高速機構動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

第32卷第2期力學(xué)進(jìn)展Vol 32 No. 22002年5月25日ADVANCES IN MECHANICSMay25,2002高速機構動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展馮志華胡海巖南京航空航天大學(xué)振動(dòng)工程研究所,南京210016TH3 A摘要高速機械動(dòng)力學(xué)及其控制是機構學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿性學(xué)科,與其內容相關(guān)者涉及多個(gè)新興學(xué)科領(lǐng)域本文首先概述了高速機構動(dòng)力學(xué)基礎—柔性多體動(dòng)力學(xué)建模理論及周期時(shí)變機械系統動(dòng)力行為研究的現狀及其進(jìn)展狀況.其次,對機械工程中常見(jiàn)的典型高速機構,特別是對高速連桿、凸輪機構動(dòng)力學(xué)的研究現狀進(jìn)行了分門(mén)別類(lèi)的介紹。再次,對帶間隙機構動(dòng)力學(xué)的研究給予了定的關(guān)注.相應地,對柔性機構振動(dòng)主動(dòng)控制的研究狀況也進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹.最后,指出上述研究域內一些值得研究的問(wèn)題關(guān)詞機構動(dòng)力學(xué),非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué),柔性多體動(dòng)力學(xué),周期時(shí)變系蜣間朦,振動(dòng)主動(dòng)控制1前言由具有相對運動(dòng)的彈性部件組成的機構在普通機械、車(chē)輛、工業(yè)機械手或機器人乃至航空航天器中隨處可見(jiàn).隨著(zhù)現代科技的發(fā)展,設計出高速、高精度、高效、輕質(zhì)、可靠的機器已成為機械產(chǎn)品發(fā)展的重要任務(wù).機器的高速運轉給機械設計者提出了新的、嚴格的要求,其主要問(wèn)題即為高速時(shí)將產(chǎn)生較大的慣性力,導致彈性部件的變形,更甚則引起強烈的振動(dòng)、噪聲,導致磨損乃至機器的失效.因此,高速機構的設計首先面臨的問(wèn)題即需對動(dòng)態(tài)條件下工作的機構作更精確的定性分析與定量計算.至今,對機構運動(dòng)的“高速”與“低速”之分仍缺乏統的標準,也未能建立起一個(gè)統一的、較完備的理論模式來(lái)對高速機構動(dòng)力學(xué)內容進(jìn)行表述,因此,機械學(xué)學(xué)者往往將高速機構動(dòng)力學(xué)的研究看作為機構學(xué)的前沿陣地當機構運動(dòng)進(jìn)入“高速”區域時(shí),運動(dòng)部件必須作柔性體假設,形成所謂的“柔性機構”( Fexible mechanism,此時(shí),由于機構部件間間隙的存在及部件的剛體運動(dòng)與其彈性變形耦合等問(wèn)題,動(dòng)力學(xué)模型將以變系數非光滑、多非線(xiàn)性項甚至強非線(xiàn)性項組合的高維微分方程組形式出現,這給實(shí)際問(wèn)題的解決帶來(lái)很大的困難本文對高速機構動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域中所涉及的基礎理論的研究進(jìn)展,具體典型機構動(dòng)力學(xué)研究狀況,相關(guān)的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)理論滲入的程度及系統的控制現狀作一回顧,指出值得研究的若干問(wèn)題2柔性多體系統動(dòng)力學(xué)建模方法16高速機構由于部件大范圍運動(dòng)和構件本身的彈性變形及其相互間的耦合,使得機構的動(dòng)力收稿日期:2001-03-26,修回日期:2001-408-08國家自然科學(xué)基金資助項日(59905010)中國煤化工CNMHG學(xué)性態(tài)越來(lái)越復雜,以致產(chǎn)生很復雜的非線(xiàn)性動(dòng)力行為,可以說(shuō),高速機構是較典型的柔性多體動(dòng)力學(xué)系統.早期處理柔性多體系統動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的方法為所謂的運動(dòng)-彈性動(dòng)力學(xué)方法,即KED法,張策等山在其專(zhuān)著(zhù)中對該法進(jìn)行了較詳盡的介紹該建模方法雖然簡(jiǎn)單地將多剛體動(dòng)力學(xué)和結構動(dòng)力學(xué)揉在一起,但對非高速機構動(dòng)力行為的研究起著(zhù)指導性作用.然而,隨著(zhù)輕質(zhì)、高速機構的不斷涌現,該法的局限性逐漸暴露出來(lái).從具體的平面機構到空間的柔性多體系統,Haug等(2使用向量變分( variational-vector calculus)方法并結合虛功原理,采用相對坐標再疊加彈性體的模態(tài)坐標,建立了受約束開(kāi)環(huán)、閉環(huán)機械系統及柔性開(kāi)環(huán)、閉環(huán)多體系統的相對坐標動(dòng)力學(xué)建模方法. Chang與 Shabana建立了承受大范圍運動(dòng)彈性板非線(xiàn)性有限元建模方法.隨后,Chen與 Shabani用絕對坐標法建立了柔性多體系統的動(dòng)力學(xué)模型.最近,Shabana等10對絕對坐標系下的柔性多體系統動(dòng)力學(xué)建模方法的計算機實(shí)現及應用進(jìn)行了進(jìn)步的研究于清與洪嘉振山對上述兩種建模方法進(jìn)行了評述,認為相對坐標方法具有動(dòng)力學(xué)方程廣義坐標和約束方程少、計算效率高的優(yōu)點(diǎn),但是程式化較絕對坐標方法差.近期,洪嘉振12對多體系統動(dòng)力學(xué)的理論推導、計算方法與軟件實(shí)現三部分內容進(jìn)行了有機、統一的闡述近年來(lái),在研究具體非慣性場(chǎng)中大范圍運動(dòng)的彈性體動(dòng)力行為的過(guò)程中,一些學(xué)者研究的結果已引起了國際間同行的注意,其中包括Kane、Ryan與 Banerjee1。采用Kane方程對一空間大范圍運動(dòng)懸臂梁的運動(dòng)進(jìn)行的描述.他們的研究結果表明,當柔性體高速轉動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生“動(dòng)力剛化”現象,即柔性體因大范圍空間運動(dòng)和變形間的相互耦合導致柔性體剛度的增大形成附加動(dòng)力剛度.但他們在“速率偏導”的導出過(guò)程中進(jìn)行了線(xiàn)性化處理,故未能對更深層次的非線(xiàn)性動(dòng)力行為進(jìn)行研究;另外他們的著(zhù)眼點(diǎn)主要集中于機械手等的轉動(dòng)情況的研究上,因而未能對工程中大量存在的大范圍直線(xiàn)運動(dòng)彈性體的動(dòng)力行為的研究給予關(guān)注.在這之后, Banerjee與 Kanell4用相近的方法研究了空間大范圍運動(dòng)彈性板諸如“動(dòng)力剛化”等動(dòng)力學(xué)現象.在國內,傅衣銘、張思進(jìn)11基于 Hamilton原理建立了中厚矩形板在空間運動(dòng)中的動(dòng)力學(xué)一般方程在模態(tài)坐標下,用多尺度法及諧波平衡法重點(diǎn)研究了定點(diǎn)或單軸轉動(dòng)簡(jiǎn)支板的內共振問(wèn)題,與此同時(shí),他們用相同的方法對定點(diǎn)或單軸轉動(dòng)圓柱殼的非線(xiàn)性振動(dòng)也進(jìn)行了分析.雖然文獻13~16]的研究在本質(zhì)上并未形成新的建模理論,但從中不難發(fā)現,隨著(zhù)研究的不斷深入,非線(xiàn)性理論在柔性多體動(dòng)力學(xué)的研究過(guò)程中將扮演著(zhù)十分重要的角色目前,雖然上述建模理論在形式上還漸趨于固定,但在柔性體變形位移函數的假設或位移場(chǎng)離散的處理上仍存在著(zhù)一定的隨意性,這也是上述建模理論存在不足的原因之3周期時(shí)查機械系統的動(dòng)力行為對實(shí)際的高速機構,建模時(shí)進(jìn)行適當、切合實(shí)際的一些簡(jiǎn)化,其中的多數可近似用一周期時(shí)變甚至線(xiàn)性周期時(shí)變系統來(lái)代替,即X(t)=f(X(t), t), XER"x, t>0式中f(X,t+T)=f(X,+,v>0,T>0,或x(t)=U()x(t)+f(t),U(t)∈Rxn,ft)∈Rx1式中U(t+T)=U(t),f(t+T)=f(t)對于式(1)系統周期運動(dòng)的求解方法目前主要有打靶法與增量諧波平衡法等,上述方法最大的局限性是僅能求解出所關(guān)心的一部分周期運動(dòng)7.由于式(1)可在其周期軌道或平衡點(diǎn)附近按 Taylor級數一次近似展開(kāi)成類(lèi)似式(2)再討論其穩定性等問(wèn)題,再加上對形如式(1)的機械系統動(dòng)力行為研究仍有相當難度,故目前對周期時(shí)的址可如的七仍局限于式中國煤化工CNMHG對式(2)線(xiàn)性周期時(shí)變系統穩定性研究的理論已比較成熟,但在實(shí)際問(wèn)題的解決過(guò)程中卻因難重重,其根本原因是只有極少數簡(jiǎn)單特殊的系統能求得解析的單值矩陣B=T).因此尋找有效可行且有相當精度的近似方法成為近幾十年來(lái)許多學(xué)者所追求的目標.日前常見(jiàn)的方法包括Hl法、攝動(dòng)法、分段常值法等B。2.Hil法不便于高維系統的數值計算,攝動(dòng)法只局限于周期系數小范闈變化之系統,分段常值法直接了當,但該法破壞了系統向量場(chǎng)的光滑性且計算精度與計算量間的矛盾限制了其應用的范圍近期, Sinha與W2提出了基于移動(dòng) Chebyshev多項式擬合的一種新的有效計算方法,該法將線(xiàn)性周期時(shí)變系統的狀態(tài)向量及其周期系數矩陣用 Chebyshev多項式展開(kāi)繼而求得近似的系統單值矩陣,從而分析系統的穩定性或求得系統的響應.隨后, Sinha等24-2對上述方法進(jìn)行了進(jìn)一步的理論完善并應用至直升機旋翼動(dòng)力學(xué)的穩定性分析中.最近,他們在前面的理論研究基礎上引入了符號運算方法并將研究范圍擴展至非線(xiàn)性周期時(shí)變系統的局部穩定性與分岔計算、等效時(shí)不變形式的構造等.與此同時(shí), Guttalu與 Flasher基于 Poincare映射理論提出了分析周期時(shí)變系統穩定性與分岔的一種新方法. Butcher與 Sinha31將規范化攝動(dòng)理論應用至強內激勵的非線(xiàn)性快周期時(shí)變 Hamilton系統中. Belmont2則提出了周期時(shí)變系統的一種廣義頻響函數法.而‰u與 Agrawal3采用移動(dòng) Chebyshev多項式法對帶有一定控制變量的高維周期時(shí)變系統的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究上述各種近似方法雖各有所長(cháng),但在對高維周期時(shí)變系統的處理上仍存在著(zhù)相當大困難,因而對實(shí)際具有周期運動(dòng)特征的高速機構的動(dòng)態(tài)設計仍缺乏強有力的理論指導4幾類(lèi)具體高速機構動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展342機器的類(lèi)型雖然很多,然而構成各種機器的機構類(lèi)型卻是有限的,而其中相當部分又是在低速狀態(tài)下以機器的運動(dòng)類(lèi)型或運動(dòng)規律的實(shí)現為主要目的,如棘輪機構、槽輪機構等.因此,人們只在運動(dòng)學(xué)范疇內對其進(jìn)行詳盡的研究,而并未花更多的精力去關(guān)注此類(lèi)機構的彈性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,自然,對適用于高速并已廣泛使用的齒輪機構、連桿機構、凸輪機構等機構的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究則引起了很多學(xué)者的關(guān)注.對齒輪傳動(dòng)系統動(dòng)力學(xué)進(jìn)展已有學(xué)者進(jìn)行了評述,故本文主要列舉彈性連桿機構與彈性凸輪機構的動(dòng)力學(xué)研究狀況,以窺一斑41彈性連桿機構4~47基于KED法的彈性連桿機構動(dòng)力學(xué)分析方法相對比較成熟,張策等已對該理論在彈性連桿機構的應用作了較完整的歸納與綜合,其優(yōu)缺點(diǎn)及局限性在上節已陳述.近幾年來(lái),彈性連桿機構動(dòng)力學(xué)模型繼續趨向精細化,計及間隙、時(shí)變等各種復雜因素的非線(xiàn)性系統動(dòng)力學(xué)建模理論逐漸發(fā)展起來(lái),考慮穩定性、內共振等非線(xiàn)性系統特有現象的研究時(shí)有報道,整個(gè)彈性連桿機構動(dòng)力學(xué)的研究已逐漸向縱深方向發(fā)展在具體的研究過(guò)程中, Hsieh與Shaw采用多尺度法對帶柔性連桿的四連桿機構的動(dòng)力穩定性及非線(xiàn)性共振問(wèn)題進(jìn)行了分析,著(zhù)重研究了系統的主參激共振、主共振及超諧共振問(wèn)題Seneviratne等3用無(wú)質(zhì)量連桿及彈簧-阻尼組合單元代替四連桿的間隙,形成所謂的“間隙鉸”,并在分析中發(fā)現該數學(xué)模型存在混沌運動(dòng)現象. Beale與Le分析了帶柔性桿的曲柄滑塊機構的動(dòng)力不穩定區域,并對一些具體情況解析所得響應及其分岔值與實(shí)驗結果進(jìn)行了比較,取得了較好的一致性. Turhan37用 Galerkin法將四桿機構或曲柄滑塊機構的線(xiàn)性化偏微分方程轉換為一組耦合的Hi程,再將連桿的材料內阻尼作為參數繼而研究系統的穩定性問(wèn)題.Yang與Pak38:從單桿模型出發(fā)結合二階攝動(dòng)展開(kāi),分析了閉式彈性連桿機構的動(dòng)力穩定性問(wèn)題,隨后進(jìn)行了實(shí)驗驗證, Farhang與Mdha將線(xiàn)性周期時(shí)變理論應用至曲柄滑塊機構中,采用分段常值法研究了其穩態(tài)響應問(wèn)題中國煤化工198CNMHG在彈性連桿機構的動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域里,我國學(xué)者已取得∫一定的成果張啟先與張玉茹4在其綜述中認為我國學(xué)者對彈性連桿機構用運動(dòng)-彈性動(dòng)力學(xué)方法和柔性多體動(dòng)力學(xué)方法所作的深入研究及在含間隙連桿機構動(dòng)力學(xué)及穩定性研究方面達到了世界水平.限于篇幅,下面僅列少量代表性研究成果以示說(shuō)明.張策等在80年代中期就在試驗研究和理論計算的基礎上對“低階臨界速度”現象進(jìn)行∫解釋,雖未能從周期時(shí)變系統的角度進(jìn)行分析,但已涉及到了超諧共振等非線(xiàn)性現象.王生澤14從時(shí)變系統的角度出發(fā)詳細研究了線(xiàn)性時(shí)變彈性連桿機構的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題.王玉新4-4則較深入系統地研究了彈性連桿機構的主共振、分數共振等非線(xiàn)性本質(zhì)問(wèn)題,繼而又對其低階諧振響應不完全同步機理進(jìn)行了進(jìn)一步的研究.張憲民等7采用虛功原理建立了計入幾何非線(xiàn)性及剛彈耦合項時(shí)具有普適性的彈性連桿機構動(dòng)力學(xué)方程,再用閉式迭代法進(jìn)行了計算,最后將實(shí)驗結果與之比較進(jìn)行了驗證目前,對彈性連桿機構動(dòng)力學(xué)特別是其非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)現象的研究仍在不斷進(jìn)行之中,但分析的對象仍主要集中于其最簡(jiǎn)單的形式—四連桿或曲柄連桿機構上,對具有共性的彈性多桿或組合機構動(dòng)力學(xué)的研究相對而言要少得多.實(shí)際工程中所見(jiàn)的連桿機構要比四連桿或曲鈉連桿機構復雜得多,因而如何滿(mǎn)足工程實(shí)際的要求是日前擺在機構動(dòng)力學(xué)研究者面前最緊迫的任務(wù)42彈性凸輪機構(4862彈性凸輪機構動(dòng)力學(xué)的研究始于50年代.70年代, Koster4首次對彈性凸輪機構振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了歸納與總結限于當時(shí)的理論水平,該書(shū)的理論基礎帶有一定的局限性,但其中的一些動(dòng)力學(xué)模型卻被眾多學(xué)者廣泛采用.80年代,Chen對彈性凸輪機構的動(dòng)力學(xué)及其設計從理論上作了更系統化的歸納與總結.隨后的研究雖取得了許多的進(jìn)展,但與彈性連桿機構動(dòng)力學(xué)研究的進(jìn)展相比卻要遜色些.究其原因,一是連桿機構較具共性,而凸輪機構卻較具個(gè)性;二是為了滿(mǎn)足特定的要求,凸輪機構的運動(dòng)規律往往很復雜,且凸輪與從動(dòng)件間一般存在著(zhù)相當復雜的相互運動(dòng)與力學(xué)關(guān)系;三是凸輪機構的從動(dòng)系統往往就是連桿機構近期,Liu等0針對一凸輪驅動(dòng)的曲柄滑塊機構,在考慮連桿彎曲情況下用有限元法對系統的彈性變形進(jìn)行了分析,考慮了機構本身諸多因素后導出運動(dòng)的線(xiàn)性微分方程,繼而反推設計出凸輪的廓線(xiàn),并在此基礎上考慮當輸入端直流電機的速度存在波動(dòng)時(shí),求得凸輪廓線(xiàn)Ylma等將一直動(dòng)從動(dòng)件平面凸輪機構的從動(dòng)件作為連續體對待,并將黏性阻尼考慮在內,利用邊界條件,得出凸輪系統的固有頻率. Dresse與 Barkan例將重點(diǎn)放在單輸入或多輸入凸輪機構上,將其看作線(xiàn)性時(shí)不變系統,對判斷從動(dòng)件是否與凸輪脫離等工程上所關(guān)心的問(wèn)題進(jìn)行了研究.Bagi與 Kurnool 54對線(xiàn)性時(shí)不變彈性凸輪系統采用截斷的 Fourier級數與 Laplace變換相結合的方法,以獲得系統的時(shí)域響應.Yu與Le則在考慮加速度、速度等運動(dòng)約束及邊界條件限制情況下,對滾子直動(dòng)從動(dòng)件凸輪系統的凸輪基本尺寸進(jìn)行了優(yōu)化.馮志華與胡海巖圓對動(dòng)力約束與幾何約束聯(lián)合作用下前述機構的凸輪基本尺寸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究,得出了低、中、高速下優(yōu)化的準則Chew與 Chuang67采用廣義 Lagrange乘子法對一單自由度線(xiàn)性時(shí)不變凸輪系統殘余振動(dòng)的最小化問(wèn)題進(jìn)行了研究.馮志華與胡海巖提出了系統響應與構件強度共同約束下彈性凸輪系統動(dòng)態(tài)設計的實(shí)現方法與具體步驟.針對實(shí)際彈性凸輪系統具有周期時(shí)變及非光滑特征, Mahyuddin與Mdha等90對彈性凸輪系統的參激振動(dòng)及其穩定性進(jìn)行了評述,并采用分段常值法對一分析對象在不同的運動(dòng)規律及時(shí)間分配下的穩定風(fēng)域進(jìn)行了數值計算.馮志華與蘭向軍6基于大多數實(shí)際凸輪機構只在空間有限范圍運動(dòng)的客觀(guān)現實(shí),采用多尺度法結合 Fourier級數展開(kāi)對其穩定性問(wèn)題進(jìn)行了分析,得出了穩定區域近似的臨界邊界表達式,并與文獻(6o]的實(shí)例進(jìn)行了對照,得到將目光瞄向了凸輪的間隙問(wèn)題,將油膜看成是存在于中H中國煤化為忠則CNMHG系統,建立了動(dòng)力學(xué)模型和運動(dòng)微分方程,分析并計算∫油膜厚度、等效剛度等影響下的平底從動(dòng)件凸輪機構的動(dòng)力響應問(wèn)題目前,對彈性凸輪系統動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究時(shí)有報道,但由于非線(xiàn)性理論未能足夠地滲入到該領(lǐng)域,其研究的深度與廣度仍顯不足,結果與工程要求仍有相當距離,從而制約了高速彈性凸輪機構動(dòng)態(tài)設計理論的深入與完善5帶間隙機械系統的動(dòng)力行為的研究現狀637由于零、部件間運動(dòng)的仔在,所有的機構都存在間隙當機構的速度達到一定程度時(shí),零、部件間的碰撞振動(dòng)有可能改變機構動(dòng)力系統運動(dòng)的拓撲結構,給機構的動(dòng)態(tài)設計帶來(lái)了相當大的難度Shw與 Holmes6首次用現代動(dòng)力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)研究了一類(lèi)帶間隙振子的非線(xiàn)性動(dòng)力行為.隨后,許多學(xué)者都投身于帶間隙機械系統的碰撞振動(dòng)研究領(lǐng)域,取得了較多的成果.胡海巖在90年代中期詳細評述了帶間隙等非線(xiàn)性因素的機械動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展情況。近幾年來(lái),該研究領(lǐng)域又取得了許多的進(jìn)展,這從部分學(xué)者的一些研究成果中可窺一斑.金棟平與胡海巖65首先以單自由度振子與剛性約束面等碰撞振動(dòng)作為分析對象,采用 Newton碰撞模型,給出了系統簡(jiǎn)諧激勵下周期運動(dòng)的精確解和穩定性結果,并討論了系統參數對周期運動(dòng)的影響,繼而他們將目光轉向彈性體的碰撞振動(dòng)問(wèn)題,以?xún)蓮椥粤簽榕鲎搀w,取基頻振型并結合用多項式逼近的 Hertz接觸模型描述碰力,研究了系統的自由碰撞問(wèn)題,緊接著(zhù)又研究了在簡(jiǎn)諧激勵下系統的周期運動(dòng),特別是1內共振條件滿(mǎn)足與否情況下的彈性體的運動(dòng).羅冠煒與謝建華6解析地分析了雙自由度碰撞振動(dòng)系統的Hopf分岔情況,同時(shí)數值上觀(guān)察了系統由環(huán)面失穩通向混沌的不同途徑.最近,他們釆用 Poincare截面并結合中心流形定理,分析了一個(gè)碰撞振動(dòng)系統的兩種強共振情況,揭示了系統由擬周期運動(dòng)向混沌運動(dòng)的演化過(guò)程.李哲對連桿機構運動(dòng)副問(wèn)的間隙用一剛性的無(wú)質(zhì)量桿(間隙桿)進(jìn)行描述,并進(jìn)行了運動(dòng)副元素分離的判斷準則問(wèn)題的研究.近期,鑒于實(shí)際多數機構具有周期特征的特點(diǎn),一些學(xué)者將目光移向了帶間隙周期時(shí)變系統的動(dòng)力行為研究領(lǐng)城. Kahraman等2對參激激勵與外激勵同時(shí)作用下帶問(wèn)隙時(shí)變系統的穩態(tài)響應進(jìn)行了分析,用廣義諧波平衡法尋求周期解,并著(zhù)重分析了主共振區系統的響應情況,同時(shí)在齒輪系統的實(shí)驗中證實(shí)了亞諧共振現象的存在. Natsiavas等以帶側隙齒輪嚙合系統為研究對象,將其看作為帶周期系數的分段線(xiàn)性系統繼而分成若干區間,并利用攝動(dòng)法尋找系統的近似周期解.而 Kahraman等阿設計了一帶間隙齒輪傳動(dòng)箱,進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗,發(fā)現了系統存在軟特性、跳躍、亞諧共振、超諧共振、叉型分岔及混沌運動(dòng)等復雜的非線(xiàn)性現象.目前,在其它具體具有周期特征的機構上尚未見(jiàn)有類(lèi)似的研究報道間隙的普遍性與重要性使其在高速機構動(dòng)力學(xué)分析中占據著(zhù)相當重要的位置,但迄今為止我們仍缺乏對它的足夠認識,以至對實(shí)際機構的設計中需要動(dòng)配合或間隙時(shí)往往以經(jīng)驗取代理論指導,帶有相當大的盲目性.另外,問(wèn)隙往往又是磨損的產(chǎn)物,其機理及關(guān)系十分復雜6柔性機構振動(dòng)的主動(dòng)控制振動(dòng)主動(dòng)控制是一門(mén)新興的交叉學(xué)科,通過(guò)主動(dòng)控制技術(shù)使機構的動(dòng)態(tài)響應得到抑制是高速機構設計者所追求的目標.對柔性機構振動(dòng)主動(dòng)控制始于80年代中后期,控制理論多方面的完善及計算機在計算速度、處理信息規模上的迅猛發(fā)展,給柔性機構振動(dòng)的主動(dòng)控制提供了可能性.雖然該領(lǐng)域已有不少成果,但大多仍局限于實(shí)驗室范圍內的學(xué)術(shù)性研究,到大量在工程中應用仍有相當大的距離由于目前該領(lǐng)域的研究在形式上有許多相同之處中國煤化工 Chent7S基20CNMHG于模態(tài)控制理論策略,選擇壓電材料作為作動(dòng)器,將四連桿機構中的柔性連桿分成六個(gè)單元,根據仿真結果確定了作動(dòng)器的最佳放置位置,最終結果顯示所期望的閉環(huán)結構阻尼可達到較高值. Cuccio等惻為了減小兩點(diǎn)間運動(dòng)彈性系統的殘余振動(dòng),在控制目標中預先設置所期望的分段常值化加速度,并設計了兩套實(shí)驗裝置進(jìn)行相關(guān)試驗,結果表明選擇的目標即使精度很低,殘余振動(dòng)仍能得到有效的消除張憲民等應用模態(tài)控制理論,對柔性機構彈性振動(dòng)主動(dòng)控制的原理與策略進(jìn)行了研究,給出了相應的最優(yōu)控制規律并對其穩定性進(jìn)行了討論.而唐力偉阿采用壓電陶瓷作為驅動(dòng)器,對柔性連桿和柔性搖桿進(jìn)行實(shí)時(shí)最優(yōu)控制,取得了一定的效果.姚燕安和張策對含凸輪機構的機械系統的振動(dòng)控制已進(jìn)行了綜述,故在此不再細述7值得研究的若干問(wèn)題首先,應建立更為精確的髙速機構動(dòng)力學(xué)模型,該模型不僅應正確反映出構件彈性變形對機構大范圍運動(dòng)的影響,而且還應正確體現出機構的大范圍運動(dòng)對構件彈性變形的耦合程度,同時(shí)結合大多數機構具有周期運動(dòng)特征,建立起具有針對性的有效、可靠的數值計算方法,最終逐漸形成成熟的高速機構動(dòng)力學(xué)仿真軟件系統目前對帶間隙分段機械系統的研究大多局限于以間隙量為定值作前提來(lái)進(jìn)行,且模型維數較低.但實(shí)際高速機構在設計、制造過(guò)程中,各構件尺寸是以滿(mǎn)足一定的公差范圍為設計及加工之基本要求,再者,多數高速機構具有周期運動(dòng)特征,故實(shí)際高速機構中許多間隙往往以周期時(shí)變間隙或符合一定概率分布的隨機間隙甚至二者的復合形式出現。因此,研究帶周期時(shí)變間隙或隨機間隙分段高維機械系統的動(dòng)力行為則更具有實(shí)際意義彈性機構振動(dòng)主動(dòng)控制的研究目前大多集中于采用壓電晶體作為作動(dòng)器,實(shí)施對象主要為最簡(jiǎn)單的平面四連桿機構,且控制形式及效果與工程實(shí)際高速機構的要求存在著(zhù)相當大距離因此,研究、探索更為理想的作動(dòng)裝置及合理的控制策略仍為高速機構振動(dòng)主動(dòng)控制的主要發(fā)展方向在較透徹地理解掌握了高速機構非線(xiàn)性動(dòng)力行為及其特性后,必須逐步系統性地形成考慮眾多非線(xiàn)性因素的特定彈性機構甚至帶有共性的彈性機構動(dòng)態(tài)設計理論,建立起一些動(dòng)態(tài)設計的準則8結束語(yǔ)高速機構動(dòng)力學(xué)深入研究的過(guò)程可以說(shuō)是非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)及相關(guān)控制理論向其滲透的過(guò)程,這其中包括對諸如材料非線(xiàn)性、結構幾何非線(xiàn)性、摩擦與磨損機理、非光滑特性等相關(guān)非線(xiàn)性領(lǐng)域自身的不斷深入與完善,包括機、電、液、光等作為一體的控制系統的參與.在這不斷滲透深入的過(guò)程中,具體研究對象在逐漸被剖析過(guò)程中又會(huì )產(chǎn)生出許多新的更為復雜的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)與控制問(wèn)題,向研究者提出新的挑戰,而正是有了這些挑戰,才會(huì )激發(fā)人們不斷地去探索、去追求,最終達到較完善的高速機構的動(dòng)態(tài)設計理論的形成參考文獻1張策,黃永強,王千良,陳樹(shù)勛.彈性連桿機構的分析與設計.北京:機飯1.業(yè)出版社,19962 Bae D S, Haug E J. 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The advances in the fields of flexible multibodydynamics and time-periodic systems, which are the bases of dynamics research in the fields ofhigh-speed mechanisms, are surveyed at first Then, the state-of-arts of the dynamics researdsome typical mechanisms such as linkage mechanisms and cam-follower mechanisms is introduin detail. The research on the dynamics of mechanisms with clearances is followed with interestand the advances of active vibration control in flexible mechanisms are briefly dealt with. finallya number of open problems in the fields concerned are addressedKeywords dynamics of mechanism, nonlinear dynamics, flexible multibody dynamics, time-periodic system, clearance, active vibration controlThe project supported by the National Natural ScienceyH中國煤化工CNMHG