機械系統(tǒng)動力學

前言

　　機械系統(tǒng)動力學是機械學的一個重要分支，其研究任務和內容包括機械系統(tǒng)的振動、機械結構振動強度和機構動力學分析?，F(xiàn)代機械與設備日益向高效率、高速度、高精度、高承載能力及高度自動化方向發(fā)展，而工程結構卻又向著輕型、精巧的方向發(fā)展，使得振動問題更加突出，因而振動學科得到了飛速的發(fā)展；同時，電子計算機與現(xiàn)代測試、分析設備的迅速發(fā)展與完善，又為機械系統(tǒng)動力學的發(fā)展提供了良好條件。隨著機械系統(tǒng)動力學的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多新理論、新方法和新成果，總結這些新理論和成果，并將其運用于教學實踐中，使學生掌握現(xiàn)代動態(tài)設計的基本理論和方法，是機械工程學科發(fā)展的迫切需要。另一方面，目前的教學模式向厚基礎寬口徑的方向發(fā)展，迫切需要既注重基礎理論，又重視應用技巧的教材。　　本書是作者在多年來講授本科生“機械系統(tǒng)動力學”課程和研究生“機械振動理論”課程的基礎上撰寫而成的。本書在指導思想、內容選材、結構體系和寫作方面有以下特點：注重結構體系的完整性，將剛性動力學、彈性動力學和機械振動有機結合起來，內容全面，結構完整；注重內容的合理銜接，突出機械系統(tǒng)動力學和相關課程的邏輯關系；注重理論與應用的結合，在闡明基本理論和分析方法的基礎上，突出各類理論的應用和實踐；注重學習與實踐的結合，每章后均有若干思考題，便于學習和理解；注重課堂學習和課后鞏固的結合，每章附有大量的習題，便于讀者練習；注重課程學習和外語學習的結合，部分重點詞匯以雙語表達，并給出英文詞匯索引?！　”緯到y(tǒng)闡述了機械系統(tǒng)動力學的基本理論與應用問題。主要內容有：單自由度、兩自由度機械系統(tǒng)離散模型的剛性動力學理論與應用；機械系統(tǒng)離散系統(tǒng)的單自由度、兩自由度、多自由度系統(tǒng)的機械振動理論、分析方法及應用；機械彈性體系統(tǒng)的動力分析理論與方法，包括弦的橫向振動，桿的縱向和扭轉振動，梁的彎曲振動，剪切變形和轉動慣量的影響，連續(xù)系統(tǒng)的強迫振動；有彈性構件機械系統(tǒng)動力學，包括撓性轉子的平衡，軸和軸系的振動，凸輪機構的動力學與振動，齒輪傳動的噪聲分析與控制，齒輪傳動的振動與故障診斷等?！　”緯鴥热莘从沉吮緦W科的基礎理論和方法，突出了本學科的最新研究現(xiàn)狀和趨勢，也涉及了作者在科研方面的有關成果。本書可以作為機械工程及自動化、車輛工程等專業(yè)的本科生和研究生教材，也可供從事機械工程等學科教學、研究和設計的工程技術人員參考?！　”緯?章、第8章由馮瑞成編寫，第3章、第7章由黨興武編寫，其余各章由李有堂編寫。全書由李有堂教授統(tǒng)稿。在編寫過程中，阮國靖、李亦敏、郝慧嬌、寇文軍、姚曉鵬、董文婧、劉辭英和孫智甲等同學整理了有關章節(jié)的習題。西安交通大學徐華教授認真審閱了本書，并提出了寶貴意見。在此特表示衷心的感謝?！　∠抻谧髡咚?，書中欠缺和不妥之處在所難免，真誠希望使用本教材的師生和廣大讀者批評指正。

內容概要

本書根據(jù)高等院校機械工程專業(yè)“機械系統(tǒng)動力學”課程的教學要求，結合多年講授“機械系統(tǒng)動力學”和“機械振動理論”課程的教學與科研實踐，參考多種同類教材與專著編寫而成?！　∪珪卜?章，內容包括：緒論；單自由度機械系統(tǒng)的剛性動力學；兩自由度機械系統(tǒng)的剛性動力學；單自由度系統(tǒng)的振動；兩自由度系統(tǒng)的振動；多自由度系統(tǒng)的振動；彈性體系統(tǒng)的振動；有彈性構件機械系統(tǒng)動力學。書內各章均有相當數(shù)量的例題、思考題和習題，便于讀者理解和練習。書中重點詞匯用雙語表達，書末列出了與機械系統(tǒng)動力學有關的典型詞匯及外國人名譯名，便于讀者與相關的英文教材和專著對照，為雙語教學奠定基礎。　　本書可作為高等院校機械工程等相關專業(yè)本科生的“機械系統(tǒng)動力學”課程教材，也可供機械工程、工程力學等專業(yè)的本科生、碩士生及從事教學、研究和設計的工程技術人員參考與使用。

書籍目錄

第1章 緒論 　1.1 系統(tǒng)與機械系統(tǒng) 　　1.1.1 系統(tǒng) 　　1.1.2 機械系統(tǒng) 　　1.1.3 系統(tǒng)組成 　1.2 材料變形與動力學分類 　　1.2.1 動態(tài)系統(tǒng)問題的類型 　　1.2.2 材料的變形和斷裂 　　1.2.3 動力學分類 　1.3 系統(tǒng)模型與分類 　　1.3.1 力學模型與數(shù)學模型 　　1.3.2 系統(tǒng)分類 　1.4 離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng) 　1.5 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng) 　　1.5.1 線性系統(tǒng)及疊加原理 　　1.5.2 非線性系統(tǒng)及線性化處理 　1.6 確定性系統(tǒng)與隨機性系統(tǒng) 　1.7 無阻尼系統(tǒng)與有阻尼系統(tǒng) 　　1.7.1 黏性阻尼 　　1.7.2 非性阻尼 　1.8 機械系統(tǒng)動力學的研究意義與研究內容 　　1.8.1 機械系統(tǒng)動力學的研究意義 　　1.8.2 機械系統(tǒng)動力學的研究任務與研究內容 　思考題 第2章 單自由度機械系統(tǒng)的剛性動力學 　2.1 引言 　2.2 驅動力和工作阻力 　2.3 單自由度機械系統(tǒng)的等效力學模型 　　2.3.1 等效力學模型 　　2.3.2 等效力與等效力矩 　　2.3.3 等效質量與等效轉動慣量 　　2.3.5 等效轉動慣量及其導數(shù)的計算方法 　2.4 運動方程的求解方法 　　2.4.1 等效力矩是等效構件轉角的函數(shù)時運動方程的求解 　　2.4.2 等效轉動慣量是常數(shù)，等效力矩是角速度的函數(shù)時運動方程的求解 　　2.4.3 等效力矩是等效構件轉角和角速度的函數(shù)時運動方程的求解 　2.5 飛輪轉動慣量的計算 　　2.5.1 機械的穩(wěn)定運動與自調性 　　2.5.2 機械的周期性速度波動 　　2.5.3 飛輪轉動慣量計算的迭代分析法 　思考題 　習題 第3章 兩自由度機械系統(tǒng)的剛性動力學 　3.1 引言 　3.2 自由度與廣義坐標 　　3.2.1 自由度 　　3.2.2 廣義坐標 　3.3 虛位移原理與廣義力 　　3.3.1 虛位移原理 　　3.3.2 廣義力 　3.4 達朗貝爾原理與動力學普遍方程 　　3.4.1 達朗貝爾原理 　　3.4.2 動力學普遍方程 　3.5 拉格朗日方程 　3.6 兩自由度機械系統(tǒng)動力學方程 　　3.6.1 系統(tǒng)動能的確定 　　3.6.2 廣義力Q1、Q2的確定 　　3.6.3 兩自由度機械系統(tǒng)的運動微分方程 　3.7 兩自由度機械手的動力學問穎 　思考題 　習題 第4章 單自由度系統(tǒng)的振動 　4.1 振動分類及求解步驟 　　4.1.1 振動的分類 　　4.1.2 振動問題的求解步驟 　4.2 振動系統(tǒng)模型及其簡化 　　4.2.1 單自由度系統(tǒng)的基本模型 　　4.2.2 單自由度系統(tǒng)模型的簡化 　4.3 單自由度系統(tǒng)的自由振動 　　4.3.1 單自由度線性系統(tǒng)的運動微分方程及其系統(tǒng)特性 　　4.3.2 振動系統(tǒng)的線性化處理 　　4.3.3 單自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動 　　4.3.4 自然頻率的計算方法 　　4.3.5 有阻尼系統(tǒng)的自由振動 　4.4 諧波激勵下的強迫振動 　　4.4.1 諧波激勵下系統(tǒng)振動的求解方法 　　4.4.2 諧波激勵下的無阻尼強迫振動 　　4.4.3 諧波激勵下的有阻尼強迫振動 　4.5 周期性激勵下的強迫振動 　　4.5.1 傅里葉級數(shù)分析法 　　4.5.2 任意周期激勵下的穩(wěn)態(tài)強迫振動 　4.6 任意激勵下的強迫振動 　　4.6.1 脈沖響應法與時域分析 　　4.6.2 傅里葉變換法與頻域分析 　　4.6.3 拉普拉斯變換法 　4.7 單自由度系統(tǒng)振動的應用 　　4.7.1 自由振動的應用 　　4.7.2 強迫振動的應用 　思考題 　習題 第5章 兩自由度系統(tǒng)的振動 　5.1 引言 　5.2 兩自由度系統(tǒng)的自由振動 　　5.2.1 兩自由度振動系統(tǒng)的運動微分方程 　　5.2.2 無阻尼系統(tǒng)的自由振動與自然模態(tài) 　5.3 坐標耦合與自然坐標 　　5.3.1 坐標耦合 　　5.3.2 自然坐標 　5.4 兩自由度系統(tǒng)振動的拍擊現(xiàn)象 　5.5 兩自由度系統(tǒng)在諧波激勵下的強迫振動 　5.6 阻尼對強迫振動的影響 　5.7 兩自由度系統(tǒng)振動的應用 　　5.7.1 動力減振器 　　5.7.2 變速減振器 　　5.7.3 阻尼減振器 　思考題 　習題 第6章 多自由度系統(tǒng)的振動 　6.1 引言 　6.2 多自由度系統(tǒng)的振動微分方程 　　6.2.1 用牛頓運動定律或定軸轉動方程建立運動方程 　　6.2.2 用拉格朗日方程建立運動微分方程 　　6.2.3 用剛度影響系數(shù)法建立運動微分方程 　　6.2.4 用柔度影響系數(shù)法建立運動微分方程 　6.3 線性變換與坐標耦合 　6.4 多自由度系統(tǒng)的自由振動 　　6.4.1 無阻尼自由振動，特征值問題 　　6.4.2 模態(tài)矢量的正交性與正規(guī)性 　　6.4.3 模態(tài)矩陣與正則矩陣 　　6.4.4 自然坐標與正則坐標，微分方程解耦 　　6.4.5 多自由度系統(tǒng)對初始激勵的響應 　　6.4.6 系統(tǒng)矩陣與動力矩陣 　　6.4.7 有阻尼多自由度系統(tǒng)的自由振動 　6.5 多自由度系統(tǒng)的強迫振動 　　6.5.1 無阻尼系統(tǒng)的強迫振動 　　6.5.2 有阻尼系統(tǒng)的強迫振動 　6.6 多自由度系統(tǒng)振動的應用 　　6.6.1 汽車起重機傳動系統(tǒng)的振動分析 　　6.6.2 氣輪機一壓氣機喘振分析 　　6.6.3 軋鋼機的沖擊現(xiàn)象 　　6.6.4 橋式起重機起升機構振動分析 　思考題 　習題 第7章 彈性體系統(tǒng)的振動 　7.1 引言 　7.2 弦的橫向振動 　7.3 桿的縱向振動和扭轉振動 　　7.3.1 桿的縱向振動 　　7.3.2 桿的扭轉振動 　7.4 梁的彎曲振動 　　7.4.1 彎曲振動的微分方程 　　7.4.2 梁的彎曲振動的響應規(guī)律 　　7.4.3 梁的邊界條件 　7.5 連續(xù)系統(tǒng)的強迫振動 　　7.5.1 弦的橫向強迫振動 　　7.5.2 桿的縱向強迫振動 　　7.5.3 桿的扭轉強迫振動 　　7.5.4 梁的橫向強迫振動 　7.6 剪切變形和轉動慣量的影響 　思考題 　習題 第8章 有彈性構件機械系統(tǒng)動力學 　8.1 引言 　　8.1.1 機械彈性動力學的研究內容 　　8.1.2 構件彈性變形的類型 　　8.1.3 建立機械彈性動力學模型的原則 　8.2 撓性轉子的平衡 　　8.2.1 振型平衡法 　　8.2.2 影響系數(shù)法 　8.3 軸和軸系的振動 　　8.3.1 單圓盤撓，性轉子的振動 　　8.3.2 撓性轉予的振動與平衡 　8.4 凸輪機構的動力學與振動 　　8.4.1 凸輪機構的動力學模型 　　8.4.2 凸輪機構的彈性動力學分析 　8.5 齒輪傳動的噪聲分析與控制 　　8.5.1 齒輪傳動振動噪聲的發(fā)生機理及分類 　　8.5.2 齒輪系統(tǒng)振動噪聲的估算 　　8.5.3 齒輪傳動加速度噪聲計算 　　8.5.4 齒輪結構振動自鳴噪聲計算 　　8.5.5 齒輪系統(tǒng)降噪與噪聲控制 　8.6 齒輪傳動的振動與故障診斷 　　8.6.1 機械故障診斷概述 　　8.6.2 齒輪故障產(chǎn)生機理及其診斷方法 　　8.6.3 齒輪典型故障診斷分析 　　8.6.4 齒輪故障診斷的發(fā)展趨勢 　思考題 　習題 附錄 索引及外國人名譯名對照表 參考文獻

章節(jié)摘錄

　　研究機械系統(tǒng)動力學是機械產(chǎn)品輕量化的迫切需要。輕量化是現(xiàn)代機械產(chǎn)品的一個重要特征，現(xiàn)代機械產(chǎn)品對節(jié)能、節(jié)材的要求十分嚴格，而材質的改善和產(chǎn)品的輕量化，對產(chǎn)品結構的動態(tài)特性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，由此推動了機械彈性動力學的發(fā)展?！　⊙芯繖C械系統(tǒng)動力學是機械產(chǎn)品動態(tài)設計的必然要求。傳統(tǒng)的靜態(tài)設計方法對運轉速度低、精度要求低的產(chǎn)品設計可能有效。但對于運轉速度高、精度要求高的機械產(chǎn)品，如高速旋轉機械、精密加工機床等，必須通過動平衡減少振動，使運轉速度避開共振的臨界轉速。但是隨著轉速的提高和柔性轉子的出現(xiàn)，必須采用全方位的綜合措施才能達到要求。不僅在設計時要進行認真的動力分析，在設計階段就要考慮被動減振和主動控振措施，而且在運行過程中還要進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，及時維護，排除故障，避免重大事故發(fā)生?！　討B(tài)設計方法已經(jīng)廣泛應用于飛機、汽車、機床等設計中。我國機械工業(yè)的綜合水平落后于世界先進水平，其中關鍵問題之一是設計水平落后。要改變這種現(xiàn)狀，必須重視對現(xiàn)代設計方法的研究和推廣，而大力推進從靜態(tài)設計向動態(tài)設計的轉變尤其關鍵。1.8.2機械系統(tǒng)動力學的研究任務與研究內容　　機械系統(tǒng)動力學是機械學的一個重要分支，其研究任務和內容包括機械系統(tǒng)的振動、機械結構振動強度和機構動力學分析。現(xiàn)代機械與設備日益向高效率、高速度、高精度、高承載能力及高度自動化方向發(fā)展，而工程結構卻又向著輕型、精巧的方問發(fā)展，使得振動問題更加突出，因而振動學科得到了飛速的發(fā)展；另一方面電子計算機與現(xiàn)代測試、分析設備的迅速發(fā)展與完善，又為機械系統(tǒng)動力學的發(fā)展提供了良好條件。起重機動力學、工程機械動力學、機床動力學和各種機構動力學的發(fā)展使機械動力學躍上了一個新臺階?！　∠到y(tǒng)動力學問題的類型由力學模型、數(shù)學模型、激勵和阻尼共同決定。系統(tǒng)動力學問題的體系如圖1-11所示?！　【唧w地講，機械系統(tǒng)動力學研究的問題大體可歸納為以下幾個方面?！　。?）確定系統(tǒng)的固有頻率，預防共振的發(fā)生。　　隨著機械設備性能的高速重載化和結構、材質的輕型化，導致現(xiàn)代機械的固有頻率下降，而激勵頻率上升。因此，有可能使得機器的運轉速度進入或接近機械的“共振區(qū)”，引發(fā)強烈的共振，從而破壞機械的正常運轉狀態(tài)，所以對高速機械裝置均應進行共振驗算，避免共振事故的發(fā)生。

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