在产品设计中，力学是一个非常重要的理论支撑，对物流装备设计，更是如此。力学原理的应用是产品设计的基础，不仅可以帮助设计人员优化产品性能，提高产品的品质，避免盲目设计和重复设计，提升设计的科学性和效率，而且对于产品设计的合理性、经济性、安全性等都具有重要的意义。可以说，如果没有力学的支撑，很多的设计将不合理，甚至无法实现。

一、力学能解决什么问题

在大学的课程设计上，力学是一门一级学科。所包含的内容非常广泛。如理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、板壳力学、空气动力学、流体力学、振动力学、计算力学、实验力学、结构力学等。是一门专业性非常强的应用科学。作为工程应用，力学主要解决机械设备和产品中的应力、变形、稳定性、抗震（动态性能）、疲劳等多方面的问题。其中，材料力学是最基础的力学课程，是产品设计人员必须掌握的基础知识。

 

对设计人员来说，产品的力学性能是首先要考虑的问题。包括设备的强度、刚度、稳定性等。例如，在堆垛机设计中，堆垛机结构的承载能力、动态性能、整体稳定性、速度、加速度等是否能达到设计指标，只有通过力学分析才能给出结论。通过力学分析，设计人员可以优化立柱、横梁、载货台、货叉等关键部件的结构，以确保堆垛机在运行过程中的安全性。此外，力学还可以帮助设计人员优化结构拓扑，减少结构重量，提升产品的力学性能，以及增加产品的稳定性和使用寿命等。

二、材料力学与结构力学

材料力学和结构力学是工程设计中用得最多的力学知识。其研究的对象主要包括杆、梁、板、轴、厚壁与薄壁结构等，这是工程应用中最常见的构件。

简单的产品可以通过简化后采用力学公式即可计算。例如，要计算杆件的应力，最简单的公式就是：δ=P/A，然后利用虎克定理δ=Eε，建立应力和应变的关系。很多静定结构都可以通过公式简单计算出其力学性能。但对于复杂结构，理论计算就显得力不从心，结构有限元分析就是专门解决力学计算的数值方法。也是当前工程应用中最常用的方法。

对于不具备力学知识的人来说，很多情况下是抱着试一试的态度。如汽车的超载。很多司机本着侥幸的心理，总是超载运行。其中有些人侥幸没有出事，但另外的一些人却为此付出了沉重的代价。由于路况的未知，加上材料的缺陷，即使在设计上考虑了安全系数，仍然难以适应复杂多变的客观实际。之所以侥幸没有出事，实际上是没有达到破坏的程度，但已经处于危险之中。

对于一般非力学专业的工程师来说，要掌握全部的力学知识非常困难。但材料力学和结构力学是基础课，也是必须要掌握的。

三、如何理解力学计算中的安全系数

力学作为一门实用性很强的应用科学，在计算产品的力学性能时，往往存在理论计算结果与实际产品之间的偏差。所以，在计算过程中，常常需要引入安全系数。而决定安全系数的大小，最直接的办法是通过实验验证。但实验只能针对比较简单的构件和工况，无法复制实际工况的完整过程，所以也存在偏差。

在机械设计计算中，把安全系数进行了分类。总计有7类安全系数需要考虑。

S1 零部件的重要程度；

S2 计算载荷、应力公式、计算模型的准确性；

S3 抗拉强度极限与其他失效形式强度之间的关系；如塑性材料，要考抗“拉强度极限/屈服点”的比值；对循环载荷，要考虑“抗拉强度极限/疲劳极限”的比值等；

S4 考虑应力集中；

S5 考虑截面尺寸增大的影响；

S6 考虑表面加工情况；

S7 检验质量；如成批产品的抽检的安全系数要高于全部零件检验的安全系数；

计算的安全系数，就是将以上7个方面的安全系数相乘，得到最终的安全系数。

在实际应用中，人们发现总会出现一些事故，除去外部条件发生根本改变外（如载荷变大、意外撞击等），其主要原因就是计算结果不能准确反映实际情况所造成。

四、哪些力学计算是必须的？

简单来说，力学研究的是各种构件在不同工况下的力学性能。但不同的产品对力学计算的要求是不同的。比如说，飞机的力学计算与汽车就完全不同。不仅仅是安全等级不同，所考虑的工况也不同。飞机除了要考虑一般的结构力学问题，还需要考虑空气动力学（如风洞试验），热力学（低温下的机械性能）等多方面的问题，而汽车对于碰撞的计算与实验是飞机所没有的。对物流产品来说，其重要程度无法与飞机相比。但还是要考虑很多的力学计算问题。如：堆垛机，应进行结构力学分析，除验证强度、刚度和稳定性外，对动态性能也要进行计算。货架除计算常规荷载下的力学性能外，在大多数情况下还要计算地震载荷下的力学性能。输送机、分拣机、提升机等设备的计算相对简单，但也要对应力、应变、稳定性进行分析，以确保设计的安全性。实际上，即使一台简单的拣选车或一个工作台，如果能够对其进行严格的力学计算，也会收获意外的结果。在我国，市场上很多民用产品，如书架、桌椅、门窗等，往往出现质量问题，究其原因，缺乏科学的力学计算和实验，是其主要原因。

五、结束语

力学计算对于机械产品设计的重要性毋庸置疑。一个好的产品，首先是符合力学要求的。通过力学计算，不仅可以保证设计的安全性，而且具有显著的经济效益。一项最直接的效益是可以优化产品的重量，从而为轻量化设计提供可能。产品的轻量化，不仅可以减少材料的使用（如货架钢材），还可以减少上下游相关产品的材料的使用。一个最简单的例子是，如果堆垛机的自重减少，其电机功率就会减少，机械性能就会提升，并且对基础的要求就会降低等。还有好多其他方面的好处。一个好的产品，它所带来的效益是多方面的。力学对于设计创新也至关重要，通过了解结构的力学性能，一方面可以完善设计，使设计的产品符合使用要求。另一方面，力学分析对于新材料的选择具有指导意义，很多创造发明正是因为有力学的指导，才得以实现。当前，各行各业都在深度内卷，物流装备行业也是如此。如何告别过去的粗犷发展模式，进入到一个精益化和自主创新发展模式，力学将发挥至关重要的作用。

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