陳鋮

摘要：介紹了動力學(xué)的基本概念和機(jī)械動力學(xué)的主要研究內(nèi)容，指出動力學(xué)理論是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。分析了機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，論述其基本步驟和設(shè)計(jì)內(nèi)容，指出靜態(tài)設(shè)計(jì)和動態(tài)設(shè)計(jì)的不同。舉例說明了動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括曲柄連桿設(shè)計(jì)、回轉(zhuǎn)件設(shè)計(jì)、振動分析。最后對碰撞振動與控制這一新興研究領(lǐng)域做了介紹。

關(guān)鍵詞：動力學(xué)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用；動態(tài)設(shè)計(jì)

一、動力學(xué)概述

1、動力學(xué)。所謂動力學(xué)，從字面上來看是指研究物體所做運(yùn)動與物體所受作用力之間關(guān)系的學(xué)科。從學(xué)科分類上來說，動力學(xué)是理論力學(xué)的一個(gè)分支，并且偏重于工程應(yīng)用。在動力學(xué)的研究內(nèi)容中，有兩個(gè)基本問題，一是根據(jù)質(zhì)點(diǎn)所受的力推算質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動趨勢，二是根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)推算質(zhì)點(diǎn)所受到的力，解決這兩類問題的最基本理論依據(jù)是牛頓第二定律，即F=ma。在解決單個(gè)質(zhì)點(diǎn)問題的基礎(chǔ)上，動力學(xué)的研究內(nèi)容還包括質(zhì)點(diǎn)系動力學(xué)、剛體動力學(xué)、多剛體動力學(xué)等。

2、機(jī)械動力學(xué)。機(jī)械動力學(xué)是動力學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，屬于機(jī)械原理的基礎(chǔ)部分。類比于動力學(xué)的概念，它所研究的是機(jī)械在工作時(shí)其各部分機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)和所受力之間的關(guān)系。機(jī)械動力學(xué)同樣有兩個(gè)基本問題：一是在外力已知的情況下，求解機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動形式；二是在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，分析各機(jī)構(gòu)之間的相互作用力[1]。將這兩個(gè)基本問題進(jìn)一步落實(shí)到具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)當(dāng)中，又可衍生出轉(zhuǎn)子動力學(xué)、機(jī)構(gòu)平衡、能量分配、機(jī)械振動等問題。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)步驟與內(nèi)容。在整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)流程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位于原理設(shè)計(jì)之后，工藝設(shè)計(jì)之前，在原理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)出可實(shí)現(xiàn)的具體結(jié)構(gòu)，在工藝設(shè)計(jì)的過程中，反過來會對結(jié)構(gòu)做一些細(xì)節(jié)上的調(diào)整。實(shí)際上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為一個(gè)承上啟下的環(huán)節(jié)，不僅決定了原理設(shè)計(jì)是否能落實(shí)以及后續(xù)零件工藝性的好壞，還將決定機(jī)械真正運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能表現(xiàn)。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多為靜態(tài)設(shè)計(jì)，即把機(jī)械看作穩(wěn)定的、剛性的、理想的系統(tǒng)，用靜態(tài)的眼光來看待，比如在根據(jù)強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸的直徑尺寸時(shí)，利用力學(xué)分析當(dāng)中的“動靜法”將零件看作靜止的，在計(jì)算所得的尺寸上乘以一個(gè)安全系數(shù)作為最終結(jié)果，而不考慮實(shí)際運(yùn)動的每個(gè)細(xì)節(jié)。這種靜態(tài)設(shè)計(jì)方法在一般機(jī)械中是可行的，但對于大質(zhì)量、高轉(zhuǎn)速、高精度要求的機(jī)械系統(tǒng)而言，卻是不合適的，這時(shí)就需要采用動態(tài)設(shè)計(jì)的方法。所謂動態(tài)設(shè)計(jì)就是考慮系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動細(xì)節(jié)，包括振動、碰撞、機(jī)構(gòu)的柔性、非線性問題等。通俗一點(diǎn)說，高端的機(jī)器有高端的性能，高端的性能需要有高端的設(shè)計(jì)方法，動態(tài)設(shè)計(jì)就是高端的設(shè)計(jì)方法，而動態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)就是將機(jī)械動力學(xué)運(yùn)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中去。

2、曲柄連桿設(shè)計(jì)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)中常用的傳動機(jī)構(gòu)，由三根桿、四個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，輸入端的桿件（曲柄）可以整周旋轉(zhuǎn)，通過中間的連桿帶動輸出端的桿件（搖桿）進(jìn)行有限幅度的擺動。由機(jī)械原理中的運(yùn)動學(xué)部分可以設(shè)計(jì)出四個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對位置，即可得出三根桿件的長度比例，再根據(jù)輸出端的負(fù)載，利用動力學(xué)原理反求機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)動時(shí)各個(gè)桿件內(nèi)部以及節(jié)點(diǎn)處所受力的大小，由此確定各段桿件的材料和形狀尺寸，以及節(jié)點(diǎn)處軸承的選型[2]。在曲柄連桿運(yùn)動系統(tǒng)當(dāng)中，會有“死點(diǎn)”和急回特性，此時(shí)就需要考慮慣性和沖擊，需要對運(yùn)動的全過程進(jìn)行動態(tài)分析和設(shè)計(jì)。關(guān)于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的最典型應(yīng)用當(dāng)屬汽車發(fā)動機(jī)組件中的活塞連桿和曲軸飛輪，如果不是有充分的動力學(xué)分析和動態(tài)設(shè)計(jì)，就不可能制造出高速運(yùn)轉(zhuǎn)的汽車發(fā)動機(jī)。

3、回轉(zhuǎn)件設(shè)計(jì)。當(dāng)動力學(xué)應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)件設(shè)計(jì)時(shí)，就出現(xiàn)了一個(gè)專門的學(xué)科：轉(zhuǎn)子動力學(xué)，其主要研究內(nèi)容在于回轉(zhuǎn)件和相應(yīng)支承系統(tǒng)在工作時(shí)的振動與平衡。對回轉(zhuǎn)件的設(shè)計(jì)優(yōu)化是一般的靜態(tài)分析所無法達(dá)到的。在轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計(jì)中有一部分叫做動平衡，由于加工和裝配不可能完全理想化，回轉(zhuǎn)件在旋轉(zhuǎn)時(shí)必然出現(xiàn)質(zhì)量偏心現(xiàn)象，當(dāng)轉(zhuǎn)速很高或轉(zhuǎn)動慣量很大時(shí)，會對轉(zhuǎn)軸施加很大的彎矩載荷，不利于機(jī)器的運(yùn)行，這就需要通過動平衡實(shí)驗(yàn)找出質(zhì)量不平衡點(diǎn)，并在合適的位置加裝配重塊以減小不平衡。在汽車的輪轂內(nèi)側(cè)經(jīng)?？吹接屑友b的小金屬塊，這些金屬塊的位置和大小看似沒有規(guī)律，實(shí)際上都是經(jīng)過大量動平衡實(shí)驗(yàn)確定下來的，是轉(zhuǎn)子動力學(xué)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的產(chǎn)物。

4、振動分析。在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，振動不可避免，有些振動是有利的，而有些振動是不利的。在利用有利振動時(shí)，比如球磨機(jī)，一種用于磨碎塊狀物料的機(jī)器，就需要根據(jù)物料和磨粒的用量對激振的頻率和振幅進(jìn)行優(yōu)化；在消除不利振動時(shí)，就需要采用隔振、反向吸振、阻尼減振的原理進(jìn)行減振優(yōu)化[3]。這些都需要依賴于動力學(xué)理論。

三、碰撞振動與控制

碰撞振動與控制是誕生于傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)新興領(lǐng)域，是動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的高端應(yīng)用，尤其適用于高技術(shù)要求的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在機(jī)器人柔順操作設(shè)計(jì)和大型航天器設(shè)計(jì)中有著重要作用。舉一個(gè)簡單的例子，在利用機(jī)器進(jìn)行軸和孔的高精度對中操作時(shí)，些許誤差就可能導(dǎo)致卡阻現(xiàn)象，如何處理結(jié)構(gòu)間隙、如何對碰撞進(jìn)行高靈敏度的反應(yīng)，這一研究既有理論上的難度又有技術(shù)應(yīng)用上的需求，因此，深入研究由間隙產(chǎn)生的碰撞振動及其控制，是設(shè)計(jì)高端機(jī)電系統(tǒng)的重要鋪墊。

四、結(jié)語

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，對力學(xué)原理的應(yīng)用是必不可少的。當(dāng)機(jī)械設(shè)計(jì)向高端方向發(fā)展時(shí)，動態(tài)設(shè)計(jì)是大的趨勢，其中非線性、非保守、反饋控制等多種動態(tài)因素使設(shè)計(jì)難度不斷增加，只有首先牢牢把握各分支理論，才能對綜合性的設(shè)計(jì)問題給出解決方案。制造業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)的重要支柱，目前我國正處在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的關(guān)鍵階段，筆者希望通過自身的努力，為祖國的建設(shè)添磚加瓦。

參考文獻(xiàn)

[1] 史小華，王洪波，孫利，高峰，徐震.外骨骼型下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動力學(xué)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，（03）：41-48.

[2] 吳強(qiáng)，萬志強(qiáng)，楊超.考慮結(jié)構(gòu)動力學(xué)與顫振約束的顫振縮比模型優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].航空學(xué)報(bào)，2011，（07）：1210-1216.

[3] 陳靜.結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型研究[D].上海交通大學(xué)，2011.