机械动力学

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机械动力学(Machinery Dynamics)

　　机械动力学是研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力，并从力与运动的相互作用的角度进行机械的设计和改进的科学。

　　机械动力学是研究机械在力的作用下的运动和机械在运动中产生的力的一门学科。机械动力学研究的主要内容概括起来，主要有如下几个方面。

　　一、共振分析

　　随着机械设备的高速重载化和结构、材质的轻型化，现代化机械的固有频率下降，而激励频率上升，有可能使机械的运转速度进入或接近机械的“共振区”，引发强烈的共振。所以，对于高速机械装置(如高速皮带、齿轮、高速轴等)的支承结构件乃至这些高速机械本身，均应进行共振验算。

　　这种验算在设计阶段进行，可避免机械的共振事故发生；而在分析故障时进行，则有助于找到故障的根源和消除故障的途径。

　　二、振动分析与动载荷计算

　　现代的机械设计方法正在由传统的静态设计向动态设计过渡，并已产生了一些专门的学科分支。如机械弹性动力学就是考虑机械构件的弹性来分析机械的精确运动规律和机械振动载荷的一个专门学科。

　　三、计算机与现代测试技术的运用

　　计算机与现代测试技术已成为机械动力学学科赖以腾飞的两翼。它们相互结合，不仅解决了在振动学科中许多难以用传统方法解决的问题，而且开创了状态监测、故障诊断、模态分析、动态模拟等一系列有效的实用技术，成为生产实践中十分有力的现代化手段。

　　机械动力学的各个分支领域，在运用计算机方面取得了丰硕成果，如MATLAB、AnAMS、CATIA、ANSYS等大型仿真软件得到了广泛的运用。

　　四、减振与隔振

　　高速与精密是现代机械与仪器的重要特征。高速易导致振动，而精密设备却又往往对自身与外界的振动有极为严格的限制。因此，对机械的减振、隔振技术提出了越来越高的要求。所以，隔振设备的设计、选用与配置以及减振措施的采用，也是机械动力学的任务之一。

　　机械动力学在近年来虽然得到了迅速的发展，但仍有大量的理论问题与技术问题等待人们去探索，其中主要包括以下几个方面。

　　1．振动理论问题

　　这类问题主要是指非线性振动理论问题。工程上的非线性问题常常采用简化的线性化处理，或在计算机上进行分段线性化处理。在这方面还有待进一步探索。

　　工程中的大量自激振动(如导线舞动、机床颤振、车轮振摆、油缸与导轨的爬行等)，目前还缺乏统一成熟的理论方法，许多问题尚待研究。

　　2．虚拟样机技术

　　机械系统动态仿真技术又称为机械工程中的虚拟样机技术，是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术。运用这一技术，可以大大简化机械产品的开发过程，大幅度缩短产品的开发周期，大量减少产品的开发费用和成本，明显提高产品的质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，该技术一出现，就受到了人们的普遍重视和关注，而且相继出现了各种分析软件，如MATLAB、ADAMS、ANSYS、CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks等。对于这方面的工作，目前我国还有相当大的差距。

　　3．振动疲劳机理的研究

　　许多机械零件的疲劳破坏是由振动产生的。如何把振动理论与振动疲劳机理结合起来仍是一个热门课题。

　　4．有关测试技术理论和故障诊断理论的研究

　　适用、有效、廉价的测试诊断设备与技术的研究，离生产急需尚有相当大的距离。

　　5．流固耦合振动

　　流体通过固体时会激发振动，而固体的振动，如导线舞动、卡门涡振动、轴承油膜振荡等，又会反过来影响流体的流场和流态，从而改变振动的形态。

　　6．乘坐动力学

　　对于交通机械(如汽车、工程机械、舰船等)，其结构设计、悬挂设计、座椅设计以及减振设计等都需要引入随机振动理论，是一个广阔且重大的课题。

　　7．微机械动力学问题

　　微机械并非传统意义下的宏观机械的几何尺寸的缩小。当系统特征尺寸达到微米或纳米的量级时，许多物理现象与宏观世界的情况有很大差别。例如，在微机械中，构件材料本身的物理性质将会发生变化；一些微观尺度的短程力所具有的长程效应及其引起的表面效应会在微观领域内起主导作用；在微观尺度下，系统的摩擦问题会更加突出，摩擦力则表现为构件表面间的分子和原子的相互作用，而不再是由载荷的正压力产生，并且当系统的特征尺寸减小到某一程度时，摩擦力甚至可以和系统的驱动力相比拟；在微观领域内，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与特征尺寸的低次方成比例的黏性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增大；此外，微构件的变形与损伤机制与宏观构件也不尽相同等。

　　针对微机械的研究中呈现出的新特征，传统的机械动力学理论与方法已不再适用。微机械动力学研究微构件材料的本构关系、微构件的变形方式和阻尼机制、微机构的弹性动力学方程等主要科学问题，揭示微构件材料的分子(或原子)成分和结构、材料的弹性模量和泊松比、微构件的刚度和阻尼以及微机构的弹性动力学特性等之间的内在联系，从而保证微机电系统在微小空间内实现能量传递、运动转换和调节控制功能，以规定的精度实现预定的动作。因此，机械动力学的研究将会取得多方面的创新成果，这些成果不仅有重要的科学意义和学术价值，而且有很好的应用前景。

　　机械动力学的研究方法可分为两类。

　　(1)结构动态分析

　　对于机械动力学正问题，动态分析一般借助于多种动态分析法(如模态分析法、模态综合法、机械阻抗分析法、状态空间分析法、模态摄动法及有限元法等)建立结构或系统的数学模型，进而对结构的动态特性进行分析(如动态仿真等)。

　　对于机械动力学逆问题，动态分析通常先进行动态实验，在此基础上根据一定的准则建立结构或系统的数学模型，然后借助参数辨识或系统辨识的方法进行分析。

　　(2)动态实验

　　结构动态实验包括模态实验、力学环境实验、模拟实验等，它是产品设计和生产过程中不可缺少的环节，不仅可以直接考核产品的动力学性能，也为动态分析建立可靠的数学模型提供必要的数据。