機械動力學

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機械動力學(Machinery Dynamics)

　　機械動力學是研究機械在力作用下的運動和機械在運動中產生的力，並從力與運動的相互作用的角度進行機械的設計和改進的科學。

　　機械動力學是研究機械在力的作用下的運動和機械在運動中產生的力的一門學科。機械動力學研究的主要內容概括起來，主要有如下幾個方面。

　　一、共振分析

　　隨著機械設備的高速重載化和結構、材質的輕型化，現代化機械的固有頻率下降，而激勵頻率上升，有可能使機械的運轉速度進入或接近機械的“共振區”，引發強烈的共振。所以，對於高速機械裝置(如高速皮帶、齒輪、高速軸等)的支承結構件乃至這些高速機械本身，均應進行共振驗算。

　　這種驗算在設計階段進行，可避免機械的共振事故發生；而在分析故障時進行，則有助於找到故障的根源和消除故障的途徑。

　　二、振動分析與動載荷計算

　　現代的機械設計方法正在由傳統的靜態設計向動態設計過渡，並已產生了一些專門的學科分支。如機械彈性動力學就是考慮機械構件的彈性來分析機械的精確運動規律和機械振動載荷的一個專門學科。

　　三、電腦與現代測試技術的運用

　　電腦與現代測試技術已成為機械動力學學科賴以騰飛的兩翼。它們相互結合，不僅解決了在振動學科中許多難以用傳統方法解決的問題，而且開創了狀態監測、故障診斷、模態分析、動態模擬等一系列有效的實用技術，成為生產實踐中十分有力的現代化手段。

　　機械動力學的各個分支領域，在運用電腦方面取得了豐碩成果，如MATLAB、AnAMS、CATIA、ANSYS等大型模擬軟體得到了廣泛的運用。

　　四、減振與隔振

　　高速與精密是現代機械與儀器的重要特征。高速易導致振動，而精密設備卻又往往對自身與外界的振動有極為嚴格的限制。因此，對機械的減振、隔振技術提出了越來越高的要求。所以，隔振設備的設計、選用與配置以及減振措施的採用，也是機械動力學的任務之一。

　　機械動力學在近年來雖然得到了迅速的發展，但仍有大量的理論問題與技術問題等待人們去探索，其中主要包括以下幾個方面。

　　1．振動理論問題

　　這類問題主要是指非線性振動理論問題。工程上的非線性問題常常採用簡化的線性化處理，或在電腦上進行分段線性化處理。在這方面還有待進一步探索。

　　工程中的大量自激振動(如導線舞動、機床顫振、車輪振擺、油缸與導軌的爬行等)，目前還缺乏統一成熟的理論方法，許多問題尚待研究。

　　2．虛擬樣機技術

　　機械繫統動態模擬技術又稱為機械工程中的虛擬樣機技術，是20世紀80年代隨著電腦技術的發展而迅速發展起來的一項電腦輔助工程(CAE)技術。運用這一技術，可以大大簡化機械產品的開發過程，大幅度縮短產品的開發周期，大量減少產品的開發費用和成本，明顯提高產品的質量，提高產品的系統及性能，獲得最優化和創新的設計產品。因此，該技術一齣現，就受到了人們的普遍重視和關註，而且相繼出現了各種分析軟體，如MATLAB、ADAMS、ANSYS、CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks等。對於這方面的工作，目前我國還有相當大的差距。

　　3．振動疲勞機理的研究

　　許多機械零件的疲勞破壞是由振動產生的。如何把振動理論與振動疲勞機理結合起來仍是一個熱門課題。

　　4．有關測試技術理論和故障診斷理論的研究

　　適用、有效、廉價的測試診斷設備與技術的研究，離生產急需尚有相當大的距離。

　　5．流固耦合振動

　　流體通過固體時會激發振動，而固體的振動，如導線舞動、卡門渦振動、軸承油膜振蕩等，又會反過來影響流體的流場和流態，從而改變振動的形態。

　　6．乘坐動力學

　　對於交通機械(如汽車、工程機械、艦船等)，其結構設計、懸掛設計、座椅設計以及減振設計等都需要引入隨機振動理論，是一個廣闊且重大的課題。

　　7．微機械動力學問題

　　微機械並非傳統意義下的巨集觀機械的幾何尺寸的縮小。當系統特征尺寸達到微米或納米的量級時，許多物理現象與巨集觀世界的情況有很大差別。例如，在微機械中，構件材料本身的物理性質將會發生變化；一些微觀尺度的短程力所具有的長程效應及其引起的錶面效應會在微觀領域內起主導作用；在微觀尺度下，系統的摩擦問題會更加突出，摩擦力則表現為構件錶面間的分子和原子的相互作用，而不再是由載荷的正壓力產生，並且當系統的特征尺寸減小到某一程度時，摩擦力甚至可以和系統的驅動力相比擬；在微觀領域內，與特征尺寸L的高次方成比例的慣性力、電磁力等的作用相對減小，而與特征尺寸的低次方成比例的黏性力、彈性力、錶面張力、靜電力等的作用相對增大；此外，微構件的變形與損傷機制與巨集觀構件也不盡相同等。

　　針對微機械的研究中呈現出的新特征，傳統的機械動力學理論與方法已不再適用。微機械動力學研究微構件材料的本構關係、微構件的變形方式和阻尼機制、微機構的彈性動力學方程等主要科學問題，揭示微構件材料的分子(或原子)成分和結構、材料的彈性模量和泊松比、微構件的剛度和阻尼以及微機構的彈性動力學特性等之間的內在聯繫，從而保證微機電系統在微小空間內實現能量傳遞、運動轉換和調節控制功能，以規定的精度實現預定的動作。因此，機械動力學的研究將會取得多方面的創新成果，這些成果不僅有重要的科學意義和學術價值，而且有很好的應用前景。

　　機械動力學的研究方法可分為兩類。

　　(1)結構動態分析

　　對於機械動力學正問題，動態分析一般藉助於多種動態分析法(如模態分析法、模態綜合法、機械阻抗分析法、狀態空間分析法、模態攝動法及有限元法等)建立結構或系統的數學模型，進而對結構的動態特性進行分析(如動態模擬等)。

　　對於機械動力學逆問題，動態分析通常先進行動態實驗，在此基礎上根據一定的準則建立結構或系統的數學模型，然後藉助參數辨識或系統辨識的方法進行分析。

　　(2)動態實驗

　　結構動態實驗包括模態實驗、力學環境實驗、模擬實驗等，它是產品設計和生產過程中不可缺少的環節，不僅可以直接考核產品的動力學性能，也為動態分析建立可靠的數學模型提供必要的數據。