機(jī)械動(dòng)力學(xué)

正問題：給定機(jī)械的輸入力合阻力的變化規(guī)律，求解機(jī)器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律；

反問題：已知機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和阻力，求解應(yīng)施加于原動(dòng)構(gòu)件上的平衡力，以及各運(yùn)動(dòng)副的反力。

為簡(jiǎn)化問題，常把機(jī)械系統(tǒng)當(dāng)作具有理想、為穩(wěn)定約束的剛體系統(tǒng)處理。對(duì)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(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為單個(gè)剛體的動(dòng)力學(xué)問題；對(duì)多自由度機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題一般用拉格朗日方程求解。

機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)問題可借助電子計(jì)算機(jī)分析。

機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中，各構(gòu)件之間相互作用力的大小和變化規(guī)律是設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)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(rùn)滑方法的依據(jù)。在求出機(jī)械真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律后可算出各構(gòu)件的慣性力，再依據(jù)達(dá)朗貝爾原理，用靜力學(xué)方法求出構(gòu)件間的相互作用力。

平衡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(duì)剛性轉(zhuǎn)子的平衡已有較成熟的技術(shù)和方法：對(duì)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，不論是理論與方法都需要進(jìn)一步研究。

平面或空間機(jī)構(gòu)中包含有往復(fù)運(yùn)動(dòng)和平面或空間一般運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件 ，其質(zhì)心沿一封閉曲線運(yùn)動(dòng)。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)。

機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能量的平衡和分配關(guān)系包括：機(jī)械效率的計(jì)算和分析，調(diào)速器的理論和設(shè)計(jì)，飛輪的應(yīng)用和設(shè)計(jì)等。

機(jī)械振動(dòng)的分析是機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基本內(nèi)容之一， 現(xiàn)已發(fā)展成為內(nèi)容豐富、自成體系的一門學(xué)科。

機(jī)構(gòu)分析與機(jī)構(gòu)綜合一般是對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)而言，但隨著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高，機(jī)械動(dòng)力學(xué)已成為分析與綜合高速機(jī)構(gòu)時(shí)不可缺少的內(nèi)容。

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

在高速與精密機(jī)械設(shè)計(jì)中，為保證機(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(jì)里不容忽視的因素。一門把機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)械振動(dòng)和彈性理論結(jié)合起來的新的學(xué)科——運(yùn)動(dòng)彈性體動(dòng)力學(xué)正在形成，并在高速連桿機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)的研究中取得了一些成果。

在一些機(jī)械的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)提出變質(zhì)量的機(jī)械動(dòng)力學(xué)問題。各種模擬理論與方法以及運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的測(cè)試方法，已經(jīng)成為機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的重要手段。

研究目的：分析和綜合兩個(gè)方面，分析：研究現(xiàn)有的機(jī)械；

綜合：設(shè)計(jì)新機(jī)械使之達(dá)到給定的運(yùn)動(dòng)學(xué),動(dòng)力學(xué)要求。

機(jī)械動(dòng)力學(xué)是研究機(jī)械在力的作用下的運(yùn)動(dòng)和機(jī)械在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的力，并從力和運(yùn)動(dòng)相互作用的角度進(jìn)行機(jī)械的設(shè)計(jì)與改進(jìn)的科學(xué)。

按其將自然界中不同能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的方式可以分為風(fēng)力機(jī)械、水力機(jī)械和熱力發(fā)動(dòng)機(jī)3大類。

風(fēng)力機(jī)械 有風(fēng)帆、風(fēng)車（風(fēng)力機(jī)）、風(fēng)磨等。20世紀(jì)出現(xiàn)直接應(yīng)用風(fēng)力的發(fā)電裝置，但受到自然風(fēng)區(qū)分布的限制。一般認(rèn)為風(fēng)速應(yīng)大于 4米/秒才有利用價(jià)值。據(jù)估計(jì)，地球上蘊(yùn)有風(fēng)能約達(dá)10吉瓦，已經(jīng)利用的不及百分之一，故風(fēng)能大有開發(fā)的前景。

機(jī)械動(dòng)力學(xué)水力機(jī)械

有水車、水磨、水輪機(jī)等。20世紀(jì)以來，利用水輪機(jī)發(fā)電的水電站日益增多，因?yàn)樗娬揪哂羞\(yùn)行費(fèi)用低、無污染、取用不竭等優(yōu)點(diǎn)。但是興建水庫、水壩，初始投資較大、建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，而且對(duì)生態(tài)平衡、地質(zhì)力態(tài)平衡也有影響。中國(guó)水能蘊(yùn)藏量約為 680兆瓦，居世界之首，很有開發(fā)和利用的余地。

機(jī)械動(dòng)力學(xué)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)

熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)(汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)等)、熱氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、采礦、兵工等部門，內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。船舶、機(jī)車、汽車、拖拉機(jī)、物料搬運(yùn)機(jī)械、土方機(jī)械、坦克、排灌機(jī)械、摩托車、電影放映機(jī)、航空模型、小型發(fā)電裝置無不以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力。

①汽油機(jī)：以汽油為燃料，采用電點(diǎn)火，轉(zhuǎn)速一般在3000～6000轉(zhuǎn)/分，甚至高達(dá)每分萬轉(zhuǎn)。功率由幾百瓦至幾百千瓦。在農(nóng)林方面廣泛用作采茶機(jī)、割草機(jī)、機(jī)鋤、噴藥機(jī)、割灌機(jī)、機(jī)鋸等的動(dòng)力；在交通方面用作摩托車、汽車、小艇的動(dòng)力。此外，用于通信和電影放映機(jī)的小型發(fā)電機(jī)組，采礦用鑿巖機(jī)、建筑用打夯機(jī)等，無不以小型汽油機(jī)作動(dòng)力。早期的飛機(jī)曾以大型汽油機(jī)為動(dòng)力，后已基本上為渦輪機(jī)，特別是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)所取代。汽油機(jī)的排放物對(duì)人類環(huán)境的污染毒害十分嚴(yán)重。

②柴油機(jī)：以柴油為燃料，利用壓縮熱自燃，轉(zhuǎn)速一般在百余轉(zhuǎn)至五、六千轉(zhuǎn)每分，功率由幾千瓦至數(shù)萬千瓦。廣泛用作汽車、拖拉機(jī)、坦克、船舶、軍艦、機(jī)車、發(fā)電機(jī)組、物料搬運(yùn)機(jī)械、土方機(jī)械等的動(dòng)力。60年代以來，由于世界性的石油危機(jī)，以及柴油機(jī)具有較高的熱效率，柴油機(jī)的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大。一些過去采用汽油機(jī)的領(lǐng)域，如小轎車、輕型卡車等采用柴油機(jī)作動(dòng)力的日漸增多。

③煤氣機(jī)：以煤氣、天然氣和其他可燃?xì)怏w為燃料，有采用電點(diǎn)火的，也有采用噴入少量柴油壓燃引火的。由于氣體燃料來源的限制，加上煤氣機(jī)本身體積大、攜帶困難等原因，它的應(yīng)用遠(yuǎn)不及汽油機(jī)、柴油機(jī)廣泛。煤氣機(jī)大多應(yīng)用于固定式動(dòng)力裝置，但也有將氣體燃料裝囊，或液化裝瓶以用于運(yùn)輸車輛的，但因使用不便，未能推廣。

④蒸汽機(jī)：把蒸汽中的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱力裝置。

現(xiàn)代機(jī)械發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，自動(dòng)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(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象已擴(kuò)展到包括不同特性的動(dòng)力機(jī)和控制調(diào)節(jié)裝置在內(nèi)的整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，控制理論已滲入到機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究領(lǐng)域。 在高速、精密機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)中不容忽視的因素。一門把機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械振動(dòng)和彈性理論結(jié)合起來的新的學(xué)科——運(yùn)動(dòng)彈性體動(dòng)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(jì)中，已提出變質(zhì)量的機(jī)械動(dòng)力學(xué)問題。各種模擬理論和方法以及運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的測(cè)試方法，日益成為機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的重要手段。

1.分子機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究：作為納米科技的一個(gè)分支，分子機(jī)械和分子器件的研究工作受到普遍關(guān)注。如何針對(duì)納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)器件建立科學(xué)適用的力學(xué)模型，成為解決納米尺度動(dòng)力學(xué)問題的瓶頸。分子機(jī)械是極其重要的一類NEMS器件．分為天然的與人工的兩類。人工分子機(jī)械是通過對(duì)原子的人為操縱，合成、制造出具有能量轉(zhuǎn)化機(jī)制或運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)制的納米級(jí)的生物機(jī)械裝置。由于分子機(jī)械具有高效節(jié)能、環(huán)保無噪、原料易得、承載能力大、速度高等特點(diǎn)，加之具有納米尺度，故在國(guó)防、航天、航空、醫(yī)學(xué)、電子等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用前景，因而受到各發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。已經(jīng)成功研制出多種分子機(jī)械，如分子馬達(dá)、分子齒輪、分子軸承等。但在分子機(jī)械實(shí)現(xiàn)其工程化與規(guī)模化的過程中， 由于理論研究水平的制約，使分子機(jī)械的研究工作受到了進(jìn)一步得制約。 分子機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵是建立科學(xué)合理的力學(xué)模型。分子機(jī)械動(dòng)力學(xué)采用的力學(xué)模型有兩類，第一類是建立在量子力學(xué)、分子力學(xué)以及波函數(shù)理論基礎(chǔ)上的離散原子作用模型。在該模型中，依據(jù)分子機(jī)械的初始構(gòu)象，將分子機(jī)械系統(tǒng)離散為大量相互作用的原子，每個(gè)原子擁有質(zhì)量，所處的位置用幾何點(diǎn)表示。通過引入鍵長(zhǎng)伸縮能，鍵角彎曲能，鍵的二面角扭轉(zhuǎn)能，以及非鍵作用能等，形成機(jī)械的勢(shì)能面，使系統(tǒng)總勢(shì)能最小的構(gòu)象即為分子機(jī)械的穩(wěn)定構(gòu)象。采用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)等方法，對(duì)分子機(jī)械的動(dòng)態(tài)構(gòu)象與運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。從理論上講，該模型可以獲得分子機(jī)械每個(gè)時(shí)刻精確的動(dòng)力學(xué)性能，但計(jì)算T作量十分龐大，特別是當(dāng)原子數(shù)目較大時(shí)，其計(jì)算工作量是無法承受的。第二類模型為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型。該模型將分子機(jī)械視為桁架結(jié)構(gòu)，原子為桁架的節(jié)點(diǎn)，化學(xué)鍵為連接節(jié)點(diǎn)的桿件，然后采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的有限元方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。該模型雖然克服了第一類模型計(jì)算量龐大的缺陷，但無法描述各原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故沒有考慮分子機(jī)械的光、電驅(qū)動(dòng)效應(yīng)和量子力學(xué)特性．所以在此模型上難以對(duì)分子機(jī)械實(shí)施運(yùn)動(dòng)控制研究。有學(xué)者提出將量子力學(xué)中的波函數(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)中的能量函數(shù)以及機(jī)構(gòu)學(xué)中的運(yùn)動(dòng)副等理論結(jié)合，建立分子機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析的體鉸群模型。在該模型中，將分子機(jī)械中的驅(qū)動(dòng)光子、電子、離子等直接作用的原子以及直接構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的原子稱為體，聯(lián)接體的力場(chǎng)稱為鉸，具有確切構(gòu)象的體鉸組合稱為群。將群視為相對(duì)運(yùn)動(dòng)與形變運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的桿件．用群間相對(duì)位置的變化反應(yīng)分子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而群的形變運(yùn)動(dòng)反映分子構(gòu)象的變化，借助坐標(biāo)凝聚對(duì)群進(jìn)行低維描述。該模型的核心思想來自于一般力學(xué)中的子結(jié)構(gòu)理論和模態(tài)綜合技術(shù)。

2.往復(fù)機(jī)械的動(dòng)力學(xué)分析及減振的研究：機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)的原因，大致分為兩種，一種是機(jī)械本身工作時(shí)力和力矩的不平衡引起的振動(dòng)，另一種是由于外力或力矩作用于機(jī)架上而引起機(jī)械的振動(dòng)。下面只研究機(jī)械本身由于力和力矩的不平衡而引起的振動(dòng)問題。往復(fù)機(jī)械包含有大質(zhì)量的活塞、聯(lián)桿等組成的曲柄-活塞機(jī)構(gòu)，這些大質(zhì)量構(gòu)件在高速周期性運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不平衡力和氣缸內(nèi)的燃?xì)鈮毫蛘魵鈮毫Φ闹芷谛宰兓瘶?gòu)成了機(jī)器本身和基礎(chǔ)的振動(dòng)。這樣產(chǎn)生的振動(dòng)通過機(jī)架傳給基礎(chǔ)。此振動(dòng)只要采用適當(dāng)?shù)姆椒朔黄胶饬@一因素，便可減小振動(dòng)。然而由曲柄軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩使機(jī)架產(chǎn)生的反力而引起的振動(dòng)將是最難解決的問題。 通過一系列的動(dòng)力學(xué)分析，將產(chǎn)生新的減小振動(dòng)的思路，即想法將往復(fù)機(jī)械工作時(shí)產(chǎn)生的慣性力和力矩的不平衡性，盡量在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部加以平衡解決，使其不傳給機(jī)架。以往解決平衡的辦法是在曲柄軸中心線另一側(cè)加上適當(dāng)配重即可平衡，對(duì)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)雖然也可按同樣辦法來處理，但比較麻煩，且發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)笨大。由曲柄-活塞動(dòng)力學(xué)分析可知，若作用于往復(fù)機(jī)械的力之總和等于零(靜平衡條件)和上述作用力對(duì)任意點(diǎn)的力矩之總和等于零(動(dòng)平衡條件)，則作用于往復(fù)機(jī)械的力和力矩就完全平衡。從理論分析上是可行的，在實(shí)際應(yīng)用上也是可以實(shí)現(xiàn)的，即對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡，只要合理安排曲柄角位置和適當(dāng)選擇曲柄、連桿、活 塞構(gòu)件的質(zhì)量，則可完全滿足關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的兩個(gè)平衡條件，因而可達(dá)到減小整機(jī)振動(dòng)的目的。

3.機(jī)械系統(tǒng)的碰撞振動(dòng)與控制的研究：機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部或邊界間隙引起的碰撞振動(dòng)是機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。該領(lǐng)域研究成果有：

(1)碰撞振動(dòng)的間斷和連續(xù)分析，包括穩(wěn)定性分析、奇異性問題、擦邊誘發(fā)分叉、非線性模態(tài)等研究； (2)碰撞振動(dòng)控制，特別是不連續(xù)系統(tǒng)的控制方法和控制混沌碰撞振動(dòng)；

(3)碰撞振動(dòng)分析的數(shù)值方法；

(4)碰撞振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行環(huán)境下，機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部或邊界上的間隙通常使系統(tǒng)產(chǎn)生碰撞振動(dòng)， 即零部件間或零部件與邊界間的往復(fù)碰撞。這會(huì)造成有害的動(dòng)應(yīng)力、表面磨損和高頻噪聲，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。在當(dāng)代高技術(shù)的機(jī)電系統(tǒng)中，碰撞振動(dòng)有時(shí)會(huì)成為影響系統(tǒng)性能的主要因素。

例如：

(1)在由機(jī)器人完成的柔順插入裝配中，為避免軸、孔對(duì)中誤差而引起卡阻，需要同時(shí)控制操作器的位置和它與環(huán)境間的作用力。這類柔順操作器的關(guān)鍵部分由彈性元件、應(yīng)變測(cè)量模塊及力反饋電路組成，通過控制彈性元件的變形， 產(chǎn)生對(duì)負(fù)載變化非常敏感的控制力。操作器研制的難點(diǎn)之一是，傳動(dòng)誤差擾動(dòng)經(jīng)過間隙環(huán)節(jié)后成為極復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，對(duì)高靈敏度操作器的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生影響。

(2)大型航天器中許多大柔性結(jié)構(gòu)(如空間站的天線、太陽能電池帆板)需要在太空軌道裝配或自動(dòng)展開，為此，在關(guān)節(jié)(或套筒)中留有一定間隙。雖然這些間隙與結(jié)構(gòu)尺寸相比很小，但因關(guān)節(jié)數(shù)目很多而使整個(gè)結(jié)構(gòu)呈明顯的松動(dòng)，其振動(dòng)特性變得非常復(fù)雜。另外，這類結(jié)構(gòu)往往還受主動(dòng)控制， 間隙顯著增加了控制的難度。 因此，深入研究間隙引起的碰撞振動(dòng)，才能在高技術(shù)機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段把握其動(dòng)力學(xué)特性，避免后繼階段的大挫折。由于碰撞振動(dòng)系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，對(duì)它的研究既有理論難度又有重要工程實(shí)際意義，得到普遍關(guān)注。

4.流體動(dòng)力學(xué)在流體機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用：空氣、水、油等易于流動(dòng)的物質(zhì)被統(tǒng)稱為流體。在力的作用下，流體的流動(dòng)可引起能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和物質(zhì)的傳送。利用流體進(jìn)行力的傳遞、進(jìn)行功和能的轉(zhuǎn)換的機(jī)械，被稱為流體機(jī)械。流體力學(xué)就是一門研究流體流動(dòng)規(guī)律，以及流體與固體相互作用的一門學(xué)科，研究的范圍涉及到風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體的流動(dòng)以及車輛外形的減阻設(shè)計(jì)，水利機(jī)械的工作原理，輸油管道的鋪設(shè)，供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，乃至航海、航空和航天等領(lǐng)域內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)和外形的設(shè)計(jì)等。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD），就是建立在經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門新型學(xué)科。CFD 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)理論與方法，利用具有超強(qiáng)數(shù)值運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)，編制計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，數(shù)值求解滿足不同種類流體的流動(dòng)和傳熱規(guī)律的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大守恒規(guī)律，及附加的各種模型方程所組成的非線性偏微分方程組，得到確定邊界條件下的數(shù)值解。CFD 兼有理論性和實(shí)踐性的雙重特點(diǎn)，為現(xiàn)代科學(xué)中許多復(fù)雜流動(dòng)與傳熱問題提供了有效的解決方法。

5.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論與機(jī)械故障診斷技術(shù)：以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、水力發(fā)電機(jī)組等大型能源裝備、航天器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車等機(jī)械系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、機(jī)械故障診斷、振動(dòng)主動(dòng)控制等方面的研究。對(duì)帶有旋轉(zhuǎn)機(jī)械中常見的動(dòng)靜件碰摩、部件松動(dòng)、轉(zhuǎn)軸裂紋等故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)展了轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)理論。開展了動(dòng)靜件碰摩、轉(zhuǎn)軸裂紋等旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見故障的診斷與定位，非線性系統(tǒng)在線辨識(shí)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、小波分析等方法的研究，在國(guó)際上較早地和較系統(tǒng)、全面地分析了旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見故障的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，所開發(fā)的水輪發(fā)電機(jī)組和汽輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)已安裝在大量的機(jī)組上，為電力行業(yè)的安全生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)。

6.航天器動(dòng)力學(xué)及智能結(jié)構(gòu)技術(shù)：為了解決對(duì)含間隙展開與分離機(jī)構(gòu)的全局(解鎖－展開－鎖定)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)仿真的難題，引入單邊約束和變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論，研究了含間隙展開機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)建模方法，基于ADAMS軟件平臺(tái)編制了衛(wèi)星-火箭分離動(dòng)力學(xué)仿真模擬系統(tǒng)和太陽電池陣動(dòng)力學(xué)仿真模擬系統(tǒng)，該項(xiàng)技術(shù)已用于星箭解鎖分離、戰(zhàn)略導(dǎo)彈級(jí)間段分離、大型整流罩解鎖－拋離、空間站伸展機(jī)構(gòu)展開-鎖定等的全局預(yù)測(cè)仿真模擬。探索研究了智能材料結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法，主要解決智能元件和典型智能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析問題。設(shè)計(jì)了一種具有感知和驅(qū)動(dòng)功能的壓電主動(dòng)桿；研究了典型智能材料元件（壓電雙晶片、SMA差動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng)器、主動(dòng)桿等）的機(jī)電耦合特性；研制了3種智能材料元件驅(qū)動(dòng)的組合式機(jī)構(gòu)：壓電驅(qū)動(dòng)的微動(dòng)機(jī)器人、SMA驅(qū)動(dòng)的柔性手爪和壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；進(jìn)行了采用智能材料實(shí)現(xiàn)飛行器的變構(gòu)型研究。

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(dòng)規(guī)律。為了簡(jiǎn)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(duì)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(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為單個(gè)剛體的動(dòng)力學(xué)問題；對(duì)多自由度機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題一般用拉格朗日方程求解。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)問題可借助電子計(jì)算機(jī)分析。計(jì)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(dòng)列出相應(yīng)的微分方程并解出所要求的運(yùn)動(dòng)參量。

2.分析機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(jì)運(yùn)動(dòng)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(rùn)滑方法的依據(jù)。在求出機(jī)械真實(shí)運(yùn)動(dòng)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(duì)于剛性轉(zhuǎn)子的平衡已有較成熟的技術(shù)和方法：對(duì)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(dòng)和平面或空間一般運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件。其質(zhì)心沿一封閉曲線運(yùn)動(dòng)。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(jì)算和分析；調(diào)速器的理論和設(shè)計(jì)；飛輪的應(yīng)用和設(shè)計(jì)等。

5.機(jī)械振動(dòng)的分析研究。這是機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基本內(nèi)容之一，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。此項(xiàng)內(nèi)容一般是對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)而言，但隨著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的提高，機(jī)械動(dòng)力學(xué)已成為分析和綜合高速機(jī)構(gòu)時(shí)不可缺少的內(nèi)容。

課程代碼：X020509

學(xué)分/學(xué)時(shí)：2.0 /54

開課時(shí)間：秋

課程名稱：機(jī)械動(dòng)力學(xué)

開課學(xué)院：機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

任課教師：郭為忠

面向?qū)I(yè)：機(jī)械學(xué)·機(jī)械工程各專業(yè)

預(yù)修課程：機(jī)械原理, 理論力學(xué),,材料力學(xué)

課程內(nèi)容簡(jiǎn)介：

中文：該課程為機(jī)械工程研究生選修課，介紹機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基本知識(shí)，包括轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)平衡、凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)彈性動(dòng)力學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多剛體動(dòng)力學(xué)等。該課程有助于學(xué)生理解、分析并改進(jìn)現(xiàn)代機(jī)器的動(dòng)態(tài)性能。

英文：This course is an elective course for graduate students. It provides an introduction to the basic knowledge of mechanical dynamics. The dynamics of the rotors, the balancing of the mechanisms, the cam dynamics, the kineto-elasto dynamics, the dynamics of mechanical systems, and multi-rigid-body dynamics are included. It helps the students understand, analyze and improve the dynamic performances of modern machines.

教學(xué)大綱：

Week 1 緒論

Week 2平面機(jī)構(gòu)的平衡

Week 3單自由度機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

Week 4多自由度機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

Week 5計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介

Week 6回轉(zhuǎn)體機(jī)械動(dòng)力學(xué)

Week 7連桿機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)

Week 8凸輪機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)

Week 9機(jī)械系統(tǒng)彈性動(dòng)力學(xué)

機(jī)械動(dòng)力學(xué)史緒論

一、機(jī)械動(dòng)力學(xué)的發(fā)展歷史梗概

二、機(jī)械動(dòng)力學(xué)發(fā)展的背景與環(huán)境

第一篇機(jī)械動(dòng)力學(xué)的早期發(fā)展（第二次世界大戰(zhàn)以前）

第一章理論基礎(chǔ)：經(jīng)典力學(xué)理論的創(chuàng)立與發(fā)展

機(jī)械動(dòng)力學(xué)史第一節(jié)

經(jīng)典力學(xué)理論體系的創(chuàng)立

一、經(jīng)典力學(xué)創(chuàng)立的時(shí)代背景

二、經(jīng)典力學(xué)創(chuàng)立之前的理論準(zhǔn)備

三、經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立

四、分析力學(xué)的建立

五、彈性力學(xué)的建立

六、經(jīng)典力學(xué)的局限性

機(jī)械動(dòng)力學(xué)史第二節(jié)

與機(jī)械動(dòng)力學(xué)相關(guān)的早期數(shù)學(xué)理論的發(fā)展

一、微積分理論的創(chuàng)立

二、微分方程理論的建立和發(fā)展

《機(jī)械動(dòng)力學(xué)史》分為兩篇。第一篇介紹：經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立為機(jī)械動(dòng)力學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，兩次工業(yè)革命對(duì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)提出了要求，以及機(jī)械振動(dòng)學(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)理論的早期發(fā)展。第二篇介紹：第二次世界大戰(zhàn)后科技的大發(fā)展為機(jī)械動(dòng)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(dòng)力學(xué)提出了新的要求，機(jī)械動(dòng)力學(xué)在縱向形成為包括建模、分析、仿真、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與控制的綜合學(xué)科，在橫向形成了機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)床動(dòng)力學(xué)和車輛動(dòng)力學(xué)等多個(gè)分支領(lǐng)域。

張策，天津大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，教育部高等學(xué)校機(jī)械學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任委員暨機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械傳動(dòng)分會(huì)理事、國(guó)際機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器科學(xué)聯(lián)合會(huì)（IFToMM）中國(guó)委員會(huì)委員。主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)。主持與參加國(guó)家、部委、地方課題10項(xiàng)、橫向課題2項(xiàng)，獲省部級(jí)自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、教學(xué)成本二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)，其他省部級(jí)獎(jiǎng)4項(xiàng)。發(fā)表論文150余篇，其中被SCI/EI/ISTP收錄40篇。