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　　機械動力學(xué)的理論及應(yīng)用

1.分子機械動力學(xué)的研究：作為納米科技的一個分支，分子機械和分子器件的研究工作受到普遍關(guān)注。如何針對納機電系統(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力學(xué)問題的瓶頸。分子機械是極其重要的一類NEMS器件．分為天然的與人工的兩類。人工分子機械是通過對原子的人為操縱，合成、制造出具有能量轉(zhuǎn)化機制或運動傳遞機制的納米級的生物機械裝置。由于分子機械具有高效節(jié)能、環(huán)保無噪、原料易得、承載能力大、速度高等特點，加之具有納米尺度，故在國防、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)達國家的高度重視。已經(jīng)成功研制出多種分子機械，如分子馬達、分子齒輪、分子軸承等。但在分子機械實現(xiàn)其工程化與規(guī)?；倪^程中， 由于理論研究水平的制約，使分子機械的研究工作受到了進一步得制約。 分子機械動力學(xué)研究的關(guān)鍵是建立科學(xué)合理的力學(xué)模型。分子機械動力學(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)分子機械的初始構(gòu)象，將分子機械系統(tǒng)離散為大量相互作用的原子，每個原子擁有質(zhì)量，所處的位置用幾何點表示。通過引入鍵長伸縮能，鍵角彎曲能，鍵的二面角扭轉(zhuǎn)能，以及非鍵作用能等，形成機械的勢能面，使系統(tǒng)總勢能最小的構(gòu)象即為分子機械的穩(wěn)定構(gòu)象。采用分子力學(xué)和分子動力學(xué)等方法，對分子機械的動態(tài)構(gòu)象與運動規(guī)律進行計算。從理論上講，該模型可以獲得分子機械每個時刻精確的動力學(xué)性能，但計算T作量十分龐大，特別是當(dāng)原子數(shù)目較大時，其計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。該模型將分子機械視為桁架結(jié)構(gòu)，原子為桁架的節(jié)點，化學(xué)鍵為連接節(jié)點的桿件，然后采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的有限元方法進行動力學(xué)分析。該模型雖然克服了第一類模型計算量龐大的缺陷，但無法描述各原子中電子的運動狀態(tài)，故沒有考慮分子機械的光、電驅(qū)動效應(yīng)和量子力學(xué)特性．所以在此模型上難以對分子機械實施運動控制研究。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)以及機構(gòu)學(xué)中的運動副等理論結(jié)合，建立分子機械動力學(xué)分析的體鉸群模型。在該模型中，將分子機械中的驅(qū)動光子、電子、離子等直接作用的原子以及直接構(gòu)成運動副的原子稱為體，聯(lián)接體的力場稱為鉸，具有確切構(gòu)象的體鉸組合稱為群。將群視為相對運動與形變運動相結(jié)合的桿件．用群間相對位置的變化反應(yīng)分子的機械運動，而群的形變運動反映分子構(gòu)象的變化，借助坐標(biāo)凝聚對群進行低維描述。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)機械的動力學(xué)分析及減振的研究：機械產(chǎn)生振動的原因，大致分為兩種，一種是機械本身工作時力和力矩的不平衡引起的振動，另一種是由于外力或力矩作用于機架上而引起機械的振動。下面只研究機械本身由于力和力矩的不平衡而引起的振動問題。往復(fù)機械包含有大質(zhì)量的活塞、聯(lián)桿等組成的曲柄-活塞機構(gòu)，這些大質(zhì)量構(gòu)件在高速周期性運動時產(chǎn)生的不平衡力和氣缸內(nèi)的燃氣壓力或蒸氣壓力的周期性變化構(gòu)成了機器本身和基礎(chǔ)的振動。這樣產(chǎn)生的振動通過機架傳給基礎(chǔ)。此振動只要采用適當(dāng)?shù)姆椒朔黄胶饬@一因素，便可減小振動。然而由曲柄軸的轉(zhuǎn)動力矩使機架產(chǎn)生的反力而引起的振動將是最難解決的問題。 通過一系列的動力學(xué)分析，將產(chǎn)生新的減小振動的思路，即想法將往復(fù)機械工作時產(chǎn)生的慣性力和力矩的不平衡性，盡量在發(fā)動機內(nèi)部加以平衡解決，使其不傳給機架。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，對多缸發(fā)動機雖然也可按同樣辦法來處理，但比較麻煩，且發(fā)動機結(jié)構(gòu)笨大。由曲柄-活塞動力學(xué)分析可知，若作用于往復(fù)機械的力之總和等于零(靜平衡條件)和上述作用力對任意點的力矩之總和等于零(動平衡條件)，則作用于往復(fù)機械的力和力矩就完全平衡。從理論分析上是可行的，在實際應(yīng)用上也是可以實現(xiàn)的，即對于多缸發(fā)動機的平衡，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)動質(zhì)量的兩個平衡條件，因而可達到減小整機振動的目的。
3.機械系統(tǒng)的碰撞振動與控制的研究：機械系統(tǒng)內(nèi)部或邊界間隙引起的碰撞振動是機械動力學(xué)的研究熱點之一。該領(lǐng)域研究成果有：
(1)碰撞振動的間斷和連續(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；
(3)碰撞振動分析的數(shù)值方法；
(4)碰撞振動實驗研究。 在穩(wěn)態(tài)運行環(huán)境下，機械系統(tǒng)內(nèi)部或邊界上的間隙通常使系統(tǒng)產(chǎn)生碰撞振動， 即零部件間或零部件與邊界間的往復(fù)碰撞。這會造成有害的動應(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)的機電系統(tǒng)中，碰撞振動有時會成為影響系統(tǒng)性能的主要因素。
例如：
(1)在由機器人完成的柔順插入裝配中，為避免軸、孔對中誤差而引起卡阻，需要同時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)生對負載變化非常敏感的控制力。操作器研制的難點之一是，傳動誤差擾動經(jīng)過間隙環(huán)節(jié)后成為極復(fù)雜的運動，對高靈敏度操作器的動力學(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)目很多而使整個結(jié)構(gòu)呈明顯的松動，其振動特性變得非常復(fù)雜。另外，這類結(jié)構(gòu)往往還受主動控制， 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，才能在高技術(shù)機電系統(tǒng)的設(shè)計階段把握其動力學(xué)特性，避免后繼階段的大挫折。由于碰撞振動系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，對它的研究既有理論難度又有重要工程實際意義，得到普遍關(guān)注。
4.流體動力學(xué)在流體機械領(lǐng)域中的應(yīng)用：空氣、水、油等易于流動的物質(zhì)被統(tǒng)稱為流體。在力的作用下，流體的流動可引起能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和物質(zhì)的傳送。利用流體進行力的傳遞、進行功和能的轉(zhuǎn)換的機械，被稱為流體機械。流體力學(xué)就是一門研究流體流動規(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，發(fā)動機內(nèi)氣體的流動以及車輛外形的減阻設(shè)計，水利機械的工作原理，輸油管道的鋪設(shè)，供水系統(tǒng)的設(shè)計，乃至航海、航空和航天等領(lǐng)域內(nèi)動力系統(tǒng)和外形的設(shè)計等。計算流體動力學(xué)（CFD），就是建立在經(jīng)典流體動力學(xué)與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)之上的一門新型學(xué)科。CFD 應(yīng)用計算流體力學(xué)理論與方法，利用具有超強數(shù)值運算能力的計算機，編制計算機運行程序，數(shù)值求解滿足不同種類流體的流動和傳熱規(guī)律的質(zhì)量守恒、動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 兼有理論性和實踐性的雙重特點，為現(xiàn)代科學(xué)中許多復(fù)雜流動與傳熱問題提供了有效的解決方法。
5.轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論與機械故障診斷技術(shù)：以風(fēng)力發(fā)電機組、水力發(fā)電機組等大型能源裝備、航天器、航空發(fā)動機、汽車等機械系統(tǒng)為研究對象，進行轉(zhuǎn)子動力學(xué)、機械故障診斷、振動主動控制等方面的研究。對帶有旋轉(zhuǎn)機械中常見的動靜件碰摩、部件松動、轉(zhuǎn)軸裂紋等故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)行為進行理論與實驗研究，發(fā)展了轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)非線性動力學(xué)理論。開展了動靜件碰摩、轉(zhuǎn)軸裂紋等旋轉(zhuǎn)機械常見故障的診斷與定位，非線性系統(tǒng)在線辨識技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、小波分析等方法的研究，在國際上較早地和較系統(tǒng)、全面地分析了旋轉(zhuǎn)機械常見故障的動力學(xué)機理，所開發(fā)的水輪發(fā)電機組和汽輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)已安裝在大量的機組上，為電力行業(yè)的安全生產(chǎn)做出了貢獻。
6.航天器動力學(xué)及智能結(jié)構(gòu)技術(shù)：為了解決對含間隙展開與分離機構(gòu)的全局(解鎖－展開－鎖定)動力學(xué)預(yù)測仿真的難題，引入單邊約束和變拓撲結(jié)構(gòu)理論，研究了含間隙展開機構(gòu)多體動力學(xué)建模方法，基于ADAMS軟件平臺編制了衛(wèi)星-火箭分離動力學(xué)仿真模擬系統(tǒng)和太陽電池陣動力學(xué)仿真模擬系統(tǒng)，該項技術(shù)已用于星箭解鎖分離、戰(zhàn)略導(dǎo)彈級間段分離、大型整流罩解鎖－拋離、空間站伸展機構(gòu)展開-鎖定等的全局預(yù)測仿真模擬。探索研究了智能材料結(jié)構(gòu)機構(gòu)設(shè)計理論與方法，主要解決智能元件和典型智能機構(gòu)設(shè)計與分析問題。設(shè)計了一種具有感知和驅(qū)動功能的壓電主動桿；研究了典型智能材料元件（壓電雙晶片、SMA差動彈簧驅(qū)動器、主動桿等）的機電耦合特性；研制了3種智能材料元件驅(qū)動的組合式機構(gòu)：壓電驅(qū)動的微動機器人、SMA驅(qū)動的柔性手爪和壓電雙晶片驅(qū)動的步進轉(zhuǎn)動機構(gòu)；進行了采用智能材料實現(xiàn)飛行器的變構(gòu)型研究。