机械系统动力学第1章绪论

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1、第一章绪论1.1机械系统动力学的研究内容机械系统动力学是研究机械结构在动态载荷作用下的动力学行为的科学，是20世纪中叶才发展起来的一门学科。机械动力学与机械振动学是紧密相关的学科，它是进行机械结构动力优化设计的基础。动态载荷作用于动态系统，就构成一个动态问题。所谓动态载荷即迅速变化的载荷,它包括交变载荷与突变载荷。当载荷的频率成分Z—接近或超过系统的某一固冇频率时,就必须作为一个动态问题，而不是静态问题来处理。事实上，工程中的许多问题都必须看作动态问题。与静态问题比较起來，动态问题具有以下特点：1

2、・复杂性造成动态问题的复杂性的主要原因是其载荷作川的“后效性”与其响应对应于过去经历载荷的“记忆性”。前者是指某时刻作用在系统上的载荷不仅只影响系统在该时刻的响应，而影响系统在此后各时刻的响应；后者则是指系统在任一吋刻的响应不只山该吋刻的载荷來决定，而是由在该时刻Z前系统所经受的载荷的全部丿力程來决定，好像系统能记住它过去的经历一样。动载荷对系统的作用是首先改变系统在各个时刻的初态，这些受扰的初态就按系统内在的模式，向前运动和发展，然后才能决定系统在其后各个时刻的总的响应。由此对见，一个动态系统在

3、受到外加扰动时，其响应并不是亦步亦趋地跟踪载荷的变化，而是力图表现岀它的个性；对一个动态系统施加控制，只有顺应该系统的内在模式，才能收到预期的效果。由于上述特性，使得对一个动态系统的辨识、响应预测或控制，都要比对静态问题复杂得多。2•危险性动态系统可能十分危险，其危险性主耍是由两种因素引起的：其一为共振现彖，当扰动频率接近系统的固冇频率时，微小的载荷可以引起“轩然大波”，在结构中激起比静态响应大很多倍的动态位移响应与应力响应，产牛巨人的破坏力；其二为白激振动，在-定的条件下，一个动态系统（例如金属

4、切削机床、轧钢机或飞机等等），可以在没有外加交变激励的悄况下，突然振动起來，振幅猛烈上升而产生巨大的破坏性。例如机床上如果发生这种振动，便难于疋常地进行切削加工，而飞机如果产生这种振动，往往会产生机毁人亡的后果。这种振动即自激振动。它似乎是“无缘无故”地发生的，对其机理的剖析及防治都比较怵I难。3•超常性动态问题的现彖、规律及其防治方法往往超越人们的生活常识Z外，无法以直观的方法来说明和理解，而必须通过严谨的理论分析，才能得以解釋和加以预测。动态问题的许多解答当然是在乎道理之中，却往往乂出人意料之

5、外。这里举一个很简单的例子。例如，一・个工作机械，受到一定频率的扰动，而扰动频率乂正好等于机械结构的固有频率，于是产生强烈的共振，无法正常工作。如果不是基于理论分析，而凭“想当然”，恐怕谁也不敢想象以下的消振方案：在该T作机械上再加装一个子系统，并使此子系统的固有频率正好等于扰动频率。人们可能“直观”地以为，这样以來，振动将会加倍厉害。但事实是工作机械的振动竟然完全被消除了，此即所谓“无阻尼调谐消振器”。振动理论对其工作原理给出了满意的解释。总Z,动态问题在本质上不同于静态问题，不能归结为静态问题

6、。以静态的观点与方法来看待与处理动态问题这是非常危险的，而动态的观念与动态的知识不是白然而然地可以得到的，而必须经过刻苦的学习和钻研才能掌握。机械结构或者机械系统是我们研究的一个客观实体，我们称Z为系统。外界对■系统的作用可以是力（力矩）或称载荷，也可以是运动，我们通称为激励，前者为力激励，后者为运动激励。系统受到激励后的行为我们则称之为响应。一般用机械系统的某一个构件或某点的位移（线、角）、速度、加速度的时间函数來表示，其实机械中的各构件，运动副中受到的力，如应力应变也都属于响应。现代机械动力学

7、主要研究对■象就是激励、系统和响应，而其主要研究内容就是三者的关系，归结为以下三个方面的问题：L已知载荷和结构参数求结构的响应，称为响应预估问题，它是机械动力学的正问题,也是机械动力学研究的核心问题。这类问题一般借助于多种动态分析方法（如模态分析法、机械阻抗法、有限元法等）对结构的动态特性进行研究。即为已知激励和系统求响应。2.已知载荷和结构响应求结构参数或数学模型，称为参数辨识或系统辨识问题，它是机械动力学的第一类逆问题。这类问题通常要借助于模态分析的方法來识别结构参数，正确地建立结构的数学模型

8、，并完成从模态参数到物理参数的转换，这样才能弄清结构的薄弱环节，为改进结构提供依据。即为已知激励和响应求系统。3.已知结构参数和响应求载荷，称为载荷辨识问题，它是机械动力学的笫二类逆问题。这类问题通常先进行第一类逆问题的计算和测试，求得结构参数，然后方能进行载荷辨识，以弄清外界扰动力的水平和规律。即为已知系统和响应求激励。1・2系统与机械系统现代的工程问题不仅要対系统进行动态特性的分析，而且还需要对系统进行综合，即将所要研究和处理的对象当作一个系统，看具屮元索和元索之间的关联，并从