第一篇：機械動力學讀書報告

機械動力學讀書報告

一、機械動力學研究的內容：

任何機械，在存在運動的同時，都要受到力的作用。機械動力學時研究機械在力作用下的運動和機械在運動中產生的力，并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。

詳細的機械動力學研究方向可以分為以下六點：

（1）在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機械系統的真實運動規律；分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力；研究回轉構件和機構平衡的理論和方法；機械振動的分析；以及機構的分析和綜合等等。

為了簡化問題，常把機械系統看作具有理想、穩定約束的剛體系統處理。對于單自由度的機械系統，用等效力和等效質量的概念，可以把剛體系統的動力學問題轉化為單個剛體的動力學問題；對多自由度機械系統動力學問題一般用拉格朗日方程求解。機械系統動力學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值方法迭代求解許多機械動力學問題可借助電子計算機分析計算機根據輸入的外力參量、構件的慣性參量和機械系統的結構信息，自動列出相應的微分方程并解出所要求的運動參量。

（2）分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力。這些力的大小和變化規律是設計運動副的結構、分析支承和構件的承載能力以及選擇合理潤滑方法的依據。在求出機械真實運動規律后可算出各構件的慣性力，再依據達朗伯原理用靜力學方法求出構件間的相互作用力。

（3）研究回轉構件和機構平衡的理論和方法。平衡的目的是消除或減少作用在機械基礎上周期變化的振顫力和振顫力矩。對于剛性轉子的平衡已有較成熟的技術和方法：對于工作轉速接近或超過轉子自身固有頻率的撓性轉子平衡問題，不論是理論和方法都需要進一步研究。

平面或空間機構中包含有往復運動和平面或空間一般運動的構件。其質心沿一封閉曲線運動。根據機構的不同結構，可以應用附加配重或附加構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現優化技術應用于機構平衡領域已經取得較好的成果。

（4）研究機械運轉過程中能量的平衡和分配關系。這包括：機械效率的計算和分析；調速器的理論和設計；飛輪的應用和設計等。

（5）機械振動的分析研究是機械動力學的基本內容之一。它已發展成為內容豐富、自成體系的一門學科。

（6）機構分析和機構綜合一般是對機構的結構和運動而言，但隨著機械運轉速度的提高，機械動力學已成為分析和綜合高速機構時不可缺少的內容。

二、振動的分析

為了簡化問題，常把機械系統看作具有理想、穩定約束的剛體系統處理。對于單自由度的機械系統，用等效力和等效質量的概念，可以把剛體系統的動力學問題轉化為單個剛體的動力學問題；對多自由度機械系統動力學問題一般用拉格朗日方程求解。2.1單自由度系統振動

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多自由度系統振動

多自由度系統振動有以下幾種方法：牛頓運動方程（或達朗伯爾原理）、拉格朗日運動方程、影響系數法、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，可以在主系統上裝設一個輔助的彈簧質量系統。該輔助裝置與主系統構成一個二自由度系統。該輔助裝置能使主系統避開共振區，并有減振效果，故稱為動力減振器。

模態矩陣正則化：將模態方程的模態質量矩陣變為單位矩陣，該坐標變換稱為模態矩陣正則化。

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，可以進行自由度縮減，求解大模型的少數階（前幾階）模態。（2）對于外力隨時間變化較慢，系統初始條件中包含高階主振型分量較少的情況。2.3機械動力系統響應的數值計算

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

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——調節公式的特性參數，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內為線性變化，首先計算[t，t+ θ Δ t ]區間近似解，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，而主要是數學的理由。

此外還有龍格——庫塔(RK)法。2.4彈性體振動

弦振動：在工程實際中常遇到鋼索、電線、電纜和皮帶等柔性體構件，其共同特點是只能承受拉力，而抵抗彎曲及壓縮能力很弱，這類構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，因此，知道弦的基本參數，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）圓軸的扭轉振動； 2.5ADAMS介紹

ADAMS，即機械系統動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS己經被全世界各行各業的數百家主要制造商采用。

ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，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測機械系統的性能、運動范圍、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系列產品的核心模塊之一，采用以用戶為中心的交互式圖形環境，將圖標操作、菜單操作、鼠標點擊操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、優化設計、X－Y曲線圖處理、結果分析和數據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內核進行實體建模，并提供了豐富的零件幾何圖形庫、約束庫和力/力矩庫，并且支持布爾運算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函數。除此之外，還提供了豐富的位移函數、速度函數、加速度函數、接觸函數、樣條函數、力/力矩函數、合力/力矩函數、數據元函數、若干用戶子程序函數以及常量和變量等。

自9.0版后，ADAMS/View采用用戶熟悉的Motif界面(UNIX系統)和Windows界面(NT系統)，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據，同時還提供了PLOT BROWER和FUNCTION BUILDER工具包。DS(設計研究)、DOE(實驗設計)及OPTIMIZE(優化)功能可使用戶方便地進行優化工作。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、菜單和對話框創建和修改工具包，而且具有在線幫助功能。

22求解器模塊(ADAMS/Solver)

ADAMS/Solver是ADAMS系列產品的核心模塊之一，是ADAMS產品系列中處于心臟地位的仿真器。該軟件自動形成機械系統模型的動力學方程，提供靜力學、運動學和動力學的解算結果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種工程應用問題。ADAMS/Solver可以對剛體和彈性體進行仿真研究。為了進行有限元分析和控制系統研究，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據。用戶可以通過運動副、運動激勵，高副接觸、用戶定義的子程序等添加不同的約束。用戶同時可求解運動副之間的作用力和反作用力，或施加單點外力。

ADAMS/Solver新版中對校正功能進行了改進，使得積分器能夠根據模型的復雜程度自動調整參數，仿真計算速度提高了30%；采用新的S12型積分器(Stabilized Index 2 intergrator)，能夠同時求解運動方程組的位移和速度，顯著增強積分器的魯棒性，提高復雜系統的解算速度；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；可以將樣條數據存儲成獨立文件使之管理更加方便，并且spline語句適用于各種樣條數據文件，樣條數據文件子程序還支持用戶定義的數據格式；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公司開發的后處理模塊ADAMS/Postprocessor，用來處理仿真結果數據、顯示仿真動畫等。既可以在ADAMS/View環境中運行，也可脫離該環境獨立運行。ADAMS/PostProcessor的主要特點是：采用快速高質量的動畫顯示，便于從可視化角度深入理解設計方案的有效性；使用樹狀搜索結構，層次清晰，并可快速檢索對象；具有豐富的數據作圖、數據處理及文件輸出功能；具有靈活多變的窗口風格，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果同步顯示，并可錄制成電影文件；具有完備的曲線數據統計功能：如均值、均方根、極值、斜率等；具有豐富的數據處理功能，能夠進行曲線的代數運算、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的內存管理模式；強化了曲線編輯工具欄功能；能支持模態形狀動畫，模態形狀動畫可記錄的標準圖形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm，*.avi 等；在日期、分析名稱、頁數等方面增加了圖表動畫功能；可進行幾何屬性的細節的動態演示。

第二篇：機械動力學簡史

機械動力學簡史

一.動力學簡介

機械動力學作為機械原理的重要組成部分，主要研究機械在運轉過程中的受力，機械中各部分構件的質量和構件之間機械運動的相互關系，是現代機械設計的重要理論基礎。

一般來說，機械動力學的研究內容包括六個方面：（1）在已知外力作用下求機械系統的真實運動規律；（2）分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力；（3）研究回轉構件和機構平衡的理論和方法；（4）研究機械運轉過程中能量的平衡和分配關系；（5）機械振動的分析研究；（6）機構分析和機構綜合。其主要研究方向是機械在力的作用下的運動和機械在運動過程中產生的力，并且從力和相互作用的角度對機械進行設計和改進的學科。

二.動力學的前期發展

人類的發展過程中，很重要的一個進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，機械的形式開始發展起來。從簡單的工具形式，到包含各類零件、部件的較為先進的機械，這中間的發展過程經歷了不斷的改進與反復，也經歷了在國家內部與國家之間的傳播過程。

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

人類從石器時代進入青銅時代、鐵器時代，用以吹旺爐火的鼓風器的發展起了重要作用。有足夠強大的鼓風器，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器，并漸從人力鼓風發展到畜力和水力鼓風。早在公元前，中國已在指南車上應用復雜的齒輪系統。古希臘已有圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿傳動的記載。但是，關于齒輪傳動瞬時速比與齒形的關系和齒形曲線的選擇，直到17世紀之后方有理論闡述。手搖把和踏板機構是曲柄連桿機構的先驅，在各文明古國都有悠久歷史，但是曲柄連桿機構的形式、運動和動力的確切分析和綜合，則是近代機構學的成就。

近代的機械動力學，在動力以及機械結構本身來說，具有各方面的重大突破。動力在整個生產過程中占據關鍵地位。隨著機械的改進，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上，利用水力和風力對機械進行驅動，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。而后來稍晚出現的紐科門大氣式蒸汽機，雖然也可以驅使一些機械，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只能應用于煤礦附近。

瓦特發明的具有分開的凝汽器的蒸汽機以及具有回轉力的蒸汽機，不僅降低了燃料的消耗量，也很大程度上擴大了蒸汽機的應用范圍。蒸汽機的發明和發展，使礦業和工業生產、鐵路和航運都得以機械動力化。蒸汽機幾乎是19世紀唯一的動力源。但蒸汽機及其鍋爐、凝汽器、冷卻水系統等體積龐大、笨重，應用很不方便。

19世紀末，電力供應系統和電動機開始發展和推廣。20世紀初，電動機已在工業生產中取代了蒸汽機，成為驅動各種工作機械的基本動力。生產的機械化已離不開電氣化，而電氣化則通過機械化才對生產發揮作用。

發電站初期應用蒸汽機為原動機。20世紀初期，出現了高效率、高轉速、大功率的汽輪機，也出現了適應各種水力資源的大、小功率的水輪機，促進了電力供應系統的蓬勃發展。19世紀后期發明的內燃機經過逐年改進，成為輕而小、效率高、易于操縱、并可隨時啟動的原動機。它先被 fuqu用以驅動沒有電力供應的陸上工作機械，以后又用于汽車、移動機

械（如拖拉機、挖掘機械等）和輪船，到20世紀中期開始用于鐵路機車。蒸汽機在汽輪機和內燃機的排擠下，已不再是重要的動力機械。內燃機和以后發明的燃氣渦輪發動機、噴氣發動機的發展，還是飛機、航天器等成功發展的基礎技術因素之一。

三.機械動力學的發展過程

經典力學的創立為機械動力學的發展奠定了理論基礎，兩次工業革命對機械動力學提出了要求，以及機械振動學和機械動力學理論的早期發展。

經典力學是機械學科中很重要的理論基礎，同時也是機械運動學和動力學的基礎。經典力學理論體系的創立和發展，在機械動力學的發展方面做出了巨大的貢獻，另一方面，機械學和機械動力學的發展直接相關的數學理論的發展也起到了極其重要的推動作用。

經典力學、分析力學以及彈性力學等力學理論的進一步發展，在機械的動力以及結構發展起到了很大的促進作用。而微積分、微分方程理論、變分法、矩陣論和概率論等數學理論的發展更是將機械動力學推上了新的高度。世紀英國數學家漢密爾頓用變分原理推導出漢密爾頓正則方程，此方程是以廣義坐標和廣義動量為變量，用漢密爾頓函數來表示的一階方程組，其形式是對稱的。用正則方程描述運動所形成的體系，稱為漢密爾頓體系或漢密爾頓動力學，它是經典統計力學的基礎，又是量子力學借鑒的范例。漢密爾頓體系適用于攝動理論，例如天體力學的攝動問題，并對理解復雜力學系統運動的一般性質起重要作用。拉格朗日動力學和漢密爾頓動力學所依據的力學原理與牛頓的力學原理，在經典力學的范疇內是等價的，但它們研究的途徑或方法則不相同。直接運用牛頓方程的力學體系有時稱為矢量力學；拉格朗日和漢密爾頓的動力學則稱為分析力學。動力學的基本內容動力學的基本內容包括質點動力學、質點系動力學、剛體動力學、達朗貝爾原理等。以動力學為基礎而發展出來的應用學科有天體力學、振動理論、運動穩定性理論，陀螺力學、外彈道學、變質量力學，以及正在發展中的多剛體系統動力學等。質點動力學有兩類基本問題：一是已知質點的運動，求作用于質點上的力；二是已知作用于質點上的力，求質點的運動。求解第一類問題時只要對質點的運動方程取二階導數，得到質點的加速 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點運動微分方程或求積分。

而兩次工業革命也對于機械工業和機械科學的發展，尤其是機構學和動力學的發展有很大的推動作用。第一次工業革命中蒸汽機車的發明和改進以及當時的機械發明，第二次工業革命的電氣時代中的汽輪機的誕生與發明，內燃機的發明與進步，一方面既是機械動力學的發展成果，另一方面也推動了自己學科的進步。此后機械動力學的發展趨勢，逐漸朝著機械和機械和運載工具的高速化和大功率化、機械的精密化、機械的輕量化、機械的自動化方向發展。

機械機構學和機構運動學的發展，包括了震動理論的建立和發展，其中包括了線性理論和非線性理論等。轉子動力學的起步，包含剛性轉子平衡技術、軸承轉子系統動力學的發展也是這一時期的重要理論進步。而機構學的建立，特別是理論運動學的發展，在機構學的德國學派和俄蘇學派中也有了長足的進步。

在機構的演進和傳動機構的演進中，凸輪機構、連桿機構、間歇運動機構的演進，齒輪傳動、蝸桿傳動、鏈傳動和帶傳動、傳動系統的復雜化都為機械動力學的發展提供了條件。

第二次世界大戰后科技的大發展為機械動力學的進一步發展提供了指導思想、方法和技術手段，機械工業的巨大進步向機械動力學提出了新的要求，機械動力學在縱向形成為包括建模、分析、仿真、動力學設計與控制的綜合學科，在橫向形成了機構動力學、機械傳動動力學、轉子動力學、機器人動力學、機床動力學和車輛動力學等多個分支領域。

系統論、控制論、和信息論的誕生，為機械動力學的發展提供了新的指導思想、理論和

方法。電子計算機的發明，以及基于計算機的數值方法的進步，為機械動力學提供了全新的技術手段和數學工具。非線性科學的誕生和非線性振動理論的發展，強烈地影響到機械動力學的各個領域，從線性理論提升理論是一個質的飛躍。基于計算機計算的多體動力學的出現，為復雜系統的動力學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步是機械振動測試手段、狀態監測技術以及故障診斷技術發展的基礎。

從橫向的研究對象看，機械動力學中發展出機構動力學、機械傳動動力學、轉子動力學、機器人動力學、車輛動力學、機床動力學等分析領域；從動力學的研究內容看，機械動力學發展為動力學建模、動力學分析、動力學仿真、動力學設計、減振與動力學控制，以及狀態監測和故障診斷等一系列領域的內容豐富的綜合學科；

從動力學建模的對象看，Newton研究的事單質點，Euler研究了單剛體，Lagrange啟動了多剛體系統的研究，而今天的機械動力學已發展到多彈性體系統、多柔性體系統的研究。從動力學的數學工具看，Newton在力學研究中發明了微積分，Lagrange使用了變分法，眾多學者在微分方程的定性分析和求解方面做出了貢獻。二戰后，動力學的計算逐步地、完全地實現了計算機化；同時各種復雜的微分方程，包括袋鼠微分方程，剛性微分方程的數值方法也取得迅速發展。此外，機械動力學的發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的建模方法：Newton-Euler的矢量力學方法、Lagrange的分析力學方法和Kane的多體動力學方法；微幅振動彈性系統的建模方法：動態子結構方法和傳遞矩陣法；驗建模方法；柔體系統動力學的建模方法：彈性動力分析方法。

機械系統動力學建模的精細化則有，精細地估計系統的剛度、阻尼和摩擦 計入材料非線性 計入幾何非線性 關于沖擊振動的研究 復雜機械系統中多種物理場的耦合。

運動學以及運動學軟件的發展也至關重要，其中有ADAMS軟件和其他的有限元分析軟件，而虛擬樣機技術也起到了極大的作用。

四.動力學的未來展望

近代機械發展的一個顯著特點是，自動調節和控制裝置日益成為機械不可缺少的組成 部分。機械動力學的研究對象已擴展到包括不同特性的動力機和控制調節裝置在內的整個機械系統，控制理論已滲入到機械動力學的研究領域。

在高速、精密機械設計中，為了保證機械的精確度和穩定性，構件的彈性效應已成為設計中不容忽視的因素。一門把機構學、機械振動和彈性理論結合起來的新的學科——運動彈性體動力學正在形成，并在高速連桿機構和凸輪機構的研究中取得了一些成果。在某些機械的設計中，已提出變質量的機械動力學問題。各種模擬理論和方法以及運動和動力參數的測試方法，日益成為機械動力學研究的重要手段。

第三篇：機械動力學作業 沈陽工業大學

機械動力學作業

1、機械動力學的研究內容

機械動力學是一門基于Newton力學，研究機械系統宏觀動態行為的學科。該學科的研究對象包括幾乎所有具有機械功能的系統，其研究范圍涵蓋了這類系統的建模與仿真、動力學分析與設計、動力學控制、運行狀態監測和故障診斷等。該學科的主要任務是采用盡可能低的代價使產品在設計、研制、運行各階段具有最佳的動力學品質。

機械動力學是機械原理的主要組成部分。它研究機械在運轉過程中的受力、機械中各構件的質量與機械運動之間的相互關系，是現代機械設計的理論基礎。研究機械運轉過程中能量的平衡和分配關系。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械系統的真實運動規律 ；分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力；研究回轉構件和機構平衡的理論和方法；機械振動的分析；以及機構的分析和綜合等等。研究內容概況6個方面：

1、在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機械系統的真實運動規律 ；分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力；研究回轉構件和機構平衡的理論和方法；機械振動的分析；以及機構的分析和綜合等等。

為了簡化問題，常把機械系統看作具有理想、穩定約束的剛體系統處理。對于單自由度的機械系統，用等效力和等效質量的概念，可以把剛體系統的動力學問題轉化為單個剛體的動力學問題；對多自由度機械系統動力學問題一般用拉格朗日方程求解。機械系統動力學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值方法迭代求解許多機械動力學問題可借助電子計算機分析計算機根據輸入的外力參量、構件的慣性參量和機械系統的結構信息，自動列出相應的微分方程并解出所要求的運動參量。

2、分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力。這些力的大小和變化規律是設計運動副的結構、分析支承和構件的承載能力以及選擇合理潤滑方法的依據。在求出機械真實運動規律后可算出各構件的慣性力，再依據達朗伯原理用靜力學方法求出構件間的相互作用力。

3、研究回轉構件和機構平衡的理論和方法。平衡的目的是消除或減少作用在機械基礎上周期變化的振顫力和振顫力矩。對于剛性轉子的平衡已有較成熟的技術和方法：對于工作轉速接近或超過轉子自身固有頻率的撓性轉子平衡問題，不論是理論和方法都需要進一步研究。

平面或空間機構中包含有往復運動和平面或空間一般運動的構件。其質心沿一封閉曲線運動。根據機構的不同結構，可以應用附加配重或附加構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現優化技術應用于機構平衡領域已經取得較好的成果。

4、研究機械運轉過程中能量的平衡和分配關系。這包括：機械效率的計算和分析；調速器的理論和設計；飛輪的應用和設計等。

5、機械振動的分析研究是機械動力學的基本內容之一。它已發展成為內容豐富、自成體系的一門學科。

6、機構分析和機構綜合一般是對機構的結構和運動而言，但隨著機械運轉速度的提高，機械動力學已成為分析和綜合高速機構時不可缺少的內容。近代機械發展的一個顯著特點是，自動調節和控制裝置日益成為機械不可缺少的組成部分。機械動力學的研究對象已擴展到包括不同特性的動力機和控制調節裝置在內的整個機械系統，控制理論已滲入到機械動力學的研究領域。在高速、精密機械設計中，為了保證機械的精確度和穩定性，構件的彈性效應已成為設計中不容忽視的因素。一門把機構學、機械振動和彈性理論結合起來的新的學科——運動彈性體動力學正在形成，并在高速連桿機構和凸輪機構的研究中取得了一些成果。在某些機械的設計中，已提出變質量的機械動力學問題。各種模擬理論和方法以及運動和動力參數的測試方法，日益成為機械動力學研究的重要手段。

2、機械動力學的發展概況

機械動力學在當代獲得了高速發展，呈現出全新的面貌。一方面。機械動力學在縱向已發展為包括動力學建模。動力學分析、動力學仿真、動力學設計、減振與動力學控制，以及狀態監測和故障診斷等一系列領域的內容豐富的綜合學科。另一方面，在橫向，形成了機構動力學、傳動動力學、轉子動力學、機器人動力學、機床動力學和車輛動力學等多個分支領域。機械動力學在縱向的發展為其各個分支領域提供了基本理論與方法，而機械動力學在橫向的各分支領域則與機械設計和生產實踐直接銜接。縱橫交織，機械動力學形成了一個內容豐富、結構龐大的體系。

1．經濟與社會的發展是推動學科發展的基礎

經濟與社會的發展，特別是其中生產技術的發展是各學科領域發展的推動力；而科學與技術的發展又反過來指導了生產技術的提高，推動了經濟與社會的發展。經濟與社會的發展需求是第一性的，處于基礎的地位。所有科學，上至橫斷科學，下至機械動力學的各個分支領域，都與這個基礎存在著互動的關系，概莫能外。

從橫向——研究對象看，機械動力學中發展出機構動力學、轉子動力學、機器人動力學、車輛動力學等分支領域。它們直接面向經濟發展和生產技術第一線，與基礎的互動關系就特別鮮明。所有這些分支領域的發展，都與機械的高速化、輕量化、精密化、自動化密切相關，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．機械動力學的網狀結構及其內部關系

從縱向——研究內容看，廣義的機械動力學已發展為包括動力學建模、動力學分析、動力學設計，以及狀態監測和故障診斷等的內容豐富的綜合學科，形成了一個縱橫交錯的網狀結構。縱、橫兩個領域存在著互動的關系：縱向領域的各種方法、軟件和技術都首先來自某個橫向分支領域，而后又推廣擴展到其它分支領域。應特別指出，航空航天器動力學(由于問題特殊性，本書未予介紹)當然是各橫向分支中發展水平最高的一個分支，它的發展對機械動力學的各縱向分支領域有很突出的影響。多體動力學、有限元建模與分析(包括軟件)、結構優化設計、振動監測與故障診斷等都是首先在飛機與航天器的力學分析和振動問題的研究中出現的。而后這些方法又都滲透到機床動力學、轉子動力學及其它各橫向分支領域中去。機械動力學依其研究對象的不同形成許多橫向分支，體現出當代科技的高度分化。機械動力學縱橫方向的網狀結構，機械動力學與各相關學科的互相影響，則體現出當代科技的高度綜合。

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

近年來，隨著信息科學和非線性科學的發展，機械動力學的研究內涵更加深入，其特征是：在系統的建模階段計入各種重要而又復雜的非線性因素、柔性因素、邊界與結合部效應，應用非線性動力學分析與仿真技術研究系統的大范圍動力學特性，基于對系統動力學的深刻理解和采用最新的優化方法實現系統的動力學設計，對系統實施各種主動控制乃至智能控制來獲得所需的運動，在研究機電一體化的受控系統時考慮動力學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的故障等。

未來機械系統動力學發展的重點將會在以下方面四：柔性多體系統的力學響應與其他類型的物理場(如：電、熱、磁和流體向量場)耦合求解、柔性多體系統控制與逆動力學設計、柔性多體系統動力學數值求解策略改進。

3、機械動力學在機械領域應用情況 世紀初, 發展以靈巧機械手、步行機器人、并聯機床、可移動光學儀器平臺、磁懸浮列車、汽車主動底盤等為代表的智能化機電產品將是我國機械工業的奮斗目標之一。這類機電產品具有材料新穎、結構輕巧、機動性強、智能化高等特點, 產生了材料非線性、幾何非線性、控制中的非線性與時滯等復雜動力學問題。這些問題將是21 世紀初機械動力學領域的研究前沿。

機械故障診斷。機器在運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器的運行狀態。眾所周知，振動室動力學重要的內容之一，而非線性振動則是非線性動力學最重要的內容之一，為了研究動力學系統的故障機理，這里首先分析典型線性和非線性振動系統的響應。對可建模系統，以旋轉機械為例介紹了建模方法，基于分岔理論的故障機理分析，可對某些疑難振動故障的機理、控制和預測提供指導。對不可建模系統，根據混沌動力學理論和實測振動數據，對系統進行相空間重構，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。通過對大型旋轉機械的故障診斷等工程實踐表明，這里所建議的非線性動力學診斷原理是十分有效的，并且已經取得了顯著的經濟效益。

現代機械向高速、精密、輕型、重載和低噪聲等方向發展，為了提高機械產品的動態性能、工作品質，必須重視機構與機械動力學研究。這段時間內集中在彈性機構動力學、機構動力平衡、含間隙機構動力學和機器人機構動力學等方面的研究。

4、常用的機械動力學軟件有那些，簡述其功能

一、ADAMS ADAMS即機械系統動力學自動分析，(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS已經被全世界各行各業的數百家主要制造商采用。根據1999年機械系統動態仿真分析軟件國際市場份額的統計資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬美元、占據了51%的份額,現已經并入美國MSC公司。

ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，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測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。

ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。ADAMS軟件有兩種操作系統的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。在這里將以Windows 2000版的ADAMS l2.0為藍本進行介紹。

ADAMS軟件模塊

ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業領域模塊及工具箱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械系統進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業應用領域的問題進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

擴展模塊 液壓系統模塊 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

試驗設計與分析模塊 ADAMS/Insight

耐久性分析模塊 ADAMS/Durability

數字化裝配回放模塊 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專業接口模塊 CAT/ADAMS

Pro/E接口模塊 Mechanical/Pro

專業領域模塊 轎車模塊 ADAMS/Car

懸架設計軟件包 Suspension Design

概念化懸架模塊 CSM

駕駛員模塊 ADAMS/Driver

動力傳動系統模塊 ADAMS/Driveline

輪胎模塊 ADAMS/Tire

柔性環輪胎模塊 FTire Module

柔性體生成器模塊 ADAMS/FBG

經驗動力學模型 EDM

發動機設計模塊 ADAMS/Engine

配氣機構模塊 ADAMS/Engine Valvetrain

正時鏈模塊 ADAMS/Engine Chain

附件驅動模塊 Accessory Drive Module

鐵路車輛模塊 ADAMS/Rail

FORD汽車公司專用汽車模塊 ADAMS/Pre(現改名為Chassis)

工具箱 軟件開發工具包 ADAMS/SDK

虛擬試驗工具箱 Virtual Test Lab

虛擬試驗模態分析工具箱 Virtual Experiment Modal Analysis

鋼板彈簧工具箱 Leafspring Toolkit

飛機起落架工具箱 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公司開發出的新一代多體系統動力學仿真軟件。它采用相對坐標系運動方程理論和完全遞歸算法，非常適合于求解大規模的多體系統動力學問題。

RecurDyn/Professional包括前后處理器Modeler及求解器Solver。基于Professional提供的各種建模元素，用戶可以建立起系統級的機械虛擬數字化樣機模型，并對其進行運動學、動力學、靜平衡、特征值等全面的虛擬測試驗證，通過判斷仿真測試的數據、曲線、動畫、軌跡等結果，據以進行系統功能改善實現創新設計。

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項接觸定義方式方便用戶具體操作并實現高效率的求解。對于大型復雜系統，可通過子系統層層實現全面考核。

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 內置控制模塊

R-FLEX 模態柔體-模態縮減法

F-FLEX 有限元柔體

Control&Hydraulic 控制、液壓

AutoDesign 系統優化

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 發動機設計

RecurDyn 應用領域

鑒于RecurDyn的強大求解功能，軟件廣泛應用航空、航天、軍事車輛、軍事裝備、工程機械、電器設備、娛樂設備、汽車卡車、鐵道、船舶機械及其它通用機械等行業。

發動機：氣機構；曲柄連桿機構；流體潤滑軸承；正時鏈；活塞；非線性彈簧；發動機缸體。

重型裝備：業機械；常規發電設備；礦電器設備；冶金設備；石油化工及通用設備；推土機、挖掘機、壓路機、吊車等工程機械；摩托車；火車；船舶。

機床工具：控車床；數控銑床；數控沖床；數控鉆床；數控磨床；金切機床；鍛壓設備、配件；高檔數控機床及重型機床；壓力機；車削中心。

文化辦公機械：相機及設備；膠版印刷設備；打印機、復印機、傳真機等送紙設備；包裝設備及銀行ATM自動取款機和點鈔機等傳送系統。

軍工：動力學；裝填系統設計；附屬機構動力學仿真；空降/空投仿真。

電器/電子設備：衣機的振動；高壓/低壓電器開關；電機/風扇動平衡；磁盤/光盤驅動機構；壓縮機。

汽車：整車R&H；懸架K&C；傳動系統動力學；轉向機構接觸；制動系統；齒輪變速器；離合器振動；車輛停車裝置；車椅設計；變速器、分動器、差速器沖擊仿真；其他附屬設備的動力學仿真。

航空/航天：起落架落震/收放仿真；整機著陸/地面行走/制動；飛控系統可靠性；運動機構載荷；彈射座椅設計；螺旋槳振動等。

太陽能帆板伸展及鎖定；分離、解鎖機構；飛行器空間交會對接機構控制；機械手臂的控制一體化；航天著陸器機構；繩系衛星動力學。

RecurDyn的使用效果

最短時間內修正設計方案極大的縮短產品設計周期 RecurDyn主要特色 強大的接觸模擬（包括三維的面-面接觸）領先的柔性體動力學分析 自動建模的專業化工具包 成本/性能上的新標準 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(機械系統仿真)RecurDyn的結構 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，電子機械，水利學，2DMTT，3DMTT，繩索，等 行業應用：由于RecurDyn強大的求解能力，使得大規模、高復雜度、多碰撞等系統的建模求解成為可能，因而在軍事車輛和武器設計上得到廣泛應用和認同，尤其在履帶式車輛動力學、車輛運動穩定性、過障能力、炮彈發射動力學、人機工程、生存能力等方面，已為韓國、日本軍方解決了大量動力學設計問題。電器設備 洗衣機振動分析； 高壓/低壓電器開關； 電機/風扇動平衡分析； 磁盤/光盤驅動機構； 壓縮機動力學分析。工程機械 履帶/輪式車輛穩定性分析； 推土機、挖掘機、壓路機等動力學行為預測； 零部件和發動機載荷預測與尺寸設計； 操控人員視野研究； 電機及其它驅動裝置功率預測； 振動機沖擊效應。傳送機械 打印、復印、傳真機傳送效率； 打印、復印、傳真機卡紙預測與改進； 包裝機械運動學與動力學模擬；汽車是一個動力學行為非常復雜的機械系統，它基本可分為底盤、傳動系、發動機、車體附件四個子系統，各子系統又包含多個小子系統如底盤包含車橋、懸掛、輪胎、制動器等；傳動系包含變速箱、差速器、傳動軸等；發動機包含曲柄連桿機構，配氣機構，正時機構等；車體附件包含把車體，座椅，門鎖，雨刷機構等，無論是它們單獨子系統的動力學行為，還是整機的動態性能（平順、操穩、制動、載荷預測、舒適性、疲勞、噪聲），均可利用RecurDyn進行詳細分析，幫助用戶找到最佳設計方案。另外，軟件還廣泛應用于鐵道、娛樂設備、船舶機械、機器人及通用機械的運動學動力學分析和產品設計。

三、NASTRAN

NASTRAN是在1966年美國國家航空航天局(NASA)為了滿足當時航空航天工業對結構分析的迫切需求主持開發大型應用有限元程序。

NASTRAN動力學分析功能 NASTRAN動力學分析簡介

MSC.NASTRAN的主要動力學分析功能如：特征模態分析、直接復特征值分析、直接瞬態響 應分析、模態瞬態響應分析、響應譜分析、模態復特征值分析、直接頻率響應分析、模態頻率響應分析、非線性瞬態分析、模態綜合、動力靈敏度分析等。2 正則模態分析

用于求解結構的自然頻率和相應的振動模態,計算廣義質量, 正則化模態節點位移,約束力和 正則化的單元力及應力, 并可同時考慮剛體模態。具體包括:

a).線性模態分析又稱實特征值分析。實特征值縮減法包括: Lanczos法、增強逆迭代法、Givens法、改進 Givens法、Householder法、并可進行Givens和改進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).考慮拉伸剛化效應的非線性特征模態分析, 或稱預應力狀態下的模態分析。3 復特征值分析

復特征值分析主要用于求解具有阻尼效應的結構特征值和振型, 分析過程與實特征值分析 類似。此外NASTRAN的復特征值計算還可考慮阻尼、質量及剛度矩陣的非對稱性。復特征值抽 取方法包括直接復特征值抽取和模態復特征值抽取兩種:

a).直接復特征值分析

通過復特征值抽取可求得含有粘性阻尼和結構阻尼的結構自然頻率和模態,給出正則化的 復特征矢量和節點的約束力, 及復單元內力和單元應力。主要算法包括elerminated法、Hossen-bery法、新Hossenbery、逆迭代法、復Lanczos法,適用于集中質量和分布質量、對稱與反對稱結構,并可利用DMAP工具檢查與測試分析的相關性。

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).模態復特征值分析

此分析與直接復特征值分析有相同的功能。本分析先忽略阻尼進行實特征值分析, 得到模態 向量。然后采用廣義模態坐標,求出廣義質量矩陣和廣義剛度矩陣, 再計算出廣義阻尼矩陣, 形成 模態坐標下的結構控制方程, 求出復特征值。模態復特征值分析得到輸出類型與用直接復特征值 分析的得到輸出類型相同。4 瞬態響應分析(時間-歷程分析)

瞬態響應分析在時域內計算結構在隨時間變化的載荷作用下的動力響應，分為 直接瞬態響 應分析和模態瞬態響應分析。兩種方法均可考慮剛體位移作用。

(a).直接瞬態響應分析

該分析給出一個結構對隨時間變化的載荷的響應。結構可以同時具有粘性阻尼和結構阻尼。該分析在節點自由度上直接形成耦合的微分方程并對這些方程進行數值積分,直接瞬態響應分 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力。

(b).模態瞬態響應分析

在此分析中, 直接瞬態響應問題用上面所述的模態分析進行相同的變換, 對問題的規模進行 壓縮。再對壓縮了的方程進行數值積分從而得出與用直接瞬態響應分析類型相同的輸出結果。5 隨機振動分析

該分析考慮結構在某種統計規律分布的載荷作用下的隨機響應。對于例如地震波,海洋波,飛 機或超過層建筑物的氣壓波動, 以及火箭和噴氣發動機的噪音激勵, 通常人們只能得到按概率分 布的函數, 如功率譜密度(PSD)函數, 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 結構的響應就需要用隨機振動分析來計算結構的響應。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。計算出響應功率譜密度、自相關 函數及響應的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 響應譜分析

響應譜分析(有時稱為沖擊譜分析)提供了一個有別于瞬態響應的分析功能,在分析中結構的激勵用各個小的分量來表示, 結構對于這些分量的響應則是這個結構每個模態的最大響應的組合。7 頻率響應分析

頻率響應分析主要用于計算結構在周期振蕩載荷作用下對每一個計算頻率的動響應。計算結果分實部和虛部兩部分。實部代表響應的幅度, 虛部代表響應的相角。

(a).直接頻率響應分析

直接頻率響應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。該類分析 在頻域中主要求解二類問題。第一類問題是求結構在一個穩定的周期性正弦外力譜的作用下的 響應。結構可以具有粘性阻尼和結構阻尼，分析得到復位移、速度、加速度、約束力、單元力和單元應力。這些量可以進行正則化以獲得傳遞函數。

第二類問題是求解結構在一個穩態隨機載荷作用下的響應。此載荷由它的互功率譜密度所定義。而結構載荷由上面所提到的傳遞函數來表征。分析得出位移、加速度、約束力或單元應力的自相關系數。該分析也對自功率譜進行積分而獲得響應的均方根值。

(b)模態頻率響應

模態頻率響應分析和隨機響應分析在頻域中解決的二類問題與直接頻率響應分析解決相同的問題。結構矩陣用忽咯阻尼的實特征值分析進行了壓縮，然后用模態坐標建立廣義剛度和質量 矩陣。該分析的輸出類型與直接頻率響應分析得到的輸出類型相同。

MSC.NASTRAN V70.5版中增加了模態擴張法(殘余矢量法)來估算高階模態的作用，以確保參加計算的頻率數足以使模態法的響應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算方法，使模態法的頻率響應分析計算速度比以往提高50%。8 聲學分析

MSC.NASTRAN中提供了完全的流體-結構耦合分析功能。這一理論主要應用在聲學及噪音控制領域, 例如車輛或飛機客艙的內噪音的預測分析。進一步內容見后“流-固耦合分析”一節中的相關部分。

四、SIMPACK SIMPACK軟件是德國INTEC Gmbh公司(于2009年正式更名為SIMPACK AG)開發的針對機械/機電系統運動學/動力學仿真分析的多體動力學分析軟件包。它以多體系統計算動力學（Computational Dynamics of Multibody Systems）為基礎，包含多個專業模塊和專業領域的虛擬樣機開發系統軟件。SIMPACK軟件的主要應用領域包括：汽車工業、鐵路、航空/航天、國防工業、船舶、通用機械、發動機、生物運動與仿生等。

SIMPACK軟件的基本模塊：

運動學和動力學基本模塊（Kinematics&Dynamics）

輪軌模塊（Whell/Rail）

汽車模塊（Automotive）

F1專用模塊（Formula One）

發動機模塊（Engine）

風機模塊（Wind Turbine）

柔性體處理模塊（FEMBS）

CAD接口模塊

控制系統模塊（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）

應力輸出及疲勞接口（Loads）

優化模塊(Optimization)SIMPACK最新版本為SIMPACK AG2010年2月25日發布的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、風機葉片、后處理、求解器以及鐵路等模塊。GET集團通過與國內多位動力學專家的共同努力，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，對國內動力學發展起到重要的促進作用

五、SAMCEF 有限元分析

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

SAMCEF Mecano ：功能強大的用于結構與機構非線性分析的通用軟件：

-MECANO Structure：非線性結構分析，包括完善的非線性材料模型庫，同時集成先進的用 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：模態動力學分析，包括超元法（包括超單元法）

-SAMCEF Stabi：預測臨界縱向彎曲載荷和相關模式（臨界屈曲載荷和相關模態）

-SAMCEF Repdyn：動力學的瞬態、諧波與地震響應

SAMCEF Thermal：用于非線性穩態和瞬態熱分析的通用軟件，允許耦合傳導、對流和輻射效應的仿真。使用與SAMCEF Mecano一樣的軟件基礎設施，SAMCEF Thermal 也可與MATLAB Simulink相接合,并且事實上也支持熱控應用。

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

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

EUROPLEXUS：通用的有限元軟件，適合流體-結構系統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：用于旋轉結構（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斷裂力學結構分析的解決方案

專業解決方案

SAMTECH提供了大量經過業界證明的專業解決方案，這些方案基于來自許多不同行業部門的特定技術和尋址典型應用。SAMTECH專業解決方案開發自SAMTECH所屬的通用軟件工具。

SAMCEF For Rotors：創新性的專業解決方案，專用于旋轉機械的動力學和穩態分析，包括臨界轉速計算、不平衡瞬態與諧波響應分析。

SAMCEF For Wind Turbines：創新性的專業解決方案，專注于機電風力渦輪系統的建模、分析和仿真，同時還結合了結構、機構和控制器模型。

CAESAM : 結構設計數據管理和流程自動化平臺: 有效幫助企業縮短產品周期,實現全局統籌管理,大力提高工作效率,從而快速提高企業競爭力.SAMCEF For Machine Tools：創新性的專業解決方案，專注于機床設計，同時結合了結構、機構和控制器組件分析。

SAMCEF For Robots：創新性的專業解決方案，專注于機器人技術應用，同時結合了結構、機構和控制器組件分析。

SAMCEF For Transmissions：創新性的專業解決方案，專注于傳動系統和動力驅動系統（例如傳動箱、直線電機及滾珠絲杠等）的建模和仿真。

SAMCEF For Deployable Structures：創新性的專業解決方案，專注于可展開結構設計和分析，例如太陽電池板、大型天線等。

六、大型專業轉子動力學分析軟件MADYN 1．MADYN 軟件的主要應用領域：

MADYN適用于各種旋轉機械，例如微型氣動渦輪、發電廠站的大型渦輪發電機、蒸汽輪機、燃氣輪機、水輪機、壓縮機、膨脹機、泵、增壓器、液力變矩器、風機、噴氣發動機、離心分離機械，微型計算機硬盤里的電機和主軸、雷達伺服系統、同步電機的動力傳動系統，以及鈾濃縮車間的齒輪箱等。包括Siemens、BP、Alstom、ABB等眾多旋轉機械制造商和用戶利用這些模塊進行設計、性能預測、失效分析和診斷維修。

在中國，ABB公司采用了MADYN來設計并計算三峽水輪發電機組軸系穩定性、臨界轉速及動態響應計算，為三峽工程的順利竣工提供了技術幫助。在風機行業，陜鼓“應用國際最先進的MADYN程序對軸承的動靜態性能、轉子不平衡響應及轉子扭曲振動進行詳細計算，提高了準確和可靠性”。2．MADYN 軟件的特色

基于長期的理論研究和實踐驗證

面向工程實際的模型庫 有效處理液膜軸承

頗具特色的磁性軸承

強大的求解能力

豐富的后處理

好學易用的用戶界面

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內置了獨特而強大的建模模塊，以處理各種復雜的轉子包括各類軸承、液膜轉子、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－位移傳遞函數后，一般的外殼結構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.彈性聯軸器 4.齒輪 5.通用軸承 6.徑向液膜軸承 7.浮環軸承 8.磁性軸承 9.通用彈簧

10.通用動態軸承支座 11.流體

此外，對于特殊模型，提供特殊了的建模方法：

1.復合軸，比如發電機線圈 2.溫度相關的材料

3.應力計算時考慮切口系數的單元 4.軸向偏置的彈性支座

5.通過接口由文本文件導入轉子數據

強大的求解能力 軟件基于有限元方法，采用了Timoshenko梁理論，并利用了4階Hermit單元來模擬轉子系統的的彈性、慣性和陀螺效應。軟件可求解阻尼和非阻尼狀態下的臨界轉速、模態、穩定性、不平衡響應和瞬態響應。

1、靜力學分析

重力 齒輪載荷 靜態力 靜態力組合

2、特征值分析

3、頻響分析 不平衡反應 諧和力相應 諧波激勵

4、瞬態分析

瞬態力相應分析 瞬態基礎加速度相應 瞬態載荷組合

5、參數變量分析

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 提供詳細而豐富的后處理：

1.繪圖詳細且具有針對性，包括完整的信息并提供可選的復雜信息說明 2.模型分層顯示：軸承、軸、聯接、齒輪、系統 3.力、力矩、應力、變形結果的顯示（沿軸向結果）4.時間相關變形的詳細說明

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 7.參數分析的圖表 8.瞬態相應曲線

功能齊全的液膜軸承模塊

內置了由德國內燃機協會贊助研發的軟件包ALP3T，可準確計算層流和紊流情況下的各種液膜系數。

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

提供三種分析方法來計算靜平衡狀態下的液膜系數： 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DIN建立表格，查出流體系數。

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.數字信號 3.等效模擬信號

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

友好的操作界面

1.由高級數學編程語言MATLAB編寫而成。2.快速幫助提示 3.鼠標自動跳轉功能 4.操作簡單快捷 5.快速模型顯示

第四篇：機械動力學在機械行業中的應用及發展

摘要 世紀初,發展以靈巧機械手、步行機器人、并聯機床、可移動光學儀器平臺、磁懸浮列車、汽車主動底盤等為代表的智能化機電產品將是我國機械工業的奮斗目標之一。這類機電產品具有材料新穎、結構輕巧、機動性強、智能化高等特點，產生了材料非線性、幾何非線性、控制中的非線性與時滯等復雜動力學問題。這些問題將是21 世紀初機械動力學領域的研究前沿。

近代機械發展的一個顯著特點是，自動調節和控制裝置日益成為機械不可缺少的組成部分。機械動力學的研究對象已擴展到包括不同特性的動力機和控制調節裝置在內的整個機械系統，控制理論已滲入到機械動力學的研究領域。在高速、精密機械設計中，為了保證機械的精確度和穩定性，構件的彈性效應已成為設計中不容忽視的因素。一門把機構學、機械振動和彈性理論結合起來的新的學科——運動彈性體動力學正在形成，并在高速連桿機構和凸輪機構的研究中取得了一些成果。在某些機械的設計中，已提出變質量的機械動力學問題。各種模擬理論和方法以及運動和動力參數的測試方法，日益成為機械動力學研究的重要手段。

一、機械動力學研究的內容

任何機械，在存在運動的同時，都要受到力的作用。機械動力學時研究機械在力作用下的運動和機械在運動中產生的力，并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。詳細的機械動力學研究方向可以分為以下六點：

（1）在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機械系統的真實運動規律；分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力；研究回轉構件和機構平衡的理論和方法；機械振動的分析；以及機構的分析和綜合等等。

為了簡化問題，常把機械系統看作具有理想、穩定約束的剛體系統處理。對于單自由度的機械系統，用等效力和等效質量的概念，可以把剛體系統的動力學問題轉化為單個剛體的動力學問題；對多自由度機械系統動力學問題一般用拉格朗日方程求解。機械系統動力學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值方法迭代求解許多機械動力學問題可借助電子計算機分析計算機根據輸入的外力參量、構件的慣性參量和機械系統的結構信息，自動列出相應的微分方程并解出所要求的運動參量。（2）分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力。這些力的大小和變化規律是設計運動副的結構、分析支承和構件的承載能力以及選擇合理潤滑方法的依據。在求出機械真實運動規律后可算出各構件的慣性力，再依據達朗伯原理用靜力學方法求出構件間的相互作用力。（3）研究回轉構件和機構平衡的理論和方法。平衡的目的是消除或減少作用在機械基礎上周期變化的振顫力和振顫力矩。對于剛性轉子的平衡已有較成熟的技術和方法：對于工作轉速接近或超過轉子自身固有頻率的撓性轉子平衡問題，不論是理論和方法都需要進一步研究。

平面或空間機構中包含有往復運動和平面或空間一般運動的構件。其質心沿一封閉曲線運動。根據機構的不同結構，可以應用附加配重或附加構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現優化技術應用于機構平衡領域已經取得較好的成果。（4）研究機械運轉過程中能量的平衡和分配關系。這包括：機械效率的計算和分析；調速器的理論和設計；飛輪的應用和設計等。

（5）機械振動的分析研究是機械動力學的基本內容之一。它已發展成為內容豐富、自成體系的一門學科。

（6）機構分析和機構綜合一般是對機構的結構和運動而言，但隨著機械運轉速度的提高，機械動力學已成為分析和綜合高速機構時不可缺少的內容.二、機械動力學的分類 機械動力學的分析過程，按其功能的不同，可以分為兩類問題：（1）動力學反問題：已知機構的運動狀態和阻力（力矩），求解應施加于原動構件上的平衡力（平衡力矩），以及各種運動副中的反力，也就是已知運動，求力。

（2）動力學正問題：給定機器的輸入力（力矩）和阻力的變化規律，求解機器的時間運動規律，也就是已知力，求運動。

以機器人為例加以詳細說明。在機器人的分析中，首先要根據機器人手部應完成的工作，進行軌跡的規劃，即給定機器人手部的運動路徑以及路徑上個點的速度和加速度。然后，通過求解動力學反問題，求出應施加于各主動關節的驅動力矩的變化規律。動力學反問題時機器人控制設計的基礎。若已知各關節的驅動力矩，要求解手部的真實運動，則需要求解動力學正問題，它是機器人動態仿真的基礎。

三、機械動力學在現代機械系統中的應用

從分析、仿真到設計和控制，機械動力學的研究范圍在不斷擴大，形成了許多的分支領域，如：機床動力學、車輛動力學、轉子動力學、機器人動力學、彈性機構動力學等（1）機床動力學

對精密機床來說，加工精度時很重要的一個指標，而機床的震動則嚴重破壞了機床的加工精度。切削過程中產生的復雜的激振力，傳動系統中的齒輪、滾動軸承等則是機床的內部振動源。機床動力學的研究內容為：機床的動力源分析、機床振動的動力學模型和振動分析，及機床的動態設計。（2）車輛動力學

隨著車輛的高速化，安全性和舒適性變得十分重要。而出現了許多獨有的動力學問題，例如:帶有錐度的車輪子鐵軌上的振動會導致列車的蛇形運動，它會激發車輛的橫向運動；高速列車在大區率彎道上的運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，即根據每時刻的路面激勵情況和運動狀態，隨時調整振動系統元件的參數，使其永遠處于最佳的減震狀態。（3）轉子動力學

汽輪機、發電機、電動機、離心機等旋轉機械，轉子時其工作的主體。為了提高機械的工作效率和容量，這類機械的轉速日益提高。抑制轉子系統的振動時關鍵問題。特別是大型汽輪發電機組轉子，由于振動造成的破壞會給國民經濟造成重大損失。20世紀80年代，我國兩臺20萬千萬汽輪發電機組就曾因振動引起嚴重的短軸事件。轉子動力學研究轉子及其支撐系統的振動及其對策。它以早期的軸和軸系的振動研究為基礎，但汽輪發電機組軸的工作轉速超過了臨界轉速，而且包含著更復雜的多的振動現象，從而形成了機械動力學的一個重要分支。

（4）機器人動力學

20世紀60年代，機器人學誕生并迅速地發展起來，它是機構學、機械電子學、計算機學和信息科學等多學科綜合而成的前沿學科。各種工業機器人已經越來越廣泛的應用于噴漆、搬運、焊接和裝配等工業生產線上，各種特種機器人則應用于海洋探測、外空探測等領域。機器人機構學成為機構學中異常活躍的一個分支。為了提高機器人的速度，高速、柔性機器人已經出現。機器人機構的復雜性遠遠超過了一般的平面機構，而且機器人的動力學必須考慮控制。

（5）彈性機構動力學

早期的機械研究當中認為只有機構與原動機和工作機連在一起時才有動力學問題，孤立的一個機構沒有動力學問題。剛體機構的平衡問題，就是一個機構的動力學問題。二戰以后，在凸輪機構、連桿機構、和齒輪機構的動力學研究中先后涉及了構件的彈性。在彈性機構中的分析中可以不涉及原動機特性，仍假定主動構件等速回轉，也不考慮工作機負載，只研究在構件自身慣性力作用下的振動。正是隨著高速彈性機構的研究，才有了彈性機構動力學。

彈性機構是典型的多體動力學系統。隨著機構部件日趨輕柔、其彈性振動與剛體運動相耦合，致使數學模型成為具有時變系數、復雜非線性項的高維微分方程組 微分代數方程組，這給彈性 機構的動力學分析帶來很大的困難。

目前，對彈性連桿機構動力學分析的KED 法已比較成熟。近年來，不少研究開始涉及動力穩定性、主共振、分數共振、主參激共振、內共振等非線性動力學問題。由于高維非線性動力學問題的難度，這些研究的對象主要是最簡單的四連桿 曲柄連桿機構，對具有共性的彈性多桿或組合機構動力學的研究還很少。與彈性連桿機構相比，彈性凸輪系統的動力學研究進展遜色許多。在多數研究中，將從動件簡化為線性時不變系統，討論其動響應及其優化問題。近期，一些研究開始涉及到動力穩定性、參激振動等問題。由于非線性動力學理論未能足夠地滲入到該領域，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距離。

近年來，已有不少關于彈性機構振動主動控制的研究。研究的典型問題是：引入模態控制等結構控制中的方法，采用壓電陶瓷片為驅動器，對平面四連桿機構的彈性振動進行主動控制。這些研究尚在實驗室階段，到實際工程應用尚有距離。（6）微機電系統動力學

近年來，微機電系統（簡稱MEMS: Micro E ectro-Mechanica System）正走出實驗室，成為21世紀初的新興產業。僅從國防科技工業領域看，MEMS 技術將用于各種微型武器系統，形成具有新的競爭力的“智能軍火”。西方發達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 級的納米衛星等。而它們的實現必須借助各種微發動機、微慣導儀器、微傳感器、微執行機構。

與傳統機械和結構相比，MEMS 的研制過程更具有設計與制造一體化的特征。目前，對MEMS 的設計多還在器件水平。除了少數二維器件的設計外，多數設計借助于ANSYS 等商品化軟件進行試湊；除了一些微加速度計的設計外，多數設計尚屬于結構靜強度 機構運動學范疇。可以預見，隨著MEMS 的實用化，其動力學問題將日益引起人們的關注。例如，微發動機中的運動部件、微慣導儀器必須從動力學角度去進行分析和設計。這方面的研究尚處于起步階段。

機床、車輛、轉子和機器人的動力學，其重點在于這類機械的個性問題。而各類機械中都包含著機構，各類機械又都是由原動機、傳動裝置和工作機組成的系統。因此，機構動力學和機械系統動力學研究各種機械在動力學方面的共性問題。

四、機械動力學的未來展望

近代機械發展的一個顯著特點是，自動調節和控制裝置日益成為機械不可缺少的組成部分。機械動力學的研究對象已擴展到包括不同特性的動力機和控制調節裝置在內的整個機械系統，控制理論已滲入到機械動力學的研究領域。

在高速、精密機械設計中，為了保證機械的精確度和穩定性，構件的彈性效應已成為設計中不容忽視的因素。一門把機構學、機械振動和彈性理論結合起來的新的學科——運動彈性體動力學正在形成，并在高速連桿機構和凸輪機構的研究中取得了一些成果。

在某些機械的設計中，已提出變質量的機械動力學問題。各種模擬理論和方法以及運動和動力參數的測試方法，日益成為機械動力學研究的重要手段。

[參考文獻] 1.胡海巖.先進機械系統的若干動力學與控制問題.面向21世紀的中國振動工程研究.北京: 航空工業出版社, 1999, 1-9.2.沈志云.關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.論彈性連桿機構的低階諧振現象.機械工程學報,1986 4.王玉新.彈性連桿機構低階諧振響應不完全同步機理研究.機械工程報, 1996, 32(4): 11-16.5.李俊寶, 張景繪, 任勇生, 張令彌.振動工程中智能結構的研究進展.力學進展, 1999, 29(2): 165-177.6.顧仲權, 馬扣根, 陳衛東.振動主動控制, 北京: 國防工業出版社, 1997.7.百度百科 http://baike.baidu.com/view/71553.htm

第五篇：《機械創新設計》課程讀書報告

《機械創新設計》課程讀書報告

姓名：

班級：

學號：

專業：

蠕行式仿生變直徑桿爬行機器人的創新設計

擇要：設計研發了一種利用電機驅動凸輪機構、曲柄連桿機構、擺桿機構等實現在變直徑桿上攀爬的非智能的蠕行式仿生爬桿機器人。在對機器人靈巧的結構和工作原理作出說明的基礎上，進行了運動學建模和仿真分析。實驗表明，該機器人爬行穩定，工況好。

關鍵詞：爬桿機器人變直桿曲柄連桿凸輪

一、仿生機器人設計需求

現代生活中，高空作業不斷增加，市場上少量使用的氣動蠕行式爬行器，其上升和下降運動的實現由氣壓控制，需要氣源和氣動控制系統，能量損耗大，并且一般伴有較大的噪聲。因為連接了大量的支持設備，氣動蠕行式爬行器的體積和活動范圍都受到限制，而且設備成本較高。

二、仿生設計原理

這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機構設計方案，該方案能基本滿足我們設定的工作狀況。該機器人是模仿人的爬樹動作而設計的。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。該機器人的爬行動作原理示意如下圖1所示。

圖1 機器人爬行動作原理示意圖

圖2 機器人結構原理圖

既然是仿生尺蠖式蠕動，那么在本機器人的設計中，將以實現機器人軀干的伸縮為往復運動的主要動作為目標。往復運動的實現有很多種，常見的機構有：不完全齒輪齒條雙側停歇機構、曲柄連桿機構、圓柱齒輪齒條機構、螺旋絲桿機構等。這幾種機構各有自己的優缺點，曲柄連桿機構可以很好地協調好機器人的整體工作。

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

2）電機回轉，驅動曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯盤形凸輪順時針轉動，推動下機械臂擺動，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 動上機械臂擺動，當下并聯盤形凸輪轉過升程角時，下機械手松開；與此同時上移動凸輪向下移動過空行程，上機械手抓緊，即狀態2。

3）電機繼續回轉，此時上機械手夾緊、下機械手松開，機器人下部在電機的提升拉力作用下向上移動，當曲柄和連桿重疊共線時，機器人下部被提升到極限位置，即狀態3。

4）電機繼續回轉，當下并聯盤形凸輪轉過回程角時，下機械手夾緊；與此同時上移動凸輪向上滑過空行程，上機械手松開，即狀態4。

5）電機繼續回轉，因為下機械手夾緊、上機械手松開，所以機器人上部在電機的提升推力作用下向上移動，當曲柄和連桿拉直共線時，機器人上部提升到極限位置，即狀態5。

從圖2和圖1可看出，減速電機每轉動一圈，機器人整體向上爬行一次，重復狀態1~5就可以準確實現機器人機械手之間的協調動作和機器人整體的蠕行爬行。通過實驗，證明了該機器人的可用性和穩定性。

由該例我們可以發現，在機械設計中，只有具有創新性的思維方式，才能克服目前機械產品的缺陷，實現既定的設計目的，承載能力大、接觸面積小、速度適中，適應能力強，能越障礙物，機構方案選擇才能合理、經濟。

三、參考文獻

《蠕行式仿生變直徑桿爬行機器人的設計》 王曉光 陳明森 文獻標識碼：A