一般动态设计法简介

一般动态设计法（见图8-1）是以提高产品结构性能为主要目标、以线性动力学理论为基础的动态设计法，具体地说，它的主要目标是使机器获得优良的结构性能：产品的工作可靠性、人机安全性、工作耐久性、环境无害性、造型艺术性和设计经济性等。

本书所述的动态设计是广义的，对于一般动态设计也是如此，指的是对机器的运动学和动力学相关的所有主要问题进行分析与计算，而不是一般意义上的狭义动态设计。它主要包括以下两方面的内容：

（1）动力学设计（主要研究的是线性动力学设计）这里所述的一般动态设计法应是一种以提高机器结构性能和工作性能为目标，以线性动力学理论为基础，以机器运动学和动力学分析与计算为内容，以广义优化为手段的动态设计。

（2）可靠性设计 可靠性设计是对机器零部件和可靠度进行计算，以保证机器零部件安全和可靠地工作。可靠性设计研究的重点是多自由度线性随机振动问题。

图8-1 一般动态设计法的理论框架

机械动态设计的目的是希望所设计的机器在投产后，能在较理想的状态下工作，即不仅能获得满意的性能指标，还能安全可靠和持久地工作。

具体地说，机械动态设计应包括以下两类目的：

1）广义的。在初步设计过程中，根据以往经验和理论成果，对机器的运动学和动力学进行分析，计算其运动学和动力学参数，确定机器及其零部件的形式、形状和尺寸。

2）狭义的。在完成初步设计后，对所设计的机械或其零部件的结构进行建模，研究与分析其动态特性，并在可能情况下进行试验和分析，检验其动态特性是否符合机器工作要求，进而对机械设备的图样进行审核、修改或重新设计。

机械动态设计还因机器的类型不同而有区别，各类机械动态设计的内容是不相同的。目前工矿企业中使用的机械设备大体上可分为两大类：

1）一般机械。这类机械不希望在使用过程中出现振动，对多数机械来说振动是有害的。因此，在动态设计时要设法限制这些有害振动的发生。

2）利用振动的机械。通常称为振动机械，这类机械要求机器工作时产生对工作有用的振动。此外，在振动机械工作时，所出现的振动有的是有用的，但也有一些有害的振动。对于有害振动的处理方法和前一类机械相同。所以，振动机械的动态设计方法既要考虑有用振动的有效利用，也要像一般机械设备的动态设计方法一样，设法消除这些有害的振动，所以振动机械的动态设计较一般机械有更大的普遍性和适用性。下面我们以振动机械为例，讨论现代机械设备的动态设计方法。

首先讨论振动机械的一些特点。振动机械与其他机械设备相比，有根本的区别。一般机械设备通常总是尽力设法采取抑制和控制的方法来减小振动可能带来的危害。相反，振动机械总是设法让振动在工作过程中充分发挥其效益。但同时又要设法减轻由于机器振动可能引起的无用或有害的振动，例如，大长度振动输送机机体的弹性弯曲会引起物料在输送过程中堵塞，必须设法消除。振动机械在连续大振幅的振动情况下工作，其动载荷较大，工作情况也较为复杂，在机器工作时，既存在有用的振动，又存在有害的振动。所以，在振动机械设计时，同时要考虑两方面的问题：①要在设计中采取有效措施，充分利用振动可能带来的效益；②要设法减轻或消除机器工作时带来的有害振动。

振动机械与其他许多机械的共同点是：它们正在向大型化（有少部分向微型化发展）、自动化、集成化、智能化方向发展，工作过程中出现的动力学问题越来越多，对动力学特性的要求也越来越高。因此，对机械整体系统及其零部件，按照动态设计理论与方法进行较全面和系统的设计是一项不可缺少的工作，是保证该类机械和整个系统可靠和有效运行的重要措施和必要手段。特别是近十多年来，随着现代科学技术的发展，诸如非线性动力学理论与方法、现代设计理论与方法，以及计算机技术的迅速发展，应用新的科学技术，对振动机械进行全面和系统的动态设计已成为可能。本节将介绍振动机械所特有的一些动态设计的内容和方法，自然也包括了一般机械设备动态设计的内容和方法。

振动机械的动态设计应该包括两个方面，即如何有效地利用振动和如何防止及消除有害的振动。

（1）有益振动的利用 为有效利用振动，振动机械动态设计的内容大致包括以下几个方面：

1）选择振动机构的形式。例如惯性式、弹性连杆式、电磁式或液压式振动机构，线性非共振式、线性近共振式、非线性式或冲击式等动力学形式，单质体式、双质体式或多质体式振动系统等。

2）振动机械运动学参数的设计计算。主要内容是计算与选择振动机械的工作转速、振幅和振动方向角等。对于振动输送机，还要选择及计算物料在振动平面上的平均速度等。

3）振动机械动力学参数的设计和计算。主要内容是计算与选择振动机械的最佳的动力学状态和参数。为此，必须首先对振动机械振动系统进行动力学建模，然后计算振动机械系统的隔振模态和主振动模态，对于非共振类振动机，主要是计算隔振模态。对于近共振类振动机，上述两种模态均需计算，并在此基础上，计算出振动机械的动力学参数。

4）计算振动系统的质量、阻尼和刚度。主要内容是计算振动系统的结合质量、当量阻尼、隔振弹簧刚度和主共振弹簧刚度。

5）激振器同步性条件的验算。对于多电动机驱动的振动机械，还要验算其同步条件与同步状态的稳定性条件等。

6）振动机械所需功率的计算。

7）各主要零件上作用力及应力的计算等。

（2）有害振动的防止 为防止振动机械工作时产生的有害振动，振动机械动态设计的内容大致包括以下几个方面：

1）振动的隔离。振动机械机体振动的隔离，主要是选择隔振的方案和计算隔振的频率与隔振弹簧刚度。

2）双振动质体系统的平衡。对双质体或多质体振动机，采用两个机体惯性力相互平衡的方法，这是减小振动机体惯性力传给基础或楼板的有效方法。

3）弹性振动的防止。为防止振动机械弹性件产生振动，必须采取防止弹性振动的措施，并进行必要的计算。例如，振动机械的悬吊钢绳出现的弹性振动，大长度输送机槽体的弹性弯曲振动等，应采取相应措施，设法予以消除。

4）振动机械框架的有限元分析及静、动强度计算。例如，振动筛的筛框、压路机机架的有限元分析及静、动强度计算等。

5）振动机械振动系统不稳定振动的预防。振动机械工作时，有时会出现不稳定的振动，应采取有效措施予以消除。(www.xing528.com)

6）弹簧形式的选择与计算等。

7）传动系统的转轴等零件的动强度计算等。

8）振动系统有害振动的控制方法和控制系统的设计等。

9）一般振动机械工作时噪声的控制。

依据振动机械形式和结构的区别，各种振动机械的动态设计的内容还会有所不同。振动机械及其零部件的动态设计的理论和方法，是以现代设计理论和方法为基础，因此，为了搞好振动机械的动态设计，必须学习与掌握现代设计的理论和方法。机械设备动态设计的一般理论和方法，通常包括以下四个方面的内容。

（1）按初步设计图样或实物进行动力学建模 在动力学建模过程中，通常要完成下面一些工作：

1）根据实际机器及其零部件的结构特点，建立可用于动力学分析的力学模型。

2）根据实际机器及其零部件实际工况，确定作用于其上的作用力和载荷谱。

3）对于一般机械系统，要根据机器及其零部件的实际工况，确定该系统的有关振动参数：质量、阻尼与刚度。对于结构件，则应将该结构按照有限元方法划分为可供分析的计算单元。

4）建立系统的动力学方程式。

（2）按照所建立的动力学模型分析与计算系统的动态特性并审核初步设计 所谓机械系统的动态特性，通常是指该机械系统的固有频率、振型及在激振力作用下的响应，以上这些参数和输出数据为机械动态设计提供了必要的基础。

机械系统动态特性的分析，通常包括以下一些内容：

1）根据动力学方程，计算该系统的固有频率。

2）计算与系统固有频率相对应的振型。

3）计算在指定载荷作用下的振动响应。

4）计算构件上各部位的静、动应变与静、动应力。

（3）实物试验或模型试验与试验模型的建立

1）选择试验样机或制作试验模型。

2）选用适当的试验方法。

3）测定所设计机器及其零部件的模态参数和动态特性。

4）依据实验数据，对系统的物理参数（质量、刚度与阻尼等）进行识别。

5）对机器的初步设计数据进行审核。

（4）对机械或结构进行修改设计 根据初步计算结果和实验得到的数据，对系统进行动力修改，通常包括以下内容：

1）确定修改准则，找出应修改的问题。

2）对结构的外载荷进行修改。

3）对结构物理参数（质量、阻尼、刚度）进行修改。

4）对结构的动态特性即固有频率、振型和响应进行修改。

5）对动力模型和对所设计的结构进行修改，以满足工艺指标、工作安全可靠性的要求等。

（5）机器及其主要零部件的可靠度计算 在完成前面所述的动力学计算以外，还应对机器主要零部件的可靠度进行分析计算，以保证机器及其零部件的可靠性。