机械动力学主要学些什么

运动学是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，通常不考虑力和质量等因素的影响。至于物体的运动和力的关系，则是动力学的研究课题。用几何方法描述物体的运动必须确定一个参照系，因此，单纯从运动学的观点看，对任何运动的描述都是相对的。这里，运动的相对性是指经典力学范畴内的，即在不同的参照系中时间和空间的量度相同，和参照系的运动无关。不过当物体的速度接近光速时，时间和空间的量度就同参照系有关了。这里的“运动”指机械运动，即物体位置的改变；所谓“从几何的角度”是指不涉及物体本身的物理性质(如质量等)和加在物体上的力。运动学主要研究点和刚体的运动规律。点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。掌握了这两类运动，才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。在变形体研究中，须把物体中微团的刚性位移和应变分开。点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征，这些都随所选的参考系不同而异；而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。刚体运动按运动的特性又可分为：刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础，也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。动力学以牛顿第二运动定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。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。动力学是物理学和天文学的基础，也是许多工程学科的基础。对动力学的研究使人们掌握了物体的运动规律，并能够为人类进行更好的服务。目前动力学系统的研究领域还在不断扩大，例如增加热和电等成为系统动力学；增加生命系统的活动成为生物动力学等。这些都使动力学在深度和广度两个方面有所发展。

课程代码：X020509

学分/学时：2.0 /54

开课时间：秋

课程名称：机械动力学

开课学院：机械与动力工程学院

任课教师：郭为忠

面向专业：机械学·机械工程各专业

预修课程：机械原理, 理论力学,,材料力学

课程内容简介：

中文：该课程为机械工程研究生选修课，介绍机械动力学的基本知识，包括转子动力学、机构平衡、凸轮机构动力学、运动弹性动力学、机械系统动力学、多刚体动力学等。该课程有助于学生理解、分析并改进现代机器的动态性能。

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.

教学大纲：

Week 1 绪论

Week 2平面机构的平衡

Week 3单自由度机械系统动力学

Week 4多自由度机械系统动力学

Week 5计算多体动力学简介

Week 6回转体机械动力学

Week 7连杆机构弹性动力学

Week 8凸轮机构弹性动力学

Week 9机械系统弹性动力学

瓦特 (1736-1819)

瓦特是世界公认的蒸汽机发明家。没发现什么定律!

他的创造精神、超人的才能和不懈的钻研为后人留下了宝贵的精神和物质财富。瓦特改进、发明的蒸汽机是对近代科学和生产的巨大贡献，具有划时代的意义，它导致了第一次工业技术革命的兴起，极大的推进了社会生产力的发展。

1736年，瓦特出生在英国苏格兰格拉斯哥市附近的一个小镇格里诺克，他的父亲是一个经验丰富的木匠，祖父和叔父都是机械工匠。少年时代的瓦特，由于家境贫苦和体弱多病，没有受过完整的正规教育。他曾经就读于格里诺克的文法学校，数学成绩特别优秀，但没有毕业就退学了。但是，他在父母的教导下，一直坚持自学，很早就对物理和数学产生了兴趣。瓦特从六岁开始学习几何学，到十五岁时就学完了《物理学原理》等书籍。他常常自己动手修理和制作起重机、滑车和一些航海器械。1753年，瓦特到格拉斯哥市当徒工。由于收入过低不能维持生活，第二年他又到伦敦的一家仪表修理厂当徒工。凭借着自己的勤奋好学，他很快学会了制造那些难度较高的仪器。但是繁重的劳动和艰苦的生活损害了他的健康，一年后，他不得不回家休养。一年的学徒生活使他饱尝辛酸，也使他练就了精湛的手艺，培养了他坚韧的个性。

1756年，当他的身体稍有好转，瓦特再次踏上了坎坷的道路来到格拉斯哥市。他想当一名修造仪器的工人，但是因为他的手艺没有满师，当时的行会不允许。幸运的是，瓦特的才能引起了格拉斯哥大学教授台克的重视。在他的介绍下，瓦特进入格拉斯哥大学当了教学仪器的工人。这所学校拥有当时较为完善的仪器设备，这使瓦特在修理仪器时认识了先进的技术，开阔了眼界。这时，他对以蒸汽作动力的机械产生了浓厚的兴趣，开始收集有关资料，还为此学会了意大利文和德文。在大学里，他认识了化学家约瑟夫·布莱克和约翰·鲁宾逊等。瓦特从他们那里学到了很多科学理论知识。1764年，瓦特与表妹玛格丽特·米勒结了婚。

1764年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法。直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。

在产生这种设想以后，瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。按照设计，冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，使他们既能连通又能分开。这样，既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗，据瓦特理论计算，这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门蒸汽机的三倍。从理论上说，瓦特的这种带有分离器冷凝器的蒸汽机显然优于纽可门蒸汽机，但是，要把理论上的东西变为实际上的东西，把图纸上的蒸汽机变为实在的蒸汽机，还要走很长的路。瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机，但效果反而不如纽可门蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动。尽管耗资巨大的试验使他债台高筑，但他没有在困难面前怯步，继续进行试验。当布莱克知道瓦特的奋斗目标和困难处境时，他把瓦特介绍给了自己一个十分富有的朋友--化工技师罗巴克。当时罗巴克是一个十分富有的企业家，他在苏格兰的卡隆开办了第一座规模较大的炼铁厂。虽然当时罗巴克已近50岁，但对科学技术的新发明仍然倾注着极大的热情。他对当时只有三十来岁的瓦特的新装置很是赞许，当即与瓦特签订合同，赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。

从1766年开始，在三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，终于在1769年制出了第一台样机。同年，瓦特因发明冷凝器而获得他在革新纽可门蒸汽机的过程中的第一项专利。第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了，但它同纽可门蒸汽机相比，除了热效率有显著提高外，在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展。就是说，瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机。

由于瓦特的这种蒸汽机仍不够理想，销路并不广。当瓦特继续进行探索时，罗巴克本人已濒于破产，他又把瓦特介绍给了自己的朋友、工程师兼企业家博尔顿，以便瓦特能得到赞助继续进行他的研制工作。博尔顿当时经四十多岁，是位能干的工程师和企业家。他对瓦特的创新精神表示赞赏，并愿意赞助瓦特。博尔顿经常参加社会活动，他是当时伯明翰地区著名的科学社团“圆月学社”的主要成员之一。参加这个学社的大多都是本地的一些科学家、工程师、学者以及科学爱好者。经博尔顿的介绍，瓦特也参加了圆月学社。在圆月学社活动期间，由于与化学家普列斯特列等交往，瓦特对当时人们关注的气体化学与热化学有了更多的了解，为他后来参加水的化学成分的争论奠定了基础。更重要的是，圆月学社的活动使瓦特进一步增长了科学见识，活跃了科学思想。

瓦特自与博尔顿合作之后即在资金、设备、材料等方面得到大力支持。瓦特又生产了两台带分离冷凝器的蒸汽机，由于没有显著的改进，这两台蒸汽机并没有得到社会的关注。这两台蒸汽机耗资巨大，使博尔顿也濒临破产，但他仍然给瓦特以慷慨的赞助。在他的支持下，瓦特以百折不挠的毅力继续研究。自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就已看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作往返的直线运动才是它的根本局限。1781年，瓦特仍然在参加圆月学社的活动，也许在聚会中会员们提到天文学家赫舍尔在当年发现的天王星以及由此引出的行星绕日的圆周运动启发了他，也许是钟表中的齿轮的圆周运动启发了他。他想到了把活塞往返的直线运动变为旋转的圆周运动就可以使动力传给任何工作机。同年，他研制出了一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往返的直线运动转变为齿轮的旋转运动。为了使轮轴的旋轴增加惯性，从而使圆周运动更加均匀，瓦特还在轮轴上加装了一个火飞轮。由于对传统机构的这一重大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为了能带动一切工作及的动力机。1781年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。

由于这种蒸汽机加上了轮轴和飞轮，这时的蒸汽机在把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动时，多消耗了不少能量。这样，蒸汽机的效率不是很高，动力不是很大。为了进一步提高蒸汽机的效率，增大蒸汽机的效率，瓦特在发明齿轮联动装置之后，对汽缸本身进行了研究，他发现，他虽然把纽可门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，使蒸汽机的热效率有了显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽推动活塞的冲程工艺与纽可门蒸汽机没有不同。两者的蒸汽都是单项运动，从一端进入、另一端出来。他想，如果让蒸汽能够从两端进入和排出，就可以让蒸汽即能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动。那末，他的效率就可以提高一倍。1782年，瓦特根据这一设想，试制出了一种带有双向装置的新汽缸。由此瓦特获得了他的第三项专利。把原来的单项汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽可门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽可门蒸汽机完全演变为了瓦特蒸汽机。

从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机研制成功，瓦特走过了二十多年的艰难历程。瓦特虽然多次受挫、屡遭失败，但他仍然坚持不懈、百折不回，终于完成了对纽可门蒸汽机的三次革新。使蒸汽机得到了更广泛的应用，成为改造世界的动力。

1784年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。1788年，瓦特发明了离心调速器和节气阀；1790年，他又发明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。

1785年，瓦特被当选为英国皇家学会会员。1814年，他被法国科学家学会接纳为外国会员。

1790年以后，优厚的专利税使瓦特成为一个很有钱的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲尔德郡的家里去世，遗体埋葬在汉德沃尔斯郊区的教堂里。

瓦特生活在十八、十九世纪的英国，所以在他的身上不可避免的带有时代和阶级的局限。他曾经阻挠双筒蒸汽机和高压蒸汽机的发明和推广，还嘲笑别人用蒸汽机来驱动车辆的努力。

瓦特为蒸汽机的推广使用做出了不可磨灭的重要贡献、有力的推动了社会的前进。恩格斯在《自然辨证法》中这样写道：“蒸汽机是第一个真正国际性的发明……瓦特个它加上了一个分离的冷凝器，这就使蒸汽机在原则上达到了现在的水平。”后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特”。

1769年，瓦特在大量试验的基础上，经过了无数次失败，终于制成了一台单动式蒸汽机，并且获得了第一台蒸汽机的专利权。

1757年瓦特到格拉斯哥大学当教学仪器修理工。那里既有完备的实验设施和各种仪器，又有许多著名学者和专家，这些都给瓦特提供了极其有利的条件。学校还专门为他创办了实验车间。1769年，瓦特在大量试验的基础上，经过了无数次失败，终于制成了一台单动式蒸汽机，并且获得了第一台蒸汽机的专利权。1782年瓦特又研制成功一种新式双向蒸汽机，并且可以广泛地应用在各种机器上；1788年，英国政府正式授予瓦特制造蒸汽机的专利证书；从1775年到1800年，瓦特和波尔顿合办的苏霍工厂，就制造出183台蒸汽机，全用于纺织业、冶金业和采矿业，到了19世纪30年代，蒸汽机推向了全世界，从此人类社会进入了“蒸汽时代”。造福于人类的发明家——瓦特永远被后人敬仰

机械动力学是研究机械在力的作用下的运动和机械在运动中产生的力的一门学科。机械动力学研究的主要内容概括起来，主要有如下几个方面。

一、共振分析

随着机械设备的高速重载化和结构、材质的轻型化，现代化机械的固有频率下降，而激励频率上升，有可能使机械的运转速度进入或接近机械的“共振区”，引发强烈的共振。所以，对于高速机械装置(如高速皮带、齿轮、高速轴等)的支承结构件乃至这些高速机械本身，均应进行共振验算。

这种验算在设计阶段进行，可避免机械的共振事故发生；而在分析故障时进行，则有助于找到故障的根源和消除故障的途径。

二、振动分析与动载荷计算

现代的机械设计方法正在由传统的静态设计向动态设计过渡，并已产生了一些专门的学科分支。如机械弹性动力学就是考虑机械构件的弹性来分析机械的精确运动规律和机械振动载荷的一个专门学科。

三、计算机与现代测试技术的运用

计算机与现代测试技术已成为机械动力学学科赖以腾飞的两翼。它们相互结合，不仅解决了在振动学科中许多难以用传统方法解决的问题，而且开创了状态监测、故障诊断、模态分析、动态模拟等一系列有效的实用技术，成为生产实践中十分有力的现代化手段。

机械动力学的各个分支领域，在运用计算机方面取得了丰硕成果，如MATLAB、AnAMS、CATIA、ANSYS等大型仿真软件得到了广泛的运用。

四、减振与隔振

高速与精密是现代机械与仪器的重要特征。高速易导致振动，而精密设备却又往往对自身与外界的振动有极为严格的限制。因此，对机械的减振、隔振技术提出了越来越高的要求。所以，隔振设备的设计、选用与配置以及减振措施的采用，也是机械动力学的任务之一。

机械动力学在近年来虽然得到了迅速的发展，但仍有大量的理论问题与技术问题等待人们去探索，其中主要包括以下几个方面。

1、振动理论问题

这类问题主要是指非线性振动理论问题。工程上的非线性问题常常采用简化的线性化处理，或在计算机上进行分段线性化处理。在这方面还有待进一步探索。

工程中的大量自激振动(如导线舞动、机床颤振、车轮振摆、油缸与导轨的爬行等)，目前还缺乏统一成熟的理论方法，许多问题尚待研究。

2、虚拟样机技术

机械系统动态仿真技术又称为机械工程中的虚拟样机技术，是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术。运用这一技术，可以大大简化机械产品的开发过程，大幅度缩短产品的开发周期，大量减少产品的开发费用和成本，明显提高产品的质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，该技术一出现，就受到了人们的普遍重视和关注，而且相继出现了各种分析软件，如MATLAB、ADAMS、ANSYS、CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks等。对于这方面的工作，目前我国还有相当大的差距。

3、振动疲劳机理的研究

许多机械零件的疲劳破坏是由振动产生的。如何把振动理论与振动疲劳机理结合起来仍是一个热门课题。

4、有关测试技术理论和故障诊断理论的研究

适用、有效、廉价的测试诊断设备与技术的研究，离生产急需尚有相当大的距离。

5、流固耦合振动

流体通过固体时会激发振动，而固体的振动，如导线舞动、卡门涡振动、轴承油膜振荡等，又会反过来影响流体的流场和流态，从而改变振动的形态。

6、乘坐动力学

对于交通机械(如汽车、工程机械、舰船等)，其结构设计、悬挂设计、座椅设计以及减振设计等都需要引入随机振动理论，是一个广阔且重大的课题。

7、微机械动力学问题

微机械并非传统意义下的宏观机械的几何尺寸的缩小。当系统特征尺寸达到微米或纳米的量级时，许多物理现象与宏观世界的情况有很大差别。例如，在微机械中，构件材料本身的物理性质将会发生变化；一些微观尺度的短程力所具有的长程效应及其引起的表面效应会在微观领域内起主导作用；在微观尺度下，系统的摩擦问题会更加突出，摩擦力则表现为构件表面间的分子和原子的相互作用，而不再是由载荷的正压力产生，并且当系统的特征尺寸减小到某一程度时，摩擦力甚至可以和系统的驱动力相比拟；在微观领域内，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与特征尺寸的低次方成比例的黏性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增大；此外，微构件的变形与损伤机制与宏观构件也不尽相同等。

针对微机械的研究中呈现出的新特征，传统的机械动力学理论与方法已不再适用。微机械动力学研究微构件材料的本构关系、微构件的变形方式和阻尼机制、微机构的弹性动力学方程等主要科学问题，揭示微构件材料的分子(或原子)成分和结构、材料的弹性模量和泊松比、微构件的刚度和阻尼以及微机构的弹性动力学特性等之间的内在联系，从而保证微机电系统在微小空间内实现能量传递、运动转换和调节控制功能，以规定的精度实现预定的动作。因此，机械动力学的研究将会取得多方面的创新成果，这些成果不仅有重要的科学意义和学术价值，而且有很好的应用前景。

机械动力学的研究方法可分为两类。

(1)结构动态分析

对于机械动力学正问题，动态分析一般借助于多种动态分析法(如模态分析法、模态综合法、机械阻抗分析法、状态空间分析法、模态摄动法及有限元法等)建立结构或系统的数学模型，进而对结构的动态特性进行分析(如动态仿真等)。

对于机械动力学逆问题，动态分析通常先进行动态实验，在此基础上根据一定的准则建立结构或系统的数学模型，然后借助参数辨识或系统辨识的方法进行分析。

(2)动态实验

结构动态实验包括模态实验、力学环境实验、模拟实验等，它是产品设计和生产过程中不可缺少的环节，不仅可以直接考核产品的动力学性能，也为动态分析建立可靠的数学模型提供必要的数据。