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第一章绪论

机械系统动力学是研究机械在运行过程中的受力情况以及在这些力作用下的运动状态

的一门学科。所谓动力就是受力是随时间变化的。在以往的多数设计中都是进行类比设计和

静态设计，而对于系统的动力设计进行的较少，但是随着现代化技术的发展，各个工农业部

门当中迫切需要大量的高速、高效、高精度、重载、大功率和高度自动化的机械，而要实现

这种目标，其中首要任务就是必须进行动态设计，研究机械系统在实际工作状态下的受力变

化、运动情况及其动态行为。所以机械系统动力学这门学科就显得越来越重要了，特别是在

航空、航天系统中，机械的运转速度很高，动力问题更加突出，就更需要研究和重视动力学

问题。

第一节机械系统

1.机械系统

所谓机械系统是由一些机械元件组成的系统，例如平面连杆机构系统，由凸轮元件组

成的凸轮机构系统，由齿轮元件组成的齿轮系统等等。这些元件常常与电气系统、液压系统

等结合起来，组成一种新的系统。如：机和电结合形成的机电一体化系统等。因此，机械系

统动力学也常常研究这些系统的动力学问题，所以研究机械系统动力学具有特别重要的意

义。

2.动力学研究的问题

在研究一个系统的动力学问题时，总是给系统施加一个输入信号，观察和检测其输出

信号，来辨明系统的特性，常采用图1-1的框图来表示。

图1-1

在此将系统输入信号称为激励，把系统在激励作用下的动态行为即输出信号称为响应。

根据图1-1的模型框图，那么动力学研究的问题可归纳为以下三类。

（1)已知激励x和系统S，求响应y这类问题称为系统动力响应分析，又称为动态分析。

这是工程中最常见和最基本的问题，其主要任务在于为计算和校核机器、结构的强度、刚度、

允许的振动能量水平提供依据。动力响应包括位移、速度、加速度、应力和应变等。

(2)已知激励x和响应y，求系统S这类问题称为系统辨识，即求系统的数学模型及其结

构参数，简称所谓求系统。主要是指获得系统的物理参数（如质量、刚度及阻尼等），以便

了解系统的固有特性（如固有频率、主振型等）。在目前现代化测试试验手段已十分完善的

情况下，这类研究十分有效。

(3)已知系统S和响应y，求激励x这一类问题称为环境预测。例如，为了避免产品在运

输过程当中的损坏，需要通过实测记录车辆的振动或产品的振动，以便通过分析来求解激励

而了解运输过程是处于怎么样一种振动环境之中以及对产品产生怎样的激励，为减振包装提

供依据。又如飞机在飞行过程中，通过检测飞行的动态响应，来预测飞机处于一种什么样的

随机激励环境之中，这也属于这方面的研究内容。

具体地讲：机械系统动力学研究的问题大体可归纳为以下几个方面：

1)确定系统的固有频率，预防共振的发生。

2)计算系统的动力响应，以确定机械或结构受到的动载荷或振动的能量水平。

3)研究平衡、隔振和消振方法，消除振动的影响。

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4)

5)进行振动诊断，分析事故产生原因及控制环境噪声。

6)振动技术的利用。

本课程主要讨论(1)类问题即动态分析问题，至于(2)和(3)已形成独立学科，在此不作讨

论。

力学模型与数学模型

在分析一个动态系统时，必须首先建立与实际系统接近的一种物理模型，称为力学模型，

然后根据此力学模型建立数学模型，来分析系统的动态特性。因此，