學(xué)習(xí)、善于思考、勇于探索、敏于創(chuàng)新”，以偉大的接納之胸懷學(xué)習(xí)前人成果，并以開拓的精神實現(xiàn)偉大的創(chuàng)造。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計不是具體案例的機(jī)械堆砌，而是有其內(nèi)在的知識基礎(chǔ)、設(shè)計的方法和物理原理。本文擬從機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和設(shè)計原理兩個方面，討論機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)在知識和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的基本途徑，但本文不討論機(jī)械制造工藝性對機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法

1.經(jīng)驗設(shè)計。從現(xiàn)代科學(xué)誕生以來，機(jī)械科學(xué)與技術(shù)已有300年的歷史。機(jī)械的連接結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)等已經(jīng)積淀有汗牛充棟的實踐案例，但如何掌握這些案例的基本原理和設(shè)計方法，而不是記憶這些案例的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，這是經(jīng)驗設(shè)計中的關(guān)鍵。具體的產(chǎn)品設(shè)計，例如車床，其結(jié)構(gòu)設(shè)計可以參考前人的設(shè)計圖紙，這對于提高設(shè)計效率，汲取前人經(jīng)驗、避免犯前人的錯誤具有實際意義。通過借鑒前人的經(jīng)驗，可以吸收他人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法，同時也拓寬了自己的設(shè)計思路。隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)和搜索方式的更新，對他人的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)習(xí)將更加方便。經(jīng)驗知識是結(jié)構(gòu)設(shè)計的寶貴財富，也是公司的知識資產(chǎn)。通過對國內(nèi)外同類型專利知識的學(xué)習(xí)，也是一條提升自己結(jié)構(gòu)設(shè)計能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識產(chǎn)權(quán)?！肮湃藗飨聛淼膶W(xué)問，就是裝在船里的貨物?，F(xiàn)在的新潮流、新趨勢，就是行船的風(fēng)。”在學(xué)習(xí)他人的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新點的基礎(chǔ)上，設(shè)計者應(yīng)有自己的革新與發(fā)明、自己的創(chuàng)造。

2.理論設(shè)計。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論方法，討論的是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設(shè)計、復(fù)合化設(shè)計、分級結(jié)構(gòu)設(shè)計、載荷均布性設(shè)計和變結(jié)構(gòu)設(shè)計。隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)可靠性和概率設(shè)計等方面的發(fā)展和具體應(yīng)用，機(jī)械結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計方法也在不斷的推陳出新。

模塊化和組合化設(shè)計。一臺機(jī)器總體是由提供不同功能的結(jié)構(gòu)單元有機(jī)的組合而成，因此模塊化的以及模塊之間的組合化就是早期的方法之一。在復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備中，模塊化和組合化的設(shè)計理念是有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，同時也是機(jī)械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設(shè)計概念；我國的組合化機(jī)床的設(shè)計在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)取得了很大的成功。模塊化和組合化，一般是按功能單元、結(jié)構(gòu)單元來劃分模塊，然后組合起來成為一臺機(jī)器。

復(fù)合化設(shè)計。復(fù)合化的基本特點就是將兩個或兩個以上的功能零件組合成一個部件或構(gòu)件來設(shè)計，其功能可以是運動功能、承載功能等。例如，組合凸輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計就是將兩個凸輪設(shè)計成一個零件；一根連桿在組合結(jié)構(gòu)中同時作為兩個或兩個以上機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件。復(fù)合化方法可以降低機(jī)械的制造成本、減輕機(jī)器的重量、縮小機(jī)器的尺寸和降低產(chǎn)品的成本。

分級結(jié)構(gòu)設(shè)計（層次化設(shè)計）。復(fù)雜的制造設(shè)備是由分級的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，大功能層次的結(jié)構(gòu)是由若干個分功能結(jié)構(gòu)組成。層次化不僅是功能樹結(jié)構(gòu)的要求，而且也是制造工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。例如，床頭箱由多個輪系組成，而每個輪系又由次一層次的系統(tǒng)組成。復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計，例如組合挖掘機(jī)的設(shè)計，集推土機(jī)和挖掘機(jī)的功能在一起，而共用一個動力系統(tǒng)，在執(zhí)行系統(tǒng)處分開。層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在構(gòu)想分級結(jié)構(gòu)階段，能夠幫助設(shè)計者厘清思路，從而找出結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點，集中解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點問題。

載荷均布性設(shè)計。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，希望載荷分布均勻，充分發(fā)揮材料的機(jī)械力學(xué)性能或者取得降低最大載荷的目的。例如，修形齒輪的設(shè)計、對數(shù)滾子的設(shè)計，為了取得接觸應(yīng)力的均布，從而修形零件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。行星齒輪減速器的設(shè)計也體現(xiàn)了載荷均布性的設(shè)計理念，從機(jī)構(gòu)運動學(xué)來看只需一只行星齒輪；然而從受力平衡、承載能力和提高齒面的抗磨損來說，三只行星齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計更好。

變結(jié)構(gòu)設(shè)計。機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新常常采用變結(jié)構(gòu)的方法，變結(jié)構(gòu)可以改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能，例如，非圓連接形式的成形連接、曲柄滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計變?yōu)檗D(zhuǎn)動導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計。變結(jié)構(gòu)可以改變實現(xiàn)功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設(shè)計。變結(jié)構(gòu)也可以降低機(jī)器的設(shè)計成本，例如利用死點的桌面支承設(shè)計。

3. 模型試驗設(shè)計。相似模型試驗設(shè)計?；跈C(jī)器物理模型的相似，運用相似科學(xué)理論，對于大型的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行模型試驗設(shè)計。通過模型結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗分析，獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性、并預(yù)測機(jī)器的工作性能。模型相似的設(shè)計方法已在工程領(lǐng)域有廣泛的運用，例如大型水輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過制造大型水輪機(jī)組的模型，測試試驗?zāi)Ｐ偷墓ぷ餍阅芤约捌淇煽啃缘戎笜?biāo)，優(yōu)化水輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法不是一成不變的，而是隨著人們的發(fā)明和新的科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)，在日新月異地發(fā)展，不斷出現(xiàn)新的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，同時對前人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行革新。

三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計必然要依據(jù)技術(shù)科學(xué)的原理，例如：理論力學(xué)原理、材料力學(xué)原理、彈性力學(xué)原理、疲勞力學(xué)原理、流體力學(xué)原理、熱力學(xué)原理、摩擦學(xué)原理、聲學(xué)原理、智能原理和一切可能的新物理原理。這里討論以上各種原理在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，以期總結(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的常用原理，討論機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理在今后結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中的可能性。

理論力學(xué)原理。理論力學(xué)是機(jī)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)理論，對于機(jī)器的運動學(xué)和動力學(xué)分析，得到的結(jié)構(gòu)必然反映到機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中來。例如，軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)的設(shè)計，其動力學(xué)及其穩(wěn)定性的設(shè)計，要求修改軸承的設(shè)計和軸的鋼度設(shè)計。

材料力學(xué)原理。機(jī)械零件的強(qiáng)度和鋼度設(shè)計是基于材料力學(xué)理論的，強(qiáng)度或鋼度不足時，就需要修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如，齒輪輪齒接觸強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計，當(dāng)齒面接觸強(qiáng)度不足時就要求增大小齒輪的分度圓直徑；當(dāng)齒根彎曲強(qiáng)度不夠時就要求增大齒輪的模數(shù)。

彈性力學(xué)原理。彈性力學(xué)分析是零件應(yīng)力應(yīng)變計算的基礎(chǔ)，例如滾動軸承中滾子修形的設(shè)計，基于彈性力學(xué)的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，常常用到彈性力學(xué)理論。

本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和設(shè)計原理出發(fā)，分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本知識和設(shè)計準(zhǔn)則。毋庸置疑，機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造工藝性對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的決定性。筆者認(rèn)為，今后的機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中仿生設(shè)計和智能化是發(fā)展的重要方向。

參考文獻(xiàn)

[1]石坤，宋俐，師俊平.界面元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合部問題中的應(yīng)用[J]. 中國機(jī)械工程. 2012（11）

[2]李四超，張代國，張強(qiáng).機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性計算方法[J]. 艦船科學(xué)技術(shù). 2011（05）