机械动力学读书报告

第一篇：机械动力学读书报告

机械动力学读书报告

一、机械动力学研究的内容：

任何机械，在存在运动的同时，都要受到力的作用。机械动力学时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。

详细的机械动力学研究方向可以分为以下六点：

（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。

二、振动的分析

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。2.1单自由度系统振动

其中有：无阻尼自由振动、有阻尼自由振动、有阻尼受迫振动几种，求解是分别带入不同的方程。

2.2多自由度系统振动

多自由度系统振动有以下几种方法：牛顿运动方程（或达朗伯尔原理）、拉格朗日运动方程、影响系数法、哈密尔顿原理、有限单元法。

动力减振器：在工程中，为减少振动带来的危害，可以在主系统上装设一个辅助的弹簧质量系统。该辅助装置与主系统构成一个二自由度系统。该辅助装置能使主系统避开共振区，并有减振效果，故称为动力减振器。

模态矩阵正则化：将模态方程的模态质量矩阵变为单位矩阵，该坐标变换称为模态矩阵正则化。

确定固有频率与主振形的方法：矩阵迭代法、瑞雷(Rayleigh)法、邓克莱(Dunkerley)法、传递矩阵(Transfer Matrix)法。

振型截断法（Cut Off）：（1）对于自由度很大的系统，可以进行自由度缩减，求解大模型的少数阶（前几阶）模态。（2）对于外力随时间变化较慢，系统初始条件中包含高阶主振型分量较少的情况。2.3机械动力系统响应的数值计算

欧拉法：欧拉法是取Taylor级数展开式的前两项的解法，为了减少Taylor级数展开引起的误差，可以取更高次项的Taylor级数。

线性加速度法:假定从时刻t→t+Δt时间的加速度直线变化。

纽马克-β法:纽马克法是线性加速度法的别名。β——调节公式的特性参数，0≤β≤1/2。往往固定采用β=1/6/或β=1/4。

威尔逊θ法：加速度在时刻t 到t+ θ Δ t内为线性变化，首先计算[t，t+ θ Δ t ]区间近似解，但仅取其中前半部分(到时刻t+ Δ t为止)作为近似解，而舍去后半部分(时间t+ Δ t以后)。这种巧妙的处理方法并非出于物理的原因，而主要是数学的理由。

此外还有龙格——库塔(RK)法。2.4弹性体振动

弦振动：在工程实际中常遇到钢索、电线、电缆和皮带等柔性体构件，其共同特点是只能承受拉力，而抵抗弯曲及压缩能力很弱，这类构件的振动问题称为弦的振动问题。其固有频率与弦的密度、弦的长度、截面、张力等有关，因此，知道弦的基本参数，可以通过固有频率可以计算张力，如钢索斜拉桥斜拉索的张力的确定。

波动方程：2=22（均质弦横向振动的微分方程，又称为波动方程）三种典型边界条件：（1）杆的轴向振动；（2）杆的纵向振动；（3）圆轴的扭转振动； 2.5ADAMS介绍

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。

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郎日方程方法，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。

2.5.1ADAMS基本模块

用户界面模块(ADAMS/View)ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，采用以用户为中心的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点击操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X－Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。

ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作。采用Parasolid内核进行实体建模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数。除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力/力矩函数、合力/力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常量和变量等。

自9.0版后，ADAMS/View采用用户熟悉的Motif界面(UNIX系统)和Windows界面(NT系统)，从而大大提高了快速建模能力。在ADAMS/View中，用户利用TABLE EDITOR，可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据，同时还提供了PLOT BROWER和FUNCTION BUILDER工具包。DS(设计研究)、DOE(实验设计)及OPTIMIZE(优化)功能可使用户方便地进行优化工作。ADAMS/View有自己的高级编程语言，支持命令行输入命令和C++语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框创建和修改工具包，而且具有在线帮助功能。

22求解器模块(ADAMS/Solver)

ADAMS/Solver是ADAMS系列产品的核心模块之一，是ADAMS产品系列中处于心脏地位的仿真器。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束。用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。

ADAMS/Solver新版中对校正功能进行了改进，使得积分器能够根据模型的复杂程度自动调整参数，仿真计算速度提高了30%；采用新的S12型积分器(Stabilized Index 2 intergrator)，能够同时求解运动方程组的位移和速度，显著增强积分器的鲁棒性，提高复杂系统的解算速度；采用适用于柔性单元(梁、衬套、力场、弹簧－阻尼器)的新算法，可提高S12型积分器的求解精度和鲁棒性；可以将样条数据存储成独立文件使之管理更加方便，并且spline语句适用于各种样条数据文件，样条数据文件子程序还支持用户定义的数据格式；具有丰富的约束摩擦特性功能，在Translational, Revolute, Hooks, Cylindrical, Spherical, Universal等约束中可定义各种摩擦特性。

后处理模块(ADAMS/PostProcessor)

MDI公司开发的后处理模块ADAMS/Postprocessor，用来处理仿真结果数据、显示仿真动画等。既可以在ADAMS/View环境中运行，也可脱离该环境独立运行。ADAMS/PostProcessor的主要特点是：采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性；使用树状搜索结构，层次清晰，并可快速检索对象；具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能；具有灵活多变的窗口风格，支持多窗口画面分割显示及多页面存储；多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件；具有完备的曲线数据统计功能：如均值、均方根、极值、斜率等；具有丰富的数据处理功能，能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑和生成波特图等；为光滑消隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式；强化了曲线编辑工具栏功能；能支持模态形状动画，模态形状动画可记录的标准图形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm，*.avi 等；在日期、分析名称、页数等方面增加了图表动画功能；可进行几何属性的细节的动态演示。

第二篇：机械动力学简史

机械动力学简史

一.动力学简介

机械动力学作为机械原理的重要组成部分，主要研究机械在运转过程中的受力，机械中各部分构件的质量和构件之间机械运动的相互关系，是现代机械设计的重要理论基础。

一般来说，机械动力学的研究内容包括六个方面：（1）在已知外力作用下求机械系统的真实运动规律；（2）分析机械运动过程中各构件之间的相互作用力；（3）研究回转构件和机构平衡的理论和方法；（4）研究机械运转过程中能量的平衡和分配关系；（5）机械振动的分析研究；（6）机构分析和机构综合。其主要研究方向是机械在力的作用下的运动和机械在运动过程中产生的力，并且从力和相互作用的角度对机械进行设计和改进的学科。

二.动力学的前期发展

人类的发展过程中，很重要的一个进步特征就是工具的使用和制造。从石器时代的各种石制工具开始，机械的形式开始发展起来。从简单的工具形式，到包含各类零件、部件的较为先进的机械，这中间的发展过程经历了不断的改进与反复，也经历了在国家内部与国家之间的传播过程。

机械的发展过程也经历了从人自身的体力，到利用畜力、风力和水力等，材料的类型也从自然中自有的，过渡到简单的人造材料。整个发展过程最终形成了包含动力、传动和工作等部分的完整机械。

人类从石器时代进入青铜时代、铁器时代，用以吹旺炉火的鼓风器的发展起了重要作用。有足够强大的鼓风器，才能使冶金炉获得足够高的炉温，才能从矿石中炼得金属。中国在公元前1000～前900年就已有了冶铸用的鼓风器，并渐从人力鼓风发展到畜力和水力鼓风。早在公元前，中国已在指南车上应用复杂的齿轮系统。古希腊已有圆柱齿轮、圆锥齿轮和蜗杆传动的记载。但是，关于齿轮传动瞬时速比与齿形的关系和齿形曲线的选择，直到17世纪之后方有理论阐述。手摇把和踏板机构是曲柄连杆机构的先驱，在各文明古国都有悠久历史，但是曲柄连杆机构的形式、运动和动力的确切分析和综合，则是近代机构学的成就。

近代的机械动力学，在动力以及机械结构本身来说，具有各方面的重大突破。动力在整个生产过程中占据关键地位。随着机械的改进，对于金属和矿石的需求量增加，人类开始在原有的人力和畜力的基础上，利用水力和风力对机械进行驱动，但是这也造成了很多工厂的选址的限制，并不具有很大的推广性。而后来稍晚出现的纽科门大气式蒸汽机，虽然也可以驱使一些机械，但是其燃料的利用率很低，对于燃料的需求量太大，这也使得这种蒸汽机只能应用于煤矿附近。

瓦特发明的具有分开的凝汽器的蒸汽机以及具有回转力的蒸汽机，不仅降低了燃料的消耗量，也很大程度上扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展，使矿业和工业生产、铁路和航运都得以机械动力化。蒸汽机几乎是19世纪唯一的动力源。但蒸汽机及其锅炉、凝汽器、冷却水系统等体积庞大、笨重，应用很不方便。

19世纪末，电力供应系统和电动机开始发展和推广。20世纪初，电动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。生产的机械化已离不开电气化，而电气化则通过机械化才对生产发挥作用。

发电站初期应用蒸汽机为原动机。20世纪初期，出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机，也出现了适应各种水力资源的大、小功率的水轮机，促进了电力供应系统的蓬勃发展。19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为轻而小、效率高、易于操纵、并可随时启动的原动机。它先被 fuqu用以驱动没有电力供应的陆上工作机械，以后又用于汽车、移动机

械（如拖拉机、挖掘机械等）和轮船，到20世纪中期开始用于铁路机车。蒸汽机在汽轮机和内燃机的排挤下，已不再是重要的动力机械。内燃机和以后发明的燃气涡轮发动机、喷气发动机的发展，还是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。

三.机械动力学的发展过程

经典力学的创立为机械动力学的发展奠定了理论基础，两次工业革命对机械动力学提出了要求，以及机械振动学和机械动力学理论的早期发展。

经典力学是机械学科中很重要的理论基础，同时也是机械运动学和动力学的基础。经典力学理论体系的创立和发展，在机械动力学的发展方面做出了巨大的贡献，另一方面，机械学和机械动力学的发展直接相关的数学理论的发展也起到了极其重要的推动作用。

经典力学、分析力学以及弹性力学等力学理论的进一步发展，在机械的动力以及结构发展起到了很大的促进作用。而微积分、微分方程理论、变分法、矩阵论和概率论等数学理论的发展更是将机械动力学推上了新的高度。世纪英国数学家汉密尔顿用变分原理推导出汉密尔顿正则方程，此方程是以广义坐标和广义动量为变量，用汉密尔顿函数来表示的一阶方程组，其形式是对称的。用正则方程描述运动所形成的体系，称为汉密尔顿体系或汉密尔顿动力学，它是经典统计力学的基础，又是量子力学借鉴的范例。汉密尔顿体系适用于摄动理论，例如天体力学的摄动问题，并对理解复杂力学系统运动的一般性质起重要作用。拉格朗日动力学和汉密尔顿动力学所依据的力学原理与牛顿的力学原理，在经典力学的范畴内是等价的，但它们研究的途径或方法则不相同。直接运用牛顿方程的力学体系有时称为矢量力学；拉格朗日和汉密尔顿的动力学则称为分析力学。动力学的基本内容动力学的基本内容包括质点动力学、质点系动力学、刚体动力学、达朗贝尔原理等。以动力学为基础而发展出来的应用学科有天体力学、振动理论、运动稳定性理论，陀螺力学、外弹道学、变质量力学，以及正在发展中的多刚体系统动力学等。质点动力学有两类基本问题：一是已知质点的运动，求作用于质点上的力；二是已知作用于质点上的力，求质点的运动。求解第一类问题时只要对质点的运动方程取二阶导数，得到质点的加速 度，代入牛顿第二定律，即可求得力；求解第二类问题时需要求解质点运动微分方程或求积分。

而两次工业革命也对于机械工业和机械科学的发展，尤其是机构学和动力学的发展有很大的推动作用。第一次工业革命中蒸汽机车的发明和改进以及当时的机械发明，第二次工业革命的电气时代中的汽轮机的诞生与发明，内燃机的发明与进步，一方面既是机械动力学的发展成果，另一方面也推动了自己学科的进步。此后机械动力学的发展趋势，逐渐朝着机械和机械和运载工具的高速化和大功率化、机械的精密化、机械的轻量化、机械的自动化方向发展。

机械机构学和机构运动学的发展，包括了震动理论的建立和发展，其中包括了线性理论和非线性理论等。转子动力学的起步，包含刚性转子平衡技术、轴承转子系统动力学的发展也是这一时期的重要理论进步。而机构学的建立，特别是理论运动学的发展，在机构学的德国学派和俄苏学派中也有了长足的进步。

在机构的演进和传动机构的演进中，凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构的演进，齿轮传动、蜗杆传动、链传动和带传动、传动系统的复杂化都为机械动力学的发展提供了条件。

第二次世界大战后科技的大发展为机械动力学的进一步发展提供了指导思想、方法和技术手段，机械工业的巨大进步向机械动力学提出了新的要求，机械动力学在纵向形成为包括建模、分析、仿真、动力学设计与控制的综合学科，在横向形成了机构动力学、机械传动动力学、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。

系统论、控制论、和信息论的诞生，为机械动力学的发展提供了新的指导思想、理论和

方法。电子计算机的发明，以及基于计算机的数值方法的进步，为机械动力学提供了全新的技术手段和数学工具。非线性科学的诞生和非线性振动理论的发展，强烈地影响到机械动力学的各个领域，从线性理论提升理论是一个质的飞跃。基于计算机计算的多体动力学的出现，为复杂系统的动力学建模与分析提供了新的理论和工具。信号分析理论和方法的进步是机械振动测试手段、状态监测技术以及故障诊断技术发展的基础。

从横向的研究对象看，机械动力学中发展出机构动力学、机械传动动力学、转子动力学、机器人动力学、车辆动力学、机床动力学等分析领域；从动力学的研究内容看，机械动力学发展为动力学建模、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；

从动力学建模的对象看，Newton研究的事单质点，Euler研究了单刚体，Lagrange启动了多刚体系统的研究，而今天的机械动力学已发展到多弹性体系统、多柔性体系统的研究。从动力学的数学工具看，Newton在力学研究中发明了微积分，Lagrange使用了变分法，众多学者在微分方程的定性分析和求解方面做出了贡献。二战后，动力学的计算逐步地、完全地实现了计算机化；同时各种复杂的微分方程，包括袋鼠微分方程，刚性微分方程的数值方法也取得迅速发展。此外，机械动力学的发展也离不开各类建模方法的多样化。其中包含了多刚体系统的建模方法：Newton-Euler的矢量力学方法、Lagrange的分析力学方法和Kane的多体动力学方法；微幅振动弹性系统的建模方法：动态子结构方法和传递矩阵法；验建模方法；柔体系统动力学的建模方法：弹性动力分析方法。

机械系统动力学建模的精细化则有，精细地估计系统的刚度、阻尼和摩擦 计入材料非线性 计入几何非线性 关于冲击振动的研究 复杂机械系统中多种物理场的耦合。

运动学以及运动学软件的发展也至关重要，其中有ADAMS软件和其他的有限元分析软件，而虚拟样机技术也起到了极大的作用。

四.动力学的未来展望

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。

第三篇：机械动力学作业 沈阳工业大学

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 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

耐久性分析模块 ADAMS/Durability

数字化装配回放模块 ADAMS/DMU Replay

接口模块 柔性分析模块 ADAMS/Flex

控制模块 ADAMS/Controls

图形接口模块 ADAMS/Exchange

CATIA专业接口模块 CAT/ADAMS

Pro/E接口模块 Mechanical/Pro

专业领域模块 轿车模块 ADAMS/Car

悬架设计软件包 Suspension Design

概念化悬架模块 CSM

驾驶员模块 ADAMS/Driver

动力传动系统模块 ADAMS/Driveline

轮胎模块 ADAMS/Tire

柔性环轮胎模块 FTire Module

柔性体生成器模块 ADAMS/FBG

经验动力学模型 EDM

发动机设计模块 ADAMS/Engine

配气机构模块 ADAMS/Engine Valvetrain

正时链模块 ADAMS/Engine Chain

附件驱动模块 Accessory Drive Module

铁路车辆模块 ADAMS/Rail

FORD汽车公司专用汽车模块 ADAMS/Pre(现改名为Chassis)

工具箱 软件开发工具包 ADAMS/SDK

虚拟试验工具箱 Virtual Test Lab

虚拟试验模态分析工具箱 Virtual Experiment Modal Analysis

钢板弹簧工具箱 Leafspring Toolkit

飞机起落架工具箱 ADAMS/Landing Gear

履带/轮胎式车辆工具箱 Tracked/Wheeled Vehicle

齿轮传动工具箱 ADAMS/Gear Tool

二、RecurDyn RecurDyn(Recursive Dynamic)是由韩国FunctionBay公司开发出的新一代多体系统动力学仿真软件。它采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法，非常适合于求解大规模的多体系统动力学问题。

RecurDyn/Professional包括前后处理器Modeler及求解器Solver。基于Professional提供的各种建模元素，用户可以建立起系统级的机械虚拟数字化样机模型，并对其进行运动学、动力学、静平衡、特征值等全面的虚拟测试验证，通过判断仿真测试的数据、曲线、动画、轨迹等结果，据以进行系统功能改善实现创新设计。

RecurDyn支持Parasolid、IGES、STEP、ACIS、SHL等格式模型文件，亦提供2D/3D几何造型功能，同时支持参数化建模。RecurDyn提供20多种约束类型和10多类力的施加形式，在接触建模方面，通过21项接触定义方式方便用户具体操作并实现高效率的求解。对于大型复杂系统，可通过子系统层层实现全面考核。

RecurDyn提供多种积分器DDASSL/IMGALPHA/TRKALPHA/HYBRID，极大拓展了求解能力。RecurDyn的SMP(Shared Memory Parallel)加大了超大柔性体模型的求解速度。

RecurDyn模块

Linear 线型特征分析

CoLink 内置控制模块

R-FLEX 模态柔体-模态缩减法

F-FLEX 有限元柔体

Control&Hydraulic 控制、液压

AutoDesign 系统优化

Track(HM/LM)履带

MTT(2D/3D)媒介传输

Gear 齿轮

Chain 链条

Tire 轮胎工具包

Spring 弹簧工具包

Belt-pulley 皮带滑轮

RecurDyn for Engine 发动机设计

RecurDyn 应用领域

鉴于RecurDyn的强大求解功能，软件广泛应用航空、航天、军事车辆、军事装备、工程机械、电器设备、娱乐设备、汽车卡车、铁道、船舶机械及其它通用机械等行业。

发动机：气机构；曲柄连杆机构；流体润滑轴承；正时链；活塞；非线性弹簧；发动机缸体。

重型装备：业机械；常规发电设备；矿电器设备；冶金设备；石油化工及通用设备；推土机、挖掘机、压路机、吊车等工程机械；摩托车；火车；船舶。

机床工具：控车床；数控铣床；数控冲床；数控钻床；数控磨床；金切机床；锻压设备、配件；高档数控机床及重型机床；压力机；车削中心。

文化办公机械：相机及设备；胶版印刷设备；打印机、复印机、传真机等送纸设备；包装设备及银行ATM自动取款机和点钞机等传送系统。

军工：动力学；装填系统设计；附属机构动力学仿真；空降/空投仿真。

电器/电子设备：衣机的振动；高压/低压电器开关；电机/风扇动平衡；磁盘/光盘驱动机构；压缩机。

汽车：整车R&H；悬架K&C；传动系统动力学；转向机构接触；制动系统；齿轮变速器；离合器振动；车辆停车装置；车椅设计；变速器、分动器、差速器冲击仿真；其他附属设备的动力学仿真。

航空/航天：起落架落震/收放仿真；整机着陆/地面行走/制动；飞控系统可靠性；运动机构载荷；弹射座椅设计；螺旋桨振动等。

太阳能帆板伸展及锁定；分离、解锁机构；飞行器空间交会对接机构控制；机械手臂的控制一体化；航天着陆器机构；绳系卫星动力学。

RecurDyn的使用效果

最短时间内修正设计方案极大的缩短产品设计周期 RecurDyn主要特色 强大的接触模拟（包括三维的面-面接触）领先的柔性体动力学分析 自动建模的专业化工具包 成本/性能上的新标准 与软件的接口：CAD-Parasolid 几何（Unigraphics，SolidWorks,SolideEdge），Pro/ENGINEER FEA-MSC/NASTRAN，ANSYS，I-DEAS其它-MATLAB/Simulink(controls)，ADAMS(机械系统仿真)RecurDyn的结构 RecurDyn/Solid ：CAD & 建模，动画，后处理 RecurDyn/Solver：刚体 & 柔性体 RecurDyn/工具包：柔性体，线性分析，汽车，列车，HM-履带车，LM-履带车，链条，滑轮，控制器，电子机械，水利学，2DMTT，3DMTT，绳索，等 行业应用：由于RecurDyn强大的求解能力，使得大规模、高复杂度、多碰撞等系统的建模求解成为可能，因而在军事车辆和武器设计上得到广泛应用和认同，尤其在履带式车辆动力学、车辆运动稳定性、过障能力、炮弹发射动力学、人机工程、生存能力等方面，已为韩国、日本军方解决了大量动力学设计问题。电器设备 洗衣机振动分析； 高压/低压电器开关； 电机/风扇动平衡分析； 磁盘/光盘驱动机构； 压缩机动力学分析。工程机械 履带/轮式车辆稳定性分析； 推土机、挖掘机、压路机等动力学行为预测； 零部件和发动机载荷预测与尺寸设计； 操控人员视野研究； 电机及其它驱动装置功率预测； 振动机冲击效应。传送机械 打印、复印、传真机传送效率； 打印、复印、传真机卡纸预测与改进； 包装机械运动学与动力学模拟；汽车是一个动力学行为非常复杂的机械系统，它基本可分为底盘、传动系、发动机、车体附件四个子系统，各子系统又包含多个小子系统如底盘包含车桥、悬挂、轮胎、制动器等；传动系包含变速箱、差速器、传动轴等；发动机包含曲柄连杆机构，配气机构，正时机构等；车体附件包含把车体，座椅，门锁，雨刷机构等，无论是它们单独子系统的动力学行为，还是整机的动态性能（平顺、操稳、制动、载荷预测、舒适性、疲劳、噪声），均可利用RecurDyn进行详细分析，帮助用户找到最佳设计方案。另外，软件还广泛应用于铁道、娱乐设备、船舶机械、机器人及通用机械的运动学动力学分析和产品设计。

三、NASTRAN

NASTRAN是在1966年美国国家航空航天局(NASA)为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求主持开发大型应用有限元程序。

NASTRAN动力学分析功能 NASTRAN动力学分析简介

MSC.NASTRAN的主要动力学分析功能如：特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响 应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等。2 正则模态分析

用于求解结构的自然频率和相应的振动模态,计算广义质量, 正则化模态节点位移,约束力和 正则化的单元力及应力, 并可同时考虑刚体模态。具体包括:

a).线性模态分析又称实特征值分析。实特征值缩减法包括: Lanczos法、增强逆迭代法、Givens法、改进 Givens法、Householder法、并可进行Givens和改进Givens法自动选择、带Sturm 序列检查的逆迭代法, 所有的特征值解法均适用于无约束模型。

b).考虑拉伸刚化效应的非线性特征模态分析, 或称预应力状态下的模态分析。3 复特征值分析

复特征值分析主要用于求解具有阻尼效应的结构特征值和振型, 分析过程与实特征值分析 类似。此外NASTRAN的复特征值计算还可考虑阻尼、质量及刚度矩阵的非对称性。复特征值抽 取方法包括直接复特征值抽取和模态复特征值抽取两种:

a).直接复特征值分析

通过复特征值抽取可求得含有粘性阻尼和结构阻尼的结构自然频率和模态,给出正则化的 复特征矢量和节点的约束力, 及复单元内力和单元应力。主要算法包括elerminated法、Hossen-bery法、新Hossenbery、逆迭代法、复Lanczos法,适用于集中质量和分布质量、对称与反对称结构,并可利用DMAP工具检查与测试分析的相关性。

MSC.NASTRAN V70.5版中Lanczos算法在特征向量正交化速度上得到了进一步提高, 尤其是在求解百个以上的特征值时, 速度较以往提高了30%。

b).模态复特征值分析

此分析与直接复特征值分析有相同的功能。本分析先忽略阻尼进行实特征值分析, 得到模态 向量。然后采用广义模态坐标,求出广义质量矩阵和广义刚度矩阵, 再计算出广义阻尼矩阵, 形成 模态坐标下的结构控制方程, 求出复特征值。模态复特征值分析得到输出类型与用直接复特征值 分析的得到输出类型相同。4 瞬态响应分析(时间-历程分析)

瞬态响应分析在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应，分为 直接瞬态响 应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑刚体位移作用。

(a).直接瞬态响应分析

该分析给出一个结构对随时间变化的载荷的响应。结构可以同时具有粘性阻尼和结构阻尼。该分析在节点自由度上直接形成耦合的微分方程并对这些方程进行数值积分,直接瞬态响应分 析求出随时间变化的位移、速度、加速度和约束力以及单元应力。

(b).模态瞬态响应分析

在此分析中, 直接瞬态响应问题用上面所述的模态分析进行相同的变换, 对问题的规模进行 压缩。再对压缩了的方程进行数值积分从而得出与用直接瞬态响应分析类型相同的输出结果。5 随机振动分析

该分析考虑结构在某种统计规律分布的载荷作用下的随机响应。对于例如地震波,海洋波,飞 机或超过层建筑物的气压波动, 以及火箭和喷气发动机的噪音激励, 通常人们只能得到按概率分 布的函数, 如功率谱密度(PSD)函数, 激励的大小在任何时刻都不能明确给出, 在这种载荷作用下 结构的响应就需要用随机振动分析来计算结构的响应。MSC.NASTRAN中的PSD可输入自身或交叉谱密度, 分别表示单个或多个时间历程的交叉作用的频谱特性。计算出响应功率谱密度、自相关 函数及响应的RMS值等。计算过程中, MSC.NASTRAN不仅可以象其它有限元分析那样利用已知谱, 而且还可自行生成用户所需的谱。6 响应谱分析

响应谱分析(有时称为冲击谱分析)提供了一个有别于瞬态响应的分析功能,在分析中结构的激励用各个小的分量来表示, 结构对于这些分量的响应则是这个结构每个模态的最大响应的组合。7 频率响应分析

频率响应分析主要用于计算结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应。计算结果分实部和虚部两部分。实部代表响应的幅度, 虚部代表响应的相角。

(a).直接频率响应分析

直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程，得出各频率对于外载荷的响应。该类分析 在频域中主要求解二类问题。第一类问题是求结构在一个稳定的周期性正弦外力谱的作用下的 响应。结构可以具有粘性阻尼和结构阻尼，分析得到复位移、速度、加速度、约束力、单元力和单元应力。这些量可以进行正则化以获得传递函数。

第二类问题是求解结构在一个稳态随机载荷作用下的响应。此载荷由它的互功率谱密度所定义。而结构载荷由上面所提到的传递函数来表征。分析得出位移、加速度、约束力或单元应力的自相关系数。该分析也对自功率谱进行积分而获得响应的均方根值。

(b)模态频率响应

模态频率响应分析和随机响应分析在频域中解决的二类问题与直接频率响应分析解决相同的问题。结构矩阵用忽咯阻尼的实特征值分析进行了压缩，然后用模态坐标建立广义刚度和质量 矩阵。该分析的输出类型与直接频率响应分析得到的输出类型相同。

MSC.NASTRAN V70.5版中增加了模态扩张法(残余矢量法)来估算高阶模态的作用，以确保参加计算的频率数足以使模态法的响应分析的计算精度显著提高。同时在V70.5版中还采用了新的矩阵乘法运算方法，使模态法的频率响应分析计算速度比以往提高50%。8 声学分析

MSC.NASTRAN中提供了完全的流体-结构耦合分析功能。这一理论主要应用在声学及噪音控制领域, 例如车辆或飞机客舱的内噪音的预测分析。进一步内容见后“流-固耦合分析”一节中的相关部分。

四、SIMPACK SIMPACK软件是德国INTEC Gmbh公司(于2009年正式更名为SIMPACK AG)开发的针对机械/机电系统运动学/动力学仿真分析的多体动力学分析软件包。它以多体系统计算动力学（Computational Dynamics of Multibody Systems）为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。SIMPACK软件的主要应用领域包括：汽车工业、铁路、航空/航天、国防工业、船舶、通用机械、发动机、生物运动与仿生等。

SIMPACK软件的基本模块：

运动学和动力学基本模块（Kinematics&Dynamics）

轮轨模块（Whell/Rail）

汽车模块（Automotive）

F1专用模块（Formula One）

发动机模块（Engine）

风机模块（Wind Turbine）

柔性体处理模块（FEMBS）

CAD接口模块

控制系统模块（Control以及与MATLAB的双向接口）

接触及弹性体接触模块（Contact 和 FlexContact）

代码输出

用户自定义模块（User Routine）

轮胎模块

梁模块（Beam）

应力输出及疲劳接口（Loads）

优化模块(Optimization)SIMPACK最新版本为SIMPACK AG2010年2月25日发布的SIMPACK8903b，新版本中增加了近10个新的功能，涉及到弹性体的分析、力单元、风机叶片、后处理、求解器以及铁路等模块。GET集团通过与国内多位动力学专家的共同努力，完成了其帮助文件的汉化工作，这一成果将随simpack软件的一并售出，对国内动力学发展起到重要的促进作用

五、SAMCEF 有限元分析

SAMTECH的通用分析软件模块套件集成了先进的仿真技术，在工程分析领域可提供众多好处。此外，这种套件不仅能使用户提升产品性能和产品设计的可制造性，而且还使得产品面市更为快速。借助这些通用分析工具，SAMTECH能够满足大中型行业的客户需求。即通过在设计过程中极早主张开放性使用先进的分析技术,从而大大减少了昂贵的“仿真-测试”循环的次数。帮助企业有效降低成本并提高效率.SAMCEF for Composites：用于复合材料结构线性和非线性分析的解决方案，例如夹芯材料（蜂窝复合材料、泡沫塑料等）、叠层结构板、纤维缠绕压力容器等，包括各种光纤系统的分层与累积损伤模型

SAMCEF Mecano ：功能强大的用于结构与机构非线性分析的通用软件：

-MECANO Structure：非线性结构分析，包括完善的非线性材料模型库，同时集成先进的用 于摩擦或无摩擦刚体/刚体、刚体/柔体以及柔体/柔体的接触算法

SAMCEF Dynam：模态动力学分析，包括超元法（包括超单元法）

-SAMCEF Stabi：预测临界纵向弯曲载荷和相关模式（临界屈曲载荷和相关模态）

-SAMCEF Repdyn：动力学的瞬态、谐波与地震响应

SAMCEF Thermal：用于非线性稳态和瞬态热分析的通用软件，允许耦合传导、对流和辐射效应的仿真。使用与SAMCEF Mecano一样的软件基础设施，SAMCEF Thermal 也可与MATLAB Simulink相接合,并且事实上也支持热控应用。

SAMCEF Amaryllis：用于烧蚀和热裂现象非线性分析的通用软件，例如有关飞行器再入大气层的物理学问题。

SAMCEF Spectral：基于功率谱密度的随机振动和疲劳分析的通用软件。典型的应用包括基础载荷的响应（包含地震）、发动机噪声载荷引起的声振响应和风致振动响应。

EUROPLEXUS：通用的有限元软件，适合流体-结构系统在瞬间载荷作用下的非线性显式分析。例如爆炸、碰撞和冲击。

Vibroacoustics ：振动噪声

SAMCEF for Multiharmonics：用于旋转结构（易承受3D载荷）的线性和非线性分析解决方案。

SAMCEF for Fracture Mechanics：用于线性弹性、非线性弹性和弹塑性2D和3D断裂力学结构分析的解决方案

专业解决方案

SAMTECH提供了大量经过业界证明的专业解决方案，这些方案基于来自许多不同行业部门的特定技术和寻址典型应用。SAMTECH专业解决方案开发自SAMTECH所属的通用软件工具。

SAMCEF For Rotors：创新性的专业解决方案，专用于旋转机械的动力学和稳态分析，包括临界转速计算、不平衡瞬态与谐波响应分析。

SAMCEF For Wind Turbines：创新性的专业解决方案，专注于机电风力涡轮系统的建模、分析和仿真，同时还结合了结构、机构和控制器模型。

CAESAM : 结构设计数据管理和流程自动化平台: 有效帮助企业缩短产品周期,实现全局统筹管理,大力提高工作效率,从而快速提高企业竞争力.SAMCEF For Machine Tools：创新性的专业解决方案，专注于机床设计，同时结合了结构、机构和控制器组件分析。

SAMCEF For Robots：创新性的专业解决方案，专注于机器人技术应用，同时结合了结构、机构和控制器组件分析。

SAMCEF For Transmissions：创新性的专业解决方案，专注于传动系统和动力驱动系统（例如传动箱、直线电机及滚珠丝杠等）的建模和仿真。

SAMCEF For Deployable Structures：创新性的专业解决方案，专注于可展开结构设计和分析，例如太阳电池板、大型天线等。

六、大型专业转子动力学分析软件MADYN 1．MADYN 软件的主要应用领域：

MADYN适用于各种旋转机械，例如微型气动涡轮、发电厂站的大型涡轮发电机、蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、压缩机、膨胀机、泵、增压器、液力变矩器、风机、喷气发动机、离心分离机械，微型计算机硬盘里的电机和主轴、雷达伺服系统、同步电机的动力传动系统，以及铀浓缩车间的齿轮箱等。包括Siemens、BP、Alstom、ABB等众多旋转机械制造商和用户利用这些模块进行设计、性能预测、失效分析和诊断维修。

在中国，ABB公司采用了MADYN来设计并计算三峡水轮发电机组轴系稳定性、临界转速及动态响应计算，为三峡工程的顺利竣工提供了技术帮助。在风机行业，陕鼓“应用国际最先进的MADYN程序对轴承的动静态性能、转子不平衡响应及转子扭曲振动进行详细计算，提高了准确和可靠性”。2．MADYN 软件的特色

基于长期的理论研究和实践验证

面向工程实际的模型库 有效处理液膜轴承

颇具特色的磁性轴承

强大的求解能力

丰富的后处理

好学易用的用户界面

一个模型多个分析 3．MADYN 软件的功能

功能齐全的建模模块

MADYN内置了独特而强大的建模模块，以处理各种复杂的转子包括各类轴承、液膜转子、悬挂有弹性部件的轴以及各种轴承支撑。通用有限元程序获取力－位移传递函数后，一般的外壳结构也可以做为轴承支撑。模型库主要包括以下几类：

1.轴

2.轴对称子单元 3.弹性联轴器 4.齿轮 5.通用轴承 6.径向液膜轴承 7.浮环轴承 8.磁性轴承 9.通用弹簧

10.通用动态轴承支座 11.流体

此外，对于特殊模型，提供特殊了的建模方法：

1.复合轴，比如发电机线圈 2.温度相关的材料

3.应力计算时考虑切口系数的单元 4.轴向偏置的弹性支座

5.通过接口由文本文件导入转子数据

强大的求解能力 软件基于有限元方法，采用了Timoshenko梁理论，并利用了4阶Hermit单元来模拟转子系统的的弹性、惯性和陀螺效应。软件可求解阻尼和非阻尼状态下的临界转速、模态、稳定性、不平衡响应和瞬态响应。

1、静力学分析

重力 齿轮载荷 静态力 静态力组合

2、特征值分析

3、频响分析 不平衡反应 谐和力相应 谐波激励

4、瞬态分析

瞬态力相应分析 瞬态基础加速度相应 瞬态载荷组合

5、参数变量分析

临界速度图 Camphell 图 刚度和阻尼变化图 FCP 抗扭刚度变化图

丰富的后处理 MADYN 提供详细而丰富的后处理：

1.绘图详细且具有针对性，包括完整的信息并提供可选的复杂信息说明 2.模型分层显示：轴承、轴、联接、齿轮、系统 3.力、力矩、应力、变形结果的显示（沿轴向结果）4.时间相关变形的详细说明

5.共振曲线（可选择方向,主轴轨道,相对振动）6.特征值的分析的图表 7.参数分析的图表 8.瞬态相应曲线

功能齐全的液膜轴承模块

内置了由德国内燃机协会赞助研发的软件包ALP3T，可准确计算层流和紊流情况下的各种液膜系数。

可分析3种情况下的液膜轴承载荷： 1.流速稳定、力可变 2.流速可变、力稳定 3.流速可变、力可变

提供三种分析方法来计算静平衡状态下的液膜系数： 1.绝热分析：液膜温度固定。2.非绝热分析：热量有损失。

Sensor3.DIN表查值：根据DIN建立表格，查出流体系数。

特色的磁性轴承模块

可在任意位置通过定义各方向的传感器和激励器来定义磁性轴承。磁性轴承包括三种控制器：

1.模拟信号 2.数字信号 3.等效模拟信号

采用了MATLAB控制系统工具箱和信号处理工具箱，保证了MADYN求解效率和准确性。

友好的操作界面

1.由高级数学编程语言MATLAB编写而成。2.快速帮助提示 3.鼠标自动跳转功能 4.操作简单快捷 5.快速模型显示

第四篇：机械动力学在机械行业中的应用及发展

摘要 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。

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。

一、机械动力学研究的内容

任何机械，在存在运动的同时，都要受到力的作用。机械动力学时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。详细的机械动力学研究方向可以分为以下六点：

（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.二、机械动力学的分类 机械动力学的分析过程，按其功能的不同，可以分为两类问题：（1）动力学反问题：已知机构的运动状态和阻力（力矩），求解应施加于原动构件上的平衡力（平衡力矩），以及各种运动副中的反力，也就是已知运动，求力。

（2）动力学正问题：给定机器的输入力（力矩）和阻力的变化规律，求解机器的时间运动规律，也就是已知力，求运动。

以机器人为例加以详细说明。在机器人的分析中，首先要根据机器人手部应完成的工作，进行轨迹的规划，即给定机器人手部的运动路径以及路径上个点的速度和加速度。然后，通过求解动力学反问题，求出应施加于各主动关节的驱动力矩的变化规律。动力学反问题时机器人控制设计的基础。若已知各关节的驱动力矩，要求解手部的真实运动，则需要求解动力学正问题，它是机器人动态仿真的基础。

三、机械动力学在现代机械系统中的应用

从分析、仿真到设计和控制，机械动力学的研究范围在不断扩大，形成了许多的分支领域，如：机床动力学、车辆动力学、转子动力学、机器人动力学、弹性机构动力学等（1）机床动力学

对精密机床来说，加工精度时很重要的一个指标，而机床的震动则严重破坏了机床的加工精度。切削过程中产生的复杂的激振力，传动系统中的齿轮、滚动轴承等则是机床的内部振动源。机床动力学的研究内容为：机床的动力源分析、机床振动的动力学模型和振动分析，及机床的动态设计。（2）车辆动力学

随着车辆的高速化，安全性和舒适性变得十分重要。而出现了许多独有的动力学问题，例如:带有锥度的车轮子铁轨上的振动会导致列车的蛇形运动，它会激发车辆的横向运动；高速列车在大区率弯道上的运动时涉及车辆安全的重大课题；为提高轿车的舒适性，最新的研究趋向时车架振动的主动控制，即根据每时刻的路面激励情况和运动状态，随时调整振动系统元件的参数，使其永远处于最佳的减震状态。（3）转子动力学

汽轮机、发电机、电动机、离心机等旋转机械，转子时其工作的主体。为了提高机械的工作效率和容量，这类机械的转速日益提高。抑制转子系统的振动时关键问题。特别是大型汽轮发电机组转子，由于振动造成的破坏会给国民经济造成重大损失。20世纪80年代，我国两台20万千万汽轮发电机组就曾因振动引起严重的短轴事件。转子动力学研究转子及其支撑系统的振动及其对策。它以早期的轴和轴系的振动研究为基础，但汽轮发电机组轴的工作转速超过了临界转速，而且包含着更复杂的多的振动现象，从而形成了机械动力学的一个重要分支。

（4）机器人动力学

20世纪60年代，机器人学诞生并迅速地发展起来，它是机构学、机械电子学、计算机学和信息科学等多学科综合而成的前沿学科。各种工业机器人已经越来越广泛的应用于喷漆、搬运、焊接和装配等工业生产线上，各种特种机器人则应用于海洋探测、外空探测等领域。机器人机构学成为机构学中异常活跃的一个分支。为了提高机器人的速度，高速、柔性机器人已经出现。机器人机构的复杂性远远超过了一般的平面机构，而且机器人的动力学必须考虑控制。

（5）弹性机构动力学

早期的机械研究当中认为只有机构与原动机和工作机连在一起时才有动力学问题，孤立的一个机构没有动力学问题。刚体机构的平衡问题，就是一个机构的动力学问题。二战以后，在凸轮机构、连杆机构、和齿轮机构的动力学研究中先后涉及了构件的弹性。在弹性机构中的分析中可以不涉及原动机特性，仍假定主动构件等速回转，也不考虑工作机负载，只研究在构件自身惯性力作用下的振动。正是随着高速弹性机构的研究，才有了弹性机构动力学。

弹性机构是典型的多体动力学系统。随着机构部件日趋轻柔、其弹性振动与刚体运动相耦合，致使数学模型成为具有时变系数、复杂非线性项的高维微分方程组 微分代数方程组，这给弹性 机构的动力学分析带来很大的困难。

目前，对弹性连杆机构动力学分析的KED 法已比较成熟。近年来，不少研究开始涉及动力稳定性、主共振、分数共振、主参激共振、内共振等非线性动力学问题。由于高维非线性动力学问题的难度，这些研究的对象主要是最简单的四连杆 曲柄连杆机构，对具有共性的弹性多杆或组合机构动力学的研究还很少。与弹性连杆机构相比，弹性凸轮系统的动力学研究进展逊色许多。在多数研究中，将从动件简化为线性时不变系统，讨论其动响应及其优化问题。近期，一些研究开始涉及到动力稳定性、参激振动等问题。由于非线性动力学理论未能足够地渗入到该领域，其研究的深度与广度仍显不足，理论成果与工程要求仍有相当距离。

近年来，已有不少关于弹性机构振动主动控制的研究。研究的典型问题是：引入模态控制等结构控制中的方法，采用压电陶瓷片为驱动器，对平面四连杆机构的弹性振动进行主动控制。这些研究尚在实验室阶段，到实际工程应用尚有距离。（6）微机电系统动力学

近年来，微机电系统（简称MEMS: Micro E ectro-Mechanica System）正走出实验室，成为21世纪初的新兴产业。仅从国防科技工业领域看，MEMS 技术将用于各种微型武器系统，形成具有新的竞争力的“智能军火”。西方发达国家正在积极研制用于军事目的的微型航空器、重量在1kg 级、甚至0.1kg 级的纳米卫星等。而它们的实现必须借助各种微发动机、微惯导仪器、微传感器、微执行机构。

与传统机械和结构相比，MEMS 的研制过程更具有设计与制造一体化的特征。目前，对MEMS 的设计多还在器件水平。除了少数二维器件的设计外，多数设计借助于ANSYS 等商品化软件进行试凑；除了一些微加速度计的设计外，多数设计尚属于结构静强度 机构运动学范畴。可以预见，随着MEMS 的实用化，其动力学问题将日益引起人们的关注。例如，微发动机中的运动部件、微惯导仪器必须从动力学角度去进行分析和设计。这方面的研究尚处于起步阶段。

机床、车辆、转子和机器人的动力学，其重点在于这类机械的个性问题。而各类机械中都包含着机构，各类机械又都是由原动机、传动装置和工作机组成的系统。因此，机构动力学和机械系统动力学研究各种机械在动力学方面的共性问题。

四、机械动力学的未来展望

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。

[参考文献] 1.胡海岩.先进机械系统的若干动力学与控制问题.面向21世纪的中国振动工程研究.北京: 航空工业出版社, 1999, 1-9.2.沈志云.关于高速铁路及高速列车的研究.振动、测试与诊断, 1998, 18 3.张策, 陈树勋.论弹性连杆机构的低阶谐振现象.机械工程学报,1986 4.王玉新.弹性连杆机构低阶谐振响应不完全同步机理研究.机械工程报, 1996, 32(4): 11-16.5.李俊宝, 张景绘, 任勇生, 张令弥.振动工程中智能结构的研究进展.力学进展, 1999, 29(2): 165-177.6.顾仲权, 马扣根, 陈卫东.振动主动控制, 北京: 国防工业出版社, 1997.7.百度百科 http://baike.baidu.com/view/71553.htm

第五篇：《机械创新设计》课程读书报告

《机械创新设计》课程读书报告

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蠕行式仿生变直径杆爬行机器人的创新设计

择要：设计研发了一种利用电机驱动凸轮机构、曲柄连杆机构、摆杆机构等实现在变直径杆上攀爬的非智能的蠕行式仿生爬杆机器人。在对机器人灵巧的结构和工作原理作出说明的基础上，进行了运动学建模和仿真分析。实验表明，该机器人爬行稳定，工况好。

关键词：爬杆机器人变直杆曲柄连杆凸轮

一、仿生机器人设计需求

现代生活中，高空作业不断增加，市场上少量使用的气动蠕行式爬行器，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，能量损耗大，并且一般伴有较大的噪声。因为连接了大量的支持设备，气动蠕行式爬行器的体积和活动范围都受到限制，而且设备成本较高。

二、仿生设计原理

这是一种新颖的变直径杆仿生爬行机构设计方案，该方案能基本满足我们设定的工作状况。该机器人是模仿人的爬树动作而设计的。人爬树时，两脚夹紧树杆，两腿一蹬，两手抱住树杆，人向上移，然后两手抱紧树杆，收腿提脚上移，一步步向上爬行。该机器人的爬行动作原理示意如下图1所示。

图1 机器人爬行动作原理示意图

图2 机器人结构原理图

既然是仿生尺蠖式蠕动，那么在本机器人的设计中，将以实现机器人躯干的伸缩为往复运动的主要动作为目标。往复运动的实现有很多种，常见的机构有：不完全齿轮齿条双侧停歇机构、曲柄连杆机构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等。这几种机构各有自己的优缺点，曲柄连杆机构可以很好地协调好机器人的整体工作。

从图1中可以看出，机器人的爬行动作原理可分为以下5步： 1）在初始状态1时，下机械手夹紧、上机械手松开见图2所示)

2）电机回转，驱动曲柄及和曲柄固接在一起的下并联盘形凸轮顺时针转动，推动下机械臂摆动，与此同时带动和连杆固接在一起的上移动凸轮向下移动，推 动上机械臂摆动，当下并联盘形凸轮转过升程角时，下机械手松开；与此同时上移动凸轮向下移动过空行程，上机械手抓紧，即状态2。

3）电机继续回转，此时上机械手夹紧、下机械手松开，机器人下部在电机的提升拉力作用下向上移动，当曲柄和连杆重叠共线时，机器人下部被提升到极限位置，即状态3。

4）电机继续回转，当下并联盘形凸轮转过回程角时，下机械手夹紧；与此同时上移动凸轮向上滑过空行程，上机械手松开，即状态4。

5）电机继续回转，因为下机械手夹紧、上机械手松开，所以机器人上部在电机的提升推力作用下向上移动，当曲柄和连杆拉直共线时，机器人上部提升到极限位置，即状态5。

从图2和图1可看出，减速电机每转动一圈，机器人整体向上爬行一次，重复状态1~5就可以准确实现机器人机械手之间的协调动作和机器人整体的蠕行爬行。通过实验，证明了该机器人的可用性和稳定性。

由该例我们可以发现，在机械设计中，只有具有创新性的思维方式，才能克服目前机械产品的缺陷，实现既定的设计目的，承载能力大、接触面积小、速度适中，适应能力强，能越障碍物，机构方案选择才能合理、经济。

三、参考文献

《蠕行式仿生变直径杆爬行机器人的设计》 王晓光 陈明森 文献标识码：A