精密机械和仪器都是由若千个构件组成的。在外力的作用下,构件尺寸及形状总会有不同程度的改变,这种改变称为变形。变形可分为弹性变形和塑性变形。撤去外力后，会随之消失的变形称为弹性变形;当外力超过一定限度,撤去外力后仍有残留变形的称为塑性变形。零件的强度和刚度是指材料在外力作用下抵抗破坏和变形的能力。本章主要以几种简单常用的构件为例,针对变形的产生原理及其影响,介绍精密机械中构件的强度、刚度、应力分析的基本概念和方法。
1强度
所谓强度是指构件抵抗破坏的能力,以保证零件不会断裂或有明显的塑性变形。如果机床主轴受载荷过大而发生断裂,则整个机床就无法使用,因此,强度计算是精密机械零件设计非常重要的内容。
2刚度
所谓刚度是指构件抵抗变形的能力,以保证零件在受力时所产生的弹性变形在允许的限度内,使零件能正常工作。构件在外力作用下引起的变形不能超过工程上许可的范围。如果机床的主轴和车身的刚度不够,将影响其加工精度,还会产生过大的噪声;如果房屋构件的刚度不够,会使居民缺乏安全感。
3受力与变形
3.1 力的分类
机构或精密机械零件工作时,其各部分均受到力的作用,并将其在相互之间传递。这些作用在构件.上的力又称为负载。力的分类方式主要有以下几种。
(1)按力的来源，可分为主动力和约束反力。一般而言,主动力是载荷,约束反力是被动力,其作用是阻止物体因受载而产生的运动趋势。
(2)按力的作用范围,可分为集中力和分布力。
若外力分布范围远小于物体的表面尺寸,或沿杆件轴线分布范围远小于杆件轴线长度,则可将外力简化为作用于一点的集中力,如火车轮对钢轨的压力、滚珠轴承对轴的反作用力等，其量纲是[力],国际单位是N (牛)。
所谓分布力,是指作用于物体表面或物体内各点的力,可进一步分为线分布力、表面力和体积力。有些分布力是沿杆件轴线作用的,如楼板对屋梁的作用力,可将其简化为分布在梁轴线上的线分布力,其量纲简化为[力]/[长度],国际单位是N/m(牛每米);表面力是指连续作用于物体表面的较大范围内的力,例如，液体对容器的压力;其量纲是[力]/[长度]2，国际单位是N/m2(牛每平方米);所谓体积力,是指连续分布于物体内各点的力,例如，物体的自重和惯性力等,其量纲是[力]/[长度]* ,国际单位是N/m3(牛每立方米)。
(3)按力与时间的关系,可分为静载荷和动载荷。
所谓静载荷,是指载荷由零缓慢地增加到终值,然后保持不变或变化不明显的载荷。例如,缓慢放置于基座上的仪器,对基座而言施加的是静载荷。
所谓动载荷,是指随时间发生显著变化的载荷。按其变化方式又可分为交变载荷、冲击载荷等。交变载荷是指随时间呈周期性变化的载荷，如齿轮转动时,每-一个齿上受到的啮合力都是随时间呈周期性变化的;冲击载荷是指在瞬时施加于物体的载荷，如锻造时，气锤与工件的接触是在瞬间完成的,工件和气锤受到的均是冲击载荷。
3.2 弹性体
在研究刚体的静力学时,人们忽略了物体的变形,将其抽象为刚体。但是实际上,任何物体受力后都将发生尺寸和形状的改变,这种变化包括弹性变形和塑性变形。工程应用中,绝大多数物体的变形都被限制在弹性范围以内,这时的物体称为弹性变形体,简称为弹性体。
为建立弹性体的力学模型,对弹性体作如下假设。
(1)连续性假设认为组成弹性体的物质毫无空隙地充满了弹性体的整个几何空间。实际上,组成弹性体的粒子之间存在着空隙,但这种空隙与弹性体的尺寸相比极其微小,可以忽略不计。于是,可认为弹性体中的物质是连续的。这样,弹性体中的力学量和变形量都可以表示成坐标的连续函数。
(2)均匀性假设认为弹性体内各点处的力学性能是相同的。依此假设，从弹性体内部任何部位所切取的微单元体,都具有完全相同的力学性能。同时,通过大尺寸试样测得的材料性能,也可用于弹性体的任何部位。
(3)各向同性假设认 为弹性体沿着不同方向具有相向的力学性能。大多数工程材料尽管在微观上不是各向同性的,如金属材料,其单个晶粒的力学性能具有方向性,但弹性体中包含的晶粒数量极多,且随机取向,因而在宏观上表现为各向同性。具有这种各向同性的弹性体称为各向同性弹性体。沿不同方向具有不同的物理和力学性能的弹性体,称为各向异性弹性体。
3.3 弹性变形
在工程应用中,应将变形控制在零件设计时要求和允许的范围内,此时零件的变形一般属于弹性变形。按照变形的特征可将弹性变形分为:拉伸及压缩变形,如链条、带、桁架的拉杆(或压杆)、立柱等发生的变形;剪切变形,如受剪力的螺钉、铆钉发生的变形;扭转变形,如传动轴发生的变形;弯曲变形,如各种梁发生的变形。这几种变形均为简单变形,是变形的基本形式。有些零件工作时承受比较复杂的负荷,例如拉伸(或压缩)与弯曲联合作用、弯曲与扭转联合作用等,可能同时产生两种或更多种变形,这样的变形称为复杂变形。
