机械系统动力学
《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。
第11章 机械系统动力学
l ——外力矩M L作用构件的角速度；
u xp、u yp、ul ——相应类速度。
3. 动力学方程
在不考虑系统势能变化的情况下（对于刚体机械系统，一般情 况下，构件重量产生的势能 构件动能，可以略去），将 E 1 J e1q12微分，得 2 E J e1q1 q
E 1 2 dJ e1 q1 q1 2 d q1
凯思方程：
是将主动力和惯性力都转化到广义坐标中，它们在广义
坐标中也同样应用达朗贝尔原理，表达式为：
( r ) M *(r ) FP Fm 0
P P 1 m 1
M个惯性力对第r个广义坐标的广义惯性力之和
P个主动力对第r个广义坐标的广义力之和
11-2 刚性机械系统动力学
系统的简化：
1. 系统的动能： 设系统有m个活动构件，则系统的总动能E：
1 m 2 2 E mi xsi ysi J sii2 2 i 1
“.”表示对时间的导数
由于xsi、ysi、i 都是广义坐标q1的函数，即 xsi xsi (q1 ) ysi ysi (q1 ) (q ) i 1 i 所以
H 13
（2）求等效转动惯量J e 根据动能等效原则，得：
1 1 2 2 2 J e12 J112 J 22 J H H m2vO2 2 2
2 2
2
vO2 2 H Je J 1 J2 J H m2 1 1 1 2 H 2 z3 2 H 由i23 1 3 2 3 H H z2 H 1 2 H 1 1 2 又 1 4
机械原理与机械设计 (上册) 第4版 第11章 机械系统动力学
k
qi
δW Fe1δq1 Fe2δq2
P Fe1q1 Fe2q2
(i 1,2)
3. 动力学方程
J11q1
J12q2
1 2
J11 q1
q12
J11 q2
q1q 2
J12 q2
1 2
J 22 q1
q22
Fe1
J 12 q1
J 22q2
J12 q1
1 2
J11 q2
q12
J 22 q1
q1q 2
dt
等效驱动力矩
等效阻力矩
若 me 与 Je 为常数，则
Fed Fer M ed M er
me Je
dv dt
d
dt
能量形式（积分形式）
s2 s1
Fedds
s2 s1
Ferds
1 2
me 2 v22
1 2
me1v12
阻抗功
损耗功
总耗功
输入功
Wd (Wr Wf ) Wd Wc E2 E1
终止动能
起始动能
第二节 多自由度机械系统的动力学分析(简介）
机械系统的动力学方程:外力与运动参数（位移、速度等）之间的函数关系式
一、拉格朗日方程
动能
势能
自由度
d dt
E qi
E qi
U qi
Fei
(i 1,2,, N)
J1 1
m2 vc2 Jc2 2
m3v3
d
1 2
J112
1 2
m2vc22
1 2
J
2
c2 2
1 2
m3v32
(M11
P3v3
)dt
《机械系统动力学特性的综合分析及其工程应用》
《机械系统动力学特性的综合分析及其工程应用》篇一一、引言机械系统动力学特性分析是机械工程领域的一项关键技术。
它涉及对系统运动过程中的各种力、运动、能量的分析和研究，对于机械系统的设计、优化和性能评估具有重要作用。
本文将就机械系统动力学特性的综合分析进行探讨，并阐述其在工程中的应用。
二、机械系统动力学基础机械系统动力学是研究机械系统在力作用下的运动规律及系统内部各部分之间的相互作用关系。
它主要包括静力学、运动学和动力学三个部分。
静力学主要研究物体在受力时的平衡条件；运动学则研究物体的运动轨迹和速度、加速度等运动特征；动力学则进一步研究物体运动与受力之间的关系。
三、机械系统动力学特性的综合分析机械系统动力学特性的综合分析包括对系统运动过程中各种力、运动和能量的全面考察。
这需要运用数学模型、仿真技术和实验手段，对系统的运动过程进行定量和定性的描述。
分析过程中，需要关注系统的刚度、阻尼、惯性等动力学参数，以及这些参数对系统运动性能的影响。
同时，还需要考虑系统的外部环境和载荷条件，以及这些条件对系统动力学特性的影响。
四、机械系统动力学特性的工程应用1. 设计与优化：在机械系统的设计阶段，通过对系统动力学特性的综合分析，可以确定系统的结构、材料和工艺等参数，以满足系统的性能要求。
同时，通过优化设计，可以在保证系统性能的前提下，降低系统的成本和重量。
2. 性能评估与故障诊断：在机械系统的使用过程中，通过对系统动力学特性的监测和分析，可以评估系统的性能状态，及时发现和解决潜在的问题。
同时，通过对系统故障的动力学特征进行分析，可以有效地进行故障诊断和预测。
3. 控制系统设计：在机械系统的控制系统中，需要对系统的动力学特性进行精确的掌握和分析，以便设计出合理的控制策略和算法，实现对系统的精确控制。
4. 新材料与新技术的应用：随着新材料和新技术的不断发展，机械系统的动力学特性也在不断变化。
通过对这些新材料和新技术的动力学特性进行分析和研究，可以将其应用于机械系统的设计和优化中，提高系统的性能和可靠性。
机械系统动力学知识点总结
机械系统动力学知识点总结机械系统动力学是研究对象在外力作用下的运动规律和相互作用关系，是机械领域的基础知识之一。
了解机械系统动力学不仅可以帮助我们理解机械系统的工作原理，还能指导我们设计和优化机械系统，提高机械系统的性能。
本文将就机械系统动力学的相关知识进行总结，包括运动描述、牛顿定律、动量与冲量、角动量、能量和动力学方程等内容。
一、运动描述机械系统动力学研究的对象是物体在外力作用下的运动规律，因此对于机械系统中的物体运动进行描述是非常重要的。
在机械系统动力学中，常用的运动描述方法包括位移、速度和加速度。
位移描述了物体的位置变化，速度描述了物体的位置变化速率，而加速度描述了物体的速度变化速率。
1. 位移在机械系统动力学中，位移是描述物体位置变化的重要参数。
位移通常用矢量来表示，其方向表示位移的方向，大小表示位移的大小。
位移可以分为线性位移和角位移两种，线性位移是描述物体沿直线方向的位置变化，而角位移是描述物体绕固定轴旋转的位置变化。
2. 速度速度是描述物体位置变化速率的参数，通常用矢量来表示。
线性速度描述物体在直线方向上的位置变化速率，角速度描述物体绕固定轴旋转的位置变化速率。
线性速度的大小表示速度的大小，方向表示速度的方向，而角速度的大小表示角速度的大小，方向表示角速度的方向。
3. 加速度加速度是描述速度变化速率的参数，通常用矢量来表示。
线性加速度描述物体在直线方向上的速度变化速率，角加速度描述物体绕固定轴旋转的速度变化速率。
线性加速度的大小表示加速度的大小，方向表示加速度的方向，而角加速度的大小表示角加速度的大小，方向表示角加速度的方向。
以上就是机械系统动力学中常用的运动描述方法，通过对位移、速度和加速度进行描述，可以帮助我们理解物体在外力作用下的运动规律。
二、牛顿定律牛顿定律是机械系统动力学的基础法则，它描述了物体在外力作用下的运动规律。
牛顿定律一共包括三条，分别是惯性定律、动量定律和作用-反作用定律。
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
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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
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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
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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
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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
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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
机械设计中的机械系统动力学研究
机械设计中的机械系统动力学研究机械设计是机械工程中最为基础的领域之一，其涵盖范围非常广泛，从产品的概念设计，到工艺流程的开发和最终的量产制造都需要进行机械设计。
在机械设计中，机械系统动力学研究是一个非常重要的组成部分。
本文将从机械系统动力学理论、研究方法和应用实例三个方面对机械设计中的机械系统动力学研究进行探讨。
一、机械系统动力学理论机械系统动力学理论是研究机械系统在作用力下的运动、振动和稳定性等问题的学科。
其基本原理是运用牛顿力学理论和振动学理论，建立机械系统的动力学方程，进而分析其运动规律和稳定性，揭示机械系统的内部机理和行为特征。
机械系统动力学理论的重要研究内容包括：1. 机械振动理论：研究机械系统在外力作用下的振动规律和机械系统振动特性的分析方法。
2. 动力学模型建立与求解：如受力分析、位移、速度和加速度的计算，通过求解动力学方程，得到机械系统的运动规律。
3. 相关动力学参数的计算：包括质量、惯性、弹性模量、耗散系数、自由度等。
二、机械系统动力学研究方法机械系统动力学研究方法包括理论研究和实验研究两种方法。
理论研究主要适用于机械系统的初步设计和性能预估，在理论建模的基础上通过模拟计算等方式分析机械系统的特性。
实验研究则主要用于机械产品的研发和品质检测，通过试验台的装置，对机械系统的动态性能进行实际测量和分析。
机械系统动力学研究中常用的实验方法有：1. 振动试验法：通过振动试验来研究机械系统的振动规律、共振频率等动态特性。
2. 动力响应试验法：通过施加固定振动力和测量受力部件的运动状态，确定机械系统的共振特性和动力学指标。
3. 模拟试验方法：通过计算机编制计算模型，对机械系统的动力学性能进行仿真，进行参数化设计，以期优化机械系统的性能。
三、机械系统动力学研究的应用实例1.车辆悬架系统设计：依据牛顿力学理论和弹性力学理论建立悬架系统的动力学模型，并利用动态特性分析和优化设计方法，提高悬架系统的疲劳寿命、牵引性能和行驶稳定性。
机械系统的动力学模型和方程
机械系统的动力学模型和方程动力学是研究物体运动的规律和原因的科学分支，而机械系统的动力学则是指研究机械系统中各个部件之间相互作用的力学原理和运动规律。
机械系统的动力学模型和方程是描述机械系统运动的数学表示，对于系统的分析和设计有着重要的意义。
一、机械系统的动力学模型机械系统是由各种不同的部件组成的，这些部件之间通过力进行相互作用。
为了研究和描述机械系统的运动规律，我们需要建立相应的动力学模型。
1. 质点模型当机械系统中的部件趋于无限小，可以视为质点时，可以采用质点模型进行描述。
质点模型忽略了物体的形状和结构，只考虑其质量和质心位置。
通过对质点所受外力和力矩进行求解，可以得到系统的运动方程。
2. 刚体模型当机械系统中的部件可以看作刚体时，可以采用刚体模型进行描述。
刚体模型考虑了物体的形状和结构，将其视为不会发生形变的固体。
通过对刚体受力和力矩的分析，可以得到系统的运动方程。
3. 柔性体模型当机械系统中的部件存在形变和弹性时，需要采用柔性体模型进行描述。
柔性体模型考虑了物体的弹性变形和振动，通过弹性力和振动方程的求解，可以得到系统的运动方程。
二、机械系统的动力学方程机械系统的动力学方程是描述系统运动规律的数学方程。
根据牛顿第二定律，可以得到机械系统的动力学方程。
1. 线性动力学方程对于线性系统，动力学方程可以表示为：F = m*a其中，F是物体所受的合外力，m是物体的质量，a是物体的加速度。
2. 旋转动力学方程对于旋转系统，动力学方程可以表示为：M = I*α其中，M是物体所受的合外力矩，I是物体的转动惯量，α是物体的角加速度。
3. 耦合动力学方程对于复杂的机械系统，可以通过将线性动力学方程和旋转动力学方程耦合起来，得到系统的动力学方程。
通过建立机械系统的动力学模型和方程，可以对系统的运动进行研究和分析。
得到系统的运动规律和动态响应，为系统的设计和控制提供依据。
总结：机械系统的动力学模型和方程是研究机械系统运动规律的重要工具。
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A
M
mi——第i个构件质心质量
Jsi——对质心轴线的转动惯量
整个机器的功能：
E
n i 1
1 2
mi vsi
2
m
j 1
J sj j 2
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14
10-14
等效方法 动能不变
等效质量 等效转动
惯量
机械原理
1
2
mevB2
k i 1
1 2
mi vS2i
k i 1
1 2
J
2
Si i
1
温州大学机电工程学院
5
10-5
等效动力学模型的建立
单自由度的机械系统
机械原理
某一构件的运动确定
整个系统的运动确定
整个机器的运动问题转化为某一构件的运动问题
为此，引出等效力、等效力矩、等效质量、等效 转动惯量的概念
为便于计算
将定轴转动或作直线移 动的构件作为等效构件
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6
10-6
等效动力学模型的建立
正反力 ——不作功 ❖ 运动副反力 总反力 摩擦反力 ——负功
❖ 惯性力 加速运动 ——阻力
减速运动 ——驱动力
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2
10-2
机械的运转过程及特征
机械系统运转过程的三阶段
❖ 启动阶段 ❖ 稳定运转阶段 ❖ 停车阶段
机械原理
温州大学机电工程学院
3
10-3
机械的运转过程及特征
三个运转阶段的特征
➢ 当取绕固定回转的构件为等效构件时，可
用一假想物体的转动惯量来代替机器所有
运动构件的质量和转动惯量
温州大学机电工程学院
13
10-13
等效量的计算
机械原理
❖ 等效转动惯量和等效质量
E
1 2
mVB2
E 1 JW 2 2
B vB
90° F
设ωi——第i个构件的角速度 Vsi——第i个构件质心Si的速度
温州大学机电工程学院
12
10-12
等效量的计算
机械原理
❖ 等效转动惯量和等效质量
使用等效力和等效力矩的同时，用集中在机器
某一构件上选定点的一个假想质量代替整个机 器所有运动构件的质量和转动惯量
代替条件：机器的运动不变
为方便
即假想集中质量的功能等于机器所有运动构件 的功能之和
➢ 等效力和等效质量的等效点和等效构件是 同一点和同一构件
1 2
Je2 2
1 2
Je1 2
2
1
M
ed d
M d 2
1
er
1 2
J
e
2
22
1 2
J
2
e1 1
机械原理
温州大学机电工程学院
17
10-17
机械运动方程式的建立
❖ 能量形式方程式
➢ 等效构件为移动构件
2
1
Fed ds
2 1
4
10-4
§10.2 机械等效动力学模型
机械原理
等效动力学模型的建立
目的
通过建立外力与运动参数间的函数表达式， 研究机械系统的真实运动
模型建立原则
使系统转化前后的动力学效果保持不变
❖ 等效构件的动能，应等于整个系统的总动能 ❖ 等效构件上所做的功，应等于整个系统所做功之和
等效构件和原机械系统在动力学上是等效的
Theory of Machines and Mechanisms
机械原理
第十章 机械系统动力学
第十章 机械系统动力学
机械原理
§10.1 作用在机械上的力及机械的运转过程 作用在机械上的力
❖ 驱动力 ——正功（输入功）
❖ 阻力
工作阻力 ——有效功（输出功） 有害阻力
❖ 重力
——重心下降作正功，重心上升作负功
温州大学机电工程学力
机械原理
B vB
90° F
A
M
等效力或等效力矩所产生的功率
P FVB
P=Mω
设Fi，Mi——作用在机器第 i个构件上的已知力和力矩
Vi ——力Fi 作用点的速度 Wi——构件i的角速度
θi——Fi和Vi夹角
温州大学机电工程学院
9
等效构件
机械原理
等效力矩：Me 等效转动惯量：Je
等效力：Fe 等效质量：me
温州大学机电工程学院
7
10-7
等效量的计算
机械原理
❖ 等效力矩和等效力
研究机器在已知力作用下的运动时，作用在
机器某一构件上的假想F或M代替作用在机器 上所有已知外力和力矩
代替条件：机器的运动不变
即：
假想力F或力矩M所作的功或所产生的功率 等于所有被代替的力和力矩所作的功或所 产生的功率之和
10-9
等效量的计算
机械原理
❖ 等效力矩和等效力
B vB
90° F
A
M
等效方法
作用在机器所有构件上的已知 力和力矩所产生的功率：
n
m
P Fivi cosi M j j
i 1
j 1
Mi和ωi同向取“+”，否则“-”
n
m
M e P Fivi cosi M j j
i 1
k
j 1
2
JeW 2
k i 1
1 2
mi
vS2i
k i 1
1 2
J
2
Si i
Je
n i1
mi
(
vsi
)2
m j 1
J
sj
(
j
)2
me
n i1
mi
(
vsi v
)2
m j 1
J
sj
(
j
v
)2
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10-15
等效量的计算
等效转动惯量的特征：
➢ 等效转动惯量是一个假想转动惯量； ➢ 等效转动惯量不仅与各构件质量和转动惯量有
机械原理
输入功 总耗功
阶段
速度特征
启
动
原动件的速度从零逐渐上 升到开始稳定的过程
原动件速度保持常数或在 稳定运行 正常工作速度的平均值上
下作周期性的速度波动
停
车
原动件速度从正常工作速 度值下降到零
能量特征
Wd-Wc=E2-E1>0
Wd-Wc=E2-E1=0
Wd-Wc=E2-E1<0
动能 增量
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关，而且与各构件相对于等效构件的速度比平 方有关； ➢ 等效转动惯量与机械系统驱动构件的真实速度 无关。
机械原理
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10-16
§10.3 机械运动方程式的建立及求解 机械运动方程式的建立
❖ 能量形式方程式
驱动力和阻力所做 的功等于动能增量
W E
➢ 等效构件为转动构件
2
1
M e d
Fe
n i1
Fi
vi
cosi
vB
m
Mj
j 1
j
vB
温州大学机电工程学院
11
10-11
等效量的计算
机械原理
等效力矩的特征：
➢ 等效力矩是一个假想力矩； ➢ 等效力矩为正，是等效驱动力矩，反之，为等效
阻力矩； ➢ 等效力矩不仅与外力（矩）有关，而且与各构件
相对于等效构件的速度比有关； ➢ 等效力矩与机械系统驱动构件的真实速度无关。
k
FvB Fivi cosi Mii
i 1
i 1
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10
10-10
等效量的计算
机械原理
❖ 等效力矩和等效力
B vB
90° F
n
m
P Fivi cosi M j j
i 1
j 1
功率和 不变
A
M
Me
n i1
Fi
vi cosi
m
Mj
j 1
j
等效力 等效力矩