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　　機械動力學的理論及應用

1.分子機械動力學的研究：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注。如何針對納機電系統(tǒng)(NEMS)器件建立科學適用的力學模型，成為解決納米尺度動力學問題的瓶頸。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、電子等領域具有十分重要的應用前景，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。 分子機械動力學研究的關鍵是建立科學合理的力學模型。分子機械動力學采用的力學模型有兩類，第一類是建立在量子力學、分子力學以及波函數(shù)理論基礎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)總勢能最小的構象即為分子機械的穩(wěn)定構象。采用分子力學和分子動力學等方法，對分子機械的動態(tài)構象與運動規(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性能，但計算T作量十分龐大，特別是當原子數(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)介質力學模型。該模型將分子機械視為桁架結構，原子為桁架的節(jié)點，化學鍵為連接節(jié)點的桿件，然后采用結構力學中的有限元方法進行動力學分析。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、電驅動效應和量子力學特性．所以在此模型上難以對分子機械實施運動控制研究。有學者提出將量子力學中的波函數(shù)、結構力學中的能量函數(shù)以及機構學中的運動副等理論結合，建立分子機械動力學分析的體鉸群模型。在該模型中，將分子機械中的驅動光子、電子、離子等直接作用的原子以及直接構成運動副的原子稱為體，聯(lián)接體的力場稱為鉸，具有確切構象的體鉸組合稱為群。將群視為相對運動與形變運動相結合的桿件．用群間相對位置的變化反應分子的機械運動，而群的形變運動反映分子構象的變化，借助坐標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中的子結構理論和模態(tài)綜合技術。
2.往復機械的動力學分析及減振的研究：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。往復機械包含有大質量的活塞、聯(lián)桿等組成的曲柄-活塞機構，這些大質量構件在高速周期性運動時產(chǎn)生的不平衡力和氣缸內的燃氣壓力或蒸氣壓力的周期性變化構成了機器本身和基礎的振動。這樣產(chǎn)生的振動通過機架傳給基礎。此振動只要采用適當?shù)姆椒朔黄胶饬@一因素，便可減小振動。然而由曲柄軸的轉動力矩使機架產(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分析，將產(chǎn)生新的減小振動的思路，即想法將往復機械工作時產(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加上適當配重即可平衡，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)動機結構笨大。由曲柄-活塞動力學分析可知，若作用于往復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選擇曲柄、連桿、活 塞構件的質量，則可完全滿足關于轉動質量的兩個平衡條件，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)內部或邊界間隙引起的碰撞振動是機械動力學的研究熱點之一。該領域研究成果有：
(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碰撞。這會造成有害的動應力、表面磨損和高頻噪聲，嚴重影響產(chǎn)品的質量。在當代高技術的機電系統(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鍵部分由彈性元件、應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)后成為極復雜的運動，對高靈敏度操作器的動力學特性產(chǎn)生影響。
(2)大型航天器中許多大柔性結構(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，在關節(jié)(或套筒)中留有一定間隙。雖然這些間隙與結構尺寸相比很小，但因關節(jié)數(shù)目很多而使整個結構呈明顯的松動，其振動特性變得非常復雜。另外，這類結構往往還受主動控制， 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，才能在高技術機電系統(tǒng)的設計階段把握其動力學特性，避免后繼階段的大挫折。由于碰撞振動系統(tǒng)是復雜的非線性動力學系統(tǒng)，對它的研究既有理論難度又有重要工程實際意義，得到普遍關注。
4.流體動力學在流體機械領域中的應用：空氣、水、油等易于流動的物質被統(tǒng)稱為流體。在力的作用下，流體的流動可引起能量的傳遞、轉換和物質的傳送。利用流體進行力的傳遞、進行功和能的轉換的機械，被稱為流體機械。流體力學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科，研究的范圍涉及到風扇的設計，發(fā)動機內氣體的流動以及車輛外形的減阻設計，水利機械的工作原理，輸油管道的鋪設，供水系統(tǒng)的設計，乃至航海、航空和航天等領域內動力系統(tǒng)和外形的設計等。計算流體動力學（CFD），就是建立在經(jīng)典流體動力學與數(shù)值計算方法基礎之上的一門新型學科。CFD 應用計算流體力學理論與方法，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)代科學中許多復雜流動與傳熱問題提供了有效的解決方法。
5.轉子動力學理論與機械故障診斷技術：以風力發(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，進行轉子動力學、機械故障診斷、振動主動控制等方面的研究。對帶有旋轉機械中常見的動靜件碰摩、部件松動、轉軸裂紋等故障的轉子系統(tǒng)的非線性動力學行為進行理論與實驗研究，發(fā)展了轉子軸承系統(tǒng)非線性動力學理論。開展了動靜件碰摩、轉軸裂紋等旋轉機械常見故障的診斷與定位，非線性系統(tǒng)在線辨識技術、神經(jīng)網(wǎng)絡、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)、全面地分析了旋轉機械常見故障的動力學機理，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.航天器動力學及智能結構技術：為了解決對含間隙展開與分離機構的全局(解鎖－展開－鎖定)動力學預測仿真的難題，引入單邊約束和變拓撲結構理論，研究了含間隙展開機構多體動力學建模方法，基于ADAMS軟件平臺編制了衛(wèi)星-火箭分離動力學仿真模擬系統(tǒng)和太陽電池陣動力學仿真模擬系統(tǒng)，該項技術已用于星箭解鎖分離、戰(zhàn)略導彈級間段分離、大型整流罩解鎖－拋離、空間站伸展機構展開-鎖定等的全局預測仿真模擬。探索研究了智能材料結構機構設計理論與方法，主要解決智能元件和典型智能機構設計與分析問題。設計了一種具有感知和驅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種智能材料元件驅動的組合式機構：壓電驅動的微動機器人、SMA驅動的柔性手爪和壓電雙晶片驅動的步進轉動機構；進行了采用智能材料實現(xiàn)飛行器的變構型研究。