運動力學研究范例

摘要：運動力學研究的是物體的運動規律。這一理論在諸多領域中都有應用，在機械結構設計中也有著非常重要的應用。就此展開了討論，簡述了機械結構的設計特點及設計要素，分析了運動力學在機械結構設計中的應用準則，詳細闡述了其在機械結構設計中的具體應用。

關鍵詞：運動力學；機械結構設計；應用

機械結構設計是一項復雜的工作。運動力學對機械結構設計具有理論指導作用。在機械結構設計不斷創新的背景下，研究人員也在深入研究運動力學理論，以此希望優化機械結構設計，提升機械結構設計質量。

1機械結構設計特點及設計要素

1.1機械結構設計特點

機械結構設計具有以下特點：（1）一體化設計。機械結構設計思考、繪圖、計算等工作是統一的、緊密相連的。這就意味著機械結構設計的工作量比較大，出現的問題比較多，設計人員若想保證機械結構設計的質量，就要深入探討整個機械結構設計過程，盡可能地保證每一個設計環節都能準確、完善。（2）涉及的問題比較多，且具有復雜、多解的特征。比如，對于同一個設計，可以制定多個設計方案。作為設計人員，應充分發揮自身的主導作用，從中選擇最佳的設計方案，保證機械結構設計的質量。（3）活躍性最強。在機械設計中，需要對方案不斷地修改、優化、完善，以滿足設計要求。這一過程是非常繁瑣、復雜的。

1.2設計要素

一、非線性動力學方法

近年來,非線性動力學特別是分形幾何和混沌科學的理論被廣泛地應用于許多領域,包括經濟學、生物學、醫學和社會學等方面的研究。在生物醫學中的應用主要是對生物醫學信號的非線性動力學參數的計算,進而通過比較這些參數分析結果以得到可靠的醫學信息。常用的非線性動力學參數主要包括:維數、熵及李亞普諾夫指數。

1.維數

維數是用來描述物體的空間幾何形狀,如1維、2維等日常所說的整數維及如1.5維、3.5維等分數維的幾何空間形狀。為了分析信號的分形特征,測量的信號在不同時刻之值生成重構坐標矢量,從而構成相空間(即重構相空間)。分形維數分析了信號在不同尺度下相同程度的復雜特性,信號最基本的分形特征就是它的分數維數。關聯維是分數維的一種,常被用來分析生物醫學信號,按照GP法(GrassbergerandProcaccia,1983)計算出來的,它是一個相空間中軌跡的幾何度量,描述軌跡中兩點的關聯性。關聯維數值的大小表示相空間中軌跡的復雜或不規則程度,所以能夠定量描述嗓音信號的復雜程度。例如,恒定信號(吸引子是一個不動點)的維數是0,周期信號(如正弦波)的維數是1,隨信號的復雜程度而逐漸增加,這樣就可以定量測量聲帶振動的信號,評估其復雜性。

2.熵

熵是描述信號系統的可預測性,是系統混亂無序程度的量度。在非線性動力學中,用熵來估算產生新信息的速率,如熵趨近于0,則系統在作規則運動(如周期運動),相反,如熵值趨近于無窮,則系統處于完全隨機的過程。對于一個混沌系統,可以用熵來測量信號的復雜程度,借此可根據信息的丟失和產生的速率對系統進行分類,判斷系統的復雜程度。周期運動的熵為0,隨機運動的熵為無限大,混沌運動的熵是一個有限的值,可表示信號的不規則程度,這樣也可以量化聲帶振動的信號,評估其復雜程度。

3.李亞普諾夫指數

摘要：隨著我國現代化進程的不斷推進，傳統的剛性機器臂已經無法滿足高速發展的工業生產需求，各項生產性能和工業制造精度也在不斷提高。因此，總質量較輕且結構緊湊的柔性臂結構成為了突破現今工業機器人生產限制的關鍵技術，同時也是工業機器人領域內的研究熱點之一。彈性震動問題直接影響柔性臂的生產性能，本文基于柔性臂原理和結構特點，介紹了柔性臂結構設計和控制系統設計思路，最后通過分析振動影響，從動力學特性以及系統控制策略的角度，展望了柔性臂結構工業機器人的應用前景。

關鍵詞：柔性臂;結構設計;動力學;控制策略

隨著我國工業改革的不斷深入，航空、航天、汽車、重工等工業領域廣泛采用了機械臂進行相關的生產活動。然而，由于現代科技的不斷發展，新技術的不斷突破，傳統剛性機械臂無法實現高精度、高負載、高速的現代化工業生產。因此，柔性臂作為一種能耗低、重量輕的新型自動化操作裝置，受到國內外的廣泛關注，特別是電子儀器的精加工、自動化微裝配生產線、精密儀器生產等領域都廣泛采用柔性臂結構。柔性臂結構工業機器人是一種多輸入、多輸出、非線性的機械臂系統且具有一定的固有振動特性，因而在超高速、高負載等復雜多變的工況下柔性臂結構的動力學運動軌跡極其復雜，長時間作業時機械臂會發生定位誤差、精度下降。因此，需要綜合考慮柔性臂工業機器人的動力學特性和控制策略，進而設計出合理、穩定的機械臂結構。

1柔性臂及其原理

柔性臂工業機器人是通過桿件柔性和關節柔性兩種柔性表現形式來進行工業生產的，這兩種柔性表現形式為工業機器人提供了更多的自由度，并可以將剛性機械臂轉換成具有高自由度的柔性臂。桿件柔性是指在柔性臂運動過程中柔性桿在接觸區產生桿件的彈塑性變形、彎曲、拉伸時，通過波傳遞到桿中對機械臂的承受載荷產生較大影響的一種柔性表現形式。關節柔性是在減速器運轉、轉軸轉動時產生的一種柔性表現形式，柔性臂桿件原理結構如圖1所示：

2柔性臂結構設計要點

柔性臂工業機器人基于結構特性分為柔性桿件臂、柔性關節臂、混合柔性臂等類別。柔性臂由于其特殊的結構特點，在工業生產中會發生柔性形變，柔性臂末端將出現抖動現象使得生產精度無法得到保證，因此設計柔性臂工業機器人的控制系統是極其重要的，需要在保證柔性臂定位精度的同時確保柔性臂系統的穩定性。此外，工業機器人在生產時需要由動力系統驅動機械臂，傳統剛性臂工業機器人大多基于電磁電機構建驅動系統，齒輪、絲杠容易出現傳動誤差以及慣性干擾?，F代超聲電機則具有良好的驅動性能、高精度的控制效果能夠構建響應時間短、結構緊湊的驅動系統，因此現代超聲電機組成的驅動系統被廣泛應用在柔性臂工業機器人系統中。

［摘要］現如今，隨著一些高新技術的不斷崛起，我國生產出了很多現代化的機械。跟傳統的機械不同的是，現代化機械具有更高速、更精密的特點。而且，現代化機械最主要的特征就是其機電子系統具有高度的統一性和協調性，對于現代化機械的分析、設計、安裝以及狀態的檢測和維護來說，都是需要現代力學技術作為基礎的。因此，在本文中，就針對于機械設計中所存在的動力學問題進行了相應的分析。

［關鍵詞］機械；動力學；技術

對于現代化的機械來說，人們不僅要更加精巧地設計出機械結構、零件、以及各個方面的組合形式，還要充分、合理地將其他行業中的科研結果運用進來，設計出新型的機電系統，不僅能夠使機械設備達到高速、高精度、高自動化的狀態，還可以在最大的程度上降低在機械設備上投入的成本以及機械操作者的勞動程度，從而實現操作簡易化和人性化。這些功能的出現，都與人們在現代力學的分析、研究有很大的關系。

1關于現代汽車設計中所存在的動力學問題

汽車，是我們在日常生活中能夠見到的一種極為典型的現代機械產品?，F代汽車是在傳統汽車的基礎上進行技術改造的，并且還在其中引入了現代電子技術、現代力學以及控制理論等技術，從而研制出了一種高新電子控制裝置技術。這種技術在現代汽車的運用中，不僅能夠使汽車擁有高速行駛的功能，還能夠在很大的程度上提高汽車的乘坐舒適性、安全性以及操作便利性等。而且，現代汽車的尾氣排放也會得到相應的控制，擁有更節能、排放性更低的特點?，F如今，人們將很多技術都與汽車融合在一起，包括才誕生不久的電子技術、材料技術以及一些生物技術等，都跟汽車有了聯系。甚至，還有人專門研制出了可以適用于任何汽車的新技術。因此，我們這才能夠看到一些電噴式發電機、電動助力轉向、安全氣囊，以及雷達測距裝置等新技術的出現。為了讓這些裝置和技術能夠得到充分的運用，人們就不得不弄清楚人機之間的關系問題，弄清楚人體的生理承受能力，弄清楚電噴式發動機在工作過程中的噴油參數以及發動機的排放物成分等。另外，還要研究出這些裝置技術的動力學特性以及控制規律，研究出電力汽車和無排放汽車的電機動力學特性和其他相關傳動裝置的動力學特性等。

2關于小、微型機電系統中所存在的動力學問題

現如今，一些小、微型的機電系統已經在人們的生活中開始了廣泛的運用。比方說，人們經常使用的照相機、手表以及一些微型電器，甚至是在航天航空的領域中，都有用到一些直徑僅僅只為幾毫米的超聲電機。甚至，還有更小尺寸的微型機電系統也在運用當中。比方說，噴墨打印機中的微型泵。除此之外，還有一些借助于生物技術或者是化學工藝加工而成的更小尺寸的MEMS、NEMS系統也在逐漸地發展過程中。對于這些微型的機電系統來說，是與傳統的電機或者電泵完全不同的，不管是結構，還是工作原理，都截然不同。這些現代化的微型機電系統完全是利用動力學的原理和現代的控制技術來發揮作用的。在這里，筆者就拿超聲電機來舉例：在通常情況下，超聲電機一般是利用壓電陶瓷等材料的壓電效應來進行工作的。這種壓電效應就是指通過使用20kHz以上的高頻電源，使得壓電材料產生微觀的機械振動，然后通過定子和轉子之間的摩擦作用，將定子的微觀振動轉換成轉子的宏觀直線運動。這種超聲電機的工作轉速和載荷都是通過控制技術和裝置來進行的。超聲電機的使用是屬于一種典型的機電耦合動力學問題，其理論核心就是建立起一種系統性的機電耦合動力學模型，其中包含了驅動電源的輸出特性、定子與轉子之間的摩擦副力學特性，以及定子和轉子之間的動力學特性等等。

摘要：隨著人工智能社會的到來，機器人已經逐漸步入智能制造等各行各業，但機器人不能主動適應外界條件的變化造成其應用的局限性。文章從動力學優化、仿人動作標準、架構優化和交互控制優化等角度探討了一種自適應機器人的優化設計過程，從而提高機器人的自適應性，擴大了機器人的應用范圍。

關鍵詞：自適應性；機器人；智能制造；優化分析

1概述

我國已經邁入人工智能社會，機器人已經逐漸應用于社會的各行各業。雖然國內的機器人在發展過程中取得了較大的進步，但是在適應性等方面仍舊有一定的問題。雖然機器人效率較高，但是還不能完全針對外界條件變化做出自適應調整，造成一定的推廣局限性。

2自適應機器人動力學優化分析

自適應機器人當下應用較為廣泛的有液壓、氣壓和電機驅動三種。但是因為液壓驅動存在漏油的極大危險問題，氣壓速度和重量上存在控制難度，所以二者在高精度場合中應用較少。電機是應用最為普遍的一種，在機械產品中也有廣泛的市場。因為電機驅動的能源較為普遍，在速度和重量上控制都比氣壓有優勢，在安全系數方面比液壓有優勢，所以電機是康復訓練機器人應用最廣泛的驅動方式。噪音較小，也可以在各方面減輕對患者的影響[1]。自適應機器人在研究過程中建立機器人和人體運動學模型，從而將機器人逆運動學方程進行求解，通過以上結論，分析系統工作時人體下肢相關參數以及人體運動之間的關系。最后再機械臂靜力學和動力學方程進行計算和求解，算出機器人各關節所受扭矩的動力學方程和靜力學方程。自適應機器人的機構一般有兩套，包括左腿機構和右腿機構，在運動過程中，傳送帶可以約束左右腿機構的滑塊，運動過程中，機器人具有三個自由度。一個自由度通過電機驅動傳送帶，來控制組右腿的往復運動，另兩個自由度在電機驅動下帶動左右踏板，完成對踝關節的調節，使得在這一過程中，踝關節的舒適度達到要求。

3自適應機器人仿人動作標準優化分析

【摘要】為提高海岸動力學課程的教學效果，文章基于工程教育認證的要求及目標，圍繞課程教學改革進行了探討，以學生為中心，以培養目標為導向，明確了教學目標，并提出了教學改革策略，優化教學體系，利用參考資料及課程網站，采用傳統教學與多媒體教學、工程案例教學、實踐教學相結合的教學手段，多樣化考核方式，并完善持續改進機制，以提高教學質量，激發學生學習的主動性和創新性，培養綜合性工程人才。

【關鍵詞】海岸動力學;工程教育認證;教學方法;持續改進

工程教育是我國高等教育的重要組成部分，在高等教育體系中“三分天下有其一”。針對工程教育開展的中國工程教育認證工作由中國工程教育專業認證協會組織開展，其目標是：構建中國工程教育的質量監控體系，推進中國工程教育改革，進一步提高工程教育質量；建立與工程師制度相銜接的工程教育認證體系，促進工程教育與企業界的聯系，增強工程教育人才培養對產業發展的適應性；促進中國工程教育的國際互認，提升國際競爭力。[1]工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎，其核心是確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求，是一種以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價。為促進工程專業發展，提高學生專業素養與能力，加快工程教育國際化進度，中國海洋大學響應國家號召，于2017年開展并順利通過了港口航道與海岸工程專業認證。海岸動力學作為港航專業的核心課程，是學生實現畢業要求，達到培養目標的重要保障。

一、課程介紹

海岸動力學是海岸工程和海岸帶資源綜合開發利用的理論基礎，對于利用與開發海岸帶、保護海岸工程至關重要，更是海港建設的關鍵。海岸動力學主要任務包括：研究自然動力因素（主要是波浪、波生流、潮流）對于海岸及海岸建筑物的作用；掌握海岸泥沙運動規律；了解海岸變形（沖刷和淤積以及海岸地貌的形成和演變）規律。

二、課程目標

學生將通過學習該課程，了解海岸動力環境的基礎知識；掌握微幅波理論、有限振幅波理論以及各種波浪理論的適用范圍；掌握波浪短期統計特性和波浪譜概念，掌握波浪傳播變形、輻射應力以及波生流物理產生機理；掌握推移質輸沙率、懸移質輸沙率、波流共同作用下的輸沙率；了解海灘上的泥沙運動與岸線變形并掌握海灘平衡剖面概念；了解淤泥質海岸上港口及航道回淤量的估算方法和岸灘演變、海岸防護；使學生在港口規劃布置及海岸工程的環境影響等方面有一定的基礎知識，為學習專業課程以及今后從事科學研究打下基礎。

摘要：“自動武器動力學”是自動武器專業的基礎課程，是一門理論性與實踐性極強的課程。由于課程難度較大，該文針對傳統教學方式存在的不足，采用翻轉課堂教學方式，圍繞“線上教學+線下教學+現場學習”的混合教學模式，進行“自動武器動力學”課程設計及教學方法改革的探討，以期通過教學改革激發學生的學習興趣，加深學生對專業知識的理解和掌握，培養學生科學思維和創新能力。

關鍵詞:自動武器動力學；翻轉課堂；教學改革

“自動武器動力學”是自動武器專業的基礎課程，教學目的是使學生掌握經典自動機動力學的基本理論和現代設計方法（如計算多體動力學和有限元方法）進行自動武器運動和動力分析。通過對自動武器各運動構件運動規律的分析與討論，為分析和設計自動武器提供理論依據與指導，為解決自動武器研制中出現的機構可靠性和射擊精度等問題提供理論與技術支撐。“自動武器動力學”課程的理論性與工程實踐結合緊密，而傳統的教學模式存在課堂氣氛沉悶、實踐動手能力培養不足、考核不夠全面等問題。翻轉課堂教學模式采取學生課前預習、完成課程基礎理論學習，課上針對具體問題與教師互動的方式，完成教學活動[1]。翻轉課堂教學模式既符合“自動武器動力學”課程的特點，又能提高學生的學習興趣和課堂教學效率。對于“自動武器動力學”翻轉課堂教學設計的研究具有重要的理論和實踐意義。基于翻轉課堂教學理念，本文對“自動武器動力學”課程進行課程設計和教學單元改革。在教學方式上采用“線上學習+線下學習+現場學習”的混合教學模式。本文主要圍繞教學設計中的以下內容開展研究：教學內容的組織和設計；課前任務和資源的準備；基于問題導向的分析案例設計；線上自學效果檢驗和過程性考核設計；等等。

1教學內容的組織和設計

“自動武器動力學”課程的知識體系由淺入深，層層遞進。本文將傳統的教學內容劃分為11個學習專題，包括理論學習專題和實踐學習專題。理論學習專題（包括常規自動機運動特性估算等共6個理論專題）主要采用線上線下相結合的教學模式，線上教學采用微課模式，線下的課堂教學環節采用對話式教學，由教師提問，引導學生進行思考，接著通過習題演練（共16個關聯習題），幫助學生更好地學習和掌握。在理論專題學習結束之后，根據實際科研問題開展基于現代設計方法的實踐專題（包括典型發射機構動力學分析、供彈可靠性分析、拋殼可靠性分析等5個實踐專題）的學習，采用以問題為導向的案例分析方式和線上線下相結合的教學模式。線上教學主要提供自動機動作過程、典型故障再現視頻和相關文獻資料，學生線上開展討論與故障探究；在線下課堂教學環節，教師講解分析模型，建立關鍵環節，學生采用小組協作模式，組成分析小組，針對典型故障問題開展仿真分析研究。有專家[2]指出，合理設計線下教學與線上學習的時間比例是混合式學習的關鍵。本課程將理論學習作為線上學習的重點，實踐學習主要依靠線下學習和現場指導，避免了學習活動和內容的重復，讓線上學習、線下學習和現場學習活動相輔相成。往年的學生考核結果顯示，理論學習難度較大，學生掌握程度普遍不高。而通過線上教學方式，教師將理論課微課上傳至線上，學生可以反復學習。線上教學數據統計顯示，2017級學生對于課程知識難點的平均反芻比達210%以上，表明學生對關鍵知識點的掌握更好。

2教學任務分解

2.1課前線上學習。教師在網絡教學平臺建設網課、錄制微課，通過線上平臺消息推送、教學QQ群布置學習任務。教師向學生提供相應的學習資源，設置任務點，督促學生學習視頻和教學資料，完成知識點的學習。

本文旨在以前人研究成果為基礎，對全球構造動力體制和復合造山作用的一些基本問題提出認識，供大家討論，而有關不同構造動力體制下形成的區域成礦地質環境及其專屬的成礦作用將另文再行討論。

全球構造動力體制

1.大洋動力體制

全球性的構造動力體制決定全球性的構造體系。自20世紀50～60年代海底擴張-板塊構造學說提出以來，經過幾十年的豐富和發展，其理論體系日趨成熟和完善，逐漸成為統一固體地球科學領域全球性構造研究的經典學說。板塊構造理論的提出，成功的回答了先前其他構造學說難以解釋的一些地學問題，如大陸裂解、大洋擴張、板塊俯沖、火山地震和板塊(大陸)邊緣成礦等。其最大的成功之處就在于解決了這些現象產生的動力來源，認為板塊的相互作用是引起大地構造活動的基本原因。有關于板塊構造理論的基本觀點、基本理論、基本知識及其最新發展已有眾多的文獻加以報道，此不詳述。板塊構造源于大洋，描述和解釋的是以水平運動為主導(水平運動激發垂直運動)的板塊構造導致的大陸邊緣增生和大洋板塊消失及與其相關的構造、巖漿(火山)、成礦、地震和運動現象。

盡管至今還沒有完整理論闡明板塊運動的驅動力和地幔對流機制，但基于板塊運動開啟自海底擴張，不妨將板塊構造的動力學體制稱為大洋動力體制，基于大洋動力學體制研究的科學就是大洋動力學(馬宗晉和高祥林，2004;李錦軼，2009)?，F代地球上，大西洋、印度洋屬于大洋動力體制演化的早期階段，太平洋中脊及東西兩岸地區屬于高峰期，而地中海則屬于其晚期。而在地球化學的歷史上，可能與超大陸旋回一致，許多地區曾經歷了大洋構造動力體制的演化。如在青藏高原和西南三江地區，李光明等(2000)論證了夾于班公湖-怒江和雅魯藏布江兩條巨型板塊結合帶之間的岡底斯構造帶，是一個經歷有晚古生代-中生代復雜的多島弧-盆系演化歷史;而潘桂棠等(2001)則系統討論了東特提斯古生代-中新生代多島弧盆系的演化過程。顯然其歷史上經歷了典型的大洋構造動力體制的控制。

2.大陸動力體制

“板塊構造”并不直接等價于全球構造(馬宗晉和高祥林，2004;張旗，2008)。近代大陸巖石圈流變學、地震反射剖面及大陸科學鉆探的成果揭示，不同于簡單的大洋剛性塊體，大陸巖石圈是一個不均一、不連續、具多層結構和復雜流變學特征的復合體(許志琴等，2008)。大陸下面的軟流圈也沒有全球意義，一些古老大陸的山根深深地插入(可達400km)地幔之中，構成穩定的大陸核心，大陸巖石圈的“殼內流層”使其剛性明顯不足，并且其化學邊界層和熱邊界層要比大洋厚得多和老得多，大陸流變學結構和演化過程十分復雜，所以，其動力學過程與大洋巖石圈是不同的。因此人們愈來愈發現運用經典的板塊理論很難解釋大陸地質，具有復雜流變特征的大陸巖石圈使板塊構造理論“登陸”受到很大的阻力。這正如美國大陸動力學計劃(1989年)所指出的“大陸物質的增生和消減過程仍然是一個謎”，“板塊構造理論并未闡明大多數動力作用，特別是發生在大陸地區的作用”，所以，當20世紀90年代國際巖石圈計劃從結構構造演化轉向過程與動力學時，大陸動力學作為優先發展的領域就應運而生了，現已迅速成為當代地球科學的重要前沿。