精品课件-机械系统动力学(何芝仙)-第一章 绪论
机械系统动力学课件
机械系统动力学基础课件
配套教材:机械原理（第七版）
教材主编:郑文纬 吴克坚（东南大学）
课件设计：刁彦飞 孔凡凯 课件制作：孔凡凯 应丽霞
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绪Hale Waihona Puke 第一章 平面摩擦副及机械效率 第二章 机械的平衡 第三章 机器的运转及其速度波动的调节
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课件特点：
• 《机械系统动力学基础课件 》是东南大学郑文纬主编的“九五” 国家级优秀教材《机械原理》（第七版）的配套电子教材。本 电子教材包含了采用多媒体技术制作的，涵盖教材全部内容及 课堂讲授扩展内容的各种媒体素材如图片、动画等，以及以知 识点、例题讲解主的单元素材。该课件的特点是： • 一、素材丰富，动画量大，有上千个二维和三维动画； • 二、既汲取了传统黑板教学的优点，可显示讲授提纲，又充分 发挥出了多媒体教学的优势，以知识点讲解为核心，一步一步 显示教学内容，着力体现教学过程，符合学生认知规律，实现 最优化教学效果。 • 三、该课件适合大屏幕投影大课教学，教师操作灵活方便，具 有开放和教师可编辑的特点，有利于教师发挥在教学中的主导 作用，激发学生积极思维，提高课堂教学效果和信息量。可满 足机类和近机类专业本科机械系统动力学基础的教学要求。
《机械系统动力学》课件
数值模拟法的缺点是计算量大，计算时间长，且需要较高的数学建模 和数值计算能力。
解析法
01 02 03 04
解析法是通过数学解析的方法来求解机械系统动力学问题的方法。
解析法需要建立系统的数学模型，利用数学解析的方法求解模型的微 分方程或差分方程，以获得系统的解析解。
解析法的优点是能够获得系统的精确解，具有较高的理论价值。
实验研究法的优点是能够直接获取系统的实际动 力学行为，具有较高的真实性和可靠性。
数值模拟法
01
数值模拟法是通过计算机数值计算来模拟机械系统的动态行为的方法 。
02
数值模拟法需要建立系统的数学模型，利用数值计算方法求解模型的 微分方程或差分方程，以获得系统的动态响应。
03
数值模拟法的优点是能够模拟复杂系统的动态行为，具有较高的灵活 性和可重复性。
动能定理
总结词
描述物体动能变化的定理
详细描述
动能定理指出，一个物体动能的改变等于作用力对物体所做的功。这个定理是能 量守恒定律在动力学中的表现，是分析机械系统运动状态的重要工具。
势能定理
总结词
描述物体势能变化的定理
详细描述
势能定理指出，一个物体势能的改变等于作用力对物体所做的负功。这个定理可以帮助我们分析机械系统的运动 状态，特别是当物体受到重力的作用时。
CHAPTER 04
机械系统动力学的研究方法
实验研究法
实验研究法需要设计和搭建实验装置，对系统 施加激励并采集响应数据，通过分析数据来揭
示系统的动态特性。
实验研究法的缺点是实验成本较高，实验条件难以控 制，且实验结果可能受到实验误差和环境因素的影响
。
实验研究法是通过实验测试和观察机械系统的 动态行为，以获取系统的动力学特性和性能参 数的方法。
机械系统动力学
机械系统动力学机械系统动力学：《机械系统动力学》是清华大学出版社出版，杨义勇编著的机械专业书籍。
全书共9章。
介绍了机械系统中常见的动力学问题、机械动力学问题的类型和解决问题的一般过程，讲述了刚性机械系统的动力学分析与设计，含弹性构件的机械系统的动力学，含间隙副机械的动力学，含变质量机械系统动力学以及机械动力学数值仿真数学基础与相关软件。
本书可作为高等院校机械工程专业本科和研究生教材，也可作为从事机械工程研究和设计的技术人员的参考书籍。
目录：第1章绪论1.1 机械系统中常见的动力学问题1.2 解决机械动力学问题的一般过程1.3 机械系统的动力学模型1.3.1 刚性构件1.3.2 弹性元件1.3.3 阻尼1.3.4 流体润滑动压轴承1.3.5 机械系统的力学模型1.4 建立机械系统的动力学方程的原理与方法1.4.1 牛顿第二定律1.4.2 达朗贝尔原理1.4.3 拉格朗日方程1.4.4 凯恩方程1.4.5 影响系数法1.4.6 传递矩阵法1.5 动力学方程的求解方法1.5.1 欧拉法1.5.2 龙格?库塔法1.5.3 微分方程组与高阶微分方程的解法1.5.4 矩阵形式的动力学方程1.6 机械动力学实验与仿真研究第2章刚性机械系统动力学2.1 概述2.2 单自由度机械系统的动力学模型2.2.1 系统的动能2.2.2 广义力矩的计算2.2.3 动力学方程2.3 不同情况下单自由度系统的动力学方程及其求解方法2.3.1 等效转动惯量和广义力矩均为常数2.3.2 等效转动惯量为常数,广义力矩是机构位置的函数2.3.3 等效转动惯量为常数,广义力矩为速度的函数2.3.4 等效转动惯量是位移的函数,等效力矩是位移和速度的函数2.3.5 等效转动惯量是位移的函数2.4 基于拉格朗日方程的多自由度机械系统建模方法2.4.1 系统的描述方法2.4.2 两自由度五杆机构动力学方程2.4.3 差动轮系的动力学方程2.4.4 开链机构的动力学方程2.5 具有力约束的两自由度系统的动力学方程2.6 凯恩方法及其应用第3章刚性平面机构惯性力的平衡3.1 机械系统中构件的质量替代3.1.1 两点静替代3.1.2 两点动替代3.1.3 广义质量静替代3.2 机构平衡的基本条件与平衡方法3.2.1 机构总质心的位置3.2.2 机构的惯性力和惯性力矩在坐标轴上的分量3.2.3 平面机构惯性力和惯性力矩的平衡条件3.2.4 平面机构的惯性力的平衡方法3.3 机构惯性力平衡的质量替代法3.3.1 含转动副的机构惯性力平衡3.3.2 含移动副的广义质量替代法3.4 机构惯性力平衡的线性独立向量法3.4.1 平衡条件的建立与平衡量的确定3.4.2 用加重方法完全平衡惯性力需满足的条件3.4.3 使惯性力完全平衡应加的最少平衡量数3.5 机构惯性力的部分平衡法3.5.1 用回转质量部分平衡机构的惯性力与最佳平衡量3.5.2 用平衡机构部分平衡惯性力3.6 在机构运动平面内的惯性力矩的平衡3.6.1 机构惯性力矩的表达式3.6.2 任意四杆机构的惯性力矩3.6.3 惯性力平衡的四杆机构的惯性力矩3.6.4 惯性力矩平衡条件3.6.5 用平衡机构平衡惯性力矩第4章含弹性构件的机械系统动力学分析与设计4.1 概述4.2 考虑轴扭转变形时传动系统动力学分析4.2.1 串联传动系统的等效力学模型4.2.2 串联齿轮传动系统的动力学方程4.2.3 用振型分析法研究无外力作用时系统的自由振动4.2.4 有外力作用时的振动分析4.2.5 传递矩阵法在传动系统扭转弹性动力学分析中的应用4.3 含弹性构件的平面连杆机构的有限元分析法4.3.1 单元坐标和系统坐标4.3.2 系统力和单元力4.3.3 单元位移函数4.3.4 单元动力学方程4.4 含弹性从动件的凸轮机构4.5 含多种弹性构件机构的机械系统4.6 考虑构件弹性的机构设计4.6.1 特定运动规律下的凸轮机构设计4.6.2 高速凸轮运动规律设计4.6.3 高速平面连杆机构设计第5章挠性转子的系统振动与平衡5.1 转子在不平衡力作用下的振动5.1.1 刚性转子在弹性支承上的振动5.1.2 挠性转子在刚性支承上的振动5.1.3 挠性转子在弹性支承上的振动5.2 单圆盘挠性转子的振动5.2.1 转子的自由振动5.2.2 转子有不平衡时的不平衡响应5.2.3 圆盘运动的动坐标表示法5.3 多圆盘挠性转子的振动5.3.1 多圆盘转子的动力学方程5.3.2 多圆盘转子的临界速度和振型5.3.3 多圆盘转子的不平衡响应5.4 具有连续质量的挠性转子振动5.4.1 自由振动的自然频率和振型函数5.4.2 不平衡响应分析5.5 复杂转子系统动力学分析5.5.1 复杂转子系统的力学模型5.5.2 传递矩阵5.5.3 状态向量间的传递关系5.5.4 自然频率和振型的求解5.5.5 系统的强迫振动5.5.6 不平衡响应计算5.5.7 系统阻尼影响5.6 挠性转子平衡原理5.7 挠性转子平衡方法5.7.1 振型平衡法5.7.2 影响系数法5.7.3 平衡量的优化第6章含间隙运动副的机械系统动力学6.1 采用连续接触间隙副模型的机械运动精度分析——小位移法6.1.1 转动副和移动副中的间隙6.1.2 用小位移法确定机构位置的误差6.2 采用连续接触间隙副模型的机械动力学分析6.2.1 机构运动分析6.2.2 动力学方程6.2.3 方程的求解6.2.4 铰销力及输出角误差6.3 采用两状态间隙移动副模型的机械动力学分析6.3.1 两状态间隙移动副的力学模型6.3.2 动力学方程6.3.3 方程的求解6.4 采用两状态间隙转动副模型的机械动力学分析6.4.1 间隙转动副模型的建立6.4.2 动力学方程6.4.3 方程的求解6.4.4 计算步骤6.5 间隙对机械动力学性能的影响6.5.1 两状态间隙模型6.5.2 动力学方程6.5.3 方程求解结果与实验结果第7章含变质量构件的机械系统7.1 变质量质点运动的基本方程7.2 变质量构件的动力学方程7.2.1 变质量刚体的动力学方程7.2.2 由相对运动产生的变质量构件的动力学方程7.3 能量形式的变质量构件的动力学方程7.3.1 以能量形式表示的动力学方程7.3.2 动能的计算7.4 含变质量构件的单自由度系统的动力学分析7.4.1 含变质量构件机械系统分析7.4.2 等效力与等效转动惯量7.4.3 能量形式的动力学方程第8章机械系统动力学数值仿真算法基础8.1 概述8.2 数值积分方法8.3 常微分方程的数值解法8.4 齐次方程与非齐次方程的解8.5 矩阵迭代法8.6 算法程序第9章机械系统动力学仿真软件与实例9.1 ADAMS动力学建模与仿真9.1.1 软件简介9.1.2 动力学问题的求解方法与坐标系9.1.3 ADAMS的建模与求解过程9.1.4 ADAMS仿真分析模块9.2 Pro/E动态仿真与工程分析9.2.1 集成运动模块9.2.2 机构运动与有限元法分析9.3 机械系统仿真分析实例9.3.1 具有冗余自由度机械臂的构型优化9.3.2 粗糙表面磨削机械臂的动力学仿真图书内容：《机械系统动力学》内容是集20多年的课程教学经验，在唐锡宽和金德闻1984年编写的《机械动力学》一书的基础上进行体系变更、内容更新、扩充和改写后编著而成的。
机械系统动力学-PPT课件
2
，可求解等效转动惯量：
n v i 2 si2 J J （ ) m ( ) e si i i i 1 1
HIGH EDUCATION PRESS
第十四章 机械系统动力学
1.作定轴转动的等效构件的等效参量的计算
等效力矩的计算：
等效构件的瞬时功率：P M e
系统中各类构件的瞬时功率： P P F v cos i 'M i i i'' i si i
0 Md tan 0 n tan Mn
M M n 0 n M d 0 n 0 n ab
HIGH EDUCATION PRESS
第十四章 机械系统动力学
二、机械的运转过程
1.启动阶段 2. 机械的稳定运转阶段
3. 机械的停车阶段
第十四章 机械系统动力学
P P ' P ' ' M F v cos i i i i i i si i
第十四章 机械系统动力学
HIGH EDUCATION PRESS
1.作定轴转动的等效构件的等效参量的计算
整个机械系统的瞬时功率为：
P M F v cos i i i si i
i 1 i 1 n n
HIGH EDUCATION PRESS
3.机械的停车阶段
停车阶段是指机械由稳定运转的工作转数下降到零转
数的过程。
第十四章 机械系统动力学
HIGH EDUCATION PRESS
第二节 机械系统的等效动力学模型
一、等效动力学模型的建立 二、等效构件 三、等效参量的计算 四、实例与分析
第十四章 机械系统动力学
作往复移动的等 效构件的微分方 程
01-机械系统动力学ppt
目的 驱动功大于阻力功时飞轮积蓄能量而只使主轴的角速度略增；
驱动功小于阻力功时飞轮释放能量而只使主轴速度略降。
ω
02
2 Jv
0
M
vd
和两个位置间的运行时间： dt d
ω
1
t t0 ω d 0
（2）等效力矩为等效构件角速度的函数，等效转动惯量为常数 由电动机驱动的鼓风机、离心泵、起重机等
用力矩方程
M
v
M
va
M
vc
Jv
dω dt
求解达到某角速度ω的时间：
ω
dω
1 t dtt0 t
ω 0 M va M vc Jv t0
转化方法：
将整个机械系统的动力学问题转化为系统中 某一运动构件的动力学问题，该运动构件称 为等效构件，通常等效构件取为原动件。
转化
等效构件 作 直线移动 或作 定轴转动，用牛顿第二定律计算方便。
转化内容：
为使等效构件与系统中该构件的真实运动一致，需将作 用于原机械系统的所有外力与外力矩、所有运动构件的质量 与转动惯量都向等效构件转化。
直线移动：
Fv
v2 2
dm v ds
m
vv
dv/dt ds/dt
v2 2
dm v ds
m
v
dv dt
定轴转动：
M
v
ω 2 dJv
2 d
Jvω
dω /dt ω 2
d/dt 2
dJv
d
Jv
dω dt
当系统的速比为常数时，Jv、mv为常数，有：
直线移动：力形式的运动方程 dv
Fv Fva Fvc m v dt
1 2
(m
机械动力学绪论及第一章(上课)Rev
绪论机械动力学的研究内容•••工程系统经济学系统非工程系统生物学系统星球系统其它系统动力装置传动装置工作装置动力系统传动系统执行系统M 1n 1传动系统变速器M 2n 2高速小转矩（齿轮、轴、轴承）低速大转矩统系统组成输入x 输出y 系统（S ）输（激励）（响应）系统（S）•••材料变形与动力学分类系统的模型与分类随机性系统离散系统与连续系统简支梁系统安装在基础上的机床线性系统与非线性系统线性系统线性系统）线性系统非线性系统及线性化处理&&kxttx cm&xxt)(()][)(++)(3=+t确定性系统和随机性系统确定性激励无阻尼系统由于有阻尼系统)sgn(x mg F c &•−=μ)sgn(2x x F a &&γ−=2x Eα=Δ机械系统动力学的研究意义机械系统动力学研究的任务6）振动技术的利用研究方向系统动力学问题的体系第2章刚性构件组成的单自由度机械系统动力学2、2驱动力和工作阻力▲▲作用在机械上的力原动力生产阻力力的类型重力摩擦力介质力介质阻力惯性力运动副反力按作用分为阻抗力有效阻力有害阻力力克服了这类阻力所作的功纯粹是浪费能量力，克服了这类阻力所作的功纯粹是浪费能量。
如摩擦力、介质阻力等。
••机械运动过程的三个阶段1、起动阶段：2、稳定运转阶段：•••如鼓风机提升机等如鼓风机、提升机等。
3、停车阶段：停车阶段：••速度的函数如电动机驱M =M (ω)M d B 动力矩d d NA ωC ωωn－－ω0－ω工作角速度ωn 额定角速度ω0同步角速度M M ωω−=0n d nωω−0非安全工作区域：A——D过渡区域：A——A‘单自由度机械系统动力学),,2,1()(n i Fi L &==∂+−q q q dt∂∂n---------系统的广义坐标数i si si i ki J v m E ϖ+=11i si si i l l ki k22∑∑1动能也可表示为2q J E &=nm ∑∑j v F cos ϖα=&k E q qq ∂∂∂&2q J =e k q J q J E d ∂+=∂&&&)(2程可得将上式代入拉格朗日方e e e M q qJ q J =∂∂+&&&21••等效构件相应构件的运动一致。
哈工大课件机械系统动力学DynamicsofMechanicalSyst
Rewriting:
x(t) a1(cosnt j sin nt) +a2 (cosnt j sin nt)
(a1 a2 ) cosnt j(a1 - a2 ) sin nt
Giving:
x(t) A1 cosnt A2 sin nt
Further manipulation
Solution we have: x(t) A1 cosnt A2 sin nt
system. That is why it is called the natural frequency of
vibration.
n
k m
Natural frequency
natural frequency from static deflection.
n
g
st
natural frequency from energy method.
Damping element
Damping force
Undamped Free Vibration
➢Differential equation
x(0) x0, x(0) v0
➢Solving ODE
Proposed solution:
x(t) aet
Into ODE you get the characteristic equation:
that is most observed In this course, we will use the viscous
damping model; i.e. damping proportional to velocity
Spring-mass-damper systems
机械原理(全套课件339P)
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桔槔
一根竖立的架子上加上一根细长的杠杆，当中是支 点，末端悬挂一个重物，前段悬挂水桶。一起一落，汲 水可以省力。当人把水桶放入水中打满水以后，由于杠 杆末端的重力作用，便能轻易把水提拉至所需处。桔槔 早在春秋时期就已相当普遍，而且延续了几千年，是中 国农村历代通用的旧式提水器具。这种简单的汲水工具 虽简单，但它使劳动人民的劳动强度得以减轻。
机械原理
机械原理教学课件
第一章 绪论 第二章 机构的结构分析 第三章 平面机构的运动分析 第四章 平面机构的力分析 第五章 机械的效率和自锁 第六章 机械的平衡 第七章 机械的运转及其速度波动的调节 第八章 平面连杆机构 第九章 凸轮机构及其设计 第十一章 轮系及其分类
第一章 绪论
信息，以代替或减轻人类的劳动。
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原动机与工作机
原动机：凡将其他形式能量变换为机械能的机 器称为原动机，如内燃机、电动机（分别将热 能和电能变换为机械能）等都是原动机。
工作机：凡利用机械能去变换或传递能量、物 料、信息的机器称为工作机，如发电机（机械 能变换为电能）、起重机（传递物料）、金属 切削机床（变换物料外形）、录音机（变换和 传递信息）等都属于工作机。
使用机器的水平是衡量一个国家现代化程 度的重要标志。
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机器图例
自动换刀机构
滚珠螺杆传动
机构
9
轿车的总体构造
10
内燃机——用途最广的热力机械
11
柴油机与汽油机
12
小型精密之伺服冲床
13
§0-1机械原理课程的研究对象和内容
机械原理是一门研究机械的运动学和 动力学分析与设计基本理论问题的课 程。
一、机械原理课程的研究对象 机械(Machinery)是机器(Machine)与机
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一一一一谢谢大家！！
控制系统 （装置、能量）
第四类问题：控制问题
1.6机械动力学的研究内容和任务 1.6.2机械系统动力学的任务 机械系统动力学的任务是:
讨论机械系统在动力载荷作用下反应的分析的方法。寻找 机械系统固有动力特性、动力载荷和结构反应三者间的相互关系， 即机械系统在动力载荷作用下的反应规律，为机械系统的动力可 靠性（安全、舒适）设计提供依据。
静荷只与作用位置有关，而动载荷是坐标和时间的函数。
1.5 动载荷及其分类
动载荷可有多种分类方法，常见的是：
确定 动载荷
周期 非周期
简谐载荷 非简谐载荷
冲击载荷 突加载荷 其他确定规律的动载荷
不确定
风载荷 地震载荷 其他无法确定变化规律的载荷
1.6机械系统动力学的研究内容和任务
机械系统动力学是研究动载荷作用下机械系统动力特征和动力反 应规律的学科。 1.6.1机械系统动力学的研究内容
具体地说：研究机械主传动系统的振动、机械结构 动强度和机构动力学分析
1.6.2机械系统动态分析的必要性和迫切性
机器动力学性能对机械产品的质量起决定性作用 机器高速化、大功率、高精度 重载和高度自动 化发展趋势 安全、舒适和环保的要求 静态设计、动态校核补救设计方法的局限性 动态设计方法
1.6.3 与其它课程间的关系 首先，机械系统动力学要求较熟练掌握已学过的力学知识。
1.6.1机械系统动力学的研究内容 当前机械系统动力学的研究内容可用下图表示
输入 （动力载荷）
机械 （系统）
输出 （动力反应）
第三类问题：载荷识别。二、三为反问题
控制系统 （装置、能量）
1.6.1机械系统动力学的研究内容 当前机械系统动力学的研究内容可用下图表示
输入 （动力载荷）
结构 （系统）
输出 （动力反应）
《机械系统动力学》 2015年3月
《机械系统动力学》目录
绪论 机械系统的运动方程建立和求解方法
单自由度体系的振动 多自由度体系的振动 频率和振型的实用计算方法 机械系统弹性动力学基础 有弹性构件的机械系统动力学 ADAMS软件简介及应用
一、绪论
1.1 系统、机械系统 1.2 离散系统、连续系统 1.3线性系统和非线性系统 1.4确定性、随机性与模糊性 1.5动力载荷及其分类 学的研究内容可用下图表示
输入 （动力载荷）
机械 （系统）
第一类问题：反应分析——正问题
控制系统 （装置、能量）
输出 （动力反应）
1.6.1 动力学的研究内容 当前动力学的研究内容可用下图表示
输入 （动力载荷）
机械 （系统）
输出 （动力反应）
第二类问题：参数（或称系统）识别
控制系统 （装置、能量）
一、绪论 1.1 系统、机械系统 系统： 系统是一些元素的组合，组合在一起的元素通过 相互作用共同完成给定的任务。
如物理系统 机械系统
自然系统（如生态系统 ） 人工系统（如经济系统、交通运输系统、商业系统）
机械系统 由机械元件组成的系统。
本课程主要研究机械主传动系统的动力学问题
输入
系统
输出
激励
机械系统
其次，要求较好地掌握已学的数学知识。
教学方式： 讲授、自学和辅导相结合
推荐主要参考书： 哈工大：理论力学（下）或分析力学 徐业宜：机械系统动力学 机械工业出版社（推荐教材） 胡宗武：工程振动分析基础 上海交大出版社 石端伟：机械动力学 中国电力出版社（推荐教材） 微分方程 机械原理
每一种知识都需要努力， 都需要付出，感谢支持！
响应
1.2 离散系统、连续系统 离散系统
连续系统
同一问题离散系统和连续系统的一致 性
1.3线性系统和非线性系统
线性系统
叠加原理成立
系统的数学模型可以用线性微分方程描述
非线性系统
叠加原理不成立
系统的数学模型不能用线性微分方程描述
单摆：
ml 2x mgl sin x 0
非线性系统
ml 2x mglx 0
线性系统
1.4确定性、随机性与模糊性
输入
确定性 随机性 模糊性
振动系统
输出
1.5 动载荷及其分类
所谓动载荷是指：随时间变化（三要素），且作用结果使受荷 物体质量的加速度（惯性力与外荷比）不可忽视，这种载荷称动 力载荷，简称动载荷。
自重、缓慢变化的载荷，其惯性力与外荷比很小，分析时仍视 作静载荷。