机械动力学的发展简史及其对机械设计的影响--李雨潭.doc

机械动力学的发展简史及其对机械设计的影响
李雨潭 ZS12050045
摘要：机械动力学是机械发展到一定阶段的产物。计算机的发明和数值计算的出现等现代科学技术的发展使得机械动力学有了更大的发展。机械动力学在机械设计的进程中，二者相互影响，在不同的阶段，机械设计对机械动力学的要求也不同。目前，机械动力学已经发展为一个内容丰富的综合性学科。
关键字：机械动力学 机械设计 计算机 多学科
0引言
任何机械都有运动，任何机械都受到力的作用。机械动力学就是研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力的科学。
古代的机械是用人力、蓄力和水力来驱动的，动力制约了机械的速度。因此，在古代机械的制作中主要考虑运动实现，而基本未涉及动力学。近代以来，机械动力学的发展大体可以分为两个阶段：第一次工业革命到20世纪中叶，可称为早期发展阶段；第二世界大战以后，可以称为近期发展阶段。
1 机械动力学的早期发展
1.1历史背景
1.1.1 生产力不断提高的娶束推动着机械动力学的发展
1769年，瓦特改进了蒸汽机。动力的变革极大地推动了机器的广泛使用，引发第一工业革命。1832年，法拉第发明了电动机，引发了第二次工业革命，世界进入了电气化时代。1876年，蔓托发明了内燃机。1797年，完全由金属制成的车床在英国问世，它已是现代车床的雏形。19世纪中叶，通用机床的各种类型已大件齐备；到19世纪末，自动机床和大型机床出现。
动力的变革，材料和加工手段的进步，全面地推动了机械制造业的迅速发展，使大幅度提高机器的速度和功率成为可能。机械的高速化，始终是机器理论发展的重要推动力之一，更是机械动力学发展的第一推动力。节约材料、节约能源要求减轻机器的重量，特别是车辆和飞行器的重量，选也一直是机械设计追求的目标之一[1-4]。
机械产品的高速化、大功率化、精密化和轻量化的趋向不断推动着机械动力学的发展。一方面，它推动着各种结构的演化与创新，促使机器中的传动装置不断发展和完善；另一方面，它推动了机械动力学分析水平的提高。
1.1.2 力学理论为机械动力学的发展提供了坚实的理论基础
从15世纪中叶到18世纪下半期，是欧洲向资本主义发展的社会转型期。适应当时航海和工业的发展需要，天文学和力学发展起来。
牛顿1687年发表了著名的运动定律学说，创立了经典力学。牛顿第二定律所描述的力、质量和加速度的关系是动力学的基本定律。经典力学的创立，开辟了科学发展的新时代，奠定了力学发展的基础，也奠定了机械工程发展的基础。今天，一切机械运动与力分析的理论，全部源于牛顿力学。
1765年，瑞士科学家殴拉将牛顿的理论从质点扩展到刚体，他所提出的欧拉公式是牛顿第二定律针对刚体定轴转动情况的扩展。1742年提出的达朗贝尔原理将静力学中研究平衡的方法与牛顿第二定律相结合，计入惯性力，用来研究动力学问题[5]。
接下来，拉格朗日方程的提出，以及微分方程的积分理论和力学的变分原理使分析力学的理论体系臻于完善。分析力学是在经典力学范畴内的一个分支，是一种表达形式上的创新。
1.2振动理论的建立与发展
机械振动理论是最到发展起来的机械动力学理论。在电动机、发电机和汽轮机出现以后，高速转子引起的振动问题变得突出起来[6-7]。到20世纪中叶，线性离散系统的基本理论已经建立起来，只是由于计算能力的限制，所能够计算的自由度不太大。对连续系统的分析则局限在形状很简单的构件。
1.3动力学要求推动着各种机构的演进、创新与完善
机器是由各种机构组成的。在达芬奇时代，现在使用的最常用机构便已经基本知晓，但是机构种类的扩充和机构性能的改善主要还是发生在工业革命以后。适应高速度、大功率和高精度的需要，是推动机构演进与创新的主要动因之一。
1.4机械功力学分析方法的形成
机器的发展。呼唤着机械的理论和设计方法。在机械动力学发展历史上，先后提出了四种不同水平的分析方法：静力分析、动态静力分析、动力分析、弹性动力分析。在当代机械的分析与设计中，这四种分析方法也仍然部有所应用[8-10]。
2机械动力学的近期发展
二战以后的半个多世纪，世界大范围内的和平形成了有利于经济和科技发展的环境，机械动力学也进入了一个新的发展阶段。
2.1历史背景
2.1.1 对机械设计的要求全面提升
两个多世纪以来，机械的发展表现出高速化、大功率化、自动化精密化和轻量化的趋向，这种趋向在近60年变的更为突出和集中。例如，出现了超音速飞机和高速列车这样的高速运载工具，汽车的速度也有了很大的提高。出现了机器人、航天器和数控机床这些现代化的新型机械。这些新型机械的出现与发展提出了许多新的动力学问题。
经济的全球化和世界市场的形成，使竞争更加激烈。竞争，要求向市场快速地推出具有超等运转性能的产品，这导致对机械设计的要求全面提升。为了提高机器的性能，要求对机械系统进行更为复杂的动力学分析，并在这些更高级的分析方法的基础上建立动态的设计理论。
2.1.2 相关科学与技术的全面进步
在20世纪40年代二战后的短短几年间，科学与技术取得了新的、划时代的突破，这就是信息论、控制论和系统论三大理论的提出和计算机的发明。这引发了第三次工业革命。在这样的背景下，机械动力学相关的许多科学技术领域取得了全面的进步，它对新时期机械动力学的发展产生了深刻的影响。
（1）计算机的发明和普遍应用
计算机的应用为动力学的分析和动态设计供了强大的手段。在机械动力学中计算机的应用体现在数值计算和符号处理两个方面。动力学分析需要大量复杂的计算，很多计算用手工根本无法实现，而计算机的高速运算功能使之成为可能[11]。
（2）现在数值计算方法的进展
有限元法和优化设计方法的提出和应用成为分析复杂系统弹性动力学问题的有力工具。
（3）信号分析方法的形成与发展
（4）现代控制理论的形成与发展
（5）多体动力学的诞生
（6）振动理论的进展
2.2学科的交融是机械动力学发展成为一个内容丰富的综合学科
今天，广义的机械动力学已经发展为包括动力学建模、动力学分析，动力学仿真、动力学设计、动力学控制，以及状态检测和故障诊断等一系列问题的内容丰富的综合性学科[12]。
2.2.1 学科的交融极大地提高了机械动力学的分析能力
有限元法的出现，提高了机械动力学建模的能力，计算机技术的出现提高了动力学计算的能力。这两方面结合起来，使得机械动力学能够处理原来根本无法涉及的研究对象。动力学方程均是微分方程，动力学分析研究的一个重点就是微分方程的求解。随着计算机的普遍应用，出现了许多通用的分析软件，如ANSYS、NASTRAN、ADAMS等。这些软件具有强大的建模与分析功能[13-15]。
2.2.2 学科的交融推动了动力学设计与动力学控制的发展
动力学分析过程已经十分复杂，动力学设计则更为复杂。因此，长期以来普遍采用静态设计方法。但是这种设计理念存在严重缺陷，对于动态特性起决定性因素的机械，必须在设计阶段的早期就考虑动力学问题，从而保证动力学要求出发来进行设计，并还要在进行过程中进行状态检测和故障诊断，及时维护，排除故障，避免重大事故[16]。
2.3机械动力学依研究内容和研究对象的不同形成多个分支领域
从分析、仿真到设计和控制，机械动力学的研究范围在纵向扩大了。与此同时，在横向，依照研究对象的不同，机械动力学形成了许多分支领域，如机床动力学、车辆动力学、转子动力学，机器人动力学、弹性机构动力学[17]。
3 研究机械动力学的重要意义
生产力的不断提高是推动科学技术发展的动力源：机械工业为国民经济提供设备，它的技术水平和现代化程度极大地影响着整个国民经济的技术水平。现代化的工惶、农业、交通等各个部门的发展要求设计出更多生产率高、性能良好的机械设备，由此而导致机械产品市场上的激烈竞争。这始终是，而且至今仍是推动着机械动力学发展的动力。
追踪近三百年机械产品的发展历史，机械运转速度的不断提高是最为突出的特征，它是推动机械动力学和机械振动学发展的第一因素。动力学分析：疗法从静力分析发展到动态静力分析，又发展到动力分析和弹性动力分析，考虑因素越来越多，越来越更符合客观真实情况，分析复杂程度越来越高，其背后的第一推动力就是机械速度的不断提高。例如，汽车的高速化推动了对整车振动和传动系统振动与噪声的研究，内燃机和各种自动机械的高速化推动了高速凸轮机构动力学的研究[18]。
轻量化是现代机械设计的另一一特征。能源与资源的危机，向机械产品提出了节能、节材的要求；而材质的改善和最小重量优化方法的发展促使机械产品的轻量化成为可能。机械弹性动力学的发展直接与轻量化相联系。，
精密化要求机械的实际话动尽可能与期望运动相一敢。这一要求使我们在分析误差时必须尽可能地计人各种因素的影响，如间隙、弹性、制造误差。特别是要注意机械在高速下的动态精度与静态时有很大区别。精密机床的动态特性研究、高速间歇机构的动态定位精度研究就是这样发展起来的[19-21]。
4 总结
机械动力学的发展是根据人们不断的对机械设计要求的提高而发展的。在发展过程中，随着现在计算技术的发展，二者相互影响，相互促进。目前我国的机械整体还不是很发达，在将来的我们的设计中，设计必须科学化，这意味着要科学地阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的领域及其单位，在些基础上，科学地安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计。同时也要求设计人员不仅有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论，设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。发展我国的机械设计科学研究，必须集中探讨机械设计各主要环节的正确工作方法和解决问题的途径，收集开发新产品的成功经验和范例，积累大量的设计资料，了解世界有关行业的发展动向，致力于提高我国机械工业的水平，生产具有国际竞争力的机械产品。相信我国学者们要总结过去设计经验并吸收外国先进的学术思想和科学技术的基础上，定能研究出一套适合我国的国情。高效优质，经济地进行设计的规律和方法来为加速现代化建设做出应有的贡献。

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