機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

前言

機(jī)械動(dòng)力學(xué)課程在清華大學(xué)的開設(shè)已有20多年歷史。近幾年，楊義勇在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）也開設(shè)了機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)這一學(xué)位課程。上述課程所使用的教材均以唐錫寬、金德聞編寫的《機(jī)械動(dòng)力學(xué)》（高等教育出版社1984年出版）為基礎(chǔ)，加上多種補(bǔ)充教材和講義。在多年的教學(xué)過程中，隨著對(duì)課程地位、學(xué)生學(xué)習(xí)的目的和課程體系的不斷探索，金德聞先后編寫了《高速轉(zhuǎn)子的振動(dòng)與平衡》、《機(jī)械動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)》等補(bǔ)充教材和研究生學(xué)位課程講義《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法》中的“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”部分，金德聞、唐錫寬還配套編寫了《機(jī)械動(dòng)力學(xué)習(xí)題、作業(yè)實(shí)驗(yàn)匯編》； 楊義勇則編寫了《機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》講義。作者在對(duì)上述教材和講義進(jìn)行體系變更、內(nèi)容更新、擴(kuò)充和改寫的基礎(chǔ)上，寫成了這本新的《機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》。機(jī)械動(dòng)力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)基本理論解決機(jī)械系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)問題的一門學(xué)科，其核心問題是建立機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與其內(nèi)部參數(shù)、外界條件之間的關(guān)系，從而找到解決問題的途徑。該學(xué)科是機(jī)械性能設(shè)計(jì)的重要部分，在高速機(jī)械和精密機(jī)械中，機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能的分析與設(shè)計(jì)中是不可缺少的，有時(shí)甚至是至關(guān)重要的。機(jī)械動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)的目的就是使學(xué)生了解機(jī)械系統(tǒng)中動(dòng)力學(xué)問題的類型和掌握應(yīng)用力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)解決這些問題的基本方法和途徑。機(jī)械系統(tǒng)千變?nèi)f化，但它們存在的動(dòng)力學(xué)問題有一定規(guī)律性，解決這些問題的方法也有共性。本書對(duì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容和體系的安排有以下特點(diǎn)：（1） 按照系統(tǒng)的組成和運(yùn)行條件將機(jī)械系統(tǒng)分為剛性系統(tǒng)和考慮構(gòu)件彈性的系統(tǒng)兩大部分，以便根據(jù)它們不同的性質(zhì)分別講述處理動(dòng)力學(xué)問題的方法。（2） 全書在介紹解決動(dòng)力學(xué)問題的方法中，以解決問題的過程為線索，從機(jī)械系統(tǒng)力學(xué)模型的建立到動(dòng)力學(xué)方程的建立、求解和分析，再回到這些結(jié)果的運(yùn)用來講述。由此形成了不同機(jī)械系統(tǒng)之間的橫向聯(lián)系，這將有助于學(xué)生在了解各種機(jī)械系統(tǒng)處理方法的同時(shí)也掌握它們之間的共同規(guī)律。（3） 在處理剛性機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題中，運(yùn)用“類速度”和引入“偏類速度”機(jī)構(gòu)學(xué)的概念來獲取動(dòng)力學(xué)方程，這不僅應(yīng)用方便，而且形成了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)問題和動(dòng)力學(xué)問題之間的有機(jī)聯(lián)系。此外，增加了對(duì)凱恩方程的介紹和應(yīng)用，并指出凱恩方法中的“偏速率”與機(jī)構(gòu)學(xué)中“偏類速度”的一致性，可作為機(jī)構(gòu)學(xué)與一般力學(xué)方法之間的銜接點(diǎn)。（4） 在含彈性構(gòu)件的機(jī)械系統(tǒng)中，由于存在不同的機(jī)構(gòu)，包括定軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等，這些機(jī)構(gòu)的處理方法有所不同，因此根據(jù)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)把機(jī)構(gòu)學(xué)的分析方法與動(dòng)力學(xué)的一般原理相結(jié)合，分別講述這些機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題。（5） 在介紹含間隙運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中，按照連續(xù)接觸和非連續(xù)接觸的模型的分類給出了不同的處理方法。此外，增加了間隙對(duì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能影響的實(shí)例分析，以便學(xué)生對(duì)間隙副問題有更為實(shí)際的理解。（6） 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)建立機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)模型，并用數(shù)值仿真的方法預(yù)測(cè)系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性是動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和研究的重要手段。本書專門安排一章介紹有關(guān)的軟件系統(tǒng)，并將近年來科研工作中的成果作為應(yīng)用實(shí)例給出，以便于學(xué)生了解應(yīng)用這些軟件可以解決的問題。本書內(nèi)容共有9章。第1章的緒論介紹了機(jī)械系統(tǒng)中常見的動(dòng)力學(xué)問題，從學(xué)科核心問題上區(qū)分機(jī)械動(dòng)力學(xué)問題的類型和解決動(dòng)力學(xué)問題的一般過程。這一章是學(xué)習(xí)后面內(nèi)容的基礎(chǔ)。第2章、第3章講述剛性機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)，其中第2章按照系統(tǒng)的自由度，即單自由度和多自由度的系統(tǒng)，分別介紹它們對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的建立方法、求解及應(yīng)用。機(jī)構(gòu)慣性力平衡問題是機(jī)械動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的重要的基本問題，也有系統(tǒng)的解決方法，因此第3章專門講述了機(jī)構(gòu)慣性力平衡的原理與方法。第4章和第5章論述含彈性構(gòu)件的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。根據(jù)不同機(jī)構(gòu)不同的問題和不同的處理方法，第4章分別介紹了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題； 第5章則又回到含彈性構(gòu)件機(jī)械中一個(gè)極其重要的問題——含彈性轉(zhuǎn)子的機(jī)械的動(dòng)平衡問題，它既屬于動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)問題，也是機(jī)械運(yùn)行中的問題。雖然轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)已形成一門專門學(xué)科，但因其在機(jī)械動(dòng)力學(xué)中的重要性，本書仍然介紹了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的基本內(nèi)容，這可以為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。第6章是含間隙副機(jī)械的動(dòng)力學(xué)。運(yùn)動(dòng)副中的間隙是影響機(jī)械運(yùn)行性能的重要因素，對(duì)運(yùn)動(dòng)的精度和穩(wěn)定性都有重要影響。本章以間隙模型的類型為線索，介紹不同接觸狀態(tài)下的模型建立方法，并通過實(shí)例使學(xué)生具體了解間隙副對(duì)機(jī)械性能的影響。第7章是含變質(zhì)量構(gòu)件的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，敘述了平面機(jī)構(gòu)力矩形式和能量形式的動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)火箭動(dòng)力學(xué)等問題也有初步介紹，這對(duì)從事航天工程研究的讀者有一定意義。第8章是機(jī)械動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真算法基礎(chǔ)，該章介紹了數(shù)值仿真的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。第9章為機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件與實(shí)例，介紹了用ADAMS軟件的建模與仿真計(jì)算、Pro/E 動(dòng)態(tài)仿真與工程分析，并給出了仿真實(shí)例?！”緯竺娓接芯毩?xí)題，有些題目工作量較大，可作為從建模到計(jì)算，再對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行討論的小型課題。如果能與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合，則可以形成從建模、計(jì)算到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的大型課題，使學(xué)生對(duì)解決動(dòng)力學(xué)問題的過程有較完整的了解。　學(xué)習(xí)這門課程需要的先修課程是高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)和計(jì)算方法，此外還需要具備分析力學(xué)和振動(dòng)理論基礎(chǔ)知識(shí)。為了便于學(xué)生學(xué)習(xí)，本書在用到上述課程的基礎(chǔ)理論時(shí)，給出了所用到的結(jié)論或公式。需要了解它們的來源時(shí)，可參閱其他相關(guān)書籍。本書第1、2章由清華大學(xué)金德聞和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）楊義勇撰寫，第3~6章由金德聞編寫，第7、8章由楊義勇編寫，第9章由楊義勇、金德聞撰寫。上海交通大學(xué)鄒慧君教授對(duì)編寫本書提出了諸多寶貴意見，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）的王成彪教授、呂建國(guó)教授也對(duì)本書的編寫給予了熱情支持，清華大學(xué)張濟(jì)川教授對(duì)本書所述的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的完成也作出了重要貢獻(xiàn)； 此外，第6章和第8、9章中的動(dòng)力學(xué)分析實(shí)例是由清華大學(xué)博士生賈曉紅和H.O.Dimo分別完成的，在此謹(jǐn)向上述各位學(xué)者和研究生一并表示感謝。由于作者的水平有限，編寫過程有些倉促，書中可能難免會(huì)有一些錯(cuò)訛，敬請(qǐng)各位讀者給予批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　本書內(nèi)容是集20多年的課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在唐錫寬和金德聞1984年編寫的《機(jī)械動(dòng)力學(xué)》一書的基礎(chǔ)上進(jìn)行體系變更、內(nèi)容更新、擴(kuò)充和改寫后編著而成的?！　∪珪?章： 第1章緒論，介紹了機(jī)械系統(tǒng)中常見的動(dòng)力學(xué)問題、機(jī)械動(dòng)力學(xué)問題的類型和解決問題的一般過程，是學(xué)習(xí)后面內(nèi)容的基礎(chǔ)； 第2、3章講述剛性機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)，包括機(jī)構(gòu)慣性力平衡的原理與方法； 第4章和第5章是含彈性構(gòu)件的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，后者內(nèi)容為含柔性轉(zhuǎn)子機(jī)械的平衡原理與方法； 第6章是含間隙副機(jī)械的動(dòng)力學(xué)； 第7章是含變質(zhì)量機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)； 第8、9章介紹機(jī)械動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與相關(guān)軟件，并給出了仿真實(shí)例。書后附有103道練習(xí)題?！　”緯勺鳛楦叩仍盒C(jī)械工程專業(yè)本科和研究生教材，也可作為從事機(jī)械工程研究和設(shè)計(jì)的技術(shù)人員的參考書籍。

作者簡(jiǎn)介

楊義勇，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）副教授，研究生導(dǎo)師。師從清華大學(xué)金德聞教授并于2004年獲博士學(xué)位，長(zhǎng)期從事機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)方面的工程研究和教學(xué)工作。主要研究領(lǐng)域：機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，康復(fù)工程和生物機(jī)械學(xué)。主編或翻譯出版教材（專著）3部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文

書籍目錄

第1章　緒論　1.1　機(jī)械系統(tǒng)中常見的動(dòng)力學(xué)問題　1.2　解決機(jī)械動(dòng)力學(xué)問題的一般過程　1.3　機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型　　1.3.1　剛性構(gòu)件　　1.3.2　彈性元件　　1.3.3　阻尼　　1.3.4　流體潤(rùn)滑動(dòng)壓軸承　　1.3.5　機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)模型　1.4　建立機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程的原理與方法　　1.4.1　牛頓第二定律　　1.4.2　達(dá)朗貝爾原理　　1.4.3　拉格朗日方程　　1.4.4　凱恩方程　　1.4.5　影響系數(shù)法　　1.4.6　傳遞矩陣法　1.5　動(dòng)力學(xué)方程的求解方法　　1.5.1　歐拉法　　1.5.2　龍格-庫塔法　　1.5.3　微分方程組與高階微分方程的解法　　1.5.4　矩陣形式的動(dòng)力學(xué)方程　1.6　機(jī)械動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與仿真研究第2章　剛性機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)　2.1　概述　2.2　單自由度機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型　　2.2.1　系統(tǒng)的動(dòng)能　　2.2.2　廣義力矩的計(jì)算　　2.2.3　動(dòng)力學(xué)方程　2.3　不同情況下單自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程及其求解方法　　2.3.1　等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和廣義力矩均為常數(shù)　　2.3.2　等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為常數(shù)，廣義力矩是機(jī)構(gòu)位置的函數(shù)　　2.3.3　等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為常數(shù)，廣義力矩為速度的函數(shù)　　2.3.4　等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是位移的函數(shù)，等效力矩是位移和速度的函數(shù)　　2.3.5　等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是位移的函數(shù)　2.4　基于拉格朗日方程的多自由度機(jī)械系統(tǒng)建模方法　　2.4.1　系統(tǒng)的描述方法　　2.4.2　兩自由度五桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程　　2.4.3　差動(dòng)輪系的動(dòng)力學(xué)方程　　2.4.4　開鏈機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程　2.5　具有力約束的兩自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程　2.6　凱恩方法及其應(yīng)用第3章　剛性平面機(jī)構(gòu)慣性力的平衡　3.1　機(jī)械系統(tǒng)中構(gòu)件的質(zhì)量替代　　3.1.1　兩點(diǎn)靜替代　　3.1.2　兩點(diǎn)動(dòng)替代　　3.1.3　廣義質(zhì)量靜替代　3.2　機(jī)構(gòu)平衡的基本條件與平衡方法　　3.2.1　機(jī)構(gòu)總質(zhì)心的位置　　3.2.2　機(jī)構(gòu)的慣性力和慣性力矩在坐標(biāo)軸上的分量　　3.2.3　平面機(jī)構(gòu)慣性力和慣性力矩的平衡條件　　3.2.4　平面機(jī)構(gòu)的慣性力的平衡方法　3.3　機(jī)構(gòu)慣性力平衡的質(zhì)量替代法　　3.3.1　含轉(zhuǎn)動(dòng)副的機(jī)構(gòu)慣性力平衡　　3.3.2　含移動(dòng)副的廣義質(zhì)量替代法　3.4　機(jī)構(gòu)慣性力平衡的線性獨(dú)立向量法　　3.4.1　平衡條件的建立與平衡量的確定　　3.4.2　用加重方法完全平衡慣性力需滿足的條件　　3.4.3　使慣性力完全平衡應(yīng)加的最少平衡量數(shù)　3.5　機(jī)構(gòu)慣性力的部分平衡法　　3.5.1　用回轉(zhuǎn)質(zhì)量部分平衡機(jī)構(gòu)的慣性力與最佳平衡量　　3.5.2　用平衡機(jī)構(gòu)部分平衡慣性力　3.6　在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)的慣性力矩的平衡　　3.6.1　機(jī)構(gòu)慣性力矩的表達(dá)式　　3.6.2　任意四桿機(jī)構(gòu)的慣性力矩　　3.6.3　慣性力平衡的四桿機(jī)構(gòu)的慣性力矩　　3.6.4　慣性力矩平衡條件　　3.6.5　用平衡機(jī)構(gòu)平衡慣性力矩第4章　含彈性構(gòu)件的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)第5章　撓性轉(zhuǎn)子的系統(tǒng)振動(dòng)與平衡第6章　含間隙運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)第7章　含變質(zhì)量構(gòu)件的機(jī)械系統(tǒng)第8章　機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真算法基礎(chǔ)第9章　機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件與實(shí)例參考文獻(xiàn)練習(xí)題

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 剛性機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)2.1 概述機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的任務(wù)是建立系統(tǒng)的參數(shù)與作用于系統(tǒng)中的外力和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系。這種關(guān)系可用來解決在已知外力作用下，系統(tǒng)中各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)、各構(gòu)件的受力等正向動(dòng)力學(xué)問題，也可用于求出為得到某種規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)向系統(tǒng)施加的外力等逆向動(dòng)力學(xué)問題。在本章的分析中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：（1）不考慮構(gòu)件的彈性變形，認(rèn)為構(gòu)件是絕對(duì)剛體；（2）不考慮運(yùn)動(dòng)副中的間隙，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)副中密切接觸；（3）不計(jì)構(gòu)件尺寸的加工誤差，認(rèn)為構(gòu)件尺寸完全準(zhǔn)確；（4）不考慮運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的影響。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，首先假定主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后根據(jù)已知的主動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。但是，如何確定主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)呢?主動(dòng)件是由某種原動(dòng)機(jī)如電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)或水力機(jī)械等驅(qū)動(dòng)的。這些驅(qū)動(dòng)力本身有其特性，它們可能是常數(shù)，或者是某種變量的函數(shù)。此外，在機(jī)械系統(tǒng)中還存在工作阻力、重力等外力。從機(jī)械系統(tǒng)本身來說，每個(gè)構(gòu)件都具有一定的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這些因素綜合起來決定了機(jī)械系統(tǒng)的主動(dòng)件及所有構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此只有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析才能確定機(jī)械真實(shí)的運(yùn)動(dòng)和各構(gòu)件受力狀態(tài)。從另一方面來說，動(dòng)力學(xué)分析是解決系統(tǒng)慣性參數(shù)設(shè)計(jì)及確定控制力矩的基礎(chǔ)。例如，為了滿足不均勻系數(shù)的要求，確定應(yīng)加的飛輪的慣量或?qū)崿F(xiàn)某種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的外加力矩等。

編輯推薦

《機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》為清華大學(xué)出版社出版發(fā)行。

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