机械动力学的发展简史及其对机械设计的影响 李雨潭

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1、机械动力学的发展简史及其对机械设计的影响李雨潭ZS12050045摘要：机械动力学是机械发展到一定阶段的产物。计算机的发明和数值计算的出现等现代科学技术的发展使得机械动力学有了更大的发展。机械动力学在机械设计的进程中，二者相互影响，在不同的阶段，机械设计对机械动力学的要求也不同。目前，机械动力学已经发展为一个内容丰富的综合性学科。关键字：机械动力学机械设计计算机多学科0引言任何机械都有运动，任何机械都受到力的作用。机械动力学就是研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力的科学。古代的机械是用人力、蓄力和水力来驱动的

2、，动力制约了机械的速度。因此，在古代机械的制作中主要考虑运动实现，而基本未涉及动力学。近代以来，机械动力学的发展大体可以分为两个阶段：第一次工业革命到20世纪中叶，可称为早期发展阶段；第二世界大战以后，可以称为近期发展阶段。1机械动力学的早期发展1.1历史背景1.1.1生产力不断提高的娶束推动着机械动力学的发展1769年，瓦特改进了蒸汽机。动力的变革极大地推动了机器的广泛使用，引发第一工业革命。1832年，法拉第发明了电动机，引发了第二次工业革命，世界进入了电气化时代。1876年，蔓托发明了内燃机。1797年，完全由金

3、属制成的车床在英国问世，它已是现代车床的雏形。19世纪中叶，通用机床的各种类型已大件齐备；到19世纪末，自动机床和大型机床出现。动力的变革，材料和加工手段的进步，全面地推动了机械制造业的迅速发展，使大幅度提高机器的速度和功率成为可能。机械的高速化，始终是机器理论发展的重要推动力之一，更是机械动力学发展的第一推动力。节约材料、节约能源要求减轻机器的重量，特别是车辆和飞行器的重量，选也一直是机械设计追求的目标之一[1-4]。机械产品的高速化、大功率化、精密化和轻量化的趋向不断推动着机械动力学的发展。一方面，它推动着各种结构

4、的演化与创新，促使机器中的传动装置不断发展和完善；另一方面，它推动了机械动力学分析水平的提高。1.1.2力学理论为机械动力学的发展提供了坚实的理论基础从15世纪中叶到18世纪下半期，是欧洲向资本主义发展的社会转型期。适应当时航海和工业的发展需要，天文学和力学发展起来。牛顿1687年发表了著名的运动定律学说，创立了经典力学。牛顿第二定律所描述的力、质量和加速度的关系是动力学的基本定律。经典力学的创立，开辟了科学发展的新时代，奠定了力学发展的基础，也奠定了机械工程发展的基础。今天，一切机械运动与力分析的理论，全部源于牛顿力

5、学。1765年，瑞士科学家殴拉将牛顿的理论从质点扩展到刚体，他所提出的欧拉公式是牛顿第二定律针对刚体定轴转动情况的扩展。1742年提出的达朗贝尔原理将静力学中研究平衡的方法与牛顿第二定律相结合，计入惯性力，用来研究动力学问题[5]。接下来，拉格朗日方程的提出，以及微分方程的积分理论和力学的变分原理使分析力学的理论体系臻于完善。分析力学是在经典力学范畴内的一个分支，是一种表达形式上的创新。1.2振动理论的建立与发展机械振动理论是最到发展起来的机械动力学理论。在电动机、发电机和汽轮机出现以后，高速转子引起的振动问题变得突出

6、起来[6-7]。到20世纪中叶，线性离散系统的基本理论已经建立起来，只是由于计算能力的限制，所能够计算的自由度不太大。对连续系统的分析则局限在形状很简单的构件。1.3动力学要求推动着各种机构的演进、创新与完善机器是由各种机构组成的。在达芬奇时代，现在使用的最常用机构便已经基本知晓，但是机构种类的扩充和机构性能的改善主要还是发生在工业革命以后。适应高速度、大功率和高精度的需要，是推动机构演进与创新的主要动因之一。1.4机械功力学分析方法的形成机器的发展。呼唤着机械的理论和设计方法。在机械动力学发展历史上，先后提出了四种不

7、同水平的分析方法：静力分析、动态静力分析、动力分析、弹性动力分析。在当代机械的分析与设计中，这四种分析方法也仍然部有所应用[8-10]。2机械动力学的近期发展二战以后的半个多世纪，世界大范围内的和平形成了有利于经济和科技发展的环境，机械动力学也进入了一个新的发展阶段。2.1历史背景2.1.1对机械设计的要求全面提升两个多世纪以来，机械的发展表现出高速化、大功率化、自动化精密化和轻量化的趋向，这种趋向在近60年变的更为突出和集中。例如，出现了超音速飞机和高速列车这样的高速运载工具，汽车的速度也有了很大的提高。出现了机器人

8、、航天器和数控机床这些现代化的新型机械。这些新型机械的出现与发展提出了许多新的动力学问题。经济的全球化和世界市场的形成，使竞争更加激烈。竞争，要求向市场快速地推出具有超等运转性能的产品，这导致对机械设计的要求全面提升。为了提高机器的性能，要求对机械系统进行更为复杂的动力学分析，并在这些更高级的分析方法的基础上建立动态的设计理论。2