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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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。（
6、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tt+t时间的加速度直线变化。纽马克- 法: 纽马克法是线性加速度法的别名。调节公式的特性参数，01/2。往往固定采用=1/6/或=1/4。威尔逊法：加速度在时刻 t 到t+ t内为线性变化，首先计算t，t+ t 区间近似解，但仅取其中前半部分(到时刻t+ t为止)作为近似解，而舍去后半部分(时间t+ t以后)。这种巧妙的处理方法并非出于
7、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：2yt2=22yx2（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；2.5 ADAMS介绍ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dy
8、namic 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。2.5.1 AD
9、AMS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、XY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
10、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
11、线帮助功能。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
12、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Translation
13、al, 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。
