解析动力学在机械结构设计中的应用

陈铖

摘要：介绍了动力学的基本概念和机械动力学的主要研究内容，指出动力学理论是机械结构设计的重要依据。分析了机械设计当中的结构设计部分，论述其基本步骤和设计内容，指出静态设计和动态设计的不同。举例说明了动力学在机械结构设计中的应用，包括曲柄连杆设计、回转件设计、振动分析。最后对碰撞振动与控制这一新兴研究领域做了介绍。

关键词：动力学；机械结构设计；应用；动态设计

一、动力学概述

1、动力学。所谓动力学，从字面上来看是指研究物体所做运动与物体所受作用力之间关系的学科。从学科分类上来说，动力学是理论力学的一个分支，并且偏重于工程应用。在动力学的研究内容中，有两个基本问题，一是根据质点所受的力推算质点的运动趋势，二是根据质点的运动状态推算质点所受到的力，解决这两类问题的最基本理论依据是牛顿第二定律，即F=ma。在解决单个质点问题的基础上，动力学的研究内容还包括质点系动力学、刚体动力学、多刚体动力学等。

2、机械动力学。机械动力学是动力学在机械设计上的应用，属于机械原理的基础部分。类比于动力学的概念，它所研究的是机械在工作时其各部分机构运动状态和所受力之间的关系。机械动力学同样有两个基本问题：一是在外力已知的情况下，求解机械系统的运动形式；二是在系统运转时，分析各机构之间的相互作用力[1]。将这两个基本问题进一步落实到具体的机械结构当中，又可衍生出转子动力学、机构平衡、能量分配、机械振动等问题。

二、机械结构设计

1、设计步骤与内容。在整个机械设计流程中，结构设计位于原理设计之后，工艺设计之前，在原理设计的基础上，根据性能指标设计出可实现的具体结构，在工艺设计的过程中，反过来会对结构做一些细节上的调整。实际上，结构设计作为一个承上启下的环节，不仅决定了原理设计是否能落实以及后续零件工艺性的好坏，还将决定机械真正运转时的性能表现。

传统的结构设计多为静态设计，即把机械看作稳定的、刚性的、理想的系统，用静态的眼光来看待，比如在根据强度要求设计转轴的直径尺寸时，利用力学分析当中的“动静法”将零件看作静止的，在计算所得的尺寸上乘以一个安全系数作为最终结果，而不考虑实际运动的每个细节。这种静态设计方法在一般机械中是可行的，但对于大质量、高转速、高精度要求的机械系统而言，却是不合适的，这时就需要采用动态设计的方法。所谓动态设计就是考虑系统实际运转时的运动细节，包括振动、碰撞、机构的柔性、非线性问题等。通俗一点说，高端的机器有高端的性能，高端的性能需要有高端的設计方法，动态设计就是高端的设计方法，而动态设计的基础就是将机械动力学运用到结构设计中去。

2、曲柄连杆设计。曲柄连杆机构是机械系统中常用的传动机构，由三根杆、四个节点组成，输入端的杆件（曲柄）可以整周旋转，通过中间的连杆带动输出端的杆件（摇杆）进行有限幅度的摆动。由机械原理中的运动学部分可以设计出四个节点的相对位置，即可得出三根杆件的长度比例，再根据输出端的负载，利用动力学原理反求机构在实际运动时各个杆件内部以及节点处所受力的大小，由此确定各段杆件的材料和形状尺寸，以及节点处轴承的选型[2]。在曲柄连杆运动系统当中，会有“死点”和急回特性，此时就需要考虑惯性和冲击，需要对运动的全过程进行动态分析和设计。关于曲柄连杆机构的最典型应用当属汽车发动机组件中的活塞连杆和曲轴飞轮，如果不是有充分的动力学分析和动态设计，就不可能制造出高速运转的汽车发动机。

3、回转件设计。当动力学应用于机械结构中的回转件设计时，就出现了一个专门的学科：转子动力学，其主要研究内容在于回转件和相应支承系统在工作时的振动与平衡。对回转件的设计优化是一般的静态分析所无法达到的。在转子优化设计中有一部分叫做动平衡，由于加工和装配不可能完全理想化，回转件在旋转时必然出现质量偏心现象，当转速很高或转动惯量很大时，会对转轴施加很大的弯矩载荷，不利于机器的运行，这就需要通过动平衡实验找出质量不平衡点，并在合适的位置加装配重块以减小不平衡。在汽车的轮毂内侧经常看到有加装的小金属块，这些金属块的位置和大小看似没有规律，实际上都是经过大量动平衡实验确定下来的，是转子动力学应用于结构设计的产物。

4、振动分析。在机器运转时，振动不可避免，有些振动是有利的，而有些振动是不利的。在利用有利振动时，比如球磨机，一种用于磨碎块状物料的机器，就需要根据物料和磨粒的用量对激振的频率和振幅进行优化；在消除不利振动时，就需要采用隔振、反向吸振、阻尼减振的原理进行减振优化[3]。这些都需要依赖于动力学理论。

三、碰撞振动与控制

碰撞振动与控制是诞生于传统机械结构设计的一个新兴领域，是动力学在机械结构设计中的高端应用，尤其适用于高技术要求的机电系统设计，在机器人柔顺操作设计和大型航天器设计中有着重要作用。举一个简单的例子，在利用机器进行轴和孔的高精度对中操作时，些许误差就可能导致卡阻现象，如何处理结构间隙、如何对碰撞进行高灵敏度的反应，这一研究既有理论上的难度又有技术应用上的需求，因此，深入研究由间隙产生的碰撞振动及其控制，是设计高端机电系统的重要铺垫。

四、结语

在机械结构设计当中，对力学原理的应用是必不可少的。当机械设计向高端方向发展时，动态设计是大的趋势，其中非线性、非保守、反馈控制等多种动态因素使设计难度不断增加，只有首先牢牢把握各分支理论，才能对综合性的设计问题给出解决方案。制造业是国家经济的重要支柱，目前我国正处在产业结构升级的关键阶段，笔者希望通过自身的努力，为祖国的建设添砖加瓦。

参考文献

[1] 史小华，王洪波，孙利，高峰，徐震.外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析[J].机械工程学报，2014，（03）：41-48.

[2] 吴强，万志强，杨超.考虑结构动力学与颤振约束的颤振缩比模型优化设计[J].航空学报，2011，（07）：1210-1216.

[3] 陈静.结构动力学优化设计模型研究[D].上海交通大学，2011.