淺談理論力學(xué)在機(jī)械領(lǐng)域上的應(yīng)用

[復(fù)制鏈接]

liufei0368

電梯直達(dá)

1^#

發(fā)表于 2019-3-22 21:26:06 | 只看該作者 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式

相信各位群友對(duì)理論力學(xué)都不陌生，想當(dāng)年大學(xué)時(shí)候這門課是我們機(jī)械專業(yè)學(xué)分最高的一門課，學(xué)起來超級(jí)吃力，傳說也是最容易掛科的一門課。工作前兩年做非標(biāo)設(shè)計(jì)，最多用了一些材料力學(xué)里面的知識(shí)，計(jì)算軸類、板類零件的彎矩扭矩值，通常也都是用有限元分析軟件算算。然后大部分時(shí)間都在使用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，查公差，螺釘，螺母，彈平墊等重復(fù)性的技術(shù)工作，因?yàn)楫a(chǎn)品大體類似，我就照葫蘆畫瓢跟著別人，別人怎么畫我也怎么畫，反正最后修修補(bǔ)補(bǔ)都裝上了，定位精度，重復(fù)定位精度也都通過檢測(cè)調(diào)整滿足使用要求了。但上一段工作中都從未涉及過理論力學(xué)里面的知識(shí)，可能也是上一份工作做得產(chǎn)品對(duì)質(zhì)量沒有特別苛刻的要求吧。

下面說我第二份工作，也是目前所從事的航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在這里工作更偏重研發(fā)，主要工作就是寫設(shè)計(jì)方案報(bào)告，偶爾也具體設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的試驗(yàn)工裝。在這份工作中，工作重點(diǎn)即在產(chǎn)生想法和創(chuàng)意，而不是之前具體按照別人的想法來畫圖外協(xié)投產(chǎn)加工了。在航天器設(shè)計(jì)過程中，至少要經(jīng)歷四個(gè)階段，分別是可行性論證階段、方案階段、初樣研制階段，正樣研制階段。其中，我主要負(fù)責(zé)可行性論證和方案階段的工作。針對(duì)客戶任務(wù)需求，開展多種載荷和平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)優(yōu)選工作，判斷其難點(diǎn)和資源成本周期等等，進(jìn)而進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并完成原理樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)工作。

啰里啰唆那么多，下面來講這篇文章重點(diǎn)，即理論力學(xué)在機(jī)械領(lǐng)域上的應(yīng)用。在這里，我們把航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)作為機(jī)械領(lǐng)域里面的一個(gè)分支。我主要針對(duì)日常工作中所接觸的航天器設(shè)計(jì)來展開描述。航天器顧名思義就是在外太空領(lǐng)域按照一定軌道繞行星飛行的飛行器。最近比較火的電影《流浪地球》里面的國(guó)際空間站就屬于航天器里面的一種低軌飛行器。一般按照軌道高度可將航天器分為低軌，中軌和高軌衛(wèi)星。這些衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)是滿足牛頓定律的，即這些航天器要想脫離地球引力，必須達(dá)到第一宇宙速度(7.9Km/s)才能成為衛(wèi)星繞地球飛行。這也是為什么火箭發(fā)射速度那么大馬赫了，將是為了最終能將這些航天器推送到第一宇宙速度以上。那么問題來了，第一宇宙速度只是讓航天器成為繞地球飛行的低軌衛(wèi)星，那中高軌衛(wèi)星是怎么達(dá)到那么高軌道高度呢？

這里分為兩種情況，第一種是火箭上面級(jí)直接將航天器推送到高軌高度，而且能達(dá)到相應(yīng)的宇宙速度；第二種情況是航天器靠自身軌道機(jī)動(dòng)從低軌爬升到高軌。貌似越寫越偏，下面馬上回到正題，航天器在機(jī)動(dòng)變軌時(shí)是滿足理論力學(xué)里面的動(dòng)量定理的，在太空中沒有重力壞境下，外力作用基本為零，若想讓航天器產(chǎn)生變軌的速度，則通常采用將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為推力器的反向推力的機(jī)械能，這個(gè)時(shí)候?qū)σ粋€(gè)大質(zhì)量的剛體來說，其推力作用方向相對(duì)于整星質(zhì)心位置就非常重要。同時(shí)，航天器作為一個(gè)具有機(jī)動(dòng)能力的飛行器，其常常會(huì)調(diào)整其自身姿態(tài)，那么對(duì)于一個(gè)剛體而言，其各軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值得大小直接決定了其自身調(diào)整姿態(tài)的難易程度。因此作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師需要對(duì)其飛行器自身結(jié)構(gòu)重量分布具有把控能力。

在航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)到一些艙門閉合、太陽雙翼展開等動(dòng)作，這些動(dòng)作常常有是剛體平面運(yùn)動(dòng)分析里面的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析，由此來計(jì)算整個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中軌跡包絡(luò)，確保軌跡包絡(luò)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)無設(shè)備物理遮擋等問題。

總而言之，在機(jī)械工程領(lǐng)域，尤其是機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，理論力學(xué)中平面匯交力系、剛體平面運(yùn)動(dòng)，動(dòng)量動(dòng)能定理是解決機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案階段，機(jī)構(gòu)內(nèi)構(gòu)件受力情況，機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況的基礎(chǔ)和核心。