機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)-第一章 - 副本

1、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)12目錄目錄1 1 緒論緒論2 2 振動(dòng)機(jī)械基礎(chǔ)振動(dòng)機(jī)械基礎(chǔ) 3 3 剛性構(gòu)件組成的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)剛性構(gòu)件組成的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)4 4 機(jī)械系統(tǒng)彈性動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)機(jī)械系統(tǒng)彈性動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)5 5 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的傳遞矩陣法機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的傳遞矩陣法6 6 彈性動(dòng)力學(xué)的有限元法彈性動(dòng)力學(xué)的有限元法31.緒論緒論n1.1機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容n 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究機(jī)械結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷作用下的動(dòng)力學(xué)行為的科學(xué)，是20世紀(jì)中葉才發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科。機(jī)械動(dòng)力學(xué)與機(jī)械振動(dòng)學(xué)是緊密相關(guān)的學(xué)科，它是進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。n 動(dòng)態(tài)載荷作用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，就構(gòu)成一

2、個(gè)動(dòng)態(tài)問(wèn)題。所謂動(dòng)態(tài)載荷即迅速變化的載荷，它包括交變載荷與突變載荷。當(dāng)載荷的頻率成分之一接近或超過(guò)系統(tǒng)的某一固有頻率時(shí)，就必須作為一個(gè)動(dòng)態(tài)問(wèn)題，而不是靜態(tài)問(wèn)題來(lái)處理。事實(shí)上，工程中的許多問(wèn)題都必須看作動(dòng)態(tài)問(wèn)題。4n與靜態(tài)問(wèn)題比較起來(lái)，動(dòng)態(tài)問(wèn)題具有以下特點(diǎn)與靜態(tài)問(wèn)題比較起來(lái)，動(dòng)態(tài)問(wèn)題具有以下特點(diǎn)：n1.復(fù)雜性復(fù)雜性n 造成動(dòng)態(tài)問(wèn)題的復(fù)雜性的主要原因是其載荷作用的“后效性”與其響應(yīng)對(duì)應(yīng)于過(guò)去經(jīng)歷載荷的“記憶性”。前者是指某時(shí)刻作用在系統(tǒng)上的載荷不僅只影響系統(tǒng)在該時(shí)刻的響應(yīng)，而影響系統(tǒng)在此后各時(shí)刻的響應(yīng)；后者則是指系統(tǒng)在任一時(shí)刻的響應(yīng)不只由該時(shí)刻的載荷來(lái)決定，而是由在該時(shí)刻之前系統(tǒng)所經(jīng)受的載荷的全部

3、歷程來(lái)決定，好像系統(tǒng)能記住它過(guò)去的經(jīng)歷一樣。5n 動(dòng)載荷對(duì)系統(tǒng)的作用是首先改變系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)刻的初態(tài)，這些受擾的初態(tài)就按系統(tǒng)內(nèi)在的模式，向前運(yùn)動(dòng)和發(fā)展，然后才能決定系統(tǒng)在其后各個(gè)時(shí)刻的總的響應(yīng)。n 由此可見(jiàn)，一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在受到外加擾動(dòng)時(shí)，其響應(yīng)并不是亦步亦趨地跟蹤載荷的變化，而是力圖表現(xiàn)出它的個(gè)性；對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)施加控制，只有順應(yīng)該系統(tǒng)的內(nèi)在模式，才能收到預(yù)期的效果。由于上述特性，使得對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的辨識(shí)、響應(yīng)預(yù)測(cè)或控制，都要比對(duì)靜態(tài)問(wèn)題復(fù)雜得多。6n2.危險(xiǎn)性危險(xiǎn)性n 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可能十分危險(xiǎn)，其危險(xiǎn)性主要是由兩種因素引起的：其一為共振現(xiàn)象，當(dāng)擾動(dòng)頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，微小的載荷可以引起“軒然

4、大波”，在結(jié)構(gòu)中激起比靜態(tài)響應(yīng)大很多倍的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)與應(yīng)力響應(yīng)，產(chǎn)生巨大的破壞力； 其二為自激振動(dòng)，在一定的條件下，一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(例如金屬切削機(jī)床、軋鋼機(jī)或飛機(jī)等等)，可以在沒(méi)有外加交變激勵(lì)的情況下，突然振動(dòng)起來(lái)，振幅猛烈上升而產(chǎn)生巨大的破壞性。 7 例如機(jī)床上如果發(fā)生這種振動(dòng)，便難于正常地進(jìn)行切削加工，而飛機(jī)如果產(chǎn)生這種振動(dòng)，往往會(huì)產(chǎn)生機(jī)毀人亡的后果。這種振動(dòng)即自激振動(dòng)。它似乎是“無(wú)緣無(wú)故”地發(fā)生的，對(duì)其機(jī)理的剖析及防治都比較困難。8n3.超常性超常性n 動(dòng)態(tài)問(wèn)題的現(xiàn)象、規(guī)律及其防治方法往往超越人們的生活常識(shí)之外，無(wú)法以直觀的方法來(lái)說(shuō)明和理解，而必須通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治?，才能得以解釋和加以預(yù)測(cè)

5、。動(dòng)態(tài)問(wèn)題的許多解答當(dāng)然是在乎道理之中，卻往往又出人意料之外。這里舉一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子。例如，一個(gè)工作機(jī)械，受到一定頻率的擾動(dòng)，而擾動(dòng)頻率又正好等于機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率，于是產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，無(wú)法正常工作。9n 如果不是基于理論分析，而憑“想當(dāng)然”，恐怕誰(shuí)也不敢想象以下的消振方案：在該工作機(jī)械上再加裝一個(gè)子系統(tǒng)，并使此子系統(tǒng)的固有頻率正好等于擾動(dòng)頻率。人們可能“直觀”地以為，這樣以來(lái)，振動(dòng)將會(huì)加倍厲害。但事實(shí)是工作機(jī)械的振動(dòng)竟然完全被消除了，此即所謂“無(wú)阻尼調(diào)諧消振器”。振動(dòng)理論對(duì)其工作原理給出了滿(mǎn)意的解釋。10n 機(jī)械結(jié)構(gòu)或者機(jī)械系統(tǒng)是我們研究的一個(gè)客觀實(shí)體，我們稱(chēng)之為系統(tǒng)系統(tǒng)。n 外界對(duì)系統(tǒng)的作

6、用可以是力(力矩)或稱(chēng)載荷，也可以是運(yùn)動(dòng)，我們通稱(chēng)為激勵(lì)激勵(lì)，前者為力激勵(lì)，后者為運(yùn)動(dòng)激勵(lì)。n 系統(tǒng)受到激勵(lì)后的行為我們則稱(chēng)之為響應(yīng)響應(yīng)。一般用機(jī)械系統(tǒng)的某一個(gè)構(gòu)件或某點(diǎn)的位移(線、角)、速度、加速度的時(shí)間函數(shù)來(lái)表示，其實(shí)機(jī)械中的各構(gòu)件，運(yùn)動(dòng)副中受到的力，如應(yīng)力應(yīng)變也都屬于響應(yīng)。11n 現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)主要研究對(duì)象就是激勵(lì)、系統(tǒng)和響應(yīng)，而其主要研究?jī)?nèi)容就是三者的關(guān)系，歸結(jié)為以下三個(gè)方面的問(wèn)題：n 1.已知載荷和結(jié)構(gòu)參數(shù)求結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，稱(chēng)為響應(yīng)預(yù)估問(wèn)題，它是機(jī)械動(dòng)力學(xué)的正問(wèn)題，也是機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的核心問(wèn)題。這類(lèi)問(wèn)題一般借助于多種動(dòng)態(tài)分析方法(如模態(tài)分析法、機(jī)械阻抗法、有限元法等)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行

7、研究。即為已知激勵(lì)和系統(tǒng)求響應(yīng)。12n 2.已知載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)求結(jié)構(gòu)參數(shù)或數(shù)學(xué)模型，稱(chēng)為參數(shù)辨識(shí)或系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題，它是機(jī)械動(dòng)力學(xué)的第一類(lèi)逆問(wèn)題。n 這類(lèi)問(wèn)題通常要借助于模態(tài)分析的方法來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù)，正確地建立結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并完成從模態(tài)參數(shù)到物理參數(shù)的轉(zhuǎn)換，這樣才能弄清結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。即為已知激勵(lì)和響應(yīng)求系統(tǒng)。13n 3.已知結(jié)構(gòu)參數(shù)和響應(yīng)求載荷，稱(chēng)為載荷辨識(shí)問(wèn)題，它是機(jī)械動(dòng)力學(xué)的第二類(lèi)逆問(wèn)題。n 這類(lèi)問(wèn)題通常先進(jìn)行第一類(lèi)逆問(wèn)題的計(jì)算和測(cè)試，求得結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后方能進(jìn)行載荷辨識(shí)，以弄清外界擾動(dòng)力的水平和規(guī)律。即為已知系統(tǒng)和響應(yīng)求激勵(lì)。14 1.2系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng) 現(xiàn)

8、代的工程問(wèn)題不僅要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的分析，而且還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合，即將所要研究和處理的對(duì)象當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)，看其中元素和元素之間的關(guān)聯(lián)，并從整體的角度來(lái)協(xié)調(diào)好這種關(guān)聯(lián)，使這個(gè)系統(tǒng)在我們所要求的某種性能指標(biāo)下達(dá)到最佳狀態(tài)，這正是系統(tǒng)論的基本思想。從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)看，系統(tǒng)是一些元素的組合，這些組合在一起的元素通過(guò)相互作用共同完成給定的任務(wù)。15n 本課程所要研究的是由機(jī)械元件組成的機(jī)械系統(tǒng)，例如平面連桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，由凸輪元件組成的凸輪機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，由齒輪元件組成的齒輪系統(tǒng)等等。這些元件常與電氣系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)相結(jié)合一種新的系統(tǒng)。如機(jī)和電形成的機(jī)電一體化系統(tǒng)，機(jī)械和液壓結(jié)合形成的機(jī)液控制系統(tǒng)等。n 因此，機(jī)械

9、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)也常常研究這些系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，所以研究機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)具有極其重要的意義。n 分析任何一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，都應(yīng)首先建立它的數(shù)學(xué)模型，建立一個(gè)合理的數(shù)學(xué)模型是分析過(guò)程的關(guān)鍵。機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是指對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述，通常機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是用微分方程來(lái)描述的。n 機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通?？煞譃殡x散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)兩大類(lèi)，也可以根據(jù)描述系統(tǒng)的微分方程是否為線性的，分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。有時(shí)也根據(jù)其數(shù)學(xué)模型的確定性、隨機(jī)性和模糊性進(jìn)行分類(lèi)。1617n1.3離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)n 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是借助于模型進(jìn)行研究，模型是將實(shí)際事物抽象化而得到的。例如質(zhì)點(diǎn)、剛體、梁、板、

10、殼、彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)等等都是抽象化的模型。抽象化的方法并不是脫離實(shí)際，而是為了抓住事物的主要因素，忽略次要因素，在一定的條件下更能深刻地反映客觀實(shí)際。n 任何機(jī)器、結(jié)構(gòu)或它們的零部件都具有彈性與質(zhì)量。若機(jī)械各構(gòu)件的彈性變形很小，以致可以忽略不計(jì)，則可近似認(rèn)為系統(tǒng)是由剛體構(gòu)件組成的，當(dāng)構(gòu)件18 的彈性變形不能忽略時(shí)，則機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型可分為離散系統(tǒng)(或稱(chēng)集中參數(shù)系統(tǒng))和連續(xù)系統(tǒng)(或稱(chēng)分布參數(shù)系統(tǒng))兩大類(lèi)。n 離散系統(tǒng)是由集中參數(shù)元件組成的，基本的集離散系統(tǒng)是由集中參數(shù)元件組成的，基本的集中參數(shù)有三種，即質(zhì)量，彈簧與阻尼器。中參數(shù)有三種，即質(zhì)量，彈簧與阻尼器。圖1-1an 如圖1-1a所示的安裝

11、在混凝土基礎(chǔ)上的精密機(jī)器，為了隔振，在基礎(chǔ)下面一般裝有彈性襯墊。在隔振分析中需要考察機(jī)器與基礎(chǔ)的整體振動(dòng)，這時(shí)機(jī)器與基礎(chǔ)可視為一個(gè)剛體。起著質(zhì)量的作用具有慣性。1920 彈性襯墊起著彈簧的作用，襯墊的內(nèi)摩擦以及基礎(chǔ)與周?chē)s束之間的摩擦起著阻尼的作用。因而這一系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化成圖1-1b所示的集中參數(shù)系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)在數(shù)學(xué)上用常微分方程來(lái)描述。n 圖1-1b 21n 連續(xù)系統(tǒng)是由彈性元件組成的。典型的彈性元件有桿、梁，軸，板、殼等。彈性體的慣性，彈性和阻尼實(shí)際上是連續(xù)分布的，亦稱(chēng)為分布參數(shù)系統(tǒng)，連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)在數(shù)學(xué)上用偏微分方程來(lái)描述。機(jī)械系統(tǒng)中有不少問(wèn)題需要簡(jiǎn)化為連續(xù)系統(tǒng)的模型。n 離散系統(tǒng)和

12、連續(xù)系統(tǒng)形式上代表不同類(lèi)型的系統(tǒng)，似乎它們具有不同的動(dòng)態(tài)特性，但事實(shí)上恰恰相反，因?yàn)殡x散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)只不過(guò)是表示同一物理系統(tǒng)的兩個(gè)數(shù)學(xué)模型而已，由此推測(cè)它們應(yīng)具有類(lèi)似的動(dòng)力學(xué)性態(tài)。22n 盡管這兩種系統(tǒng)分別是由常微分方程和偏微分方程來(lái)描述的，但它們的性態(tài)實(shí)際上是相似的。為了論證這一點(diǎn)，我們將從桿的縱向振動(dòng)微分方程的導(dǎo)出來(lái)說(shuō)明它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。 現(xiàn)在我們討論如圖1-2a所示的兩端固定的桿的縱向振動(dòng)方程。23n 現(xiàn)在我們討論如圖現(xiàn)在我們討論如圖1-2a所示的兩端固定的桿的縱向所示的兩端固定的桿的縱向振動(dòng)方程。振動(dòng)方程。 圖圖1-2an 取桿的縱向作為x軸，各個(gè)截面的縱向位移表示為u(x，t)。

13、桿的微元dx在自由振動(dòng)中的受力圖也在圖中給出。設(shè)桿單位體積的質(zhì)量為、桿長(zhǎng)為L(zhǎng)、截面面積為A、材料的彈性模量為E，桿在x截面處的縱向應(yīng)變?yōu)?x)，縱向張力為FT(x)。dxxuuxdxTFudxxFFTTn由材料力學(xué)可知，在x截面處有：n而在x+dx截面處的張力則為：n桿的微元dx的運(yùn)動(dòng)微分方程為：24 xux xuAEAExFTdxxuxuAEdxxFFTT22dxxuAEtuAdx222225n令c2=E/，則上式可化為： (1-1)(1-1)n式(1-1)稱(chēng)為波動(dòng)方程。桿的縱向振動(dòng)除要滿(mǎn)足上述波動(dòng)方程外，還必須滿(mǎn)足下列邊界條件：n u(0，t)=u(l，t)=0 （1-21-2）n方程式(

14、1-1)和(1-2)即為用連續(xù)系統(tǒng)模型導(dǎo)出的桿的縱向振動(dòng)偏微分方程。 222221tucxun 以下，我們將改用離散系統(tǒng)模型來(lái)研究上述問(wèn)題，并指出當(dāng)離散系統(tǒng)模型取極限時(shí)，它將趨近于上述連續(xù)系統(tǒng)模型。首先將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為圖1-2b所示的由無(wú)質(zhì)量彈簧ki(i=1，2，n+1)和集中質(zhì)量mi(i=1，2，n)組成的系統(tǒng)。n 圖1-2b2627n 為了導(dǎo)出有代表性的質(zhì)量mi的運(yùn)動(dòng)微分方程，可研究圖1-2b中的三個(gè)相鄰質(zhì)量mi-1，mi和mi+1。連結(jié)mi和mi-1及mi和mi+1的線段中的張力分別用FTi-1及FTi表示，這二線段分別為xi-1和xi。n由牛頓第二定律，質(zhì)量mi在水平方向的運(yùn)動(dòng)方程為：n

15、(1-3)221 -11dtudmuukuukiiiiiiii28n方程式(1-3)適用于任一質(zhì)量mi(i=2，3，n-1)，也可用于i=1和i=n，但必須附加一些規(guī)定以反映系統(tǒng)的支承形式，因?yàn)榉匠淌?1-3)對(duì)i=1和i=n分別包含位移u0和un+1，如果桿兩端固支，方程式(1-3)中必須令n u0(t)=un+1(t)=0 為了得到離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)的相似性，我們有必要對(duì)方程式(1-3)作進(jìn)一步討論。n為此引出如下符號(hào)n ui+1-ui=ui1，ui-ui-1=ui iixAEkiixAm29n則方程式(1-3)可化為n (1-4) n注意到方程式(1-4)左邊的兩項(xiàng)實(shí)際上是質(zhì)量mi左邊和

16、右邊之間水平力的增量，據(jù)此，可將方程式(1-4)寫(xiě)成n （1-5） n將方程式(1-5)兩邊除以xi得n （1-6） 2211dtudxAxuAExuAEiiiiii22dtudxAxuAEiiii22dtudExuxiiii30n 如果在式(1-6)中令質(zhì)量mi的數(shù)n無(wú)限增多，而把它們的質(zhì)量mi以及mi之間的距離相應(yīng)地減小，并用連續(xù)變量x代替下標(biāo)的位置，這樣在取極限時(shí)，x0，式(1-6)成為n 上述結(jié)果與連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式(1-1)是一致的，可見(jiàn)，雖然圖1-2a與圖1-2b的外形不一樣，但它們的數(shù)學(xué)模型卻密切相關(guān)。222221tucxu31n 以上完成了從圖1-2b所示離散系統(tǒng)到圖1-2a

17、連續(xù)系統(tǒng)的過(guò)渡，通過(guò)一個(gè)極限過(guò)程，相當(dāng)于把質(zhì)量擴(kuò)展分布到整個(gè)桿。可見(jiàn)這兩種數(shù)學(xué)模型雖然在形式上是極不相同的，但它們之間卻存在著本質(zhì)上的內(nèi)在聯(lián)系。這說(shuō)明了無(wú)論數(shù)學(xué)模型如何選取，許多復(fù)雜的連續(xù)系統(tǒng)總可以離散化進(jìn)行近似計(jì)算。n 例如，可以預(yù)料有限單元法中的數(shù)學(xué)模型與傳遞矩陣法中的數(shù)學(xué)模型，將有相似的動(dòng)力學(xué)特性。32n在工程實(shí)際應(yīng)用中，許多連續(xù)系統(tǒng)的問(wèn)題，不可能求出封閉形式的精確解，只能求出近似解，例如對(duì)非均勻桿等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，總是把連續(xù)系統(tǒng)離散化，然后再集中為離散系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。33 n1.4線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)n 如果一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用線性微分方程來(lái)描述，則該系統(tǒng)稱(chēng)為線性系統(tǒng)。

18、當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)(如坐標(biāo)、速度和加速度等)而變化，并且系統(tǒng)的彈性力和阻尼力都可以簡(jiǎn)化為線性模型時(shí)，則該系統(tǒng)通常為線性系統(tǒng)。在實(shí)際情況中，嚴(yán)格的線性系統(tǒng)是不存在的。但在許多情況下，只要位移不大，按照線性彈簧與線性阻尼的假設(shè)所得到的結(jié)論具有足夠的準(zhǔn)確性，有很好的實(shí)用價(jià)值。34n凡是不能簡(jiǎn)化為線性系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)都稱(chēng)為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是由非線性微分方程來(lái)表示的。n線性系統(tǒng)的重要特征是能夠應(yīng)用疊加原理。疊加原理指出：對(duì)于同時(shí)作用于系統(tǒng)的兩個(gè)不同輸入(激勵(lì))，所產(chǎn)生的輸出(響應(yīng))是這兩個(gè)輸入單獨(dú)作用產(chǎn)生的響應(yīng)之和。35 n 雖然對(duì)于許多實(shí)際系統(tǒng)都可以簡(jiǎn)化為線性系統(tǒng)，但這樣的

19、簡(jiǎn)化必須受到一定的限制。例如大家所熟悉的單擺系統(tǒng)，其擺長(zhǎng)為L(zhǎng)，質(zhì)量為m，如圖1-3所示。n其運(yùn)動(dòng)微分方程式為：n （1-7）n式中，x單擺的角位移 圖1-30sin2xmglxml 36n當(dāng) 很小時(shí)，可用x代替sinx，這樣式(1-7)簡(jiǎn)化為：n （1-81-8）n這是我們所非常熟悉的二階線性方程，其解的周期為 ，即周期不依賴(lài)于初始位移和初始速度，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性。n在大位移的場(chǎng)合下，上述結(jié)論是不正確的，因?yàn)榉匠淌?1-8)對(duì)于大位移式不精確的。如果用sinx冪級(jí)數(shù)的前兩項(xiàng)代替sinx，則在 1rad時(shí)，仍是相當(dāng)精確的。02 mglxxml glT237n并在此假設(shè)下，方程(1-7)簡(jiǎn)化為

20、：n這是一個(gè)非線性方程。根據(jù)非線性方程理論，系統(tǒng)已不具有運(yùn)動(dòng)等時(shí)性。n在非線性系統(tǒng)中，疊加原理已不再適用。求解非線性系統(tǒng)的問(wèn)題大多都是很復(fù)雜的，通常不可能求出它的封閉解。因此，在實(shí)用中總是盡量地將非線性系統(tǒng)在給定條件附近線性化，近似地用線性數(shù)學(xué)模型來(lái)代替。這樣許多只適用于線性系統(tǒng)的方法都可以應(yīng)用。0622xxmglxml 38n1.5確定性系統(tǒng)與隨機(jī)性系統(tǒng)確定性系統(tǒng)與隨機(jī)性系統(tǒng)n系統(tǒng)的激勵(lì)可分為確定性和隨機(jī)性?xún)纱箢?lèi)。n確定性激勵(lì)：系統(tǒng)的激勵(lì)是時(shí)間的確定性函數(shù)，例如正弦與余弦函數(shù)激勵(lì)、脈沖函數(shù)激勵(lì)等。如果系統(tǒng)的質(zhì)量、彈性和阻尼以及激勵(lì)都是確定性的，則系統(tǒng)可用確定性的微分方程來(lái)表示，當(dāng)初始條件已知

21、時(shí)，就可以求出系統(tǒng)之后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種情況稱(chēng)為確定性現(xiàn)象。39n隨機(jī)性激勵(lì)：系統(tǒng)的激勵(lì)是時(shí)間的非確定性函數(shù)，不能用解析式或表達(dá)式給出，但具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，必須用隨機(jī)過(guò)程來(lái)表示。所對(duì)應(yīng)的微分方程為隨機(jī)微分方程，不能實(shí)際表示出來(lái)。例如汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，路面高低凹凸不平給予其汽車(chē)的激勵(lì)，可以看成是隨機(jī)的。這類(lèi)問(wèn)題不屬于本課程研究范圍，在此不贅述。40n1.7機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究方法機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究方法n機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究方法可分為兩大類(lèi)，即動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。n1.結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析n 對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題，動(dòng)態(tài)分析一般借助于多種動(dòng)態(tài)分析方法(如模態(tài)分析法、模態(tài)綜合法、機(jī)械阻抗法、四端參數(shù)法

22、、模態(tài)攝動(dòng)法及有限元法等等)建立結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。41 對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題，動(dòng)態(tài)分析通常首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)一定的準(zhǔn)則建立結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后借助于參數(shù)識(shí)別的方法或系統(tǒng)辨識(shí)的方法進(jìn)行分析。42n2.動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)n 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)包括模態(tài)實(shí)驗(yàn)、力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)等，它是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)，不僅可以直接考核產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)性能，也為動(dòng)態(tài)分析建立可靠的數(shù)學(xué)模型提供必要的數(shù)據(jù)。n 本課程主要考慮機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的正問(wèn)題，主要采用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析。主要分成下列三大部分：剛性構(gòu)件組成的單、雙自由度機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；單、雙以及多自由度系統(tǒng)振動(dòng)；

23、機(jī)械系統(tǒng)的彈性體振動(dòng)。注：由表可見(jiàn)，有些金屬氫化物的儲(chǔ)氫密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的注：由表可見(jiàn)，有些金屬氫化物的儲(chǔ)氫密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的1,0001,000倍，與液氫相當(dāng)，甚至超過(guò)液氫。倍，與液氫相當(dāng)，甚至超過(guò)液氫。 儲(chǔ)氫介質(zhì)儲(chǔ)氫介質(zhì)氫原子密度氫原子密度/1022個(gè)個(gè) cm3儲(chǔ)氫儲(chǔ)氫相對(duì)密度相對(duì)密度含氫量含氫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%標(biāo)態(tài)下的氫氣標(biāo)態(tài)下的氫氣0.00541100氫氣鋼瓶氫氣鋼瓶(15 MPa)0.81150100-253液氫液氫4.2778100LaNi5H66.21,1481.37FeTiH1.955.71,0561.85MgNiH45.61,0373.6MgH26.61,22

24、27.65某些金屬氫化物的儲(chǔ)氫能力某些金屬氫化物的儲(chǔ)氫能力 44碳納米管儲(chǔ)氫材料45 Linde水冷液氫儲(chǔ)罐實(shí)際產(chǎn)品及裝配汽車(chē)照片水冷液氫儲(chǔ)罐實(shí)際產(chǎn)品及裝配汽車(chē)照片 46注：該裝置一次可儲(chǔ)氫注：該裝置一次可儲(chǔ)氫3.1 kg3.1 kg，裝配于，裝配于GMGM的的HydroGen3HydroGen3汽車(chē)上，行駛里程汽車(chē)上，行駛里程為為170170英里。英里。 美國(guó)美國(guó)QUANTUM公司開(kāi)發(fā)的第公司開(kāi)發(fā)的第4類(lèi)車(chē)用壓力儲(chǔ)氫裝置類(lèi)車(chē)用壓力儲(chǔ)氫裝置 472.3 2.3 氫的輸運(yùn)氫的輸運(yùn)壓縮氫氣的運(yùn)輸壓縮氫氣的運(yùn)輸n壓縮氫氣可采用高壓氣瓶、拖車(chē)或管道輸送，氣瓶壓縮氫氣可采用高壓氣瓶、拖車(chē)或管道輸送，氣瓶

25、和管道的材質(zhì)可直接使用鋼材。和管道的材質(zhì)可直接使用鋼材。n現(xiàn)有天然氣管道可以被改裝成輸氫管道，但需要采現(xiàn)有天然氣管道可以被改裝成輸氫管道，但需要采取措施預(yù)防取措施預(yù)防氫脆所帶來(lái)的腐蝕問(wèn)題氫脆所帶來(lái)的腐蝕問(wèn)題。 48n運(yùn)輸液態(tài)氫氣最大的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高運(yùn)輸液態(tài)氫氣最大的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高(1輛拖車(chē)運(yùn)載的液氫相輛拖車(chē)運(yùn)載的液氫相當(dāng)于當(dāng)于20輛拖車(chē)運(yùn)輸?shù)膲嚎s氫氣輛拖車(chē)運(yùn)輸?shù)膲嚎s氫氣)，適合于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，適合于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸(在不適合在不適合鋪設(shè)管道的情況下鋪設(shè)管道的情況下)。n若氫氣產(chǎn)量達(dá)到若氫氣產(chǎn)量達(dá)到450 kg h-1、儲(chǔ)存時(shí)間為、儲(chǔ)存時(shí)間為1天、運(yùn)輸距離超過(guò)天、運(yùn)輸距離超過(guò)160 km，則采用液氫

26、的方式運(yùn)輸成本最低，金屬氫化物運(yùn)輸方式也，則采用液氫的方式運(yùn)輸成本最低，金屬氫化物運(yùn)輸方式也很有競(jìng)爭(zhēng)力。很有競(jìng)爭(zhēng)力。n但運(yùn)輸距離若達(dá)到但運(yùn)輸距離若達(dá)到1,600 km，液氫運(yùn)輸?shù)某杀究杀冉饘贇浠?，液氫運(yùn)輸?shù)某杀究杀冉饘贇浠锏偷?倍，比壓縮氫氣低倍，比壓縮氫氣低7倍。倍。493 氫的應(yīng)用氫的應(yīng)用n氫在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用氫在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用n氫在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用氫在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用50n目前氫氣的主要用途是在石化、冶金等工業(yè)中作為重要原料，目前氫氣的主要用途是在石化、冶金等工業(yè)中作為重要原料，此外此外Ni-MH電池在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車(chē)方面也獲得了廣電池在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車(chē)

27、方面也獲得了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。n對(duì)于未來(lái)的對(duì)于未來(lái)的“氫經(jīng)濟(jì)氫經(jīng)濟(jì)”而言，氫的應(yīng)用技術(shù)主要包括：燃料電而言，氫的應(yīng)用技術(shù)主要包括：燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)池、燃?xì)廨啓C(jī)(蒸汽輪機(jī)蒸汽輪機(jī))發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。n普遍認(rèn)為，燃料電池是未來(lái)人類(lèi)社會(huì)最主要的發(fā)電及動(dòng)力設(shè)備。普遍認(rèn)為，燃料電池是未來(lái)人類(lèi)社會(huì)最主要的發(fā)電及動(dòng)力設(shè)備。 3.1 氫的應(yīng)用概述氫的應(yīng)用概述513.2 燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介及技術(shù)現(xiàn)狀燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介及技術(shù)現(xiàn)狀 燃?xì)廨啓C(jī)是一種外燃機(jī)。與內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：燃?xì)廨啓C(jī)是一種外燃機(jī)。與內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 重量輕、體積小、

28、投資省。燃?xì)廨啓C(jī)的重量及所占的容積一般只有汽輪重量輕、體積小、投資省。燃?xì)廨啓C(jī)的重量及所占的容積一般只有汽輪機(jī)裝置或內(nèi)燃機(jī)的幾分之一或幾十分之一，消耗材料少，投資費(fèi)用低，機(jī)裝置或內(nèi)燃機(jī)的幾分之一或幾十分之一，消耗材料少，投資費(fèi)用低，建設(shè)周期短。建設(shè)周期短。(2) 起動(dòng)快、操作方便。從冷態(tài)起動(dòng)到滿(mǎn)載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪起動(dòng)快、操作方便。從冷態(tài)起動(dòng)到滿(mǎn)載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪機(jī)裝置或大功率內(nèi)燃機(jī)則需幾分鐘到幾小時(shí)；同時(shí)由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)機(jī)裝置或大功率內(nèi)燃機(jī)則需幾分鐘到幾小時(shí)；同時(shí)由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輔助設(shè)備少，運(yùn)行時(shí)操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控，自動(dòng)化程度可以超單、輔助設(shè)備少，運(yùn)行時(shí)操作

29、方便，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控，自動(dòng)化程度可以超過(guò)汽輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)。過(guò)汽輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)。(3) 水、電、潤(rùn)滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水水、電、潤(rùn)滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水地區(qū)運(yùn)行。地區(qū)運(yùn)行。 最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖。它包括三個(gè)主要部件：壓氣最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖。它包括三個(gè)主要部件：壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)。機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)。 燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖 53 燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，目前在以下幾個(gè)領(lǐng)域已大量燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，目前在以下幾個(gè)領(lǐng)域已大量采用燃?xì)廨啓C(jī)：采用燃?xì)廨啓C(jī)：(1)航空領(lǐng)域。由于燃?xì)廨啓C(jī)小而輕，起動(dòng)快，馬力

30、大，因此在航航空領(lǐng)域。由于燃?xì)廨啓C(jī)小而輕，起動(dòng)快，馬力大，因此在航空領(lǐng)域中已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)?？疹I(lǐng)域中已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。(2)艦船領(lǐng)域。目前燃?xì)廨啓C(jī)已在高速水面艦艇、水翼艇、氣墊船艦船領(lǐng)域。目前燃?xì)廨啓C(jī)已在高速水面艦艇、水翼艇、氣墊船等中占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)，在巡航機(jī)、特種艦船中得到了批量采用，海等中占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)，在巡航機(jī)、特種艦船中得到了批量采用，海上鉆采石油平臺(tái)也廣泛采用燃?xì)廨啓C(jī)。上鉆采石油平臺(tái)也廣泛采用燃?xì)廨啓C(jī)。(3)陸上領(lǐng)域。在發(fā)電方面，燃?xì)廨啓C(jī)主要用于尖峰負(fù)荷應(yīng)急發(fā)電陸上領(lǐng)域。在發(fā)電方面，燃?xì)廨啓C(jī)主要用于尖峰負(fù)荷應(yīng)急發(fā)電站和移動(dòng)式電站。站和移動(dòng)式電站。燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域54n由于空氣質(zhì)量

31、不斷下降，各國(guó)均認(rèn)識(shí)到必需降低由于空氣質(zhì)量不斷下降，各國(guó)均認(rèn)識(shí)到必需降低COx、NOx、煙塵等污染物的排放量。在現(xiàn)代社會(huì)中，很大一部分能源通過(guò)煙塵等污染物的排放量。在現(xiàn)代社會(huì)中，很大一部分能源通過(guò)火力發(fā)電、被轉(zhuǎn)化成電能，因此發(fā)電廠是最大的污染源之一，火力發(fā)電、被轉(zhuǎn)化成電能，因此發(fā)電廠是最大的污染源之一，必須對(duì)發(fā)電設(shè)備加以必要的改進(jìn)。必須對(duì)發(fā)電設(shè)備加以必要的改進(jìn)。 n出于降低出于降低NOx排放量的目的，目前氫主要是以富氫燃?xì)馀欧帕康哪康?，目前氫主要是以富氫燃?xì)?富氫天富氫天然氣或合成氣然氣或合成氣)的形式應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)于純氫作為的形式應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)于純氫作為燃料氣的報(bào)道很

32、少。燃料氣的報(bào)道很少。 氫氣在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用氫氣在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用553.3 開(kāi)發(fā)氫電池還是氫發(fā)動(dòng)機(jī)？開(kāi)發(fā)氫電池還是氫發(fā)動(dòng)機(jī)？n人們?cè)陂_(kāi)發(fā)使用氫或其他燃料的電池方面做了大量的工作，取人們?cè)陂_(kāi)發(fā)使用氫或其他燃料的電池方面做了大量的工作，取得了一定的成果。但燃料電池仍然有一些缺點(diǎn)，如價(jià)格高、體得了一定的成果。但燃料電池仍然有一些缺點(diǎn)，如價(jià)格高、體積大、冷啟動(dòng)性能差，以及高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率低等。積大、冷啟動(dòng)性能差，以及高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率低等。n氫燃料內(nèi)燃機(jī)的使用成本只相當(dāng)于燃料電池的一小部分，工作氫燃料內(nèi)燃機(jī)的使用成本只相當(dāng)于燃料電池的一小部分，工作原理和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)相同，所以有可能制造出既可使用氫燃

33、料原理和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)相同，所以有可能制造出既可使用氫燃料也可使用汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放的唯一有害物質(zhì)是也可使用汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放的唯一有害物質(zhì)是氮氧化合物。氮氧化合物。56n第三，空氣燃料混合比濃度較高時(shí)，在熱動(dòng)力燃燒環(huán)境非常第三，空氣燃料混合比濃度較高時(shí)，在熱動(dòng)力燃燒環(huán)境非常好的情況下，層流的燃燒速度非?？臁涞男镣橹蹈哌_(dá)好的情況下，層流的燃燒速度非常快。氫的辛烷值高達(dá)130，而高級(jí)汽油的辛烷值只有大約而高級(jí)汽油的辛烷值只有大約93，因此它的自燃溫度很高，在，因此它的自燃溫度很高，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮過(guò)程中抗提前燃燒的能力強(qiáng)，也就是說(shuō)可以發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮過(guò)程中抗提前燃燒的能

34、力強(qiáng)，也就是說(shuō)可以采用較高的壓縮比采用較高的壓縮比(活塞在行程兩端時(shí)氣缸最大容積和最小容積活塞在行程兩端時(shí)氣缸最大容積和最小容積的比值的比值)。據(jù)福特公司報(bào)道，一臺(tái)壓縮比為。據(jù)福特公司報(bào)道，一臺(tái)壓縮比為14.5:1的氫發(fā)動(dòng)機(jī)最的氫發(fā)動(dòng)機(jī)最大效率可達(dá)到大效率可達(dá)到52。57氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)n由于氫的特性，使用氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)要記住以下幾點(diǎn)：首先，由于氫的特性，使用氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)要記住以下幾點(diǎn)：首先，氫在空氣中的可燃比非常高氫在空氣中的可燃比非常高(體積的體積的475)，而汽油，而汽油(17.6)和甲烷和甲烷(5.315)較低，這一特性在氫的燃燒中起了較低，這一特性在氫的燃燒中起

35、了很大的作用。加上氫的燃燒在氣體中傳播速度很快，因此氫燃很大的作用。加上氫的燃燒在氣體中傳播速度很快，因此氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒非常清潔。料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒非常清潔。n其次，氫發(fā)動(dòng)機(jī)可以靠空氣燃料混合比的濃度調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出，其次，氫發(fā)動(dòng)機(jī)可以靠空氣燃料混合比的濃度調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出，不需要節(jié)流閥。這樣做最大的好處是提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率，不需要節(jié)流閥。這樣做最大的好處是提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率，因?yàn)椴淮嬖谌剂媳弥辛髁康膿p失，稀薄燃燒的效率較高也起了因?yàn)椴淮嬖谌剂媳弥辛髁康膿p失，稀薄燃燒的效率較高也起了一定的作用。一定的作用。58 氫發(fā)動(dòng)機(jī)氫發(fā)動(dòng)機(jī)n氫燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中運(yùn)用主要是通過(guò)兩種方式：氫燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中運(yùn)用主要

36、是通過(guò)兩種方式：氫作為單一燃料混氫燃料外部形成混合氣缸內(nèi)直噴天然氣混氫汽油混氫燃料電池活塞內(nèi)燃機(jī)59燃料電池燃料電池n燃料電池的工作原理：60活塞內(nèi)燃機(jī)活塞內(nèi)燃機(jī)614 氫的安全性氫的安全性n一種新的能源系統(tǒng)要得到推廣和應(yīng)用，其安全性是我們應(yīng)該首一種新的能源系統(tǒng)要得到推廣和應(yīng)用，其安全性是我們應(yīng)該首先關(guān)心的問(wèn)題，對(duì)氫能系統(tǒng)而言，也是如此。先關(guān)心的問(wèn)題，對(duì)氫能系統(tǒng)而言，也是如此。n氫的各種內(nèi)在特性，決定了氫能系統(tǒng)有不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的氫的各種內(nèi)在特性，決定了氫能系統(tǒng)有不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的危險(xiǎn)特征，比如易燃、易泄漏、氫脆等，而且由于氫的使用范危險(xiǎn)特征，比如易燃、易泄漏、氫脆等，而且由于氫的使用范圍

37、不廣，經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，在使用者的可接受心理上也存在著較圍不廣，經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，在使用者的可接受心理上也存在著較大問(wèn)題。大問(wèn)題。n為了氫能系統(tǒng)和燃料電池汽車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展，制定相關(guān)氫能安為了氫能系統(tǒng)和燃料電池汽車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展，制定相關(guān)氫能安全標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)氫安全問(wèn)題進(jìn)行研究是很有必要的。全標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)氫安全問(wèn)題進(jìn)行研究是很有必要的。 624.1 泄漏性泄漏性n氫是最輕的元素，比液體燃料和其它氣體燃料更容易從小氫是最輕的元素，比液體燃料和其它氣體燃料更容易從小孔中泄漏。例如，對(duì)于透過(guò)薄膜的擴(kuò)散，氫氣的擴(kuò)散速度孔中泄漏。例如，對(duì)于透過(guò)薄膜的擴(kuò)散，氫氣的擴(kuò)散速度是天然氣的是天然氣的3.83.8倍。倍。n但是，比較有意

38、義的是，在燃料管線、閥門(mén)、高壓儲(chǔ)罐等但是，比較有意義的是，在燃料管線、閥門(mén)、高壓儲(chǔ)罐等上面實(shí)際出現(xiàn)的裂孔中，氫氣泄漏的速度如何。上面實(shí)際出現(xiàn)的裂孔中，氫氣泄漏的速度如何。n從高壓儲(chǔ)氣罐中大量泄漏，氫氣和天然氣都會(huì)達(dá)到聲速。從高壓儲(chǔ)氣罐中大量泄漏，氫氣和天然氣都會(huì)達(dá)到聲速。氫氣的聲速氫氣的聲速(1,308 mps)(1,308 mps)幾乎是天然氣聲速幾乎是天然氣聲速(449 mps)(449 mps)的的3 3倍，所以氫氣的泄漏要比天然氣快。倍，所以氫氣的泄漏要比天然氣快。634.2 氫脆氫脆 n錳鋼、鎳鋼以及其它高強(qiáng)度鋼容易發(fā)生氫脆。這些鋼長(zhǎng)期暴露錳鋼、鎳鋼以及其它高強(qiáng)度鋼容易發(fā)生氫脆。這些

39、鋼長(zhǎng)期暴露在氫氣中，尤其是在高溫高壓下，其強(qiáng)度會(huì)大大降低，導(dǎo)致失在氫氣中，尤其是在高溫高壓下，其強(qiáng)度會(huì)大大降低，導(dǎo)致失效。因此，如果與氫接觸的材料選擇不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致氫的泄漏效。因此，如果與氫接觸的材料選擇不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致氫的泄漏和燃料管道的失效。和燃料管道的失效。n但是，通過(guò)選擇合適的材料，如鋁和一些合成材料，就可以避但是，通過(guò)選擇合適的材料，如鋁和一些合成材料，就可以避免因氫脆產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，氫氣中含有的極性雜質(zhì)，如免因氫脆產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，氫氣中含有的極性雜質(zhì)，如水蒸汽、水蒸汽、H H2 2S S、COCO2 2、醇、酮及其它類(lèi)似化合物，會(huì)強(qiáng)烈地阻止、醇、酮及其它類(lèi)似化合物，會(huì)強(qiáng)烈

40、地阻止生成金屬氫化物。生成金屬氫化物。644.3 氫的擴(kuò)散氫的擴(kuò)散 n如果發(fā)生泄漏，氫氣就會(huì)迅速擴(kuò)散。如果發(fā)生泄漏，氫氣就會(huì)迅速擴(kuò)散。n與汽油、丙烷和天然氣相比，氫氣具有更大的浮力與汽油、丙烷和天然氣相比，氫氣具有更大的浮力( (快速上升快速上升) )和更大的擴(kuò)散性和更大的擴(kuò)散性( (橫向移動(dòng)橫向移動(dòng)) )。氫的密度僅為空氣的。氫的密度僅為空氣的7%7%，而天然，而天然氣的密度是空氣的氣的密度是空氣的55%55%。所以即使在沒(méi)有風(fēng)或不通風(fēng)的情況下，。所以即使在沒(méi)有風(fēng)或不通風(fēng)的情況下，它們也會(huì)向上升，而且氫氣會(huì)上升得更快一些。而丙烷和汽油它們也會(huì)向上升，而且氫氣會(huì)上升得更快一些。而丙烷和汽油氣都比空氣重，所以它們會(huì)停留在地面，擴(kuò)散的很慢。氣都比空氣重，所以它們會(huì)停留在地面，擴(kuò)散的很慢。65n氫的擴(kuò)散系數(shù)是天然氣的氫的擴(kuò)散系數(shù)是天然氣的3.83.8倍，丙烷的倍，丙烷的6.16.1倍，汽油氣的倍，汽油氣的1212倍。倍。這么高的擴(kuò)散系數(shù)表明，在發(fā)生泄漏的情況下，氫在空氣中可這么高的擴(kuò)散系數(shù)表明，在發(fā)生泄漏的情況下，氫在空氣中可以向各個(gè)方向快速擴(kuò)散，迅速降低濃度。以向各個(gè)方向快速擴(kuò)散，