机械动力学作业

机械动力学作业

1、 机械动力学的研究内容

机械动力学是一门基于Newton力学，研究机械系统宏观动态行为的学科。该学科的研

究对象包括几乎所有具有机械功能的系统，其研究范围涵盖了这类系统的建模与仿真、动

力学分析与设计、动力学控制、运行状态监测和故障诊断等。该学科的主要任务是采用尽

可能低的代价使产品在设计、研制、运行各阶段具有最佳的动力学品质。

机械动力学是机械原理的主要组成部分。它研究机械在运转过程中的受力、机械中各

构件的质量与机械运动之间的相互关系，是现代机械设计的理论基础。研究机械运转过程

中能量的平衡和分配关系。主要研究的是：在已知外力作用下，求具有确定惯性参量的机

械系统的真实运动规律 ；分析机械运动过程中各构件之间的相互作用力；研究回转构件和

机构平衡的理论和方法；机械振动的分析；以及机构的分析和综合等等。研究内容概况6

个方面：

1、在已知外力作用下，求具有确定惯性参量的机械系统的真实运动规律 ；分析机械

运动过程中各构件之间的相互作用力；研究回转构件和机构平衡的理论和方法；机械振动

的分析；以及机构的分析和综合等等。

为了简化问题，常把机械系统看作具有理想、稳定约束的刚体系统处理。对于单自由

度的机械系统，用等效力和等效质量的概念 ，可以把刚体系统的动力学问题转化为单个刚

体的动力学问题；对多自由度机械系统动力学问题一般用拉格朗日方程求解。机械系统动

力学方程常常是多参量非线性微分方程，只在特殊条件下可直接求解，一般情况下需要用

数值方法迭代求解许多机械动力学问题可借助电子计算机分析计算机根据输入的外力参

量、构件的惯性参量和机械系统的结构信息，自动列出相应的微分方程并解出所要求的运

动参量。

2、分析机械运动过程中各构件之间的相互作用力。这些力的大小和变化规律是设计运

动副的结构、分析支承和构件的承载能力以及选择合理润滑方法的依据。在求出机械真实

运动规律后可算出各构件的惯性力，再依据达朗伯原理用静力学方法求出构件间的相互作

用力。

3、研究回转构件和机构平衡的理论和方法。平衡的目的是消除或减少作用在机械基础

上周期变化的振颤力和振颤力矩。对于刚性转子的平衡已有较成熟的技术和方法：对于工

作转速接近或超过转子自身固有频率的挠性转子平衡问题，不论是理论和方法都需要进一

步研究。

平面或空间机构中包含有往复运动和平面或空间一般运动的构件。其质心沿一封闭曲

线运动。根据机构的不同结构，可以应用附加配重或附加构件等方法全部或部分消除其振

颤力但振颤力矩的全部平衡较难实现优化技术应用于机构平衡领域已经取得较好的成果。

4、研究机械运转过程中能量的平衡和分配关系。这包括：机械效率的计算和分析；调

速器的理论和设计；飞轮的应用和设计等。

5、机械振动的分析研究是机械动力学的基本内容之一。它已发展成为内容丰富、自成

体系的一门学科。

6、机构分析和机构综合一般是对机构的结构和运动而言，但随着机械运转速度的提高，

机械动力学已成为分析和综合高速机构时不可缺少的内容。 近代机械发展的一个显著特点是，自动调节和控制装置日益成为机械不可缺少的组成

部分。机械动力学的研究对象已扩展到包括不同特性的动力机和控制调节装置在内的整个

机械系统，控制理论已渗入到机械动力学的研究领域。在高速、精密机械设计中，为了保

证机械的精确度和稳定性，构件的弹性效应已成为设计中不容忽视的因素。一门把机构学、

机械振动和弹性理论结合起来的新的学科——运动弹性体动力学正在形成，并在高速连杆

机构和凸轮机构的研究中取得了一些成果。在某些机械的设计中，已提出变质量的机械动

力学问题。各种模拟理论和方法以及运动和动力参数的测试方法，日益成为机械动力学研

究的重要手段。

2、 机械动力学的发展概况

机械动力学在当代获得了高速发展，呈现出全新的面貌。一方面。机械动力学在纵向已

发展为包括动力学建模。动力学分析、动力学仿真、动力学设计、减振与动力学控制，以及

状态监测和故障诊断等一系列领域的内容丰富的综合学科。另一方面，在横向，形成了机构

动力学、传动动力学、转子动力学、机器人动力学、机床动力学和车辆动力学等多个分支领

域。机械动力学在纵向的发展为其各个分支领域提供了基本理论与方法，而机械动力学在横

向的各分支领域则与机械设计和生产实践直接衔接。纵横交织，机械动力学形成了一个内容

丰富、结构庞大的体系。

1．经济与社会的发展是推动学科发展的基础

经济与社会的发展，特别是其中生产技术的发展是各学科领域发展的推动力；而科学与

技术的发展又反过来指导了生产技术的提高，推动了经济与社会的发展。经济与社会的发展

需求是第一性的，处于基础的地位。所有科学，上至横断科学，下至机械动力学的各个分支

领域，都与这个基础存在着互动的关系，概莫能外。

从横向——研究对象看，机械动力学中发展出机构动力学、转子动力学、机器人动力学、车

辆动力学等分支领域。它们直接面向经济发展和生产技术第一线，与基础的互动关系就特别

鲜明。所有这些分支领域的发展，都与机械的高速化、轻量化、精密化、自动化密切相关，

而背后则是不断提高的社会需求和日益激烈的市场竞争。

2．机械动力学的网状结构及其内部关系

从纵向——研究内容看，广义的机械动力学已发展为包括动力学建模、动力学分析、动

力学设计，以及状态监测和故障诊断等的内容丰富的综合学科，形成了一个纵横交错的网状

结构。纵、横两个领域存在着互动的关系：纵向领域的各种方法、软件和技术都首先来自某

个横向分支领域，而后又推广扩展到其它分支领域。应特别指出，航空航天器动力学(由于

问题特殊性，本书未予介绍)当然是各横向分支中发展水平最高的一个分支，它的发展对机

械动力学的各纵向分支领域有很突出的影响。多体动力学、有限元建模与分析(包括软件)、

结构优化设计、振动监测与故障诊断等都是首先在飞机与航天器的力学分析和振动问题的研

究中出现的。而后这些方法又都渗透到机床动力学、转子动力学及其它各横向分支领域中去。

机械动力学依其研究对象的不同形成许多横向分支，体现出当代科技的高度分化。机械动力

学纵横方向的网状结构，机械动力学与各相关学科的互相影响，则体现出当代科技的高度综

合。

3、相关学科的发展极大地影响了机械动力学的发展 相关学科的进步对机械动力学的发展至关重要。力学(包括其中的振动理论)始终是机械

动力学的最重要的基础学科。力学史上从牛顿、欧拉到拉格朗日，再到当代的多体动力学；

从惠更斯、庞加莱到瑞雷，再到当代的随机振动理论和非线性振动理论；力学与振动理论的

每一次大的进步都给机械动力学的发展以强大的推动力。从力学的碗中取一勺原汁，就能作

一锅机械动力学的美味鲜汤。信号分析方法，尤其是快速傅里叶变换的出现成为现代振动测

试、故障诊断技术的基础。计算机技术和现代数值方法对对力学、机械动力学的发展的影响。

怎样估计都不过分，甚至可以说，没有计算机和现代数值方法，就没有当代的机械动力学。

机构动力学、传动动力学和机器人动力学也分别是机构学、机械传动学和机器入学的有机组

成部分。站在这个网状结构最高端的是横断科学，它们是辩证唯物论在当代科技领域的具体

化，对各个学科都起着认识论和方法论方面的指导作用。与此同时，横断科学也是由具体的

科学和工程领域升华而形成。

近年来，随着信息科学和非线性科学的发展，机械动力学的研究内涵更加深入，其特

征是：在系统的建模阶段计入各种重要而又复杂的非线性因素、柔性因素、边界与结合部

效应，应用非线性动力学分析与仿真技术研究系统的大范围动力学特性，基于对系统动力

学的深刻理解和采用最新的优化方法实现系统的动力学设计，对系统实施各种主动控制乃

至智能控制来获得所需的运动，在研究机电一体化的受控系统时考虑动力学和控制的相互

耦合问题，采用各种最新的信息提取和分析方法诊断系统的故障等。

未来机械系统动力学发展的重点将会在以下方面四：柔性多体系统的力学响应与其他

类型的物理场(如：电、热、磁和流体向量场)耦合求解、柔性多体系统控制与逆动力学设

计、柔性多体系统动力学数值求解策略改进。

3、 机械动力学在机械领域应用情况

21 世纪初, 发展以灵巧机械手、步行机器人、并联机床、可移动光学仪器

平台、磁悬浮列车、汽车主动底盘等为代表的智能化机电产品将是我国机械工业

的奋斗目标之一。这类机电产品具有材料新颖、结构轻巧、机动性强、智能化高

等特点, 产生了材料非线性、几何非线性、控制中的非线性与时滞等复杂动力学

问题。这些问题将是21 世纪初机械动力学领域的研究前沿。

机械故障诊断。机器在运行过程中的振动室诊断的重要信息，其位移和速度

反映了机器的运行状态。众所周知，振动室动力学重要的内容之一，而非线性振

动则是非线性动力学最重要的内容之一，为了研究动力学系统的故障机理，这里

首先分析典型线性和非线性振动系统的响应。对可建模系统，以旋转机械为例介

绍了建模方法，基于分岔理论的故障机理分析，可对某些疑难振动故障的机理、

控制和预测提供指导。对不可建模系统，根据混沌动力学理论和实测振动数据，

对系统进行相空间重构，依已计算表征能量分布的奇异谱的谱型可判断故障的根

源。通过对大型旋转机械的故障诊断等工程实践表明，这里所建议的非线性动力

学诊断原理是十分有效的，并且已经取得了显著的经济效益。

现代机械向高速、精密、轻型、重载和低噪声等方向发展，为了提高机械产

品的动态性能、工作品质，必须重视机构与机械动力学研究。这段时间内集中在

弹性机构动力学、机构动力平衡、含间隙机构动力学和机器人机构动力学等方面的研究。

4、 常用的机械动力学软件有那些，简述其功能

一、ADAMS

ADAMS即机械系统动力学自动分析，(Automatic Dynamic Analysis of

Mechanical Systems)，软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚

拟样机分析软件。目前，ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根

据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总

额近八千万美元、占据了51%的份额,现已经并入美国MSC公司。

ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机

械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立

系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速

度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范

围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚

拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工

具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机

分析的二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本：UNIX版和Windows

NT/2000版。在这里将以Windows 2000版的ADAMS l2.0为蓝本进行介绍。 ADAMS软件模块

ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块

组成，如表3-1所示。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且

可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。

基本模块 用户界面模块 ADAMS/View

求解器模块 ADAMS/Solver

后处理模块 ADAMS/PostProcessor

扩展模块 液压系统模块 ADAMS/Hydraulics

振动分析模块 ADAMS/Vibration

线性化分析模块 ADAMS/Linear

高速动画模块 ADAMS/Animation

试验设计与分析模块 ADAMS/Insight