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　　機(jī)械動(dòng)力學(xué)的理論及應(yīng)用

1.分子機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究：作為納米科技的一個(gè)分支，分子機(jī)械和分子器件的研究工作受到普遍關(guān)注。如何針對(duì)納機(jī)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(dòng)力學(xué)問(wèn)題的瓶頸。分子機(jī)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(jī)械是通過(guò)對(duì)原子的人為操縱，合成、制造出具有能量轉(zhuǎn)化機(jī)制或運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)制的納米級(jí)的生物機(jī)械裝置。由于分子機(jī)械具有高效節(jié)能、環(huán)保無(wú)噪、原料易得、承載能力大、速度高等特點(diǎn)，加之具有納米尺度，故在國(guó)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(dá)國(guó)家的高度重視。已經(jīng)成功研制出多種分子機(jī)械，如分子馬達(dá)、分子齒輪、分子軸承等。但在分子機(jī)械實(shí)現(xiàn)其工程化與規(guī)?；倪^(guò)程中， 由于理論研究水平的制約，使分子機(jī)械的研究工作受到了進(jìn)一步得制約。 分子機(jī)械動(dòng)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(jī)械動(dòng)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(jī)械的初始構(gòu)象，將分子機(jī)械系統(tǒng)離散為大量相互作用的原子，每個(gè)原子擁有質(zhì)量，所處的位置用幾何點(diǎn)表示。通過(guò)引入鍵長(zhǎng)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(jī)械的勢(shì)能面，使系統(tǒng)總勢(shì)能最小的構(gòu)象即為分子機(jī)械的穩(wěn)定構(gòu)象。采用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)等方法，對(duì)分子機(jī)械的動(dòng)態(tài)構(gòu)象與運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。從理論上講，該模型可以獲得分子機(jī)械每個(gè)時(shí)刻精確的動(dòng)力學(xué)性能，但計(jì)算T作量十分龐大，特別是當(dāng)原子數(shù)目較大時(shí)，其計(jì)算工作量是無(wú)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(jī)械視為桁架結(jié)構(gòu)，原子為桁架的節(jié)點(diǎn)，化學(xué)鍵為連接節(jié)點(diǎn)的桿件，然后采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的有限元方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。該模型雖然克服了第一類模型計(jì)算量龐大的缺陷，但無(wú)法描述各原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故沒有考慮分子機(jī)械的光、電驅(qū)動(dòng)效應(yīng)和量子力學(xué)特性．所以在此模型上難以對(duì)分子機(jī)械實(shí)施運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)學(xué)中的運(yùn)動(dòng)副等理論結(jié)合，建立分子機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析的體鉸群模型。在該模型中，將分子機(jī)械中的驅(qū)動(dòng)光子、電子、離子等直接作用的原子以及直接構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的原子稱為體，聯(lián)接體的力場(chǎng)稱為鉸，具有確切構(gòu)象的體鉸組合稱為群。將群視為相對(duì)運(yùn)動(dòng)與形變運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的桿件．用群間相對(duì)位置的變化反應(yīng)分子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而群的形變運(yùn)動(dòng)反映分子構(gòu)象的變化，借助坐標(biāo)凝聚對(duì)群進(jìn)行低維描述。該模型的核心思想來(lái)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(jī)械的動(dòng)力學(xué)分析及減振的研究：機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)的原因，大致分為兩種，一種是機(jī)械本身工作時(shí)力和力矩的不平衡引起的振動(dòng)，另一種是由于外力或力矩作用于機(jī)架上而引起機(jī)械的振動(dòng)。下面只研究機(jī)械本身由于力和力矩的不平衡而引起的振動(dòng)問(wèn)題。往復(fù)機(jī)械包含有大質(zhì)量的活塞、聯(lián)桿等組成的曲柄-活塞機(jī)構(gòu)，這些大質(zhì)量構(gòu)件在高速周期性運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不平衡力和氣缸內(nèi)的燃?xì)鈮毫蛘魵鈮毫Φ闹芷谛宰兓瘶?gòu)成了機(jī)器本身和基礎(chǔ)的振動(dòng)。這樣產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)機(jī)架傳給基礎(chǔ)。此振動(dòng)只要采用適當(dāng)?shù)姆椒朔黄胶饬@一因素，便可減小振動(dòng)。然而由曲柄軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩使機(jī)架產(chǎn)生的反力而引起的振動(dòng)將是最難解決的問(wèn)題。 通過(guò)一系列的動(dòng)力學(xué)分析，將產(chǎn)生新的減小振動(dòng)的思路，即想法將往復(fù)機(jī)械工作時(shí)產(chǎn)生的慣性力和力矩的不平衡性，盡量在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部加以平衡解決，使其不傳給機(jī)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(duì)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)雖然也可按同樣辦法來(lái)處理，但比較麻煩，且發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)笨大。由曲柄-活塞動(dòng)力學(xué)分析可知，若作用于往復(fù)機(jī)械的力之總和等于零(靜平衡條件)和上述作用力對(duì)任意點(diǎn)的力矩之總和等于零(動(dòng)平衡條件)，則作用于往復(fù)機(jī)械的力和力矩就完全平衡。從理論分析上是可行的，在實(shí)際應(yīng)用上也是可以實(shí)現(xiàn)的，即對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)質(zhì)量的兩個(gè)平衡條件，因而可達(dá)到減小整機(jī)振動(dòng)的目的。
3.機(jī)械系統(tǒng)的碰撞振動(dòng)與控制的研究：機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部或邊界間隙引起的碰撞振動(dòng)是機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。該領(lǐng)域研究成果有：
(1)碰撞振動(dòng)的間斷和連續(xù)分析，包括穩(wěn)定性分析、奇異性問(wèn)題、擦邊誘發(fā)分叉、非線性模態(tài)等研究； (2)碰撞振動(dòng)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(dòng)；
(3)碰撞振動(dòng)分析的數(shù)值方法；
(4)碰撞振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行環(huán)境下，機(jī)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(dòng)， 即零部件間或零部件與邊界間的往復(fù)碰撞。這會(huì)造成有害的動(dòng)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(jī)電系統(tǒng)中，碰撞振動(dòng)有時(shí)會(huì)成為影響系統(tǒng)性能的主要因素。
例如：
(1)在由機(jī)器人完成的柔順插入裝配中，為避免軸、孔對(duì)中誤差而引起卡阻，需要同時(shí)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(cè)量模塊及力反饋電路組成，通過(guò)控制彈性元件的變形， 產(chǎn)生對(duì)負(fù)載變化非常敏感的控制力。操作器研制的難點(diǎn)之一是，傳動(dòng)誤差擾動(dòng)經(jīng)過(guò)間隙環(huán)節(jié)后成為極復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，對(duì)高靈敏度操作器的動(dòng)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(yáng)能電池帆板)需要在太空軌道裝配或自動(dòng)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(gè)結(jié)構(gòu)呈明顯的松動(dòng)，其振動(dòng)特性變得非常復(fù)雜。另外，這類結(jié)構(gòu)往往還受主動(dòng)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(dòng)，才能在高技術(shù)機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段把握其動(dòng)力學(xué)特性，避免后繼階段的大挫折。由于碰撞振動(dòng)系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，對(duì)它的研究既有理論難度又有重要工程實(shí)際意義，得到普遍關(guān)注。
4.流體動(dòng)力學(xué)在流體機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用：空氣、水、油等易于流動(dòng)的物質(zhì)被統(tǒng)稱為流體。在力的作用下，流體的流動(dòng)可引起能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和物質(zhì)的傳送。利用流體進(jìn)行力的傳遞、進(jìn)行功和能的轉(zhuǎn)換的機(jī)械，被稱為流體機(jī)械。流體力學(xué)就是一門研究流體流動(dòng)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(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體的流動(dòng)以及車輛外形的減阻設(shè)計(jì)，水利機(jī)械的工作原理，輸油管道的鋪設(shè)，供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，乃至航海、航空和航天等領(lǐng)域內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)和外形的設(shè)計(jì)等。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD），就是建立在經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門新型學(xué)科。CFD 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)理論與方法，利用具有超強(qiáng)數(shù)值運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)，編制計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，數(shù)值求解滿足不同種類流體的流動(dòng)和傳熱規(guī)律的質(zhì)量守恒、動(dòng)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(shí)踐性的雙重特點(diǎn)，為現(xiàn)代科學(xué)中許多復(fù)雜流動(dòng)與傳熱問(wèn)題提供了有效的解決方法。
5.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論與機(jī)械故障診斷技術(shù)：以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、水力發(fā)電機(jī)組等大型能源裝備、航天器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車等機(jī)械系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、機(jī)械故障診斷、振動(dòng)主動(dòng)控制等方面的研究。對(duì)帶有旋轉(zhuǎn)機(jī)械中常見的動(dòng)靜件碰摩、部件松動(dòng)、轉(zhuǎn)軸裂紋等故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)展了轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)理論。開展了動(dòng)靜件碰摩、轉(zhuǎn)軸裂紋等旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見故障的診斷與定位，非線性系統(tǒng)在線辨識(shí)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(guó)際上較早地和較系統(tǒng)、全面地分析了旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見故障的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，所開發(fā)的水輪發(fā)電機(jī)組和汽輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)已安裝在大量的機(jī)組上，為電力行業(yè)的安全生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)。
6.航天器動(dòng)力學(xué)及智能結(jié)構(gòu)技術(shù)：為了解決對(duì)含間隙展開與分離機(jī)構(gòu)的全局(解鎖－展開－鎖定)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)仿真的難題，引入單邊約束和變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論，研究了含間隙展開機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)建模方法，基于ADAMS軟件平臺(tái)編制了衛(wèi)星-火箭分離動(dòng)力學(xué)仿真模擬系統(tǒng)和太陽(yáng)電池陣動(dòng)力學(xué)仿真模擬系統(tǒng)，該項(xiàng)技術(shù)已用于星箭解鎖分離、戰(zhàn)略導(dǎo)彈級(jí)間段分離、大型整流罩解鎖－拋離、空間站伸展機(jī)構(gòu)展開-鎖定等的全局預(yù)測(cè)仿真模擬。探索研究了智能材料結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法，主要解決智能元件和典型智能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析問(wèn)題。設(shè)計(jì)了一種具有感知和驅(qū)動(dòng)功能的壓電主動(dòng)桿；研究了典型智能材料元件（壓電雙晶片、SMA差動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng)器、主動(dòng)桿等）的機(jī)電耦合特性；研制了3種智能材料元件驅(qū)動(dòng)的組合式機(jī)構(gòu)：壓電驅(qū)動(dòng)的微動(dòng)機(jī)器人、SMA驅(qū)動(dòng)的柔性手爪和壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；進(jìn)行了采用智能材料實(shí)現(xiàn)飛行器的變構(gòu)型研究。