我们首先对机械的一些基本概念关系进行梳理,并考虑机械系几门基本学科的关系。
机械是机器或者机构的统称,而机器是由机构组成的,因此机构是机械的重要研究对象。(实际上,机械原理就是专门研究机构的设计和分析的学科)
机构是由多个构件通过运动副连接而形成的一种相对可动系统,因此构件以及运动副是机构的基本元素。
构件是由多个零件通过焊接,粘接,铆接,螺纹连接等形成的不可动的系统,因此零件是机械的最基本研究对象。(实际上,机械设计就是以零件为研究对象,研究其分析和设计的学科)
零件包含像齿轮,链轮,带轮,凸轮,轴这样的传动件,以及像螺钉,螺母,螺栓,平垫圈,弹簧垫圈这样的标准件,还包括由方管,圆管,方钢,圆钢,工字钢,槽钢,角钢等型材和板材构成的机架等结构件。
这些零件在机器中,总会受到力的作用,当受力较大时,它们可能会发生较大的变形,甚至断裂。如果发生了断裂,小则影响到局部,大则使得整台机器失效。因此研究这些构件的变形和断裂就成为机械设计很重要的问题。
研究变形,在力学里面称为刚度问题;研究断裂,在力学里面称为强度问题。所以,强度问题和刚度问题是力学研究的两个重要问题。
前面多提到的零件,种类很多,但是如果从几何尺寸方面来考虑,我们则可以把他们分为以下几类:
第一类:杆类零件。所谓杆类零件,是指在零件的三个尺寸中,有一个尺寸远大于另外两个尺寸。在几何里面,它可以用线段来表述,而在机械里面,它表现为轴,螺钉,螺栓,销钉,方管,方钢,圆管,圆钢,槽钢,工字钢等零件。
第二类零件,板类零件,是指在零件的三个尺寸中,有一个尺寸远小于另外两个方向的尺寸。在几何里面,可以用面来表述它。而在机械里面,它表现为机器的外壳,齿轮,链轮,带轮,平垫圈,弹簧垫圈,以及一些起连接作用的板件。
第三类零件,块状零件,是指三个尺寸都差不多的零件。在几何里面,用体来表述。一般不属于杆和板类的零件,都可以看成是块状零件。
针对上述三类零件的强度和刚度问题,分别有相应的学科来研究它们。
研究单根杆件的强度和刚度问题的学科,称为材料力学。而研究由多根杆件组成的结构(如桁架,刚架,框架)的强度和刚度问题的学科,称为结构力学。材料力学是机械系,土木系,力学系最重要的力学课程,而结构力学是土木系最重要的力学课程,也是该系的考研专业课。
研究板类零件的强度和刚度问题的学科,称为板壳力学。很多压力容器都需要考虑受力下容器的强度问题,所以它是过程装备与控制专业的重要力学基础课程。
研究块状零件的强度和刚度问题的学科,称为固体力学。固体力学是力学系的重要力学基础课程。
另外,一个零件在受力时会发生变形,如果在撤掉外力以后变形可以完全恢复,所发生的变形就称为弹性变形;如果发生的变形不能完全恢复,所发生的变形就称为塑性变形。在弹性变形范围内研究任意几何体的强度和刚度问题的学科,称为弹性力学;而在塑性变形范围内研究任何几何体的强度和刚度问题的学科,称为塑性力学。
材料力学主要是针对单根杆件,在弹性变形范围内考虑其强度和刚度问题。
以上就是机械系几门基础学科关系的小结。
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