動力學(xué)、振動與控制學(xué)科未來的發(fā)展趨勢

1、瀚海星云云 - 文章章閱讀 討論論區(qū): Sysstemm_Coontrrol-發(fā)信人: roobusst (樂百士士), 信區(qū): Syysteem_CConttroll標(biāo) 題題: 動動力學(xué)、振動與與控制學(xué)學(xué)科未來來的發(fā)展展趨勢發(fā)信站: 瀚海海星云 (20004年年03月月03日日11:09:16 星期三三), 站內(nèi)信信件動力學(xué)、振動與與控制學(xué)學(xué)科未來來的發(fā)展展趨勢胡海巖11 孟慶慶國2 張 偉偉3 孟孟 光44 趙躍躍宇5 李俊峰峰61南京航航空航天天大學(xué)結(jié)結(jié)構(gòu)工程程與力學(xué)學(xué)系, 南京 210001662國家自自然科學(xué)學(xué)基金委委員會數(shù)數(shù)理科學(xué)學(xué)部，北北京 110000853北京工工業(yè)大學(xué)學(xué)機(jī)電

2、學(xué)學(xué)院，北北京 110000224上海交交通大學(xué)學(xué)振動、沖擊與與噪聲國國家重點點實驗室室, 上上海 220000305湖南大大學(xué)工程程力學(xué)系系, 長長沙 441000826清華大大學(xué)工程程力學(xué)系系, 北北京 11000084摘要對近近年來動動力學(xué)、振動與與控制的的研究進(jìn)進(jìn)展作了了簡要回回顧，概概述了非非線性動動力學(xué)與與振動主動控控制這兩兩個研究究熱點的的現(xiàn)狀。提出了了世紀(jì)之之初應(yīng)關(guān)關(guān)注的若若干研究究前沿，即高維維非線性系統(tǒng)統(tǒng)的全局局?jǐn)z動法法、全局局分岔和和混沌動動力學(xué)，高維強(qiáng)強(qiáng)非線性性系統(tǒng)分分岔與混混沌動力力學(xué)的實驗研研究，非非線性時時滯系統(tǒng)統(tǒng)的動力力學(xué)，流流體彈彈性體剛體耦耦合系統(tǒng)統(tǒng)動力學(xué)學(xué)

3、與控制制，碰撞與變變結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)動力力學(xué)，微微機(jī)電系系統(tǒng)動力力學(xué)。最最后，對對我國動動力學(xué)、振動與與控制的的發(fā)展提出了了一些建建議。1 前 言近年年來，傳傳統(tǒng)的一一般力學(xué)學(xué)學(xué)科以以動力學(xué)學(xué)、振動動與控制制為主要要內(nèi)涵，在研究究深度和和廣度上都取取得了重重要進(jìn)展展。在國國際范圍圍內(nèi)，動動力學(xué)、振動與與控制呈呈現(xiàn)一派派欣欣向向榮景象象。通過向數(shù)數(shù)學(xué)、物物理學(xué)等等基礎(chǔ)學(xué)學(xué)科借鑒鑒，與計算機(jī)機(jī)、測控控技術(shù)相相結(jié)合，與航天天、航空空、機(jī)械械、車輛輛、船舶舶、土木木等工程程學(xué)科融融合，動力學(xué)學(xué)、振動動與控制制在研究究方向和和研究內(nèi)內(nèi)容上發(fā)發(fā)生了重重大變化化，新的的研究領(lǐng)領(lǐng)域不斷斷涌現(xiàn)，研究究和實驗驗手段更更

4、加現(xiàn)代代化。例例如，通通過學(xué)科科交叉產(chǎn)產(chǎn)生了柔柔體、剛剛體和液液體耦合合系統(tǒng)的動力力學(xué)、智智能結(jié)構(gòu)構(gòu)動力學(xué)學(xué)、微機(jī)機(jī)電系統(tǒng)統(tǒng)動力學(xué)學(xué)等新的的研究方方向；在在一些研研究分支支基礎(chǔ)上提煉煉出了帶帶有共性性的研究究方向，如Biirkhhofff和Haamilltonn系統(tǒng)動動力學(xué)，高維非非線性系統(tǒng)統(tǒng)的全局局?jǐn)z動、全局分分岔和混混沌動力力學(xué)，非非光滑系系統(tǒng)的動動力學(xué)，時滯系系統(tǒng)的非非線性動力學(xué)學(xué)等。當(dāng)當(dāng)代科學(xué)學(xué)技術(shù)發(fā)發(fā)展中提提出的大大量實際際問題，使動力力學(xué)、振振動與控控制領(lǐng)域域的學(xué)者面臨臨許多緊緊迫任務(wù)務(wù)，需要要迎接各各種挑戰(zhàn)，不斷斷推陳出出新。為了了深入探探討動力力學(xué)、振振動與控控制在世世紀(jì)之初初

5、的發(fā)展展方向和和學(xué)科前前沿，加加強(qiáng)海內(nèi)內(nèi)外青年學(xué)者者之間的的學(xué)術(shù)交交流，由由國家自自然科學(xué)學(xué)基金委委員會數(shù)數(shù)理科學(xué)學(xué)部發(fā)起起，國家家自然科科學(xué)基金委員員會數(shù)理理科學(xué)部部和中國國力學(xué)學(xué)學(xué)會主辦辦，海軍軍工程大大學(xué)承辦辦的“動動力學(xué)，振動與與控制青年學(xué)學(xué)者學(xué)術(shù)術(shù)研討會會”于220022年3月月2529日日在海南南省?？诳谑姓匍_開，海內(nèi)內(nèi)外200多位從從事動力學(xué)、振動與與控制研研究的青青年學(xué)者者出席了了會議。與會代代表對于于動力學(xué)學(xué)、振動動與控制制的一些發(fā)展展趨勢、研究方方向和前前沿問題題進(jìn)行了了熱烈的的研討，并且提提出了不不少好的的設(shè)想和和建議。通過過研討，大家認(rèn)認(rèn)為要使使我國在在動力學(xué)學(xué)、振動動

6、與控制制的研究究水平上上進(jìn)入世世界一流流，應(yīng)該注意意以下問問題：(11) 當(dāng)當(dāng)今世界界，科學(xué)學(xué)技術(shù)發(fā)發(fā)展迅速速。動力力學(xué)、振振動與控控制早期期作為從從Newwtonn, Layrrangge和HHamiiltoon等人人發(fā)展起起來的一一門基礎(chǔ)礎(chǔ)學(xué)科, 隨著著科學(xué)與與工程技技術(shù)的迅迅速發(fā)展展，時至今日日， 動動力學(xué)、振動與與控制主主要已經(jīng)經(jīng)發(fā)展成成為一門門從工程程中提煉煉出的技技術(shù)科學(xué)學(xué)分支。因此, 動力力學(xué)、振振動與控控制包含含了比較較多的基基礎(chǔ)研究究內(nèi)容，應(yīng)該有有超前發(fā)發(fā)展,并并且需在在研究內(nèi)容容和研究究方向上上不斷推推陳出新新, 與與時俱進(jìn)進(jìn)。青年年學(xué)者、特別是是正在成成長為學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人的

7、青青年學(xué)者者，要認(rèn)認(rèn)準(zhǔn)科學(xué)學(xué)技術(shù)發(fā)發(fā)展的大大方向，明確自自己的定定位，瞄瞄準(zhǔn)國際際上動力力學(xué)、振動與與控制的的研究前前沿去選選擇和開開辟新的的研究領(lǐng)領(lǐng)域。(22) 對對動力學(xué)學(xué)、振動動與控制制的研究究應(yīng)該有有所側(cè)重重，一是是大多數(shù)數(shù)的動力力學(xué)、振振動與控控制問題應(yīng)應(yīng)該來源源于工程程實際問問題，應(yīng)應(yīng)從工程程中提煉煉出動力力學(xué)問題題及其模模型，然然后運(yùn)用用并發(fā)展各種種方法加加以研究究和解決決。二是是要注重重對于解解決動力力學(xué)、振振動與控控制問題題的基本本方法的研究究，從一一些迫切切需要、但又束束手無策策的問題題著手，尋找新新的突破破點。上上述兩個個方面相輔相相成，體體現(xiàn)了動動力學(xué)、振動與與控制研研

8、究學(xué)科科“頂天天立地”的特色色。從事事前者的的研究隊伍比比較大，而后者者的研究究隊伍要要少而精精。(33) 要要從整個個力學(xué)學(xué)學(xué)科的基基礎(chǔ)這一一高度來來充分認(rèn)認(rèn)識分析析動力學(xué)學(xué)和非線線性動力力學(xué)的重重要地位，從不同同的分支支學(xué)科和和不同的的角度研研究分析析動力學(xué)學(xué)和非線線性動力力學(xué)問題題。分析析動力學(xué)和非非線性動動力學(xué)的的突破和和進(jìn)展，往往可可以帶動動其它分分支學(xué)科科的發(fā)展展，并且且為工程程問題的解決決提供基基本方法法和理論論。(44) 要要更加深深入地認(rèn)認(rèn)識到動動力學(xué)、振動與與控制學(xué)學(xué)科中各各個分支支學(xué)科在在理論和和方法上上是相互依依賴、相相互滲透透和相互互貫通的的，要用用系統(tǒng)和和大系統(tǒng)統(tǒng)的

9、觀點點來考察察和研究究動力學(xué)學(xué)、振動與控控制問題題。動力力學(xué)、振振動與控控制的研研究范疇疇?wèi)?yīng)該擴(kuò)擴(kuò)展到下下述過程程：綜合合多學(xué)科科的知識、方方法和實實驗技術(shù)術(shù)來建立立系統(tǒng)(受控系系統(tǒng))的的動力學(xué)學(xué)方程應(yīng)用并并發(fā)展新新的動力力學(xué)理論，通過過解析、數(shù)值和和實驗相相互支持持的方法法進(jìn)行分分析對對系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行被動動、主動動或半主主動控制設(shè)計計在計計算機(jī)支支持的虛虛擬現(xiàn)實實等環(huán)境境下形成成系統(tǒng)設(shè)設(shè)計方案案論證和和具體設(shè)設(shè)計。(55) 從從事動力力學(xué)、振振動與控控制研究究的學(xué)者者要盡量量研究其其它工程程學(xué)科尚尚不能夠夠解決的的復(fù)雜和關(guān)關(guān)鍵問題題，為工工程問題題的解決決提供研研究方法法和解決決方案。既要借借鑒

10、數(shù)學(xué)學(xué)和物理理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)學(xué)科的研研究成果果，又要要在研究究內(nèi)容和和方法上上與這些些學(xué)科有有顯著區(qū)區(qū)別。因因此，動動力學(xué)、振動動與控制制學(xué)科所所研究的的問題要要有工程程背景和和應(yīng)用前前景，這這樣才能能有學(xué)科科自身的的生存和發(fā)展展空間。(66) 要要擴(kuò)大學(xué)學(xué)科涵蓋蓋面，擴(kuò)擴(kuò)大研究究隊伍，加強(qiáng)國國際合作作和交流流。動力力學(xué)、振振動與控控制要從傳傳統(tǒng)的研研究領(lǐng)域域向新的的研究領(lǐng)領(lǐng)域擴(kuò)展展，從離離散系統(tǒng)統(tǒng)擴(kuò)大到到連續(xù)系系統(tǒng)、流流固耦合合系統(tǒng)等。學(xué)學(xué)科交叉叉與綜合合是產(chǎn)生生新方向向和新學(xué)學(xué)科的土土壤，動動力學(xué)、振動與與控制要要不斷的的容納新的研研究內(nèi)容容。海內(nèi)內(nèi)外從事事動力學(xué)學(xué)、振動動與控制制研究的的華人

11、青青年學(xué)者者要相互互合作和和支持，組成成高水平平的研究究團(tuán)隊。與會會代表認(rèn)認(rèn)為，在在未來的的十年中中，動力力學(xué)、振振動與控控制的下下述研究究前沿值值得引起起更多的青年年學(xué)者重重視：(1) 高維非非線性系系統(tǒng)的全全局?jǐn)z動動法、全全局分岔岔和混沌沌動力學(xué)學(xué)；(22) 高維強(qiáng)非非線性系系統(tǒng)分岔岔與混沌沌動力學(xué)學(xué)的實驗驗研究；(3) 時滯滯非線性性系統(tǒng)的的動力學(xué)學(xué)理論及及其應(yīng)用；(4) 流體體-彈性性體-剛剛體耦合合系統(tǒng)動動力學(xué)與與控制；(5) 碰撞撞與變結(jié)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)統(tǒng)動力學(xué)學(xué)；(6) 微機(jī)機(jī)電系統(tǒng)統(tǒng)動力學(xué)學(xué)。2 研究究現(xiàn)狀近十十年來，國際范范圍內(nèi)對對動力學(xué)學(xué)、振動動與控制制的研究究非常活活躍。從從比較

12、經(jīng)經(jīng)典的分分析動力學(xué)到到與當(dāng)代代信息技技術(shù)緊密密結(jié)合的的計算動動力學(xué)、動力學(xué)學(xué)控制，從以探探索未知知世界為為主的非線性性動力學(xué)學(xué)到以工工程應(yīng)用用為主的的振動測測試與控控制技術(shù)術(shù)，都獲獲得了許許多重要要成果。在眾多的研研究領(lǐng)域域中，非非線性動動力學(xué)和和振動主主動控制制是近年年來公認(rèn)認(rèn)的兩個個研究熱熱點。2.1 非線性性動力學(xué)學(xué)真實實動力系系統(tǒng)幾乎乎總是含含有各種種各樣的的非線性性因素，諸如機(jī)機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)中的間間隙、干干摩擦，結(jié)構(gòu)構(gòu)系統(tǒng)中中的材料料彈塑性性和黏彈彈性、構(gòu)構(gòu)件大變變形，控控制系統(tǒng)統(tǒng)中的元元器件飽飽和特性性、控制策略略非線性性等等。通常在在某些情情況下，線性系系統(tǒng)模型型可提供供對真實實系

13、統(tǒng)動動力學(xué)行行為的很好逼逼近。然然而，這這種線性性逼近在在許多情情況下并并非總是是可靠的的，被忽忽略的非非線性因因素有時會在在分析和和計算中中引起無無法接受受的誤差差，使理理論結(jié)果果與實際際情況有有著失之之毫厘，差之千里之之別。特特別對于于系統(tǒng)的的長時間間歷程動動力學(xué)問問題，即即使略去去很微弱弱的非線線性因素素，也常常會會在分析析和計算算中出現(xiàn)現(xiàn)本質(zhì)性性的錯誤誤。非線線性動力力學(xué)理論論的研究究和發(fā)展展已經(jīng)經(jīng)經(jīng)歷了一一個多世世紀(jì)，在在新世紀(jì)紀(jì)之初，為了使使非線性動力力學(xué)理論論得到更更好的發(fā)發(fā)展，非非常有必必要回顧顧一下非非線性動動力學(xué)研研究和發(fā)發(fā)展的歷歷史。非線性性動力學(xué)學(xué)理論的的發(fā)展大大致經(jīng)歷

14、歷了三個個階段。第一個個階段是是從18881年年到19920年年前后，第二階階段從220世紀(jì)紀(jì)20年年代到770年代代，第三三階段從從20世世紀(jì)700年代至至今。人人們對于于非線性性系統(tǒng)的動動力學(xué)問問題的研研究可以以追溯到到16773年HHuyggenss對單擺擺大幅擺擺動非等等時性的的觀察.第一階段的的主要進(jìn)進(jìn)展是動動力系統(tǒng)統(tǒng)的定性性理論，其標(biāo)志志性成果果是法國國科學(xué)家家Poiincaare從從18881年到18886年年期間發(fā)發(fā)表的系系列論文文“微分分方程定定義的積積分曲線線”，俄俄羅斯科科學(xué)家LLiappunoov 從18882年到到18992年期期間完成成的博士士論文“運(yùn)動穩(wěn)穩(wěn)定性通通

15、論”，以及美美國科學(xué)學(xué)家Biirkhhofff在19227年出出版的著著作“動動力系統(tǒng)統(tǒng)。第第二階段段的主要要進(jìn)展是是提出了了一系列列求解非非線性振振動問題的定定量方法法，代表表人物有有俄羅斯斯科學(xué)家家Kryylovv、Boogliiuboov，烏烏克蘭科科學(xué)家MMitrrpollsky，美美國科學(xué)學(xué)家Naayfeeh等等等。他們們系統(tǒng)地地發(fā)展了了各種攝攝動方法法和漸近近方法，解決了了力學(xué)和程科學(xué)學(xué)中的許許多問題題。在這這個階段段中抽象象提煉出出了若干干著名的的數(shù)學(xué)模模型，如如Dufffinng方程、vaan dder Poll方程、Matthieeu方程程等，至至今仍被被人們用用以研究究非線

16、性性系統(tǒng)動動力學(xué)現(xiàn)現(xiàn)象的本質(zhì)特特征。從從20世世紀(jì)600700年代開開始，原原來獨立立發(fā)展的的分岔理理論匯入入非線性性動力學(xué)學(xué)研究的主流當(dāng)當(dāng)中，混混沌現(xiàn)象象的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)更為非非線性動動力學(xué)的的研究注注入了活活力，分分岔、混混沌的研研究成為非線線性動力力學(xué)理論論新的研研究熱點點。俄羅羅斯科學(xué)學(xué)家Arrnolld和美美國科學(xué)學(xué)家Smmalll等數(shù)學(xué)學(xué)家和力學(xué)家家相繼對對非線性性系統(tǒng)的的分岔理理論和混混沌動力力學(xué)進(jìn)行行了奠基基性和深深入的研研究，LLoreenz和Ueeda等等物理學(xué)學(xué)家則在在實驗和和數(shù)值模模擬中獲獲得了重重要發(fā)現(xiàn)現(xiàn)。他們們的杰出出貢獻(xiàn)使使非線性性動力學(xué)在220世紀(jì)紀(jì)70年年代成為為一門

17、重重要的前前沿學(xué)科科，在動動力學(xué)、振動與與控制學(xué)學(xué)科的創(chuàng)創(chuàng)立和發(fā)發(fā)展過程中中都占據(jù)據(jù)了重要要的地位位，成為為當(dāng)代動動力學(xué)、振動與與控制研研究的一一個重要要分支。近年年來，非非線性動動力學(xué)在在理論和和應(yīng)用兩兩個方面面均取得得了很大大進(jìn)展。隨著非非線性動動力學(xué)理論和和相關(guān)學(xué)學(xué)科的發(fā)發(fā)展，人人們基于于非線性性動力學(xué)學(xué)的觀點點以及現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)和計算算機(jī)等工工具，對工程程科學(xué)等等領(lǐng)域中中的非線線性系統(tǒng)統(tǒng)建立動動力學(xué)模模型，預(yù)預(yù)測其長長期的動動力學(xué)行行為，揭揭示內(nèi)在的規(guī)規(guī)律性，提出改改善系統(tǒng)統(tǒng)品質(zhì)的的控制策策略。一一系列成成功的實實踐使人人們認(rèn)識識到：許許多過去無法法解決的的難題源源于系統(tǒng)統(tǒng)的非線線性，而

18、而解決難難題的關(guān)關(guān)鍵在于于對問題題所呈現(xiàn)現(xiàn)出的分分岔、混沌和和分形等等復(fù)雜非非線性現(xiàn)現(xiàn)象具有有正確的的認(rèn)識和和理解。研究究非線性性系統(tǒng)動動力學(xué)的的方法可可以分為為定性方方法(或或幾何方方法)和和定量方方法兩大大類。定性方法法一般不不直接求求解非線線性動力力系統(tǒng)，而是從從非線性性系統(tǒng)的的動力學(xué)學(xué)方程入入手，研研究系統(tǒng)在狀狀態(tài)空間間的動力力學(xué)行為為。由于于非線性性微分方方程一般般沒有統(tǒng)統(tǒng)一的精精確解法法，所以以定量方法只只研究各各種近似似解法，例如平平均法、KBMM法、多多尺度法法、諧波波平衡法法等等。定性方方法和定量量方法可可以相互互補(bǔ)充，定性方方法可以以得到系系統(tǒng)解的的拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu)和系系統(tǒng)參數(shù)數(shù)

19、之間的的關(guān)系，定量量方法可可以得到到確定參參數(shù)時的的數(shù)值解解。在研研究各種種復(fù)雜的的非線性性動力學(xué)學(xué)問題時時，兩種方法法缺一不不可。隨著著計算機(jī)機(jī)代數(shù)、數(shù)值模模擬和圖圖形技術(shù)術(shù)的進(jìn)步步，非線線性動力力學(xué)理論論正在從從低維向向高維發(fā)展，非線性性動力學(xué)學(xué)理論和和方法所所能處理理的問題題規(guī)模和和難度不不斷提高高，已逐逐步接近近實際系統(tǒng)。在工程程科學(xué)界界，以往往研究人人員對于于非線性性問題繞繞道而行行的現(xiàn)象象已經(jīng)發(fā)發(fā)生了變變化。人們不不僅力求求深入分分析非線線性對系系統(tǒng)動力力學(xué)特性性的影響響，使系系統(tǒng)和產(chǎn)產(chǎn)品的動動態(tài)設(shè)計計、加工、運(yùn)運(yùn)行與控控制滿足足日益提提高的運(yùn)運(yùn)行速度度和精度度需求；而且開開始探索

20、索利用分分岔、混混沌等非線性性現(xiàn)象造造福人類類?？茖W(xué)學(xué)理論與與工程技技術(shù)總是是相互依依賴和相相互促進(jìn)進(jìn)的，新新的科學(xué)學(xué)理論可可以闡明明并揭示示出工程問題題中未被被認(rèn)識的的復(fù)雜現(xiàn)現(xiàn)象和本本質(zhì)。非非線性動動力學(xué)理理論在高高科技領(lǐng)領(lǐng)域和工工程實際際問題中的應(yīng)應(yīng)用，已已經(jīng)引起起了各領(lǐng)領(lǐng)域科學(xué)學(xué)家們的的廣泛關(guān)關(guān)注，并并使這門門學(xué)科有有了強(qiáng)大大的生命命力。在工程程系統(tǒng)中中，有許許多動力力學(xué)問題題都是非非線性的的，它們們的數(shù)學(xué)學(xué)模型和和運(yùn)動方方程可以以用非線性動動力系統(tǒng)統(tǒng)來描述述。以下下僅列出出若干機(jī)機(jī)械、結(jié)結(jié)構(gòu)工程程師感興興趣的動動力學(xué)、振動與與控制問題：(1) 航天飛飛機(jī)和空空間站中中柔性機(jī)機(jī)械臂、衛(wèi)星

21、天天線和太太陽能列列陣的非非線性振振動；(2) 航天器器姿態(tài)的的混沌運(yùn)運(yùn)動；(3) 系繩衛(wèi)衛(wèi)星的非非線性振振動與控控制；(4) 柔性機(jī)機(jī)器人和和彈性機(jī)機(jī)構(gòu)中的的非線性性振動；(5) 內(nèi)燃機(jī)機(jī)中曲軸軸系統(tǒng)的的非線性性扭轉(zhuǎn)振振動、氣氣門機(jī)構(gòu)構(gòu)的非線線性振動動和離心心擺式減減振器的的非線性振振動；(6) 帶有裂裂紋的大大型轉(zhuǎn)子子和大型型發(fā)電機(jī)機(jī)組的非非線性振振動；(7) 滑動軸軸承中的的油膜渦渦動；(8) 齒輪傳傳動和黏黏彈性帶帶傳動中中的非線線性振動動；(9) 金屬切切削過程程的非線線性顫振振和控制制；(10) 振動動機(jī)械中中的非線線性動力力學(xué)；(11) 高速速機(jī)車行行駛穩(wěn)定定性和蛇蛇行運(yùn)動動的控

22、制制；(12) 船舶舶在橫浪浪或縱向向波作用用下的橫橫搖運(yùn)動動、操縱縱穩(wěn)定性性和傾覆覆機(jī)理；(13) 車輛輛主動底底盤系統(tǒng)統(tǒng)的時滯滯非線性性動力學(xué)學(xué)與控制制；(14) 懸索索結(jié)構(gòu)以以及懸索索和梁結(jié)結(jié)構(gòu)之間間相互耦耦合的非非線性動動力學(xué)；(15) 流固固耦合系系統(tǒng)和流流體誘發(fā)發(fā)的機(jī)械械結(jié)構(gòu)的的非線性性振動.由此此可見，研究非非線性動動力學(xué)理理論和方方法對于于解決工工程系統(tǒng)統(tǒng)中的實實際問題題具有重重要意義，非非線性動動力學(xué)的的研究進(jìn)進(jìn)展將會會對工程程系統(tǒng)的的研究、設(shè)計和和使用產(chǎn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)遠(yuǎn)的影響響。2.2 振動控控制對機(jī)機(jī)械振動動進(jìn)行主主動控制制方面的的嘗試已已有三十十多年歷歷史，但但早期的的進(jìn)展比

23、比較緩慢慢。近年來，隨著信信息技術(shù)術(shù)、測控控技術(shù)的的發(fā)展，振動主主動控制制技術(shù)有有了長足足進(jìn)步，一些控控制方法和相相應(yīng)的測測控系統(tǒng)統(tǒng)正日趨趨成熟，并開始始在航空空、航天天、機(jī)械械和土木木工程領(lǐng)領(lǐng)域得到到了成功應(yīng)用用。以轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)統(tǒng)的振動動主動控控制為例例，其研研究包括括：控制制的目標(biāo)標(biāo)函數(shù)，控制器器的設(shè)計計和施加控制制力的方方法等。其中，關(guān)鍵是是如何施施加控制制力。目目前，有有兩類施施加控制制力的方方法：一類是是直接將將力加在在轉(zhuǎn)子上上，另一一類是通通過軸承承座來施施加。一一個成功功的主動動控制作作動器應(yīng)具有有：緊湊湊的結(jié)構(gòu)構(gòu)，大的的作動力力，大的的調(diào)節(jié)距距離(應(yīng)應(yīng)大轉(zhuǎn)子子可能的的最大振振幅)

24、，寬的頻率范圍圍(至少少應(yīng)包括括要控制制的最高高振動頻頻率)。目前常常見的幾幾種轉(zhuǎn)子子系統(tǒng)的的振動主主動控制手段有有：磁軸軸承、壓壓電作動動器、記記憶合金金作動器器、液壓壓作動器器、主動動可傾瓦瓦軸承、主動油膜(擠壓油油膜)軸軸承以及及電/磁磁流變阻阻尼器等等。這些些方法各各有優(yōu)缺缺點，如如磁軸承承的不足足在于軸承承參振質(zhì)質(zhì)量大、承載力力小、需需附加保保護(hù)軸承承等；記記憶合金金和液壓壓作動器器的不足足是反饋速度度慢等。到目前前為止，只有磁磁軸承得得到了較較廣泛的的應(yīng)用。控制器器的設(shè)計計可以基基于已有的控控制理論論，但很很大程度度上取決決于作動動器。振動動主動控控制技術(shù)術(shù)最引人人注目的的進(jìn)展是是

25、集傳感感器、控控制器、作動器器與結(jié)構(gòu)構(gòu)為一體體，以減振和和降噪為為目標(biāo)的的智能結(jié)結(jié)構(gòu)。當(dāng)當(dāng)前，研研究的熱熱點是基基于壓電電傳感器器和作動動器的智智能結(jié)構(gòu)，控控制策略略則來自自H控控制、自自適應(yīng)控控制、神神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)控制、非線性性控制、混合控控制等控制理論論的新成成果。經(jīng)經(jīng)過大量量的數(shù)值值模擬、優(yōu)化設(shè)設(shè)計和實實驗，這這類智能能結(jié)構(gòu)已已有許多多成功的應(yīng)用用。大到到對空間間可展天天線、太太陽能帆帆板等張張開時的的振動進(jìn)進(jìn)行主動動控制，小到對對提琴和吉他他的音箱箱進(jìn)行振振動控制制以改善善其音響響效果。在智能能結(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)一步走走向工程程化、實實用化的過程程中，控控制效果果與測控控系統(tǒng)的的可靠性性、經(jīng)濟(jì)濟(jì)性、

26、重重量等因因素的矛矛盾正日日益顯現(xiàn)現(xiàn)。因此，智智能結(jié)構(gòu)構(gòu)動力學(xué)學(xué)尚有許許多開放放的問題題。對于于大型結(jié)結(jié)構(gòu)和機(jī)機(jī)械，達(dá)達(dá)到振動動主動控控制所需需推力的的作動器器通常價價格昂貴貴、能耗耗巨大、體積積和重量量也很可可觀. 通過局局部地、主動調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)動特性性的方法法來實現(xiàn)現(xiàn)振動控控制通常稱為振振動半主主動控制制，所需需能耗低低、也勿勿需對原原系統(tǒng)作作大修改改。例如如，通過過實時調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中某某些零部部件的剛剛度和慣慣性來改改變系統(tǒng)統(tǒng)固有頻頻率，可可避免共共振。具具體實現(xiàn)現(xiàn)時，可可通過步進(jìn)電電機(jī)和絲絲杠來調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)中某些些集中質(zhì)質(zhì)量的位位置，使使等效慣慣性或剛剛度發(fā)生生變化，也可采用電電磁、氣氣

27、液等手手段來調(diào)調(diào)節(jié)彈性性元件的的剛度。目前，結(jié)構(gòu)工工程界廣廣泛研究究主動拉拉索，即通過過液壓作作動器調(diào)調(diào)節(jié)拉索索的張力力，進(jìn)而而改變索索系結(jié)構(gòu)構(gòu)的等效效剛度和和固有頻頻率。近近年來，形狀狀記憶合合金、電電流變和和磁流變變等功能能材料的的出現(xiàn)為為主動調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)剛度、阻尼提提供了新途徑徑。例如如，已發(fā)發(fā)展了多多種電流流變和磁磁流變可可控阻尼尼器，針針對轉(zhuǎn)子子軸承、車輛懸懸架、橋梁拉拉索等開開發(fā)了半半主動控控制技術(shù)術(shù)。此外外，采用用半主動動控制的的動力吸吸振器技技術(shù)也有有新的進(jìn)展。已有的的半主動動控制策策略可分分為幾類類：第一一類是通通過求解解系統(tǒng)動動力學(xué)問問題，獲獲得可控減振振環(huán)節(jié)的參參數(shù)對系系

28、統(tǒng)動特特性的影影響，進(jìn)進(jìn)而形成成的控制制策略；第二類類是根據(jù)據(jù)系統(tǒng)的的動力學(xué)學(xué)模型和控制制理論建建立的控控制策略略；第三三類是在在無法建建立系統(tǒng)統(tǒng)動力學(xué)學(xué)模型的的情況下下，基于于在線辨識并并以自適適應(yīng)控制制、模糊糊控制、神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制制等為代代表的智智能控制制策略。顯然，后兩類的實實用性好好，也是是目前研研究的重重點。隨著著對振動動控制要要求的提提高，非非線性控控制和時時滯控制制正日益益引起人人們的注注意。例例如，采用非非線性控控制策略略可解決決繩系衛(wèi)衛(wèi)星展開開過程的的鎮(zhèn)定問問題；針針對液壓壓系統(tǒng)存存在的時時滯，利用時時滯反饋饋對船載載吊車的的擺動進(jìn)進(jìn)行控制制；采用用時滯反反饋控制制非線性性系

29、統(tǒng)的的混沌運(yùn)運(yùn)動等。時滯滯會使控控制系統(tǒng)統(tǒng)的特性性發(fā)生質(zhì)質(zhì)的變化化。由此此引起的的系統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)定性、分岔等等問題正正引起重視。3 若干干研究前前沿及其其主要研研究內(nèi)容容工程程系統(tǒng)的的動力學(xué)學(xué)建模、分析、設(shè)計和和控制的的一般理理論和方方法是動動力學(xué)、振動與與控制的主要要研究范范疇，其其總體發(fā)發(fā)展趨勢勢是高維維(和無無限維)、非線線性、多多尺度和和多耦合合系統(tǒng)的動力學(xué)學(xué)。具體體地說，今后所所研究的的工程系系統(tǒng)日益益復(fù)雜，將包括括各種非非線性因因素，機(jī)機(jī)、電、磁、熱和流流等多場場耦合因因素，邊邊界與結(jié)結(jié)合部效效應(yīng)，微微機(jī)電系系統(tǒng)引起起的尺度度效應(yīng)等等。因此需要要發(fā)展新新的非線線性動力力學(xué)理論論、分析析與

30、仿真真技術(shù)來來研究工工程系統(tǒng)統(tǒng)的大范范圍動力力學(xué)特性，要要基于對對工程系系統(tǒng)動力力學(xué)的深深刻理解解來發(fā)展展新的優(yōu)優(yōu)化方法法實現(xiàn)對對系統(tǒng)的的動力學(xué)學(xué)設(shè)計，還要要發(fā)展各各種主動動控制乃乃至智能能控制來來使系統(tǒng)統(tǒng)獲得所所需的運(yùn)運(yùn)動。根據(jù)據(jù)我國科科學(xué)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展情況和和國際范范圍內(nèi)對對動力學(xué)學(xué)、振動動與控制制的研究究態(tài)勢，可以歸納提提煉出以以下幾個個具有共共性和根根本性的的前沿研研究方向向，并建建議加強(qiáng)強(qiáng)相應(yīng)的的研究工工作。3.1 高維非非線性系系統(tǒng)的全全局?jǐn)z動動法、全全局分岔岔和混沌沌動力學(xué)學(xué)高維維非線性性系統(tǒng)的的全局分分岔和混混沌動力力學(xué)是目目前國際際上非線線性動力力學(xué)領(lǐng)域域的前沿沿課題，并且且

31、已經(jīng)列列入我國國力學(xué)學(xué)學(xué)科“十十五”發(fā)發(fā)展規(guī)劃劃。大部部分工程程實際問問題都可可用高維維非線性系統(tǒng)統(tǒng)來描述述，并且且大多數(shù)數(shù)都是高高維擾動動Hammiltton系系統(tǒng).然然而目前前研究高高維非線線性系統(tǒng)統(tǒng)的全局分分岔和混混沌動力力學(xué)的方方法還不不是很多多，對于于高維非非線性系系統(tǒng)的全全局動力力學(xué)特性性研究的還不不是十分分清楚。對于高高維非線線性動力力系統(tǒng)來來說，其其研究難難度比低低維非線線動力系系統(tǒng)要大許多多，既有有數(shù)學(xué)方方法上的的困難，也有數(shù)數(shù)值計算算和幾何何描述上上的困難難。對于于高維非非線性系統(tǒng)和和無限維維非線性性系統(tǒng)，從理論論上講雖雖然可用用中心流流形理論論和慣性性流形理理論對高高維非

32、線性系系統(tǒng)和無無限維非非線性系系統(tǒng)進(jìn)行行降維處處理，使使系統(tǒng)的的維數(shù)降降低.但但是降維維后的系系統(tǒng)其維數(shù)還是是相當(dāng)高高的，并并且高維維非線性性系統(tǒng)中中的穩(wěn)定定流形和和不穩(wěn)定定流形的的幾何結(jié)結(jié)構(gòu)難于于直觀的構(gòu)造造和描述述，因此此發(fā)展能能夠處理理高維非非線性動動力學(xué)系系統(tǒng)的研研究方法法是非常常重要和和迫切的.如如何研究究高維非非線性系系統(tǒng)的全全局?jǐn)z動動法、全全局分岔岔和混沌沌動力學(xué)學(xué)，對于于解決工工程實際問題至至關(guān)重要要。對于于高維非非線性系系統(tǒng)，其其研究內(nèi)內(nèi)容可以以從以下下幾方面面開展：(1) 基于KKovaacicc-Wiiggiins全全局?jǐn)z動動法、HHalller-Wiggginns所提提

33、出的能能量-相相位法方方法、以以及Cammasssa和等等人的廣廣義Meelniikovv方法，發(fā)展適適用于研研究高維維非線性性系統(tǒng)全全局分岔岔和混沌沌動力學(xué)的的全局?jǐn)z攝動法，使這種種全局?jǐn)z攝動法能能夠研究究大部分分高維非非線性系系統(tǒng)，能能夠解決決三自由度非非線性系系統(tǒng)的全全局分岔岔和混沌沌動力學(xué)學(xué)問題。(2) 利用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)Meelniikovv方法、微分幾幾何理論論和不變變流形纖纖維叢理理論發(fā)展展用于研研究外周周期激勵作用用下多自自由度非非線性系系統(tǒng)的全全局?jǐn)z動動法，使使這種方方法能夠夠解決含含外周期期激勵的的多自由度非非線性系系統(tǒng)的全全局分岔岔和混沌沌動力學(xué)學(xué)。研究究高維平平均系統(tǒng)統(tǒng)的同宿宿

34、分岔、異宿分分岔和全局分分岔，找找出平均均系統(tǒng)中中由奇點點組成的的奇點環(huán)環(huán)，進(jìn)而而研究高高維平均均系統(tǒng)中中的Siilniikov型混沌沌運(yùn)動。(3) 研究高高維平均均系統(tǒng)的的規(guī)范形形，當(dāng)解解同時具具有一對對雙零特特征值和和一對純純虛特征征值，一一對雙零特特征值和和二對純純虛特征征值，二二對純虛虛特征值值或三對對純虛特特征值時時，研究究高維規(guī)規(guī)范形和普適適開折的的計算。當(dāng)高維維平均系系統(tǒng)解具具有二對對或三對對雙零特特征值及及幾對純純虛特征征值時，在共共軛算子子法，多多重Liie括號號方法直直接方法法的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，利利用Maaplee符號程程序給出出簡便有效的計計算高維維非線性性系統(tǒng)的的規(guī)范形形和普

35、適適開折的的方法，使之得得到最簡簡規(guī)范形形。(4) 利用高高維規(guī)范范形和普普適開折折理論研研究外周周期激勵勵作用下下二個和和三個自自由度非非線性系系統(tǒng)當(dāng)解具具有二對對或三對對雙零特特征值及及幾對純純虛特征征值時的的高余維維退化分分岔、全全局分岔岔和解的穩(wěn)定定性判斷斷。3.2 高維強(qiáng)強(qiáng)非線性性系統(tǒng)分分岔與混混沌動力力學(xué)的實實驗研究究隨著著非線性性動力學(xué)學(xué)理論的的發(fā)展和和數(shù)值計計算能力力的迅速速提高，高維強(qiáng)強(qiáng)非線性性系統(tǒng)的的動力學(xué)特性性的數(shù)值值研究成成為非線線性動力力學(xué)研究究中非常?；钴S的的領(lǐng)域，尤其是是在非線線性系統(tǒng)統(tǒng)的分岔與混混沌動力力學(xué)的研研究方面面發(fā)表了了大量的的論文。盡管在在數(shù)值分分析中

36、發(fā)發(fā)現(xiàn)了大大量的分分岔與混沌現(xiàn)現(xiàn)象，但但對這些些現(xiàn)象的的非線性性本質(zhì)還還缺乏深深入了解解，尤其其是缺乏乏有關(guān)的的實驗研研究和驗證。通過過開展對對于高維維強(qiáng)非線線性系統(tǒng)統(tǒng)分岔與與混沌動動力學(xué)的的實驗研研究，對對這類系系統(tǒng)的動動力學(xué)特性的的更為深深入的理理論研究究和數(shù)值值計算具具有重要要的指導(dǎo)導(dǎo)作用，對非線線性動力力學(xué)分支支學(xué)科的發(fā)展展和實際際工程應(yīng)應(yīng)用將具具有重要要的促進(jìn)進(jìn)作用.這方面面的研究究內(nèi)容可可以從以以下幾方方面開展：(1) 用于高高維強(qiáng)非非線性系系統(tǒng)分岔岔與混沌沌動力學(xué)學(xué)實驗研研究的試試驗裝置置設(shè)計與與實現(xiàn)，包括實實驗信號的的提取和和處理方方法研究究，分岔岔與混沌沌運(yùn)動控控制方法法的實

37、現(xiàn)現(xiàn)等。(2) 高精度度參數(shù)控控制系統(tǒng)統(tǒng)的研制制和設(shè)計計。考慮慮非線性性控制問問題，快快速反饋饋控制問問題，研研制頻率寬寬、作動動力大、動力學(xué)學(xué)特性簡簡單、尺尺寸小和和控制方方便的作作動器。(3) 實驗得得到的高高維強(qiáng)非非線性系系統(tǒng)分岔岔與混沌沌動力學(xué)學(xué)等的響響應(yīng)形式式(周期期、擬周周期、混混沌、Poiincaare圖圖等)的的定義方方法和與與理論定定義的相相對一致致性的研研究。(4) 轉(zhuǎn)子系系統(tǒng)穩(wěn)定定性的實實驗研究究，利用用實驗方方法對造造成轉(zhuǎn)子子失穩(wěn)的的因素進(jìn)進(jìn)行更精精細(xì)的分分析，例如如研究強(qiáng)強(qiáng)非線性性油膜力力的影響響問題；研究多多種因素素共同作作用時的的穩(wěn)定性性問題。3.3 時滯非非線性

38、系系統(tǒng)的動動力學(xué)理理論及其其應(yīng)用許多多動力系系統(tǒng)隨時時間的演演化不僅僅依賴于于系統(tǒng)當(dāng)當(dāng)前的狀狀態(tài)，而而且依賴賴于系統(tǒng)統(tǒng)過去某某一時刻或若若干個時時刻的狀狀態(tài)，這這樣的系系統(tǒng)被稱稱作時滯滯動力系系統(tǒng)。工工程系統(tǒng)統(tǒng)中的時時滯通常?？梢詺w結(jié)為為下列情情況之一一或幾種種情況的的組合：(1) 測控過過程中的的測量時時滯(如如視網(wǎng)膜膜對視頻頻映像的的處理、 機(jī)器器人分析析電視圖圖像);(2) 信號傳傳輸中的的時滯(如地殼殼的波動動、化學(xué)學(xué)反應(yīng)的的流動、電磁波波傳輸?shù)鹊?;(3) 形成控控制決策策所需的的時滯(如數(shù)字字控制器器的運(yùn)算算過程、人腦的的分析與與判斷);(4) 建立作作動器輸輸出所需需的時滯滯(如

39、液液力作動動器從接接受驅(qū)動動信號到到產(chǎn)生推推力);(5) 系統(tǒng)的的物理和和化學(xué)性性質(zhì)導(dǎo)致致的時滯滯等。因此此，許多多動力學(xué)學(xué)控制系系統(tǒng)需要要用時滯滯動力系系統(tǒng)來描描述。此此外，時時滯動力力系統(tǒng)還還是描述金屬屬切削過過程顫振振、生物物系統(tǒng)演演化等問問題的數(shù)數(shù)學(xué)模型型。一方方面，動動力系統(tǒng)統(tǒng)中無法法避免的時滯滯會改變變系統(tǒng)特特性，使使系統(tǒng)失失去穩(wěn)定定性，甚甚至使系系統(tǒng)的演演化呈現(xiàn)現(xiàn)復(fù)雜性性。另一一方面，時滯滯控制比比較容易易實現(xiàn)，可以通通過它來來改善系系統(tǒng)的動動力學(xué)特特性。例例如，混混沌空調(diào)調(diào)就是利用時時滯反饋饋控制來來產(chǎn)生混混沌信號號，柔和和地調(diào)節(jié)節(jié)室溫。對于動動力學(xué)、振動與與控制學(xué)學(xué)科而言，時

40、時滯動力力系統(tǒng)的的研究通通常直接接涉及到到動力學(xué)學(xué)和控制制兩方面面的內(nèi)容容。然而而，與常常微分方程和和偏微分分方程所所描述的的動力系系統(tǒng)相比比，時滯滯動力系系統(tǒng)對應(yīng)應(yīng)于泛函函微分方方程，其其初始狀態(tài)空空間是一一個無限限維空間間，并且且這個無無限維空空間沒有有多少特特殊的性性質(zhì)，理理論分析析往往非常困困難。對對于時滯滯非線性性動力系系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)定性分分析，特特別是失失穩(wěn)后的的動力學(xué)學(xué)行為的的分析還沒有有成熟的的、可直直接應(yīng)用用的方法法和理論論，更談?wù)劜簧蠑?shù)數(shù)值計算算方法。時滯非非線性動動力系統(tǒng)有著著比用常常微分方方程所描描述的動動力系統(tǒng)統(tǒng)更加豐豐富的動動力學(xué)行行為，例例如，一一階的自自治時滯非線線

41、性系統(tǒng)統(tǒng)就可能能出現(xiàn)混混沌運(yùn)動動。另一一方面，時滯因因素的出出現(xiàn)往往往會導(dǎo)致致常微分分方程所描述述的系統(tǒng)統(tǒng)中的混混沌運(yùn)動動消失。因此，開展對對時滯動動力系統(tǒng)統(tǒng)的研究究既有重重要的意意義，同時又又是富有有挑戰(zhàn)性性的任務(wù)務(wù)。迄今今為止，國內(nèi)外外對于時時滯動力力系統(tǒng)的的研究主主要集中中在以下下幾個方方面:(1) 從數(shù)學(xué)學(xué)角度將將時滯動動力系統(tǒng)統(tǒng)作為泛泛函微分分方程，研究解解的存在在性、唯唯一性、振蕩特特性等。(2)對對線性時時滯動力力系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行穩(wěn)定定性、魯魯棒穩(wěn)定定性分析析.這方方面的論論文很多多，并已已有若干干專著。(3) 針對一一些特殊殊的時滯滯非線性性動力系系統(tǒng)研究究其周期期解，特特別是平平凡

42、解經(jīng)經(jīng)過Hoopf分分岔形成的周期期解及其其穩(wěn)定性性。這方方面的研研究主要要集中在在生物數(shù)數(shù)學(xué)界，對于分分岔的研研究尚限限于非退化的的Hoppf分岔岔。(4) 針對實實際工程程系統(tǒng)，如切削削顫振、機(jī)器人人控制、車輛半半主動懸懸架、車車輛轉(zhuǎn)向向動力學(xué)學(xué)、保密通通訊等，通過研研究時滯滯對系統(tǒng)統(tǒng)特性的的影響來來改善系系統(tǒng)動特特性。從國國際范圍圍內(nèi)看，時滯因因素對動動力系統(tǒng)統(tǒng)的影響響機(jī)理正正日益受受到重視視。我國國學(xué)者在在這方面的研研究已經(jīng)經(jīng)有很好好基礎(chǔ)，有一些些研究論論文發(fā)表表在高水水平國際際期刊上上，并出出版了專專著。但研究究隊伍規(guī)規(guī)模小，研究方方法尚未未形成體體系，所所得的結(jié)結(jié)果還是是局部的的，

43、在時時滯引起起動力系統(tǒng)復(fù)復(fù)雜性的的研究方方面與國國外學(xué)者者的研究究工作尚尚有差距距。因此此，非常常有必要要加強(qiáng)對對于時滯非線線性動力力系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)一步研研究。值值得注意意的研究究內(nèi)容有有：(1) 非線性性時滯動動力系統(tǒng)統(tǒng)的非HHopff分岔、高余維維退化分分岔（如如退化的的Hoppf分岔岔）分析析與計算方法法。(2) 非線性性時滯動動力系統(tǒng)統(tǒng)中混沌沌產(chǎn)生的的機(jī)理與與條件，對混沌沌進(jìn)行時時滯控制制時控制制策略的的理性構(gòu)造造方法。.(3) 非線性性多時滯滯動力系系統(tǒng)初值值問題、周期解解問題的的高效數(shù)數(shù)值計算算方法，以及相相應(yīng)的穩(wěn)穩(wěn)定性計算算方法。(4) 非線性性多時滯滯動力系系統(tǒng)的實實驗建模模方法，包

44、括時時滯參數(shù)數(shù)的可辨辨識性研研究，人人機(jī)交互互過程的模模型建立立等。3.4 流體-彈性體體-剛體體耦合系系統(tǒng)的動動力學(xué)與與控制流固固耦合動動力學(xué)是是固體力力學(xué)和流流體力學(xué)學(xué)交叉形形成的一一個動力力學(xué)分支支，主要要研究變變形固體和流流體兩種種介質(zhì)之之間的交交互作用用，即在在流體動動載荷作作用下固固體產(chǎn)生生的變形形和動力力學(xué)響應(yīng)，而而變形和和動力學(xué)學(xué)響應(yīng)反反過來影影響流場場從而改改變流體體載荷的的分布和和大小。多柔體體系統(tǒng)動力學(xué)學(xué)是固體體力學(xué)和和動力學(xué)學(xué)交叉形形成的一一個動力力學(xué)分支支，主要要研究大大范圍的的剛體運(yùn)運(yùn)動和柔性變變形的相相互影響響，剛體體運(yùn)動產(chǎn)產(chǎn)生附加加的慣性性力影響響變形，而變形形

45、產(chǎn)生剛剛體的質(zhì)質(zhì)心和慣性張張量的變變化從而而影響剛剛體的運(yùn)運(yùn)動。流流體彈彈性體剛體合合系統(tǒng)動動力學(xué)與與控制則則是上述兩個個交叉學(xué)學(xué)科的進(jìn)進(jìn)一步交交叉與融融合，從從學(xué)科上上來看涉涉及固體體力學(xué)、流體力力學(xué)、計計算力學(xué)、動動力學(xué)、振動與與控制等等學(xué)科，從工程程上來看看與航天天、航空空、航海海、動力力機(jī)械、石化、生物物等領(lǐng)域域均有密密切的聯(lián)聯(lián)系。流體-彈彈性體-剛體耦耦合系統(tǒng)統(tǒng)具有以以下一些些特點:(1) 多介質(zhì)質(zhì)耦合：系統(tǒng)中中剛體、彈性體體、流體體(液體體和氣體體)等多多種介質(zhì)質(zhì)相互耦耦合作用用，其特點是是固體運(yùn)運(yùn)動、流流體運(yùn)動動和剛體體運(yùn)動均均不可能能單獨地地求解，無法顯顯式地消消去描述述流體運(yùn)

46、動的的獨立變變量，或或描述固固體運(yùn)動動的獨立立變量，或描述述剛體運(yùn)運(yùn)動的獨獨立變量量。這里里的剛體可能能是可以以處理成成剛體的的真實物物體，也也可能是是刻畫系系統(tǒng)整體體運(yùn)動的的剛體運(yùn)運(yùn)動模態(tài)態(tài)。(2) 非線性性特性：剛體的的運(yùn)動和和系統(tǒng)整整體的運(yùn)運(yùn)動一般般是大范范圍的非非線性運(yùn)運(yùn)動，因因此非線線性因素是是流體-彈性體體-剛體體耦合系系統(tǒng)的固固有特點點。(3) 多時間間尺度效效應(yīng)：剛剛體(或或系統(tǒng)整整體)、彈性體體和流體體運(yùn)動的的特征周周期一般般屬于兩兩個以上不同同的時間間尺度。(4) 變結(jié)構(gòu)構(gòu)特性：有些系系統(tǒng)中含含有機(jī)構(gòu)構(gòu)，可以以在一定定條件下下鎖定，如衛(wèi)星星的太陽陽能電池池帆板展開開鎖定，機(jī)

47、械手手抓取載載荷等。流體體彈性性體剛剛體耦合合系統(tǒng)的的動力學(xué)學(xué)與控制制涉及的的學(xué)科面面廣，難難題也自自然多。今后一個階階段，下下述關(guān)鍵鍵問題應(yīng)應(yīng)引起重重視：(1) 動力學(xué)學(xué)建模問問題：包包括如何何建立準(zhǔn)準(zhǔn)確描述述系統(tǒng)耦耦合動力力學(xué)行為為的數(shù)學(xué)學(xué)模型，如何建建立工程上上實用的的簡化模模型(或或等效模模型)及及其簡化化準(zhǔn)則，如何通通過實驗驗進(jìn)行模模型驗證證等。(2) 計算問問題：由由于計算算對象屬屬于多時時間尺度度、多介介質(zhì)耦合合問題和和非線性性問題，因此其其難度很大大。需要要重點研研究如何何最簡便便地描述述運(yùn)動，解決計計算中的的剛性問問題，提提高計算算效率等。(3) 研究單單柔性輸輸流管，雙柔性

48、性輸流管管以及多多排輸流流管的全全局動力力學(xué)。建建立流固固耦合的的非線性動動力學(xué)方方程，利利用Gaalerrkinn方法把把這些非非線性機(jī)機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)簡化成成含參數(shù)數(shù)激勵的的低維非線性動動力系統(tǒng)統(tǒng)，研究究系統(tǒng)的的局部分分岔、全全局分岔岔以及混混沌動力力學(xué)。(4) 研究在在風(fēng)作用用和支座座運(yùn)動情情況下柔柔性索和和柔性梁梁耦合的的混沌動動力學(xué)，建立水水平索和和斜拉索與與柔性梁梁耦合情情況下的的非線性性動力學(xué)學(xué)方程，研究系系統(tǒng)在多多種共振振情況下下的全局局分岔和混沌沌動力學(xué)學(xué)，確定定多脈沖沖同宿軌軌道和多多脈沖異異宿軌道道。(5) 研究貯貯液箱中中液體與與貯液箱箱之間相相互作用用的非線線性動力力學(xué)、全

49、全局分岔岔和混沌沌動力學(xué)學(xué)問題，建建立合適適有效的的動力學(xué)學(xué)控制方方程，研研究系統(tǒng)統(tǒng)在多種種共振情情況下的的全局分分岔和混混沌動力學(xué)。3.5 變結(jié)構(gòu)構(gòu)動力學(xué)學(xué)與碰撞撞振動變結(jié)結(jié)構(gòu)動力力系統(tǒng)在在工程技技術(shù)領(lǐng)域域有著廣廣泛的應(yīng)應(yīng)用背景景，如航航天器的的交會對對接，空空間機(jī)器人捕捕獲衛(wèi)星星，步行行機(jī)器人人、飛行行器分導(dǎo)導(dǎo)、以及及結(jié)構(gòu)中中的間隙隙作用等等等都屬屬于這類類動力系統(tǒng)的的研究范范疇。在在精密機(jī)機(jī)械、圖圖象處理理和生物物技術(shù)中中的許多多問題也也都存在在著許多多約束性質(zhì)發(fā)發(fā)生突變變的類似似現(xiàn)象。如何合合理的描描述變結(jié)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)統(tǒng)的動力力學(xué)過程程已成為為解決當(dāng)當(dāng)前包括航天天工程、機(jī)器人人技術(shù)、生物工

50、工程等許許多工業(yè)業(yè)領(lǐng)域的的基礎(chǔ)性性研究課課題。變結(jié)結(jié)構(gòu)動力力系統(tǒng)涉涉及到許許多基礎(chǔ)礎(chǔ)性和應(yīng)應(yīng)用性學(xué)學(xué)科的交交叉。由由于這類類系統(tǒng)包包含運(yùn)動動過程中約束束性質(zhì)的的變化，因此，其動力力學(xué)過程程是非光光滑、甚甚至不連連續(xù)的過過程.從從數(shù)學(xué)意意義上來看這類類系統(tǒng)可可以歸并并為一類類含不等等式約束束的非線線性微分分-代數(shù)數(shù)混合系系統(tǒng)，對對這類系系統(tǒng)解的性質(zhì)的的研究涉涉及到不不等式變變分原理理、穩(wěn)定定性理論論、含線線性并協(xié)協(xié)性條件件和非線線性并協(xié)協(xié)性條件的數(shù)數(shù)學(xué)規(guī)劃劃問題、以及相相關(guān)的數(shù)數(shù)值算法法等當(dāng)前前應(yīng)用數(shù)數(shù)學(xué)領(lǐng)域域研究的的內(nèi)容。從力學(xué)學(xué)意義上來說說，變結(jié)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)統(tǒng)在約束束性質(zhì)變變換的過過程中，一般要

51、要含有碰碰撞接觸觸的過程程，正確確的刻畫碰撞撞過程的的作用機(jī)機(jī)理是解解決這類類問題的的理論基基礎(chǔ)。牛牛頓、PPoisssonn及Whhitttakeer理論論構(gòu)成了經(jīng)經(jīng)典碰撞撞動力學(xué)學(xué)理論的的框架，但實際際上它所所能處理理的問題題僅限于于兩個球球狀近剛剛性物體的正正碰撞或或斜碰撞撞問題。因此，在將經(jīng)經(jīng)典的碰碰撞動力力學(xué)理論論引入到到變結(jié)構(gòu)構(gòu)系統(tǒng)動動力學(xué)時，我我們必須須重新認(rèn)認(rèn)識經(jīng)典典碰撞動動力學(xué)理理論中所所包含的的簡化假假設(shè)。這這些假設(shè)設(shè)包括：(1) 碰撞瞬瞬態(tài)假設(shè)設(shè)；(22) 碰碰撞局部部性假設(shè)設(shè)；(33) 碰碰撞法向向運(yùn)動不不受切向向運(yùn)動影影響的假假設(shè)；(4) 恢復(fù)系數(shù)數(shù)只依賴賴于碰撞撞體

52、材料料性質(zhì)，而與碰碰撞體的的幾何形形狀和運(yùn)運(yùn)動條件件無關(guān)的的假設(shè)；(5) 切向沖沖量Whhitttakeer理論論來確定定的假設(shè)設(shè)。當(dāng)把把經(jīng)典的的碰撞動動力學(xué)理理論推廣廣到多柔柔體系統(tǒng)統(tǒng)的碰撞撞問題時時，引起起的問題題更多。我們必須注注意到柔柔性體發(fā)發(fā)生碰撞撞時可能能激發(fā)的的多種不不同的運(yùn)運(yùn)動形式式：(11) 碰碰撞體的的整體運(yùn)運(yùn)動；(22) 碰碰撞體在在碰撞點點臨近的的局部變變形運(yùn)動動；(33) 柔柔性體的的結(jié)構(gòu)變變形運(yùn)動動；(44) 應(yīng)應(yīng)力波的傳播播等。同同時，變變結(jié)構(gòu)動動力系統(tǒng)統(tǒng)與計算算力學(xué)的的發(fā)展緊緊密相關(guān)關(guān)，碰撞撞接觸的的過程實實際上是一個個含動邊邊界的相相互作用用的過程程，目前前在

53、計算算力學(xué)領(lǐng)領(lǐng)域備受受關(guān)注的的無網(wǎng)格格數(shù)值技技術(shù)方法為精精細(xì)研究究碰撞作作用過程程的力學(xué)學(xué)性質(zhì)提提供了可可能.變變結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)往往往是一個個受控的的多體系統(tǒng)，碰碰撞過程程的強(qiáng)非非線性因因素對控控制器的的設(shè)計提提出了更更高的性性能要求求，這包包括對控控制器的魯棒棒性、穩(wěn)穩(wěn)定性、以及系系統(tǒng)在執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)受限條條件下的的最優(yōu)控控制問題題等。可可以看出出，碰撞與變變結(jié)構(gòu)動動力學(xué)不不僅具有有廣泛的的工程應(yīng)應(yīng)用背景景，并且且涉及到到多體動動力學(xué)、計算力力學(xué)、應(yīng)用數(shù)數(shù)學(xué)、控控制理論論等多學(xué)學(xué)科共同同關(guān)注的的基礎(chǔ)理理論問題題，因此此，開展展碰撞與與變結(jié)構(gòu)構(gòu)動力學(xué)及相相關(guān)的碰碰撞振動動研究具具有重要要的理論論意義

54、和和工程價價值。主主要研究究內(nèi)容有有以下幾幾方面：(1) 碰撞作作用過程程力學(xué)機(jī)機(jī)理的研研究.包包括基于于能量表表述的碰碰撞簡化化模型的的實現(xiàn)，碰撞過過程中的能量量分配規(guī)規(guī)律，以以及對碰碰撞過程程中切向向運(yùn)動和和法向運(yùn)運(yùn)動的相相互作用用機(jī)理等等。(2) 變結(jié)構(gòu)構(gòu)動力學(xué)學(xué)過程整整體動力力學(xué)特性性的描述述。包括括對含并并協(xié)性條條件微分分代數(shù)混混合系統(tǒng)統(tǒng)的解的性性質(zhì)、全全局穩(wěn)定定性、以以及相關(guān)關(guān)的數(shù)值值算法。(3) 動邊界界問題的的處理技技術(shù)。包包括利用用無網(wǎng)格格數(shù)值計計算方法法解決含含大變形形和碰撞撞接觸的的變結(jié)構(gòu)動動力學(xué)問問題。(4) 變結(jié)構(gòu)構(gòu)動力系系統(tǒng)的控控制問題題的研究究.包括括研究含含碰撞

55、與與接觸約約束的變變結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)控制制策略的魯棒棒性、穩(wěn)穩(wěn)定性、以及相相關(guān)的最最優(yōu)控制制策略問問題。(5) 含間隙隙的復(fù)雜雜機(jī)械、結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)碰撞撞振動分分析，包包括碰撞撞振動的的類型、運(yùn)動穩(wěn)穩(wěn)定性、分岔及混混沌的分分析與控控制等。3.6 微機(jī)電電系統(tǒng)動動力學(xué)近年年來，微微機(jī)電系系統(tǒng)(mmicrro eelecctroo-meechaaniccal sysstemm, MMEMSS)正走走出實驗驗室，成成為21世世紀(jì)初的的新興產(chǎn)產(chǎn)業(yè)。僅僅從國防防科技工工業(yè)領(lǐng)域域看，MMEMSS技術(shù)將將用于各各種微型型武器系系統(tǒng)，形成具具有新的的競爭力力的“智智能軍火火”。西西方發(fā)達(dá)達(dá)國家正正在積極極研制用用于軍事

56、事目的的的微型航空器器、重量量在1kkg級、甚至00.1kkg級的的納米衛(wèi)衛(wèi)星等。而它們們的實現(xiàn)現(xiàn)必須借借助各種種微發(fā)動機(jī)、微微慣導(dǎo)儀儀器、微微傳感器器、微執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)。與傳傳統(tǒng)機(jī)械械和結(jié)構(gòu)構(gòu)相比，MEMMS的研研制過程程更具有設(shè)設(shè)計與制制造一體體化的特特征。目目前，對對MEMMS的設(shè)設(shè)計多還還在器件件水平。除了少少數(shù)二維維器件的設(shè)設(shè)計外，多數(shù)設(shè)設(shè)計借助助于ANNSYSS等商品品化軟件件進(jìn)行試試湊；除除了一些些微加速速度計的的設(shè)計外，多多數(shù)設(shè)計計尚屬于于結(jié)構(gòu)靜靜強(qiáng)度或或機(jī)構(gòu)運(yùn)運(yùn)動學(xué)范范疇?？煽梢灶A(yù)見見，隨著著MEMMS的實實用化，其動力學(xué)學(xué)問題將將日益引引起人們們的關(guān)注注。例如如，對于于微發(fā)動

57、動機(jī)中的的運(yùn)動部部件、微微慣導(dǎo)儀儀器，必須從從動力學(xué)學(xué)角度去去進(jìn)行分分析和設(shè)設(shè)計。微微機(jī)電系系統(tǒng)動力力學(xué)方面面的研究究國內(nèi)外外均起步步不久，以下下是若干干值得注注意的問問題：(1) 多學(xué)科科耦合的的大規(guī)模模動力學(xué)學(xué)模擬。許多MMEMSS包括了了固體、流體、熱傳導(dǎo)導(dǎo)、電磁磁、靜電等相互互作用。例如，在微米米尺度的的流速計計中，集集成了限限流元件件、壓力力傳感器器、放大大電路等。對對其進(jìn)行行動力學(xué)學(xué)模擬需需要使用用含計算算流體力力學(xué)模塊塊的ANNSYSS有限元元軟件包包FOLLTRAAN和電網(wǎng)絡(luò)絡(luò)模擬軟軟件HSSPICCE，聯(lián)聯(lián)合解決決多學(xué)科科耦合的的MEMMS仿真真與設(shè)計計。僅從從流體力力學(xué)看，

58、又可能包包括自由由表面和和表面張張力、非非牛頓黏黏性流、非均勻勻多相流流、懸浮浮流體、表面吸吸收和催化作作用、混混合、多多介質(zhì)傳傳導(dǎo)、熱熱傳導(dǎo)和和輻射等等。因此此，需要要有適應(yīng)應(yīng)各種學(xué)學(xué)科和各各種方程的網(wǎng)網(wǎng)格生成成技術(shù)及及動力學(xué)學(xué)求解器器.由于于對MEEMS精精細(xì)建模模的需要要，上述述多學(xué)科科耦合的的數(shù)值模擬規(guī)規(guī)模非常常大。目目前，MMEMSS的動力力學(xué)研究究中，處處理100,0000個自自由度的的線性問問題已屬屬常規(guī)，但但更大規(guī)規(guī)模的多多學(xué)科耦耦合數(shù)值值模擬還還有許多多困難。(2) 尺度效效應(yīng)分析析。目前前，對MMEMSS器件的的尺度效效應(yīng)研究究主要針針對強(qiáng)度度、摩擦擦與潤滑滑等問題，很少少

59、針對動動力學(xué)問問題。已已有實驗驗表明，對于基基于共振振或濾波波原理的的微傳感感器，其其工作頻率范范圍達(dá)kkHz或或GHzz, 會會產(chǎn)生由由于尺度度引起的的穩(wěn)定性性問題。隨著尺尺度縮小小，對于于宏觀器件可忽忽略的失失穩(wěn)變得得突出。當(dāng)器件件尺度很很小時，溫度、驅(qū)動功功率、BBrowwn運(yùn)動動、Joohnsson噪聲、光子、電子、吸收分分子的波波動等都都影響噪噪聲特性性，有可可能限制制超微傳傳感器的的應(yīng)用.這些都都是MEEMS發(fā)發(fā)展中需需要認(rèn)真真解決的的動力學(xué)學(xué)問題。(3) 非線性性動力學(xué)學(xué)分析。MEMMS中的的非線性性主要源源于微機(jī)機(jī)構(gòu)、微微驅(qū)動器器(如靜靜電電機(jī)機(jī))，例例如柔性鉸鉸產(chǎn)生的的幾何大

60、大變形、摩擦等等。目前前，對非非線性問問題的研研究主要要采用AANSYYS軟件件進(jìn)行非線性性有限元元建模和和瞬態(tài)響響應(yīng)數(shù)值值模擬。幾乎未未從非線線性動力力學(xué)的高高度來研研究非線線性振動、動動力穩(wěn)定定性等問問題。隨隨著微機(jī)機(jī)構(gòu)和微微驅(qū)動器器實用化化，轉(zhuǎn)速速高達(dá)11000000rr/miin的微馬達(dá)達(dá)將投入入使用，高速旋旋轉(zhuǎn)機(jī)械械和機(jī)構(gòu)構(gòu)的動力力學(xué)問題題必將引引起關(guān)注注。(4) 納米機(jī)機(jī)械的動動力學(xué)模模擬。當(dāng)當(dāng)MEMMS中器器件的尺尺度小到到納米量量級時，基于連連續(xù)介質(zhì)質(zhì)力學(xué)理論的建建模方法法將失效效。目前前，對納納米機(jī)械械的設(shè)計計尚處于于探索階階段，例例如采用用分子動動力學(xué)模擬方方法研究究納米齒