第一篇：機(jī)械動力學(xué)讀書報告

機(jī)械動力學(xué)讀書報告

一、機(jī)械動力學(xué)研究的內(nèi)容：

任何機(jī)械，在存在運(yùn)動的同時，都要受到力的作用。機(jī)械動力學(xué)時研究機(jī)械在力作用下的運(yùn)動和機(jī)械在運(yùn)動中產(chǎn)生的力，并從力與運(yùn)動的相互作用的角度進(jìn)行機(jī)械的設(shè)計和改進(jìn)的科學(xué)。

詳細(xì)的機(jī)械動力學(xué)研究方向可以分為以下六點(diǎn)：

（1）在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律；分析機(jī)械運(yùn)動過程中各構(gòu)件之間的相互作用力；研究回轉(zhuǎn)構(gòu)件和機(jī)構(gòu)平衡的理論和方法；機(jī)械振動的分析；以及機(jī)構(gòu)的分析和綜合等等。

為了簡化問題，常把機(jī)械系統(tǒng)看作具有理想、穩(wěn)定約束的剛體系統(tǒng)處理。對于單自由度的機(jī)械系統(tǒng)，用等效力和等效質(zhì)量的概念，可以把剛體系統(tǒng)的動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為單個剛體的動力學(xué)問題；對多自由度機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)問題一般用拉格朗日方程求解。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)方程常常是多參量非線性微分方程，只在特殊條件下可直接求解，一般情況下需要用數(shù)值方法迭代求解許多機(jī)械動力學(xué)問題可借助電子計算機(jī)分析計算機(jī)根據(jù)輸入的外力參量、構(gòu)件的慣性參量和機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息，自動列出相應(yīng)的微分方程并解出所要求的運(yùn)動參量。

（2）分析機(jī)械運(yùn)動過程中各構(gòu)件之間的相互作用力。這些力的大小和變化規(guī)律是設(shè)計運(yùn)動副的結(jié)構(gòu)、分析支承和構(gòu)件的承載能力以及選擇合理潤滑方法的依據(jù)。在求出機(jī)械真實(shí)運(yùn)動規(guī)律后可算出各構(gòu)件的慣性力，再依據(jù)達(dá)朗伯原理用靜力學(xué)方法求出構(gòu)件間的相互作用力。

（3）研究回轉(zhuǎn)構(gòu)件和機(jī)構(gòu)平衡的理論和方法。平衡的目的是消除或減少作用在機(jī)械基礎(chǔ)上周期變化的振顫力和振顫力矩。對于剛性轉(zhuǎn)子的平衡已有較成熟的技術(shù)和方法：對于工作轉(zhuǎn)速接近或超過轉(zhuǎn)子自身固有頻率的撓性轉(zhuǎn)子平衡問題，不論是理論和方法都需要進(jìn)一步研究。

平面或空間機(jī)構(gòu)中包含有往復(fù)運(yùn)動和平面或空間一般運(yùn)動的構(gòu)件。其質(zhì)心沿一封閉曲線運(yùn)動。根據(jù)機(jī)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用附加配重或附加構(gòu)件等方法全部或部分消除其振顫力，但振顫力矩的全部平衡較難實(shí)現(xiàn)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)構(gòu)平衡領(lǐng)域已經(jīng)取得較好的成果。

（4）研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能量的平衡和分配關(guān)系。這包括：機(jī)械效率的計算和分析；調(diào)速器的理論和設(shè)計；飛輪的應(yīng)用和設(shè)計等。

（5）機(jī)械振動的分析研究是機(jī)械動力學(xué)的基本內(nèi)容之一。它已發(fā)展成為內(nèi)容豐富、自成體系的一門學(xué)科。

（6）機(jī)構(gòu)分析和機(jī)構(gòu)綜合一般是對機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動而言，但隨著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的提高，機(jī)械動力學(xué)已成為分析和綜合高速機(jī)構(gòu)時不可缺少的內(nèi)容。

二、振動的分析

為了簡化問題，常把機(jī)械系統(tǒng)看作具有理想、穩(wěn)定約束的剛體系統(tǒng)處理。對于單自由度的機(jī)械系統(tǒng)，用等效力和等效質(zhì)量的概念，可以把剛體系統(tǒng)的動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為單個剛體的動力學(xué)問題；對多自由度機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)問題一般用拉格朗日方程求解。2.1單自由度系統(tǒng)振動

其中有：無阻尼自由振動、有阻尼自由振動、有阻尼受迫振動幾種，求解是分別帶入不同的方程。

2.2多自由度系統(tǒng)振動

多自由度系統(tǒng)振動有以下幾種方法：牛頓運(yùn)動方程（或達(dá)朗伯爾原理）、拉格朗日運(yùn)動方程、影響系數(shù)法、哈密爾頓原理、有限單元法。

動力減振器：在工程中，為減少振動帶來的危害，可以在主系統(tǒng)上裝設(shè)一個輔助的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。該輔助裝置與主系統(tǒng)構(gòu)成一個二自由度系統(tǒng)。該輔助裝置能使主系統(tǒng)避開共振區(qū)，并有減振效果，故稱為動力減振器。

模態(tài)矩陣正則化：將模態(tài)方程的模態(tài)質(zhì)量矩陣變?yōu)閱挝痪仃?，該坐?biāo)變換稱為模態(tài)矩陣正則化。

確定固有頻率與主振形的方法：矩陣迭代法、瑞雷(Rayleigh)法、鄧克萊(Dunkerley)法、傳遞矩陣(Transfer Matrix)法。

振型截斷法（Cut Off）：（1）對于自由度很大的系統(tǒng)，可以進(jìn)行自由度縮減，求解大模型的少數(shù)階（前幾階）模態(tài)。（2）對于外力隨時間變化較慢，系統(tǒng)初始條件中包含高階主振型分量較少的情況。2.3機(jī)械動力系統(tǒng)響應(yīng)的數(shù)值計算

歐拉法：歐拉法是取Taylor級數(shù)展開式的前兩項(xiàng)的解法，為了減少Taylor級數(shù)展開引起的誤差，可以取更高次項(xiàng)的Taylor級數(shù)。

線性加速度法:假定從時刻t→t+Δt時間的加速度直線變化。

紐馬克-β法:紐馬克法是線性加速度法的別名。β——調(diào)節(jié)公式的特性參數(shù)，0≤β≤1/2。往往固定采用β=1/6/或β=1/4。

威爾遜θ法：加速度在時刻t 到t+ θ Δ t內(nèi)為線性變化，首先計算[t，t+ θ Δ t ]區(qū)間近似解，但僅取其中前半部分(到時刻t+ Δ t為止)作為近似解，而舍去后半部分(時間t+ Δ t以后)。這種巧妙的處理方法并非出于物理的原因，而主要是數(shù)學(xué)的理由。

此外還有龍格——庫塔(RK)法。2.4彈性體振動

弦振動：在工程實(shí)際中常遇到鋼索、電線、電纜和皮帶等柔性體構(gòu)件，其共同特點(diǎn)是只能承受拉力，而抵抗彎曲及壓縮能力很弱，這類構(gòu)件的振動問題稱為弦的振動問題。其固有頻率與弦的密度、弦的長度、截面、張力等有關(guān)，因此，知道弦的基本參數(shù)，可以通過固有頻率可以計算張力，如鋼索斜拉橋斜拉索的張力的確定。

波動方程：2=22（均質(zhì)弦橫向振動的微分方程，又稱為波動方程）三種典型邊界條件：（1）桿的軸向振動；（2）桿的縱向振動；（3）圓軸的扭轉(zhuǎn)振動； 2.5ADAMS介紹

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。

2.5.1ADAMS基本模塊

用戶界面模塊(ADAMS/View)ADAMS/View是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一，采用以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，將圖標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、優(yōu)化設(shè)計、X－Y曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。

ADAMS/View采用簡單的分層方式完成建模工作。采用Parasolid內(nèi)核進(jìn)行實(shí)體建模，并提供了豐富的零件幾何圖形庫、約束庫和力/力矩庫，并且支持布爾運(yùn)算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函數(shù)。除此之外，還提供了豐富的位移函數(shù)、速度函數(shù)、加速度函數(shù)、接觸函數(shù)、樣條函數(shù)、力/力矩函數(shù)、合力/力矩函數(shù)、數(shù)據(jù)元函數(shù)、若干用戶子程序函數(shù)以及常量和變量等。

自9.0版后，ADAMS/View采用用戶熟悉的Motif界面(UNIX系統(tǒng))和Windows界面(NT系統(tǒng))，從而大大提高了快速建模能力。在ADAMS/View中，用戶利用TABLE EDITOR，可像用EXCEL一樣方便地編輯模型數(shù)據(jù)，同時還提供了PLOT BROWER和FUNCTION BUILDER工具包。DS(設(shè)計研究)、DOE(實(shí)驗(yàn)設(shè)計)及OPTIMIZE(優(yōu)化)功能可使用戶方便地進(jìn)行優(yōu)化工作。ADAMS/View有自己的高級編程語言，支持命令行輸入命令和C++語言，有豐富的宏命令以及快捷方便的圖標(biāo)、菜單和對話框創(chuàng)建和修改工具包，而且具有在線幫助功能。

22求解器模塊(ADAMS/Solver)

ADAMS/Solver是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是ADAMS產(chǎn)品系列中處于心臟地位的仿真器。該軟件自動形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項(xiàng)，以便精確有效地解決各種工程應(yīng)用問題。ADAMS/Solver可以對剛體和彈性體進(jìn)行仿真研究。為了進(jìn)行有限元分析和控制系統(tǒng)研究，用戶除要求軟件輸出位移、速度、加速度和力外，還可要求模塊輸出用戶自己定義的數(shù)據(jù)。用戶可以通過運(yùn)動副、運(yùn)動激勵，高副接觸、用戶定義的子程序等添加不同的約束。用戶同時可求解運(yùn)動副之間的作用力和反作用力，或施加單點(diǎn)外力。

ADAMS/Solver新版中對校正功能進(jìn)行了改進(jìn)，使得積分器能夠根據(jù)模型的復(fù)雜程度自動調(diào)整參數(shù)，仿真計算速度提高了30%；采用新的S12型積分器(Stabilized Index 2 intergrator)，能夠同時求解運(yùn)動方程組的位移和速度，顯著增強(qiáng)積分器的魯棒性，提高復(fù)雜系統(tǒng)的解算速度；采用適用于柔性單元(梁、襯套、力場、彈簧－阻尼器)的新算法，可提高S12型積分器的求解精度和魯棒性；可以將樣條數(shù)據(jù)存儲成獨(dú)立文件使之管理更加方便，并且spline語句適用于各種樣條數(shù)據(jù)文件，樣條數(shù)據(jù)文件子程序還支持用戶定義的數(shù)據(jù)格式；具有豐富的約束摩擦特性功能，在Translational, Revolute, Hooks, Cylindrical, Spherical, Universal等約束中可定義各種摩擦特性。

后處理模塊(ADAMS/PostProcessor)

MDI公司開發(fā)的后處理模塊ADAMS/Postprocessor，用來處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、顯示仿真動畫等。既可以在ADAMS/View環(huán)境中運(yùn)行，也可脫離該環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。ADAMS/PostProcessor的主要特點(diǎn)是：采用快速高質(zhì)量的動畫顯示，便于從可視化角度深入理解設(shè)計方案的有效性；使用樹狀搜索結(jié)構(gòu)，層次清晰，并可快速檢索對象；具有豐富的數(shù)據(jù)作圖、數(shù)據(jù)處理及文件輸出功能；具有靈活多變的窗口風(fēng)格，支持多窗口畫面分割顯示及多頁面存儲；多視窗動畫與曲線結(jié)果同步顯示，并可錄制成電影文件；具有完備的曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能：如均值、均方根、極值、斜率等；具有豐富的數(shù)據(jù)處理功能，能夠進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算、反向、偏置、縮放、編輯和生成波特圖等；為光滑消隱的柔體動畫提供了更優(yōu)的內(nèi)存管理模式；強(qiáng)化了曲線編輯工具欄功能；能支持模態(tài)形狀動畫，模態(tài)形狀動畫可記錄的標(biāo)準(zhǔn)圖形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm，*.avi 等；在日期、分析名稱、頁數(shù)等方面增加了圖表動畫功能；可進(jìn)行幾何屬性的細(xì)節(jié)的動態(tài)演示。

第二篇：機(jī)械動力學(xué)簡史

機(jī)械動力學(xué)簡史

一.動力學(xué)簡介

機(jī)械動力學(xué)作為機(jī)械原理的重要組成部分，主要研究機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的受力，機(jī)械中各部分構(gòu)件的質(zhì)量和構(gòu)件之間機(jī)械運(yùn)動的相互關(guān)系，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計的重要理論基礎(chǔ)。

一般來說，機(jī)械動力學(xué)的研究內(nèi)容包括六個方面：（1）在已知外力作用下求機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律；（2）分析機(jī)械運(yùn)動過程中各構(gòu)件之間的相互作用力；（3）研究回轉(zhuǎn)構(gòu)件和機(jī)構(gòu)平衡的理論和方法；（4）研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能量的平衡和分配關(guān)系；（5）機(jī)械振動的分析研究；（6）機(jī)構(gòu)分析和機(jī)構(gòu)綜合。其主要研究方向是機(jī)械在力的作用下的運(yùn)動和機(jī)械在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的力，并且從力和相互作用的角度對機(jī)械進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)的學(xué)科。

二.動力學(xué)的前期發(fā)展

人類的發(fā)展過程中，很重要的一個進(jìn)步特征就是工具的使用和制造。從石器時代的各種石制工具開始，機(jī)械的形式開始發(fā)展起來。從簡單的工具形式，到包含各類零件、部件的較為先進(jìn)的機(jī)械，這中間的發(fā)展過程經(jīng)歷了不斷的改進(jìn)與反復(fù)，也經(jīng)歷了在國家內(nèi)部與國家之間的傳播過程。

機(jī)械的發(fā)展過程也經(jīng)歷了從人自身的體力，到利用畜力、風(fēng)力和水力等，材料的類型也從自然中自有的，過渡到簡單的人造材料。整個發(fā)展過程最終形成了包含動力、傳動和工作等部分的完整機(jī)械。

人類從石器時代進(jìn)入青銅時代、鐵器時代，用以吹旺爐火的鼓風(fēng)器的發(fā)展起了重要作用。有足夠強(qiáng)大的鼓風(fēng)器，才能使冶金爐獲得足夠高的爐溫，才能從礦石中煉得金屬。中國在公元前1000～前900年就已有了冶鑄用的鼓風(fēng)器，并漸從人力鼓風(fēng)發(fā)展到畜力和水力鼓風(fēng)。早在公元前，中國已在指南車上應(yīng)用復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)。古希臘已有圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿傳動的記載。但是，關(guān)于齒輪傳動瞬時速比與齒形的關(guān)系和齒形曲線的選擇，直到17世紀(jì)之后方有理論闡述。手搖把和踏板機(jī)構(gòu)是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的先驅(qū)，在各文明古國都有悠久歷史，但是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的形式、運(yùn)動和動力的確切分析和綜合，則是近代機(jī)構(gòu)學(xué)的成就。

近代的機(jī)械動力學(xué)，在動力以及機(jī)械結(jié)構(gòu)本身來說，具有各方面的重大突破。動力在整個生產(chǎn)過程中占據(jù)關(guān)鍵地位。隨著機(jī)械的改進(jìn)，對于金屬和礦石的需求量增加，人類開始在原有的人力和畜力的基礎(chǔ)上，利用水力和風(fēng)力對機(jī)械進(jìn)行驅(qū)動，但是這也造成了很多工廠的選址的限制，并不具有很大的推廣性。而后來稍晚出現(xiàn)的紐科門大氣式蒸汽機(jī)，雖然也可以驅(qū)使一些機(jī)械，但是其燃料的利用率很低，對于燃料的需求量太大，這也使得這種蒸汽機(jī)只能應(yīng)用于煤礦附近。

瓦特發(fā)明的具有分開的凝汽器的蒸汽機(jī)以及具有回轉(zhuǎn)力的蒸汽機(jī)，不僅降低了燃料的消耗量，也很大程度上擴(kuò)大了蒸汽機(jī)的應(yīng)用范圍。蒸汽機(jī)的發(fā)明和發(fā)展，使礦業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、鐵路和航運(yùn)都得以機(jī)械動力化。蒸汽機(jī)幾乎是19世紀(jì)唯一的動力源。但蒸汽機(jī)及其鍋爐、凝汽器、冷卻水系統(tǒng)等體積龐大、笨重，應(yīng)用很不方便。

19世紀(jì)末，電力供應(yīng)系統(tǒng)和電動機(jī)開始發(fā)展和推廣。20世紀(jì)初，電動機(jī)已在工業(yè)生產(chǎn)中取代了蒸汽機(jī)，成為驅(qū)動各種工作機(jī)械的基本動力。生產(chǎn)的機(jī)械化已離不開電氣化，而電氣化則通過機(jī)械化才對生產(chǎn)發(fā)揮作用。

發(fā)電站初期應(yīng)用蒸汽機(jī)為原動機(jī)。20世紀(jì)初期，出現(xiàn)了高效率、高轉(zhuǎn)速、大功率的汽輪機(jī)，也出現(xiàn)了適應(yīng)各種水力資源的大、小功率的水輪機(jī)，促進(jìn)了電力供應(yīng)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展。19世紀(jì)后期發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過逐年改進(jìn)，成為輕而小、效率高、易于操縱、并可隨時啟動的原動機(jī)。它先被 fuqu用以驅(qū)動沒有電力供應(yīng)的陸上工作機(jī)械，以后又用于汽車、移動機(jī)

械（如拖拉機(jī)、挖掘機(jī)械等）和輪船，到20世紀(jì)中期開始用于鐵路機(jī)車。蒸汽機(jī)在汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的排擠下，已不再是重要的動力機(jī)械。內(nèi)燃機(jī)和以后發(fā)明的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展，還是飛機(jī)、航天器等成功發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)因素之一。

三.機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展過程

經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立為機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，兩次工業(yè)革命對機(jī)械動力學(xué)提出了要求，以及機(jī)械振動學(xué)和機(jī)械動力學(xué)理論的早期發(fā)展。

經(jīng)典力學(xué)是機(jī)械學(xué)科中很重要的理論基礎(chǔ)，同時也是機(jī)械運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)。經(jīng)典力學(xué)理論體系的創(chuàng)立和發(fā)展，在機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展方面做出了巨大的貢獻(xiàn)，另一方面，機(jī)械學(xué)和機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展直接相關(guān)的數(shù)學(xué)理論的發(fā)展也起到了極其重要的推動作用。

經(jīng)典力學(xué)、分析力學(xué)以及彈性力學(xué)等力學(xué)理論的進(jìn)一步發(fā)展，在機(jī)械的動力以及結(jié)構(gòu)發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。而微積分、微分方程理論、變分法、矩陣論和概率論等數(shù)學(xué)理論的發(fā)展更是將機(jī)械動力學(xué)推上了新的高度。世紀(jì)英國數(shù)學(xué)家漢密爾頓用變分原理推導(dǎo)出漢密爾頓正則方程，此方程是以廣義坐標(biāo)和廣義動量為變量，用漢密爾頓函數(shù)來表示的一階方程組，其形式是對稱的。用正則方程描述運(yùn)動所形成的體系，稱為漢密爾頓體系或漢密爾頓動力學(xué)，它是經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)的基礎(chǔ)，又是量子力學(xué)借鑒的范例。漢密爾頓體系適用于攝動理論，例如天體力學(xué)的攝動問題，并對理解復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動的一般性質(zhì)起重要作用。拉格朗日動力學(xué)和漢密爾頓動力學(xué)所依據(jù)的力學(xué)原理與牛頓的力學(xué)原理，在經(jīng)典力學(xué)的范疇內(nèi)是等價的，但它們研究的途徑或方法則不相同。直接運(yùn)用牛頓方程的力學(xué)體系有時稱為矢量力學(xué)；拉格朗日和漢密爾頓的動力學(xué)則稱為分析力學(xué)。動力學(xué)的基本內(nèi)容動力學(xué)的基本內(nèi)容包括質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)、質(zhì)點(diǎn)系動力學(xué)、剛體動力學(xué)、達(dá)朗貝爾原理等。以動力學(xué)為基礎(chǔ)而發(fā)展出來的應(yīng)用學(xué)科有天體力學(xué)、振動理論、運(yùn)動穩(wěn)定性理論，陀螺力學(xué)、外彈道學(xué)、變質(zhì)量力學(xué)，以及正在發(fā)展中的多剛體系統(tǒng)動力學(xué)等。質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)有兩類基本問題：一是已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，求作用于質(zhì)點(diǎn)上的力；二是已知作用于質(zhì)點(diǎn)上的力，求質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。求解第一類問題時只要對質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方程取二階導(dǎo)數(shù)，得到質(zhì)點(diǎn)的加速 度，代入牛頓第二定律，即可求得力；求解第二類問題時需要求解質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動微分方程或求積分。

而兩次工業(yè)革命也對于機(jī)械工業(yè)和機(jī)械科學(xué)的發(fā)展，尤其是機(jī)構(gòu)學(xué)和動力學(xué)的發(fā)展有很大的推動作用。第一次工業(yè)革命中蒸汽機(jī)車的發(fā)明和改進(jìn)以及當(dāng)時的機(jī)械發(fā)明，第二次工業(yè)革命的電氣時代中的汽輪機(jī)的誕生與發(fā)明，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明與進(jìn)步，一方面既是機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展成果，另一方面也推動了自己學(xué)科的進(jìn)步。此后機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展趨勢，逐漸朝著機(jī)械和機(jī)械和運(yùn)載工具的高速化和大功率化、機(jī)械的精密化、機(jī)械的輕量化、機(jī)械的自動化方向發(fā)展。

機(jī)械機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的發(fā)展，包括了震動理論的建立和發(fā)展，其中包括了線性理論和非線性理論等。轉(zhuǎn)子動力學(xué)的起步，包含剛性轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)、軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)的發(fā)展也是這一時期的重要理論進(jìn)步。而機(jī)構(gòu)學(xué)的建立，特別是理論運(yùn)動學(xué)的發(fā)展，在機(jī)構(gòu)學(xué)的德國學(xué)派和俄蘇學(xué)派中也有了長足的進(jìn)步。

在機(jī)構(gòu)的演進(jìn)和傳動機(jī)構(gòu)的演進(jìn)中，凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)的演進(jìn)，齒輪傳動、蝸桿傳動、鏈傳動和帶傳動、傳動系統(tǒng)的復(fù)雜化都為機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展提供了條件。

第二次世界大戰(zhàn)后科技的大發(fā)展為機(jī)械動力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了指導(dǎo)思想、方法和技術(shù)手段，機(jī)械工業(yè)的巨大進(jìn)步向機(jī)械動力學(xué)提出了新的要求，機(jī)械動力學(xué)在縱向形成為包括建模、分析、仿真、動力學(xué)設(shè)計與控制的綜合學(xué)科，在橫向形成了機(jī)構(gòu)動力學(xué)、機(jī)械傳動動力學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、機(jī)器人動力學(xué)、機(jī)床動力學(xué)和車輛動力學(xué)等多個分支領(lǐng)域。

系統(tǒng)論、控制論、和信息論的誕生，為機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展提供了新的指導(dǎo)思想、理論和

方法。電子計算機(jī)的發(fā)明，以及基于計算機(jī)的數(shù)值方法的進(jìn)步，為機(jī)械動力學(xué)提供了全新的技術(shù)手段和數(shù)學(xué)工具。非線性科學(xué)的誕生和非線性振動理論的發(fā)展，強(qiáng)烈地影響到機(jī)械動力學(xué)的各個領(lǐng)域，從線性理論提升理論是一個質(zhì)的飛躍?；谟嬎銠C(jī)計算的多體動力學(xué)的出現(xiàn)，為復(fù)雜系統(tǒng)的動力學(xué)建模與分析提供了新的理論和工具。信號分析理論和方法的進(jìn)步是機(jī)械振動測試手段、狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)以及故障診斷技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

從橫向的研究對象看，機(jī)械動力學(xué)中發(fā)展出機(jī)構(gòu)動力學(xué)、機(jī)械傳動動力學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、機(jī)器人動力學(xué)、車輛動力學(xué)、機(jī)床動力學(xué)等分析領(lǐng)域；從動力學(xué)的研究內(nèi)容看，機(jī)械動力學(xué)發(fā)展為動力學(xué)建模、動力學(xué)分析、動力學(xué)仿真、動力學(xué)設(shè)計、減振與動力學(xué)控制，以及狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等一系列領(lǐng)域的內(nèi)容豐富的綜合學(xué)科；

從動力學(xué)建模的對象看，Newton研究的事單質(zhì)點(diǎn)，Euler研究了單剛體，Lagrange啟動了多剛體系統(tǒng)的研究，而今天的機(jī)械動力學(xué)已發(fā)展到多彈性體系統(tǒng)、多柔性體系統(tǒng)的研究。從動力學(xué)的數(shù)學(xué)工具看，Newton在力學(xué)研究中發(fā)明了微積分，Lagrange使用了變分法，眾多學(xué)者在微分方程的定性分析和求解方面做出了貢獻(xiàn)。二戰(zhàn)后，動力學(xué)的計算逐步地、完全地實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)化；同時各種復(fù)雜的微分方程，包括袋鼠微分方程，剛性微分方程的數(shù)值方法也取得迅速發(fā)展。此外，機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展也離不開各類建模方法的多樣化。其中包含了多剛體系統(tǒng)的建模方法：Newton-Euler的矢量力學(xué)方法、Lagrange的分析力學(xué)方法和Kane的多體動力學(xué)方法；微幅振動彈性系統(tǒng)的建模方法：動態(tài)子結(jié)構(gòu)方法和傳遞矩陣法；驗(yàn)建模方法；柔體系統(tǒng)動力學(xué)的建模方法：彈性動力分析方法。

機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)建模的精細(xì)化則有，精細(xì)地估計系統(tǒng)的剛度、阻尼和摩擦 計入材料非線性 計入幾何非線性 關(guān)于沖擊振動的研究 復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)中多種物理場的耦合。

運(yùn)動學(xué)以及運(yùn)動學(xué)軟件的發(fā)展也至關(guān)重要，其中有ADAMS軟件和其他的有限元分析軟件，而虛擬樣機(jī)技術(shù)也起到了極大的作用。

四.動力學(xué)的未來展望

近代機(jī)械發(fā)展的一個顯著特點(diǎn)是，自動調(diào)節(jié)和控制裝置日益成為機(jī)械不可缺少的組成 部分。機(jī)械動力學(xué)的研究對象已擴(kuò)展到包括不同特性的動力機(jī)和控制調(diào)節(jié)裝置在內(nèi)的整個機(jī)械系統(tǒng)，控制理論已滲入到機(jī)械動力學(xué)的研究領(lǐng)域。

在高速、精密機(jī)械設(shè)計中，為了保證機(jī)械的精確度和穩(wěn)定性，構(gòu)件的彈性效應(yīng)已成為設(shè)計中不容忽視的因素。一門把機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械振動和彈性理論結(jié)合起來的新的學(xué)科——運(yùn)動彈性體動力學(xué)正在形成，并在高速連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的研究中取得了一些成果。在某些機(jī)械的設(shè)計中，已提出變質(zhì)量的機(jī)械動力學(xué)問題。各種模擬理論和方法以及運(yùn)動和動力參數(shù)的測試方法，日益成為機(jī)械動力學(xué)研究的重要手段。

第三篇：機(jī)械動力學(xué)作業(yè) 沈陽工業(yè)大學(xué)

機(jī)械動力學(xué)作業(yè)

1、機(jī)械動力學(xué)的研究內(nèi)容

機(jī)械動力學(xué)是一門基于Newton力學(xué)，研究機(jī)械系統(tǒng)宏觀動態(tài)行為的學(xué)科。該學(xué)科的研究對象包括幾乎所有具有機(jī)械功能的系統(tǒng)，其研究范圍涵蓋了這類系統(tǒng)的建模與仿真、動力學(xué)分析與設(shè)計、動力學(xué)控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等。該學(xué)科的主要任務(wù)是采用盡可能低的代價使產(chǎn)品在設(shè)計、研制、運(yùn)行各階段具有最佳的動力學(xué)品質(zhì)。

機(jī)械動力學(xué)是機(jī)械原理的主要組成部分。它研究機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的受力、機(jī)械中各構(gòu)件的質(zhì)量與機(jī)械運(yùn)動之間的相互關(guān)系，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計的理論基礎(chǔ)。研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能量的平衡和分配關(guān)系。主要研究的是：在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律 ；分析機(jī)械運(yùn)動過程中各構(gòu)件之間的相互作用力；研究回轉(zhuǎn)構(gòu)件和機(jī)構(gòu)平衡的理論和方法；機(jī)械振動的分析；以及機(jī)構(gòu)的分析和綜合等等。研究內(nèi)容概況6個方面：

1、在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律 ；分析機(jī)械運(yùn)動過程中各構(gòu)件之間的相互作用力；研究回轉(zhuǎn)構(gòu)件和機(jī)構(gòu)平衡的理論和方法；機(jī)械振動的分析；以及機(jī)構(gòu)的分析和綜合等等。

為了簡化問題，常把機(jī)械系統(tǒng)看作具有理想、穩(wěn)定約束的剛體系統(tǒng)處理。對于單自由度的機(jī)械系統(tǒng)，用等效力和等效質(zhì)量的概念，可以把剛體系統(tǒng)的動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為單個剛體的動力學(xué)問題；對多自由度機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)問題一般用拉格朗日方程求解。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)方程常常是多參量非線性微分方程，只在特殊條件下可直接求解，一般情況下需要用數(shù)值方法迭代求解許多機(jī)械動力學(xué)問題可借助電子計算機(jī)分析計算機(jī)根據(jù)輸入的外力參量、構(gòu)件的慣性參量和機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息，自動列出相應(yīng)的微分方程并解出所要求的運(yùn)動參量。

2、分析機(jī)械運(yùn)動過程中各構(gòu)件之間的相互作用力。這些力的大小和變化規(guī)律是設(shè)計運(yùn)動副的結(jié)構(gòu)、分析支承和構(gòu)件的承載能力以及選擇合理潤滑方法的依據(jù)。在求出機(jī)械真實(shí)運(yùn)動規(guī)律后可算出各構(gòu)件的慣性力，再依據(jù)達(dá)朗伯原理用靜力學(xué)方法求出構(gòu)件間的相互作用力。

3、研究回轉(zhuǎn)構(gòu)件和機(jī)構(gòu)平衡的理論和方法。平衡的目的是消除或減少作用在機(jī)械基礎(chǔ)上周期變化的振顫力和振顫力矩。對于剛性轉(zhuǎn)子的平衡已有較成熟的技術(shù)和方法：對于工作轉(zhuǎn)速接近或超過轉(zhuǎn)子自身固有頻率的撓性轉(zhuǎn)子平衡問題，不論是理論和方法都需要進(jìn)一步研究。

平面或空間機(jī)構(gòu)中包含有往復(fù)運(yùn)動和平面或空間一般運(yùn)動的構(gòu)件。其質(zhì)心沿一封閉曲線運(yùn)動。根據(jù)機(jī)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用附加配重或附加構(gòu)件等方法全部或部分消除其振顫力但振顫力矩的全部平衡較難實(shí)現(xiàn)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)構(gòu)平衡領(lǐng)域已經(jīng)取得較好的成果。

4、研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能量的平衡和分配關(guān)系。這包括：機(jī)械效率的計算和分析；調(diào)速器的理論和設(shè)計；飛輪的應(yīng)用和設(shè)計等。

5、機(jī)械振動的分析研究是機(jī)械動力學(xué)的基本內(nèi)容之一。它已發(fā)展成為內(nèi)容豐富、自成體系的一門學(xué)科。

6、機(jī)構(gòu)分析和機(jī)構(gòu)綜合一般是對機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動而言，但隨著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的提高，機(jī)械動力學(xué)已成為分析和綜合高速機(jī)構(gòu)時不可缺少的內(nèi)容。近代機(jī)械發(fā)展的一個顯著特點(diǎn)是，自動調(diào)節(jié)和控制裝置日益成為機(jī)械不可缺少的組成部分。機(jī)械動力學(xué)的研究對象已擴(kuò)展到包括不同特性的動力機(jī)和控制調(diào)節(jié)裝置在內(nèi)的整個機(jī)械系統(tǒng)，控制理論已滲入到機(jī)械動力學(xué)的研究領(lǐng)域。在高速、精密機(jī)械設(shè)計中，為了保證機(jī)械的精確度和穩(wěn)定性，構(gòu)件的彈性效應(yīng)已成為設(shè)計中不容忽視的因素。一門把機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械振動和彈性理論結(jié)合起來的新的學(xué)科——運(yùn)動彈性體動力學(xué)正在形成，并在高速連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的研究中取得了一些成果。在某些機(jī)械的設(shè)計中，已提出變質(zhì)量的機(jī)械動力學(xué)問題。各種模擬理論和方法以及運(yùn)動和動力參數(shù)的測試方法，日益成為機(jī)械動力學(xué)研究的重要手段。

2、機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展概況

機(jī)械動力學(xué)在當(dāng)代獲得了高速發(fā)展，呈現(xiàn)出全新的面貌。一方面。機(jī)械動力學(xué)在縱向已發(fā)展為包括動力學(xué)建模。動力學(xué)分析、動力學(xué)仿真、動力學(xué)設(shè)計、減振與動力學(xué)控制，以及狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等一系列領(lǐng)域的內(nèi)容豐富的綜合學(xué)科。另一方面，在橫向，形成了機(jī)構(gòu)動力學(xué)、傳動動力學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、機(jī)器人動力學(xué)、機(jī)床動力學(xué)和車輛動力學(xué)等多個分支領(lǐng)域。機(jī)械動力學(xué)在縱向的發(fā)展為其各個分支領(lǐng)域提供了基本理論與方法，而機(jī)械動力學(xué)在橫向的各分支領(lǐng)域則與機(jī)械設(shè)計和生產(chǎn)實(shí)踐直接銜接。縱橫交織，機(jī)械動力學(xué)形成了一個內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)龐大的體系。

1．經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展是推動學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)

經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，特別是其中生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展是各學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的推動力；而科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展又反過來指導(dǎo)了生產(chǎn)技術(shù)的提高，推動了經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展。經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展需求是第一性的，處于基礎(chǔ)的地位。所有科學(xué)，上至橫斷科學(xué)，下至機(jī)械動力學(xué)的各個分支領(lǐng)域，都與這個基礎(chǔ)存在著互動的關(guān)系，概莫能外。

從橫向——研究對象看，機(jī)械動力學(xué)中發(fā)展出機(jī)構(gòu)動力學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、機(jī)器人動力學(xué)、車輛動力學(xué)等分支領(lǐng)域。它們直接面向經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)第一線，與基礎(chǔ)的互動關(guān)系就特別鮮明。所有這些分支領(lǐng)域的發(fā)展，都與機(jī)械的高速化、輕量化、精密化、自動化密切相關(guān)，而背后則是不斷提高的社會需求和日益激烈的市場競爭。2．機(jī)械動力學(xué)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部關(guān)系

從縱向——研究內(nèi)容看，廣義的機(jī)械動力學(xué)已發(fā)展為包括動力學(xué)建模、動力學(xué)分析、動力學(xué)設(shè)計，以及狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等的內(nèi)容豐富的綜合學(xué)科，形成了一個縱橫交錯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。縱、橫兩個領(lǐng)域存在著互動的關(guān)系：縱向領(lǐng)域的各種方法、軟件和技術(shù)都首先來自某個橫向分支領(lǐng)域，而后又推廣擴(kuò)展到其它分支領(lǐng)域。應(yīng)特別指出，航空航天器動力學(xué)(由于問題特殊性，本書未予介紹)當(dāng)然是各橫向分支中發(fā)展水平最高的一個分支，它的發(fā)展對機(jī)械動力學(xué)的各縱向分支領(lǐng)域有很突出的影響。多體動力學(xué)、有限元建模與分析(包括軟件)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、振動監(jiān)測與故障診斷等都是首先在飛機(jī)與航天器的力學(xué)分析和振動問題的研究中出現(xiàn)的。而后這些方法又都滲透到機(jī)床動力學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)及其它各橫向分支領(lǐng)域中去。機(jī)械動力學(xué)依其研究對象的不同形成許多橫向分支，體現(xiàn)出當(dāng)代科技的高度分化。機(jī)械動力學(xué)縱橫方向的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，機(jī)械動力學(xué)與各相關(guān)學(xué)科的互相影響，則體現(xiàn)出當(dāng)代科技的高度綜合。

3、相關(guān)學(xué)科的發(fā)展極大地影響了機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展 相關(guān)學(xué)科的進(jìn)步對機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要。力學(xué)(包括其中的振動理論)始終是機(jī)械動力學(xué)的最重要的基礎(chǔ)學(xué)科。力學(xué)史上從牛頓、歐拉到拉格朗日，再到當(dāng)代的多體動力學(xué)；從惠更斯、龐加萊到瑞雷，再到當(dāng)代的隨機(jī)振動理論和非線性振動理論；力學(xué)與振動理論的每一次大的進(jìn)步都給機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展以強(qiáng)大的推動力。從力學(xué)的碗中取一勺原汁，就能作一鍋機(jī)械動力學(xué)的美味鮮湯。信號分析方法，尤其是快速傅里葉變換的出現(xiàn)成為現(xiàn)代振動測試、故障診斷技術(shù)的基礎(chǔ)。計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)值方法對對力學(xué)、機(jī)械動力學(xué)的發(fā)展的影響。怎樣估計都不過分，甚至可以說，沒有計算機(jī)和現(xiàn)代數(shù)值方法，就沒有當(dāng)代的機(jī)械動力學(xué)。機(jī)構(gòu)動力學(xué)、傳動動力學(xué)和機(jī)器人動力學(xué)也分別是機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械傳動學(xué)和機(jī)器入學(xué)的有機(jī)組成部分。站在這個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最高端的是橫斷科學(xué)，它們是辯證唯物論在當(dāng)代科技領(lǐng)域的具體化，對各個學(xué)科都起著認(rèn)識論和方法論方面的指導(dǎo)作用。與此同時，橫斷科學(xué)也是由具體的科學(xué)和工程領(lǐng)域升華而形成。

近年來，隨著信息科學(xué)和非線性科學(xué)的發(fā)展，機(jī)械動力學(xué)的研究內(nèi)涵更加深入，其特征是：在系統(tǒng)的建模階段計入各種重要而又復(fù)雜的非線性因素、柔性因素、邊界與結(jié)合部效應(yīng)，應(yīng)用非線性動力學(xué)分析與仿真技術(shù)研究系統(tǒng)的大范圍動力學(xué)特性，基于對系統(tǒng)動力學(xué)的深刻理解和采用最新的優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動力學(xué)設(shè)計，對系統(tǒng)實(shí)施各種主動控制乃至智能控制來獲得所需的運(yùn)動，在研究機(jī)電一體化的受控系統(tǒng)時考慮動力學(xué)和控制的相互耦合問題，采用各種最新的信息提取和分析方法診斷系統(tǒng)的故障等。

未來機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)將會在以下方面四：柔性多體系統(tǒng)的力學(xué)響應(yīng)與其他類型的物理場(如：電、熱、磁和流體向量場)耦合求解、柔性多體系統(tǒng)控制與逆動力學(xué)設(shè)計、柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)數(shù)值求解策略改進(jìn)。

3、機(jī)械動力學(xué)在機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用情況 世紀(jì)初, 發(fā)展以靈巧機(jī)械手、步行機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、可移動光學(xué)儀器平臺、磁懸浮列車、汽車主動底盤等為代表的智能化機(jī)電產(chǎn)品將是我國機(jī)械工業(yè)的奮斗目標(biāo)之一。這類機(jī)電產(chǎn)品具有材料新穎、結(jié)構(gòu)輕巧、機(jī)動性強(qiáng)、智能化高等特點(diǎn), 產(chǎn)生了材料非線性、幾何非線性、控制中的非線性與時滯等復(fù)雜動力學(xué)問題。這些問題將是21 世紀(jì)初機(jī)械動力學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。

機(jī)械故障診斷。機(jī)器在運(yùn)行過程中的振動室診斷的重要信息，其位移和速度反映了機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。眾所周知，振動室動力學(xué)重要的內(nèi)容之一，而非線性振動則是非線性動力學(xué)最重要的內(nèi)容之一，為了研究動力學(xué)系統(tǒng)的故障機(jī)理，這里首先分析典型線性和非線性振動系統(tǒng)的響應(yīng)。對可建模系統(tǒng)，以旋轉(zhuǎn)機(jī)械為例介紹了建模方法，基于分岔理論的故障機(jī)理分析，可對某些疑難振動故障的機(jī)理、控制和預(yù)測提供指導(dǎo)。對不可建模系統(tǒng)，根據(jù)混沌動力學(xué)理論和實(shí)測振動數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進(jìn)行相空間重構(gòu)，依已計算表征能量分布的奇異譜的譜型可判斷故障的根源。通過對大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷等工程實(shí)踐表明，這里所建議的非線性動力學(xué)診斷原理是十分有效的，并且已經(jīng)取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)代機(jī)械向高速、精密、輕型、重載和低噪聲等方向發(fā)展，為了提高機(jī)械產(chǎn)品的動態(tài)性能、工作品質(zhì)，必須重視機(jī)構(gòu)與機(jī)械動力學(xué)研究。這段時間內(nèi)集中在彈性機(jī)構(gòu)動力學(xué)、機(jī)構(gòu)動力平衡、含間隙機(jī)構(gòu)動力學(xué)和機(jī)器人機(jī)構(gòu)動力學(xué)等方面的研究。

4、常用的機(jī)械動力學(xué)軟件有那些，簡述其功能

一、ADAMS ADAMS即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析，(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬美元、占據(jù)了51%的份額,現(xiàn)已經(jīng)并入美國MSC公司。

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。

ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。ADAMS軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。在這里將以Windows 2000版的ADAMS l2.0為藍(lán)本進(jìn)行介紹。

ADAMS軟件模塊

ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成，如表3-1所示。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。

基本模塊 用戶界面模塊 ADAMS/View

求解器模塊 ADAMS/Solver

后處理模塊 ADAMS/PostProcessor

擴(kuò)展模塊 液壓系統(tǒng)模塊 ADAMS/Hydraulics

振動分析模塊 ADAMS/Vibration

線性化分析模塊 ADAMS/Linear

高速動畫模塊 ADAMS/Animation

試驗(yàn)設(shè)計與分析模塊 ADAMS/Insight

耐久性分析模塊 ADAMS/Durability

數(shù)字化裝配回放模塊 ADAMS/DMU Replay

接口模塊 柔性分析模塊 ADAMS/Flex

控制模塊 ADAMS/Controls

圖形接口模塊 ADAMS/Exchange

CATIA專業(yè)接口模塊 CAT/ADAMS

Pro/E接口模塊 Mechanical/Pro

專業(yè)領(lǐng)域模塊 轎車模塊 ADAMS/Car

懸架設(shè)計軟件包 Suspension Design

概念化懸架模塊 CSM

駕駛員模塊 ADAMS/Driver

動力傳動系統(tǒng)模塊 ADAMS/Driveline

輪胎模塊 ADAMS/Tire

柔性環(huán)輪胎模塊 FTire Module

柔性體生成器模塊 ADAMS/FBG

經(jīng)驗(yàn)動力學(xué)模型 EDM

發(fā)動機(jī)設(shè)計模塊 ADAMS/Engine

配氣機(jī)構(gòu)模塊 ADAMS/Engine Valvetrain

正時鏈模塊 ADAMS/Engine Chain

附件驅(qū)動模塊 Accessory Drive Module

鐵路車輛模塊 ADAMS/Rail

FORD汽車公司專用汽車模塊 ADAMS/Pre(現(xiàn)改名為Chassis)

工具箱 軟件開發(fā)工具包 ADAMS/SDK

虛擬試驗(yàn)工具箱 Virtual Test Lab

虛擬試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析工具箱 Virtual Experiment Modal Analysis

鋼板彈簧工具箱 Leafspring Toolkit

飛機(jī)起落架工具箱 ADAMS/Landing Gear

履帶/輪胎式車輛工具箱 Tracked/Wheeled Vehicle

齒輪傳動工具箱 ADAMS/Gear Tool

二、RecurDyn RecurDyn(Recursive Dynamic)是由韓國FunctionBay公司開發(fā)出的新一代多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件。它采用相對坐標(biāo)系運(yùn)動方程理論和完全遞歸算法，非常適合于求解大規(guī)模的多體系統(tǒng)動力學(xué)問題。

RecurDyn/Professional包括前后處理器Modeler及求解器Solver?；赑rofessional提供的各種建模元素，用戶可以建立起系統(tǒng)級的機(jī)械虛擬數(shù)字化樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、靜平衡、特征值等全面的虛擬測試驗(yàn)證，通過判斷仿真測試的數(shù)據(jù)、曲線、動畫、軌跡等結(jié)果，據(jù)以進(jìn)行系統(tǒng)功能改善實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計。

RecurDyn支持Parasolid、IGES、STEP、ACIS、SHL等格式模型文件，亦提供2D/3D幾何造型功能，同時支持參數(shù)化建模。RecurDyn提供20多種約束類型和10多類力的施加形式，在接觸建模方面，通過21項(xiàng)接觸定義方式方便用戶具體操作并實(shí)現(xiàn)高效率的求解。對于大型復(fù)雜系統(tǒng)，可通過子系統(tǒng)層層實(shí)現(xiàn)全面考核。

RecurDyn提供多種積分器DDASSL/IMGALPHA/TRKALPHA/HYBRID，極大拓展了求解能力。RecurDyn的SMP(Shared Memory Parallel)加大了超大柔性體模型的求解速度。

RecurDyn模塊

Linear 線型特征分析

CoLink 內(nèi)置控制模塊

R-FLEX 模態(tài)柔體-模態(tài)縮減法

F-FLEX 有限元柔體

Control&Hydraulic 控制、液壓

AutoDesign 系統(tǒng)優(yōu)化

Track(HM/LM)履帶

MTT(2D/3D)媒介傳輸

Gear 齒輪

Chain 鏈條

Tire 輪胎工具包

Spring 彈簧工具包

Belt-pulley 皮帶滑輪

RecurDyn for Engine 發(fā)動機(jī)設(shè)計

RecurDyn 應(yīng)用領(lǐng)域

鑒于RecurDyn的強(qiáng)大求解功能，軟件廣泛應(yīng)用航空、航天、軍事車輛、軍事裝備、工程機(jī)械、電器設(shè)備、娛樂設(shè)備、汽車卡車、鐵道、船舶機(jī)械及其它通用機(jī)械等行業(yè)。

發(fā)動機(jī)：氣機(jī)構(gòu)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)；流體潤滑軸承；正時鏈；活塞；非線性彈簧；發(fā)動機(jī)缸體。

重型裝備：業(yè)機(jī)械；常規(guī)發(fā)電設(shè)備；礦電器設(shè)備；冶金設(shè)備；石油化工及通用設(shè)備；推土機(jī)、挖掘機(jī)、壓路機(jī)、吊車等工程機(jī)械；摩托車；火車；船舶。

機(jī)床工具：控車床；數(shù)控銑床；數(shù)控沖床；數(shù)控鉆床；數(shù)控磨床；金切機(jī)床；鍛壓設(shè)備、配件；高檔數(shù)控機(jī)床及重型機(jī)床；壓力機(jī)；車削中心。

文化辦公機(jī)械：相機(jī)及設(shè)備；膠版印刷設(shè)備；打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等送紙設(shè)備；包裝設(shè)備及銀行ATM自動取款機(jī)和點(diǎn)鈔機(jī)等傳送系統(tǒng)。

軍工：動力學(xué)；裝填系統(tǒng)設(shè)計；附屬機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真；空降/空投仿真。

電器/電子設(shè)備：衣機(jī)的振動；高壓/低壓電器開關(guān)；電機(jī)/風(fēng)扇動平衡；磁盤/光盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)；壓縮機(jī)。

汽車：整車R&H；懸架K&C；傳動系統(tǒng)動力學(xué)；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)接觸；制動系統(tǒng)；齒輪變速器；離合器振動；車輛停車裝置；車椅設(shè)計；變速器、分動器、差速器沖擊仿真；其他附屬設(shè)備的動力學(xué)仿真。

航空/航天：起落架落震/收放仿真；整機(jī)著陸/地面行走/制動；飛控系統(tǒng)可靠性；運(yùn)動機(jī)構(gòu)載荷；彈射座椅設(shè)計；螺旋槳振動等。

太陽能帆板伸展及鎖定；分離、解鎖機(jī)構(gòu)；飛行器空間交會對接機(jī)構(gòu)控制；機(jī)械手臂的控制一體化；航天著陸器機(jī)構(gòu)；繩系衛(wèi)星動力學(xué)。

RecurDyn的使用效果

最短時間內(nèi)修正設(shè)計方案極大的縮短產(chǎn)品設(shè)計周期 RecurDyn主要特色 強(qiáng)大的接觸模擬（包括三維的面-面接觸）領(lǐng)先的柔性體動力學(xué)分析 自動建模的專業(yè)化工具包 成本/性能上的新標(biāo)準(zhǔn) 與軟件的接口：CAD-Parasolid 幾何（Unigraphics，SolidWorks,SolideEdge），Pro/ENGINEER FEA-MSC/NASTRAN，ANSYS，I-DEAS其它-MATLAB/Simulink(controls)，ADAMS(機(jī)械系統(tǒng)仿真)RecurDyn的結(jié)構(gòu) RecurDyn/Solid ：CAD & 建模，動畫，后處理 RecurDyn/Solver：剛體 & 柔性體 RecurDyn/工具包：柔性體，線性分析，汽車，列車，HM-履帶車，LM-履帶車，鏈條，滑輪，控制器，電子機(jī)械，水利學(xué)，2DMTT，3DMTT，繩索，等 行業(yè)應(yīng)用：由于RecurDyn強(qiáng)大的求解能力，使得大規(guī)模、高復(fù)雜度、多碰撞等系統(tǒng)的建模求解成為可能，因而在軍事車輛和武器設(shè)計上得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)同，尤其在履帶式車輛動力學(xué)、車輛運(yùn)動穩(wěn)定性、過障能力、炮彈發(fā)射動力學(xué)、人機(jī)工程、生存能力等方面，已為韓國、日本軍方解決了大量動力學(xué)設(shè)計問題。電器設(shè)備 洗衣機(jī)振動分析； 高壓/低壓電器開關(guān)； 電機(jī)/風(fēng)扇動平衡分析； 磁盤/光盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)； 壓縮機(jī)動力學(xué)分析。工程機(jī)械 履帶/輪式車輛穩(wěn)定性分析； 推土機(jī)、挖掘機(jī)、壓路機(jī)等動力學(xué)行為預(yù)測； 零部件和發(fā)動機(jī)載荷預(yù)測與尺寸設(shè)計； 操控人員視野研究； 電機(jī)及其它驅(qū)動裝置功率預(yù)測； 振動機(jī)沖擊效應(yīng)。傳送機(jī)械 打印、復(fù)印、傳真機(jī)傳送效率； 打印、復(fù)印、傳真機(jī)卡紙預(yù)測與改進(jìn)； 包裝機(jī)械運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)模擬；汽車是一個動力學(xué)行為非常復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，它基本可分為底盤、傳動系、發(fā)動機(jī)、車體附件四個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又包含多個小子系統(tǒng)如底盤包含車橋、懸掛、輪胎、制動器等；傳動系包含變速箱、差速器、傳動軸等；發(fā)動機(jī)包含曲柄連桿機(jī)構(gòu)，配氣機(jī)構(gòu)，正時機(jī)構(gòu)等；車體附件包含把車體，座椅，門鎖，雨刷機(jī)構(gòu)等，無論是它們單獨(dú)子系統(tǒng)的動力學(xué)行為，還是整機(jī)的動態(tài)性能（平順、操穩(wěn)、制動、載荷預(yù)測、舒適性、疲勞、噪聲），均可利用RecurDyn進(jìn)行詳細(xì)分析，幫助用戶找到最佳設(shè)計方案。另外，軟件還廣泛應(yīng)用于鐵道、娛樂設(shè)備、船舶機(jī)械、機(jī)器人及通用機(jī)械的運(yùn)動學(xué)動力學(xué)分析和產(chǎn)品設(shè)計。

三、NASTRAN

NASTRAN是在1966年美國國家航空航天局(NASA)為了滿足當(dāng)時航空航天工業(yè)對結(jié)構(gòu)分析的迫切需求主持開發(fā)大型應(yīng)用有限元程序。

NASTRAN動力學(xué)分析功能 NASTRAN動力學(xué)分析簡介

MSC.NASTRAN的主要動力學(xué)分析功能如：特征模態(tài)分析、直接復(fù)特征值分析、直接瞬態(tài)響 應(yīng)分析、模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析、模態(tài)復(fù)特征值分析、直接頻率響應(yīng)分析、模態(tài)頻率響應(yīng)分析、非線性瞬態(tài)分析、模態(tài)綜合、動力靈敏度分析等。2 正則模態(tài)分析

用于求解結(jié)構(gòu)的自然頻率和相應(yīng)的振動模態(tài),計算廣義質(zhì)量, 正則化模態(tài)節(jié)點(diǎn)位移,約束力和 正則化的單元力及應(yīng)力, 并可同時考慮剛體模態(tài)。具體包括:

a).線性模態(tài)分析又稱實(shí)特征值分析。實(shí)特征值縮減法包括: Lanczos法、增強(qiáng)逆迭代法、Givens法、改進(jìn) Givens法、Householder法、并可進(jìn)行Givens和改進(jìn)Givens法自動選擇、帶Sturm 序列檢查的逆迭代法, 所有的特征值解法均適用于無約束模型。

b).考慮拉伸剛化效應(yīng)的非線性特征模態(tài)分析, 或稱預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的模態(tài)分析。3 復(fù)特征值分析

復(fù)特征值分析主要用于求解具有阻尼效應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征值和振型, 分析過程與實(shí)特征值分析 類似。此外NASTRAN的復(fù)特征值計算還可考慮阻尼、質(zhì)量及剛度矩陣的非對稱性。復(fù)特征值抽 取方法包括直接復(fù)特征值抽取和模態(tài)復(fù)特征值抽取兩種:

a).直接復(fù)特征值分析

通過復(fù)特征值抽取可求得含有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼的結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài),給出正則化的 復(fù)特征矢量和節(jié)點(diǎn)的約束力, 及復(fù)單元內(nèi)力和單元應(yīng)力。主要算法包括elerminated法、Hossen-bery法、新Hossenbery、逆迭代法、復(fù)Lanczos法,適用于集中質(zhì)量和分布質(zhì)量、對稱與反對稱結(jié)構(gòu),并可利用DMAP工具檢查與測試分析的相關(guān)性。

MSC.NASTRAN V70.5版中Lanczos算法在特征向量正交化速度上得到了進(jìn)一步提高, 尤其是在求解百個以上的特征值時, 速度較以往提高了30%。

b).模態(tài)復(fù)特征值分析

此分析與直接復(fù)特征值分析有相同的功能。本分析先忽略阻尼進(jìn)行實(shí)特征值分析, 得到模態(tài) 向量。然后采用廣義模態(tài)坐標(biāo),求出廣義質(zhì)量矩陣和廣義剛度矩陣, 再計算出廣義阻尼矩陣, 形成 模態(tài)坐標(biāo)下的結(jié)構(gòu)控制方程, 求出復(fù)特征值。模態(tài)復(fù)特征值分析得到輸出類型與用直接復(fù)特征值 分析的得到輸出類型相同。4 瞬態(tài)響應(yīng)分析(時間-歷程分析)

瞬態(tài)響應(yīng)分析在時域內(nèi)計算結(jié)構(gòu)在隨時間變化的載荷作用下的動力響應(yīng)，分為 直接瞬態(tài)響 應(yīng)分析和模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析。兩種方法均可考慮剛體位移作用。

(a).直接瞬態(tài)響應(yīng)分析

該分析給出一個結(jié)構(gòu)對隨時間變化的載荷的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)可以同時具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。該分析在節(jié)點(diǎn)自由度上直接形成耦合的微分方程并對這些方程進(jìn)行數(shù)值積分,直接瞬態(tài)響應(yīng)分 析求出隨時間變化的位移、速度、加速度和約束力以及單元應(yīng)力。

(b).模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析

在此分析中, 直接瞬態(tài)響應(yīng)問題用上面所述的模態(tài)分析進(jìn)行相同的變換, 對問題的規(guī)模進(jìn)行 壓縮。再對壓縮了的方程進(jìn)行數(shù)值積分從而得出與用直接瞬態(tài)響應(yīng)分析類型相同的輸出結(jié)果。5 隨機(jī)振動分析

該分析考慮結(jié)構(gòu)在某種統(tǒng)計規(guī)律分布的載荷作用下的隨機(jī)響應(yīng)。對于例如地震波,海洋波,飛 機(jī)或超過層建筑物的氣壓波動, 以及火箭和噴氣發(fā)動機(jī)的噪音激勵, 通常人們只能得到按概率分 布的函數(shù), 如功率譜密度(PSD)函數(shù), 激勵的大小在任何時刻都不能明確給出, 在這種載荷作用下 結(jié)構(gòu)的響應(yīng)就需要用隨機(jī)振動分析來計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。MSC.NASTRAN中的PSD可輸入自身或交叉譜密度, 分別表示單個或多個時間歷程的交叉作用的頻譜特性。計算出響應(yīng)功率譜密度、自相關(guān) 函數(shù)及響應(yīng)的RMS值等。計算過程中, MSC.NASTRAN不僅可以象其它有限元分析那樣利用已知譜, 而且還可自行生成用戶所需的譜。6 響應(yīng)譜分析

響應(yīng)譜分析(有時稱為沖擊譜分析)提供了一個有別于瞬態(tài)響應(yīng)的分析功能,在分析中結(jié)構(gòu)的激勵用各個小的分量來表示, 結(jié)構(gòu)對于這些分量的響應(yīng)則是這個結(jié)構(gòu)每個模態(tài)的最大響應(yīng)的組合。7 頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)分析主要用于計算結(jié)構(gòu)在周期振蕩載荷作用下對每一個計算頻率的動響應(yīng)。計算結(jié)果分實(shí)部和虛部兩部分。實(shí)部代表響應(yīng)的幅度, 虛部代表響應(yīng)的相角。

(a).直接頻率響應(yīng)分析

直接頻率響應(yīng)通過求解整個模型的阻尼耦合方程，得出各頻率對于外載荷的響應(yīng)。該類分析 在頻域中主要求解二類問題。第一類問題是求結(jié)構(gòu)在一個穩(wěn)定的周期性正弦外力譜的作用下的 響應(yīng)。結(jié)構(gòu)可以具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼，分析得到復(fù)位移、速度、加速度、約束力、單元力和單元應(yīng)力。這些量可以進(jìn)行正則化以獲得傳遞函數(shù)。

第二類問題是求解結(jié)構(gòu)在一個穩(wěn)態(tài)隨機(jī)載荷作用下的響應(yīng)。此載荷由它的互功率譜密度所定義。而結(jié)構(gòu)載荷由上面所提到的傳遞函數(shù)來表征。分析得出位移、加速度、約束力或單元應(yīng)力的自相關(guān)系數(shù)。該分析也對自功率譜進(jìn)行積分而獲得響應(yīng)的均方根值。

(b)模態(tài)頻率響應(yīng)

模態(tài)頻率響應(yīng)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析在頻域中解決的二類問題與直接頻率響應(yīng)分析解決相同的問題。結(jié)構(gòu)矩陣用忽咯阻尼的實(shí)特征值分析進(jìn)行了壓縮，然后用模態(tài)坐標(biāo)建立廣義剛度和質(zhì)量 矩陣。該分析的輸出類型與直接頻率響應(yīng)分析得到的輸出類型相同。

MSC.NASTRAN V70.5版中增加了模態(tài)擴(kuò)張法(殘余矢量法)來估算高階模態(tài)的作用，以確保參加計算的頻率數(shù)足以使模態(tài)法的響應(yīng)分析的計算精度顯著提高。同時在V70.5版中還采用了新的矩陣乘法運(yùn)算方法，使模態(tài)法的頻率響應(yīng)分析計算速度比以往提高50%。8 聲學(xué)分析

MSC.NASTRAN中提供了完全的流體-結(jié)構(gòu)耦合分析功能。這一理論主要應(yīng)用在聲學(xué)及噪音控制領(lǐng)域, 例如車輛或飛機(jī)客艙的內(nèi)噪音的預(yù)測分析。進(jìn)一步內(nèi)容見后“流-固耦合分析”一節(jié)中的相關(guān)部分。

四、SIMPACK SIMPACK軟件是德國INTEC Gmbh公司(于2009年正式更名為SIMPACK AG)開發(fā)的針對機(jī)械/機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)仿真分析的多體動力學(xué)分析軟件包。它以多體系統(tǒng)計算動力學(xué)（Computational Dynamics of Multibody Systems）為基礎(chǔ)，包含多個專業(yè)模塊和專業(yè)領(lǐng)域的虛擬樣機(jī)開發(fā)系統(tǒng)軟件。SIMPACK軟件的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：汽車工業(yè)、鐵路、航空/航天、國防工業(yè)、船舶、通用機(jī)械、發(fā)動機(jī)、生物運(yùn)動與仿生等。

SIMPACK軟件的基本模塊：

運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)基本模塊（Kinematics&Dynamics）

輪軌模塊（Whell/Rail）

汽車模塊（Automotive）

F1專用模塊（Formula One）

發(fā)動機(jī)模塊（Engine）

風(fēng)機(jī)模塊（Wind Turbine）

柔性體處理模塊（FEMBS）

CAD接口模塊

控制系統(tǒng)模塊（Control以及與MATLAB的雙向接口）

接觸及彈性體接觸模塊（Contact 和 FlexContact）

代碼輸出

用戶自定義模塊（User Routine）

輪胎模塊

梁模塊（Beam）

應(yīng)力輸出及疲勞接口（Loads）

優(yōu)化模塊(Optimization)SIMPACK最新版本為SIMPACK AG2010年2月25日發(fā)布的SIMPACK8903b，新版本中增加了近10個新的功能，涉及到彈性體的分析、力單元、風(fēng)機(jī)葉片、后處理、求解器以及鐵路等模塊。GET集團(tuán)通過與國內(nèi)多位動力學(xué)專家的共同努力，完成了其幫助文件的漢化工作，這一成果將隨simpack軟件的一并售出，對國內(nèi)動力學(xué)發(fā)展起到重要的促進(jìn)作用

五、SAMCEF 有限元分析

SAMTECH的通用分析軟件模塊套件集成了先進(jìn)的仿真技術(shù)，在工程分析領(lǐng)域可提供眾多好處。此外，這種套件不僅能使用戶提升產(chǎn)品性能和產(chǎn)品設(shè)計的可制造性，而且還使得產(chǎn)品面市更為快速。借助這些通用分析工具，SAMTECH能夠滿足大中型行業(yè)的客戶需求。即通過在設(shè)計過程中極早主張開放性使用先進(jìn)的分析技術(shù),從而大大減少了昂貴的“仿真-測試”循環(huán)的次數(shù)。幫助企業(yè)有效降低成本并提高效率.SAMCEF for Composites：用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)線性和非線性分析的解決方案，例如夾芯材料（蜂窩復(fù)合材料、泡沫塑料等）、疊層結(jié)構(gòu)板、纖維纏繞壓力容器等，包括各種光纖系統(tǒng)的分層與累積損傷模型

SAMCEF Mecano ：功能強(qiáng)大的用于結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)非線性分析的通用軟件：

-MECANO Structure：非線性結(jié)構(gòu)分析，包括完善的非線性材料模型庫，同時集成先進(jìn)的用 于摩擦或無摩擦剛體/剛體、剛體/柔體以及柔體/柔體的接觸算法

SAMCEF Dynam：模態(tài)動力學(xué)分析，包括超元法（包括超單元法）

-SAMCEF Stabi：預(yù)測臨界縱向彎曲載荷和相關(guān)模式（臨界屈曲載荷和相關(guān)模態(tài)）

-SAMCEF Repdyn：動力學(xué)的瞬態(tài)、諧波與地震響應(yīng)

SAMCEF Thermal：用于非線性穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析的通用軟件，允許耦合傳導(dǎo)、對流和輻射效應(yīng)的仿真。使用與SAMCEF Mecano一樣的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，SAMCEF Thermal 也可與MATLAB Simulink相接合,并且事實(shí)上也支持熱控應(yīng)用。

SAMCEF Amaryllis：用于燒蝕和熱裂現(xiàn)象非線性分析的通用軟件，例如有關(guān)飛行器再入大氣層的物理學(xué)問題。

SAMCEF Spectral：基于功率譜密度的隨機(jī)振動和疲勞分析的通用軟件。典型的應(yīng)用包括基礎(chǔ)載荷的響應(yīng)（包含地震）、發(fā)動機(jī)噪聲載荷引起的聲振響應(yīng)和風(fēng)致振動響應(yīng)。

EUROPLEXUS：通用的有限元軟件，適合流體-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在瞬間載荷作用下的非線性顯式分析。例如爆炸、碰撞和沖擊。

Vibroacoustics ：振動噪聲

SAMCEF for Multiharmonics：用于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（易承受3D載荷）的線性和非線性分析解決方案。

SAMCEF for Fracture Mechanics：用于線性彈性、非線性彈性和彈塑性2D和3D斷裂力學(xué)結(jié)構(gòu)分析的解決方案

專業(yè)解決方案

SAMTECH提供了大量經(jīng)過業(yè)界證明的專業(yè)解決方案，這些方案基于來自許多不同行業(yè)部門的特定技術(shù)和尋址典型應(yīng)用。SAMTECH專業(yè)解決方案開發(fā)自SAMTECH所屬的通用軟件工具。

SAMCEF For Rotors：創(chuàng)新性的專業(yè)解決方案，專用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動力學(xué)和穩(wěn)態(tài)分析，包括臨界轉(zhuǎn)速計算、不平衡瞬態(tài)與諧波響應(yīng)分析。

SAMCEF For Wind Turbines：創(chuàng)新性的專業(yè)解決方案，專注于機(jī)電風(fēng)力渦輪系統(tǒng)的建模、分析和仿真，同時還結(jié)合了結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和控制器模型。

CAESAM : 結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)管理和流程自動化平臺: 有效幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品周期,實(shí)現(xiàn)全局統(tǒng)籌管理,大力提高工作效率,從而快速提高企業(yè)競爭力.SAMCEF For Machine Tools：創(chuàng)新性的專業(yè)解決方案，專注于機(jī)床設(shè)計，同時結(jié)合了結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和控制器組件分析。

SAMCEF For Robots：創(chuàng)新性的專業(yè)解決方案，專注于機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用，同時結(jié)合了結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和控制器組件分析。

SAMCEF For Transmissions：創(chuàng)新性的專業(yè)解決方案，專注于傳動系統(tǒng)和動力驅(qū)動系統(tǒng)（例如傳動箱、直線電機(jī)及滾珠絲杠等）的建模和仿真。

SAMCEF For Deployable Structures：創(chuàng)新性的專業(yè)解決方案，專注于可展開結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析，例如太陽電池板、大型天線等。

六、大型專業(yè)轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析軟件MADYN 1．MADYN 軟件的主要應(yīng)用領(lǐng)域：

MADYN適用于各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，例如微型氣動渦輪、發(fā)電廠站的大型渦輪發(fā)電機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、泵、增壓器、液力變矩器、風(fēng)機(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)、離心分離機(jī)械，微型計算機(jī)硬盤里的電機(jī)和主軸、雷達(dá)伺服系統(tǒng)、同步電機(jī)的動力傳動系統(tǒng)，以及鈾濃縮車間的齒輪箱等。包括Siemens、BP、Alstom、ABB等眾多旋轉(zhuǎn)機(jī)械制造商和用戶利用這些模塊進(jìn)行設(shè)計、性能預(yù)測、失效分析和診斷維修。

在中國，ABB公司采用了MADYN來設(shè)計并計算三峽水輪發(fā)電機(jī)組軸系穩(wěn)定性、臨界轉(zhuǎn)速及動態(tài)響應(yīng)計算，為三峽工程的順利竣工提供了技術(shù)幫助。在風(fēng)機(jī)行業(yè)，陜鼓“應(yīng)用國際最先進(jìn)的MADYN程序?qū)S承的動靜態(tài)性能、轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)及轉(zhuǎn)子扭曲振動進(jìn)行詳細(xì)計算，提高了準(zhǔn)確和可靠性”。2．MADYN 軟件的特色

基于長期的理論研究和實(shí)踐驗(yàn)證

面向工程實(shí)際的模型庫 有效處理液膜軸承

頗具特色的磁性軸承

強(qiáng)大的求解能力

豐富的后處理

好學(xué)易用的用戶界面

一個模型多個分析 3．MADYN 軟件的功能

功能齊全的建模模塊

MADYN內(nèi)置了獨(dú)特而強(qiáng)大的建模模塊，以處理各種復(fù)雜的轉(zhuǎn)子包括各類軸承、液膜轉(zhuǎn)子、懸掛有彈性部件的軸以及各種軸承支撐。通用有限元程序獲取力－位移傳遞函數(shù)后，一般的外殼結(jié)構(gòu)也可以做為軸承支撐。模型庫主要包括以下幾類：

1.軸

2.軸對稱子單元 3.彈性聯(lián)軸器 4.齒輪 5.通用軸承 6.徑向液膜軸承 7.浮環(huán)軸承 8.磁性軸承 9.通用彈簧

10.通用動態(tài)軸承支座 11.流體

此外，對于特殊模型，提供特殊了的建模方法：

1.復(fù)合軸，比如發(fā)電機(jī)線圈 2.溫度相關(guān)的材料

3.應(yīng)力計算時考慮切口系數(shù)的單元 4.軸向偏置的彈性支座

5.通過接口由文本文件導(dǎo)入轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)

強(qiáng)大的求解能力 軟件基于有限元方法，采用了Timoshenko梁理論，并利用了4階Hermit單元來模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的的彈性、慣性和陀螺效應(yīng)。軟件可求解阻尼和非阻尼狀態(tài)下的臨界轉(zhuǎn)速、模態(tài)、穩(wěn)定性、不平衡響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。

1、靜力學(xué)分析

重力 齒輪載荷 靜態(tài)力 靜態(tài)力組合

2、特征值分析

3、頻響分析 不平衡反應(yīng) 諧和力相應(yīng) 諧波激勵

4、瞬態(tài)分析

瞬態(tài)力相應(yīng)分析 瞬態(tài)基礎(chǔ)加速度相應(yīng) 瞬態(tài)載荷組合

5、參數(shù)變量分析

臨界速度圖 Camphell 圖 剛度和阻尼變化圖 FCP 抗扭剛度變化圖

豐富的后處理 MADYN 提供詳細(xì)而豐富的后處理：

1.繪圖詳細(xì)且具有針對性，包括完整的信息并提供可選的復(fù)雜信息說明 2.模型分層顯示：軸承、軸、聯(lián)接、齒輪、系統(tǒng) 3.力、力矩、應(yīng)力、變形結(jié)果的顯示（沿軸向結(jié)果）4.時間相關(guān)變形的詳細(xì)說明

5.共振曲線（可選擇方向,主軸軌道,相對振動）6.特征值的分析的圖表 7.參數(shù)分析的圖表 8.瞬態(tài)相應(yīng)曲線

功能齊全的液膜軸承模塊

內(nèi)置了由德國內(nèi)燃機(jī)協(xié)會贊助研發(fā)的軟件包ALP3T，可準(zhǔn)確計算層流和紊流情況下的各種液膜系數(shù)。

可分析3種情況下的液膜軸承載荷： 1.流速穩(wěn)定、力可變 2.流速可變、力穩(wěn)定 3.流速可變、力可變

提供三種分析方法來計算靜平衡狀態(tài)下的液膜系數(shù)： 1.絕熱分析：液膜溫度固定。2.非絕熱分析：熱量有損失。

Sensor3.DIN表查值：根據(jù)DIN建立表格，查出流體系數(shù)。

特色的磁性軸承模塊

可在任意位置通過定義各方向的傳感器和激勵器來定義磁性軸承。磁性軸承包括三種控制器：

1.模擬信號 2.數(shù)字信號 3.等效模擬信號

采用了MATLAB控制系統(tǒng)工具箱和信號處理工具箱，保證了MADYN求解效率和準(zhǔn)確性。

友好的操作界面

1.由高級數(shù)學(xué)編程語言MATLAB編寫而成。2.快速幫助提示 3.鼠標(biāo)自動跳轉(zhuǎn)功能 4.操作簡單快捷 5.快速模型顯示

第四篇：機(jī)械動力學(xué)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展

摘要 世紀(jì)初,發(fā)展以靈巧機(jī)械手、步行機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、可移動光學(xué)儀器平臺、磁懸浮列車、汽車主動底盤等為代表的智能化機(jī)電產(chǎn)品將是我國機(jī)械工業(yè)的奮斗目標(biāo)之一。這類機(jī)電產(chǎn)品具有材料新穎、結(jié)構(gòu)輕巧、機(jī)動性強(qiáng)、智能化高等特點(diǎn)，產(chǎn)生了材料非線性、幾何非線性、控制中的非線性與時滯等復(fù)雜動力學(xué)問題。這些問題將是21 世紀(jì)初機(jī)械動力學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。

近代機(jī)械發(fā)展的一個顯著特點(diǎn)是，自動調(diào)節(jié)和控制裝置日益成為機(jī)械不可缺少的組成部分。機(jī)械動力學(xué)的研究對象已擴(kuò)展到包括不同特性的動力機(jī)和控制調(diào)節(jié)裝置在內(nèi)的整個機(jī)械系統(tǒng)，控制理論已滲入到機(jī)械動力學(xué)的研究領(lǐng)域。在高速、精密機(jī)械設(shè)計中，為了保證機(jī)械的精確度和穩(wěn)定性，構(gòu)件的彈性效應(yīng)已成為設(shè)計中不容忽視的因素。一門把機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械振動和彈性理論結(jié)合起來的新的學(xué)科——運(yùn)動彈性體動力學(xué)正在形成，并在高速連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的研究中取得了一些成果。在某些機(jī)械的設(shè)計中，已提出變質(zhì)量的機(jī)械動力學(xué)問題。各種模擬理論和方法以及運(yùn)動和動力參數(shù)的測試方法，日益成為機(jī)械動力學(xué)研究的重要手段。

一、機(jī)械動力學(xué)研究的內(nèi)容

任何機(jī)械，在存在運(yùn)動的同時，都要受到力的作用。機(jī)械動力學(xué)時研究機(jī)械在力作用下的運(yùn)動和機(jī)械在運(yùn)動中產(chǎn)生的力，并從力與運(yùn)動的相互作用的角度進(jìn)行機(jī)械的設(shè)計和改進(jìn)的科學(xué)。詳細(xì)的機(jī)械動力學(xué)研究方向可以分為以下六點(diǎn)：

（1）在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律；分析機(jī)械運(yùn)動過程中各構(gòu)件之間的相互作用力；研究回轉(zhuǎn)構(gòu)件和機(jī)構(gòu)平衡的理論和方法；機(jī)械振動的分析；以及機(jī)構(gòu)的分析和綜合等等。

為了簡化問題，常把機(jī)械系統(tǒng)看作具有理想、穩(wěn)定約束的剛體系統(tǒng)處理。對于單自由度的機(jī)械系統(tǒng)，用等效力和等效質(zhì)量的概念，可以把剛體系統(tǒng)的動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為單個剛體的動力學(xué)問題；對多自由度機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)問題一般用拉格朗日方程求解。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)方程常常是多參量非線性微分方程，只在特殊條件下可直接求解，一般情況下需要用數(shù)值方法迭代求解許多機(jī)械動力學(xué)問題可借助電子計算機(jī)分析計算機(jī)根據(jù)輸入的外力參量、構(gòu)件的慣性參量和機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息，自動列出相應(yīng)的微分方程并解出所要求的運(yùn)動參量。（2）分析機(jī)械運(yùn)動過程中各構(gòu)件之間的相互作用力。這些力的大小和變化規(guī)律是設(shè)計運(yùn)動副的結(jié)構(gòu)、分析支承和構(gòu)件的承載能力以及選擇合理潤滑方法的依據(jù)。在求出機(jī)械真實(shí)運(yùn)動規(guī)律后可算出各構(gòu)件的慣性力，再依據(jù)達(dá)朗伯原理用靜力學(xué)方法求出構(gòu)件間的相互作用力。（3）研究回轉(zhuǎn)構(gòu)件和機(jī)構(gòu)平衡的理論和方法。平衡的目的是消除或減少作用在機(jī)械基礎(chǔ)上周期變化的振顫力和振顫力矩。對于剛性轉(zhuǎn)子的平衡已有較成熟的技術(shù)和方法：對于工作轉(zhuǎn)速接近或超過轉(zhuǎn)子自身固有頻率的撓性轉(zhuǎn)子平衡問題，不論是理論和方法都需要進(jìn)一步研究。

平面或空間機(jī)構(gòu)中包含有往復(fù)運(yùn)動和平面或空間一般運(yùn)動的構(gòu)件。其質(zhì)心沿一封閉曲線運(yùn)動。根據(jù)機(jī)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用附加配重或附加構(gòu)件等方法全部或部分消除其振顫力但振顫力矩的全部平衡較難實(shí)現(xiàn)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)構(gòu)平衡領(lǐng)域已經(jīng)取得較好的成果。（4）研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能量的平衡和分配關(guān)系。這包括：機(jī)械效率的計算和分析；調(diào)速器的理論和設(shè)計；飛輪的應(yīng)用和設(shè)計等。

（5）機(jī)械振動的分析研究是機(jī)械動力學(xué)的基本內(nèi)容之一。它已發(fā)展成為內(nèi)容豐富、自成體系的一門學(xué)科。

（6）機(jī)構(gòu)分析和機(jī)構(gòu)綜合一般是對機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動而言，但隨著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的提高，機(jī)械動力學(xué)已成為分析和綜合高速機(jī)構(gòu)時不可缺少的內(nèi)容.二、機(jī)械動力學(xué)的分類 機(jī)械動力學(xué)的分析過程，按其功能的不同，可以分為兩類問題：（1）動力學(xué)反問題：已知機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)和阻力（力矩），求解應(yīng)施加于原動構(gòu)件上的平衡力（平衡力矩），以及各種運(yùn)動副中的反力，也就是已知運(yùn)動，求力。

（2）動力學(xué)正問題：給定機(jī)器的輸入力（力矩）和阻力的變化規(guī)律，求解機(jī)器的時間運(yùn)動規(guī)律，也就是已知力，求運(yùn)動。

以機(jī)器人為例加以詳細(xì)說明。在機(jī)器人的分析中，首先要根據(jù)機(jī)器人手部應(yīng)完成的工作，進(jìn)行軌跡的規(guī)劃，即給定機(jī)器人手部的運(yùn)動路徑以及路徑上個點(diǎn)的速度和加速度。然后，通過求解動力學(xué)反問題，求出應(yīng)施加于各主動關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩的變化規(guī)律。動力學(xué)反問題時機(jī)器人控制設(shè)計的基礎(chǔ)。若已知各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩，要求解手部的真實(shí)運(yùn)動，則需要求解動力學(xué)正問題，它是機(jī)器人動態(tài)仿真的基礎(chǔ)。

三、機(jī)械動力學(xué)在現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用

從分析、仿真到設(shè)計和控制，機(jī)械動力學(xué)的研究范圍在不斷擴(kuò)大，形成了許多的分支領(lǐng)域，如：機(jī)床動力學(xué)、車輛動力學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、機(jī)器人動力學(xué)、彈性機(jī)構(gòu)動力學(xué)等（1）機(jī)床動力學(xué)

對精密機(jī)床來說，加工精度時很重要的一個指標(biāo)，而機(jī)床的震動則嚴(yán)重破壞了機(jī)床的加工精度。切削過程中產(chǎn)生的復(fù)雜的激振力，傳動系統(tǒng)中的齒輪、滾動軸承等則是機(jī)床的內(nèi)部振動源。機(jī)床動力學(xué)的研究內(nèi)容為：機(jī)床的動力源分析、機(jī)床振動的動力學(xué)模型和振動分析，及機(jī)床的動態(tài)設(shè)計。（2）車輛動力學(xué)

隨著車輛的高速化，安全性和舒適性變得十分重要。而出現(xiàn)了許多獨(dú)有的動力學(xué)問題，例如:帶有錐度的車輪子鐵軌上的振動會導(dǎo)致列車的蛇形運(yùn)動，它會激發(fā)車輛的橫向運(yùn)動；高速列車在大區(qū)率彎道上的運(yùn)動時涉及車輛安全的重大課題；為提高轎車的舒適性，最新的研究趨向時車架振動的主動控制，即根據(jù)每時刻的路面激勵情況和運(yùn)動狀態(tài)，隨時調(diào)整振動系統(tǒng)元件的參數(shù)，使其永遠(yuǎn)處于最佳的減震狀態(tài)。（3）轉(zhuǎn)子動力學(xué)

汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、離心機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)子時其工作的主體。為了提高機(jī)械的工作效率和容量，這類機(jī)械的轉(zhuǎn)速日益提高。抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動時關(guān)鍵問題。特別是大型汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子，由于振動造成的破壞會給國民經(jīng)濟(jì)造成重大損失。20世紀(jì)80年代，我國兩臺20萬千萬汽輪發(fā)電機(jī)組就曾因振動引起嚴(yán)重的短軸事件。轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究轉(zhuǎn)子及其支撐系統(tǒng)的振動及其對策。它以早期的軸和軸系的振動研究為基礎(chǔ)，但汽輪發(fā)電機(jī)組軸的工作轉(zhuǎn)速超過了臨界轉(zhuǎn)速，而且包含著更復(fù)雜的多的振動現(xiàn)象，從而形成了機(jī)械動力學(xué)的一個重要分支。

（4）機(jī)器人動力學(xué)

20世紀(jì)60年代，機(jī)器人學(xué)誕生并迅速地發(fā)展起來，它是機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械電子學(xué)、計算機(jī)學(xué)和信息科學(xué)等多學(xué)科綜合而成的前沿學(xué)科。各種工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用于噴漆、搬運(yùn)、焊接和裝配等工業(yè)生產(chǎn)線上，各種特種機(jī)器人則應(yīng)用于海洋探測、外空探測等領(lǐng)域。機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)成為機(jī)構(gòu)學(xué)中異?；钴S的一個分支。為了提高機(jī)器人的速度，高速、柔性機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)。機(jī)器人機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般的平面機(jī)構(gòu)，而且機(jī)器人的動力學(xué)必須考慮控制。

（5）彈性機(jī)構(gòu)動力學(xué)

早期的機(jī)械研究當(dāng)中認(rèn)為只有機(jī)構(gòu)與原動機(jī)和工作機(jī)連在一起時才有動力學(xué)問題，孤立的一個機(jī)構(gòu)沒有動力學(xué)問題。剛體機(jī)構(gòu)的平衡問題，就是一個機(jī)構(gòu)的動力學(xué)問題。二戰(zhàn)以后，在凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、和齒輪機(jī)構(gòu)的動力學(xué)研究中先后涉及了構(gòu)件的彈性。在彈性機(jī)構(gòu)中的分析中可以不涉及原動機(jī)特性，仍假定主動構(gòu)件等速回轉(zhuǎn)，也不考慮工作機(jī)負(fù)載，只研究在構(gòu)件自身慣性力作用下的振動。正是隨著高速彈性機(jī)構(gòu)的研究，才有了彈性機(jī)構(gòu)動力學(xué)。

彈性機(jī)構(gòu)是典型的多體動力學(xué)系統(tǒng)。隨著機(jī)構(gòu)部件日趨輕柔、其彈性振動與剛體運(yùn)動相耦合，致使數(shù)學(xué)模型成為具有時變系數(shù)、復(fù)雜非線性項(xiàng)的高維微分方程組 微分代數(shù)方程組，這給彈性 機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析帶來很大的困難。

目前，對彈性連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析的KED 法已比較成熟。近年來，不少研究開始涉及動力穩(wěn)定性、主共振、分?jǐn)?shù)共振、主參激共振、內(nèi)共振等非線性動力學(xué)問題。由于高維非線性動力學(xué)問題的難度，這些研究的對象主要是最簡單的四連桿 曲柄連桿機(jī)構(gòu)，對具有共性的彈性多桿或組合機(jī)構(gòu)動力學(xué)的研究還很少。與彈性連桿機(jī)構(gòu)相比，彈性凸輪系統(tǒng)的動力學(xué)研究進(jìn)展遜色許多。在多數(shù)研究中，將從動件簡化為線性時不變系統(tǒng)，討論其動響應(yīng)及其優(yōu)化問題。近期，一些研究開始涉及到動力穩(wěn)定性、參激振動等問題。由于非線性動力學(xué)理論未能足夠地滲入到該領(lǐng)域，其研究的深度與廣度仍顯不足，理論成果與工程要求仍有相當(dāng)距離。

近年來，已有不少關(guān)于彈性機(jī)構(gòu)振動主動控制的研究。研究的典型問題是：引入模態(tài)控制等結(jié)構(gòu)控制中的方法，采用壓電陶瓷片為驅(qū)動器，對平面四連桿機(jī)構(gòu)的彈性振動進(jìn)行主動控制。這些研究尚在實(shí)驗(yàn)室階段，到實(shí)際工程應(yīng)用尚有距離。（6）微機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)

近年來，微機(jī)電系統(tǒng)（簡稱MEMS: Micro E ectro-Mechanica System）正走出實(shí)驗(yàn)室，成為21世紀(jì)初的新興產(chǎn)業(yè)。僅從國防科技工業(yè)領(lǐng)域看，MEMS 技術(shù)將用于各種微型武器系統(tǒng)，形成具有新的競爭力的“智能軍火”。西方發(fā)達(dá)國家正在積極研制用于軍事目的的微型航空器、重量在1kg 級、甚至0.1kg 級的納米衛(wèi)星等。而它們的實(shí)現(xiàn)必須借助各種微發(fā)動機(jī)、微慣導(dǎo)儀器、微傳感器、微執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

與傳統(tǒng)機(jī)械和結(jié)構(gòu)相比，MEMS 的研制過程更具有設(shè)計與制造一體化的特征。目前，對MEMS 的設(shè)計多還在器件水平。除了少數(shù)二維器件的設(shè)計外，多數(shù)設(shè)計借助于ANSYS 等商品化軟件進(jìn)行試湊；除了一些微加速度計的設(shè)計外，多數(shù)設(shè)計尚屬于結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度 機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)范疇?？梢灶A(yù)見，隨著MEMS 的實(shí)用化，其動力學(xué)問題將日益引起人們的關(guān)注。例如，微發(fā)動機(jī)中的運(yùn)動部件、微慣導(dǎo)儀器必須從動力學(xué)角度去進(jìn)行分析和設(shè)計。這方面的研究尚處于起步階段。

機(jī)床、車輛、轉(zhuǎn)子和機(jī)器人的動力學(xué)，其重點(diǎn)在于這類機(jī)械的個性問題。而各類機(jī)械中都包含著機(jī)構(gòu)，各類機(jī)械又都是由原動機(jī)、傳動裝置和工作機(jī)組成的系統(tǒng)。因此，機(jī)構(gòu)動力學(xué)和機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)研究各種機(jī)械在動力學(xué)方面的共性問題。

四、機(jī)械動力學(xué)的未來展望

近代機(jī)械發(fā)展的一個顯著特點(diǎn)是，自動調(diào)節(jié)和控制裝置日益成為機(jī)械不可缺少的組成部分。機(jī)械動力學(xué)的研究對象已擴(kuò)展到包括不同特性的動力機(jī)和控制調(diào)節(jié)裝置在內(nèi)的整個機(jī)械系統(tǒng)，控制理論已滲入到機(jī)械動力學(xué)的研究領(lǐng)域。

在高速、精密機(jī)械設(shè)計中，為了保證機(jī)械的精確度和穩(wěn)定性，構(gòu)件的彈性效應(yīng)已成為設(shè)計中不容忽視的因素。一門把機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械振動和彈性理論結(jié)合起來的新的學(xué)科——運(yùn)動彈性體動力學(xué)正在形成，并在高速連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的研究中取得了一些成果。

在某些機(jī)械的設(shè)計中，已提出變質(zhì)量的機(jī)械動力學(xué)問題。各種模擬理論和方法以及運(yùn)動和動力參數(shù)的測試方法，日益成為機(jī)械動力學(xué)研究的重要手段。

[參考文獻(xiàn)] 1.胡海巖.先進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)的若干動力學(xué)與控制問題.面向21世紀(jì)的中國振動工程研究.北京: 航空工業(yè)出版社, 1999, 1-9.2.沈志云.關(guān)于高速鐵路及高速列車的研究.振動、測試與診斷, 1998, 18 3.張策, 陳樹勛.論彈性連桿機(jī)構(gòu)的低階諧振現(xiàn)象.機(jī)械工程學(xué)報,1986 4.王玉新.彈性連桿機(jī)構(gòu)低階諧振響應(yīng)不完全同步機(jī)理研究.機(jī)械工程報, 1996, 32(4): 11-16.5.李俊寶, 張景繪, 任勇生, 張令彌.振動工程中智能結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展.力學(xué)進(jìn)展, 1999, 29(2): 165-177.6.顧仲權(quán), 馬扣根, 陳衛(wèi)東.振動主動控制, 北京: 國防工業(yè)出版社, 1997.7.百度百科 http://baike.baidu.com/view/71553.htm

第五篇：《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計》課程讀書報告

《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計》課程讀書報告

姓名：

班級：

學(xué)號：

專業(yè)：

蠕行式仿生變直徑桿爬行機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計

擇要：設(shè)計研發(fā)了一種利用電機(jī)驅(qū)動凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、擺桿機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)在變直徑桿上攀爬的非智能的蠕行式仿生爬桿機(jī)器人。在對機(jī)器人靈巧的結(jié)構(gòu)和工作原理作出說明的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)建模和仿真分析。實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人爬行穩(wěn)定，工況好。

關(guān)鍵詞：爬桿機(jī)器人變直桿曲柄連桿凸輪

一、仿生機(jī)器人設(shè)計需求

現(xiàn)代生活中，高空作業(yè)不斷增加，市場上少量使用的氣動蠕行式爬行器，其上升和下降運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩涌刂葡到y(tǒng)，能量損耗大，并且一般伴有較大的噪聲。因?yàn)檫B接了大量的支持設(shè)備，氣動蠕行式爬行器的體積和活動范圍都受到限制，而且設(shè)備成本較高。

二、仿生設(shè)計原理

這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計方案，該方案能基本滿足我們設(shè)定的工作狀況。該機(jī)器人是模仿人的爬樹動作而設(shè)計的。人爬樹時，兩腳夾緊樹桿，兩腿一蹬，兩手抱住樹桿，人向上移，然后兩手抱緊樹桿，收腿提腳上移，一步步向上爬行。該機(jī)器人的爬行動作原理示意如下圖1所示。

圖1 機(jī)器人爬行動作原理示意圖

圖2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖

既然是仿生尺蠖式蠕動，那么在本機(jī)器人的設(shè)計中，將以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軀干的伸縮為往復(fù)運(yùn)動的主要動作為目標(biāo)。往復(fù)運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)有很多種，常見的機(jī)構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停歇機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)、螺旋絲桿機(jī)構(gòu)等。這幾種機(jī)構(gòu)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以很好地協(xié)調(diào)好機(jī)器人的整體工作。

從圖1中可以看出，機(jī)器人的爬行動作原理可分為以下5步： 1）在初始狀態(tài)1時，下機(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開見圖2所示)

2）電機(jī)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤形凸輪順時針轉(zhuǎn)動，推動下機(jī)械臂擺動，與此同時帶動和連桿固接在一起的上移動凸輪向下移動，推 動上機(jī)械臂擺動，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角時，下機(jī)械手松開；與此同時上移動凸輪向下移動過空行程，上機(jī)械手抓緊，即狀態(tài)2。

3）電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時上機(jī)械手夾緊、下機(jī)械手松開，機(jī)器人下部在電機(jī)的提升拉力作用下向上移動，當(dāng)曲柄和連桿重疊共線時，機(jī)器人下部被提升到極限位置，即狀態(tài)3。

4）電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過回程角時，下機(jī)械手夾緊；與此同時上移動凸輪向上滑過空行程，上機(jī)械手松開，即狀態(tài)4。

5）電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因?yàn)橄聶C(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開，所以機(jī)器人上部在電機(jī)的提升推力作用下向上移動，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線時，機(jī)器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)5。

從圖2和圖1可看出，減速電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，機(jī)器人整體向上爬行一次，重復(fù)狀態(tài)1~5就可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)動作和機(jī)器人整體的蠕行爬行。通過實(shí)驗(yàn)，證明了該機(jī)器人的可用性和穩(wěn)定性。

由該例我們可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械設(shè)計中，只有具有創(chuàng)新性的思維方式，才能克服目前機(jī)械產(chǎn)品的缺陷，實(shí)現(xiàn)既定的設(shè)計目的，承載能力大、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能力強(qiáng)，能越障礙物，機(jī)構(gòu)方案選擇才能合理、經(jīng)濟(jì)。

三、參考文獻(xiàn)

《蠕行式仿生變直徑桿爬行機(jī)器人的設(shè)計》 王曉光 陳明森 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A