复杂机电耦合
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复杂机电系统 基础研究发展的思考
研究小组 钟 掘 杨华勇 熊诗波 秦大同 王益群 孟 光 虞 烈 翟婉明 赵淳生 王艾伦
二00四年十一月二十日
复杂机电系统
• 生产过程的载体
• 科学工程的工具
机械制造的产品
重要的社会性
机械制造的工具
机械工程发展的目标
工业社会、知识社会赖以生存、发展的核心生产力 装备制造业是国家战略目标的重心之一
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 1、系统动力学的“灰色”现象与命题
2）多动力源能量分流、融合中的竞争机制与工况畸变
i=1
M0
M1
集中驱动的能量变态传递与工况宏观劣变
多驱动源融合分流的小 扰动与精密制造受损
复杂机电系统基础研究的思考
活动横梁中载和纵 偏载下横向受力
活动横梁横偏载 下横向受力
活动横梁纵偏 载下纵向受力
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例3、复杂结构力流传递与强度设计的不确定性
2）多输入、强时变输出的复杂传动系统能流传 递分配和动力学特性的不确定性
1、功能多样、连续高效
[主体工艺行为+行为精度控制]ㆍn 系统功能 2、作业极端 制造极端 负载、尺度、速度、精度、材料 3、高丰度前沿技术集成 机载电、光、机、液、声多类技术系统 4、信息流与物质流并行，拟人智能化 ……………………………….
硅片→器件 液态→零件
复杂机电系统的极端化，其非解耦性和不确定性特征强化 基础研究的核心 ——多物理过程交互中的机械学宏、微确定性规律与非确定性机制
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 1、系统动力学的“灰色”现象与命题
3)高能效的多动力源能域互补、能量需求时变性与传动系 统动力及运动传递的不确定性
电动机 发动机 变速器 电池 发电机
清洁节能汽车的混合动力传动系统
复杂机电系统基础研究的思考
复杂传动系统
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例1、系统动力学的“灰色”现象与命题
高速有轨运载持续发展的挑战
——基于轮轨大系统复杂非线性动力学的系 统动态设计理论
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例2、摩擦状态的时变性与运行过程的不确定性
时变振动频谱
激光毛化表面粗糙度Ra=4µ m
新 辊 振 动
旧 辊 振 动
52
I24
53
44
1
32
33
I0+I1 C1,2 R 3
TF . . i
28
1
26
0
24
23
1
21 22
I12+I13+I14
R 18
TF . . 1/if
34
1
36
I22 I23 0
46 45
1
54
1
48
47
0 49
I15+I16+I 17 C13,15
R 12
C21 R 23 Mf
TF . 51 . 50 1/r C23
L3 a io L5 L4 i1 i i2 i3
冲 击 度 m/s3
L1
L2
15 10 5 0 -5 -10
0
10
20
30 40 时间 s
50
60
能流传递分配系统简图
C5,6 ,5 I6 +I7+I8
10 12 11
能流传递动力转换时的冲击
Mf I9+I10+I11 1C11
15 13 17
I5 R 0 I2+I3+I4+
0
9
1
能流传递 系统模型
3
7 4
TF . . 1/ic
14
1
16
a/(1+a) . . 0 19 TF
18 30
C20 R 22 C22 I18+I19
31 37 35 39 42
0 38 1
Se
1
1
2
0
5
6
1
8 29
R15
27
. Biblioteka BaiduF1/(1+a) .
20 25
40
0 41
1/r . . TF 43
新旧辊粗糙度的1微米、硬度 的10HR的差别改变界面动力学 状态、产品表面状态
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例3、复杂结构力流传递与强度设计的不确定性
1）复杂结构力流传递的多通道和衍生的附加力 系、强度设计的不确定性
活动横梁中载和纵 偏载下横向受力
复杂机电系统基础研究的思考
一、复杂机电系统的一般性认识
1、复杂机电系统——现代机械装备
多种技术集成的多功能机电装备
系统载有多物理过程，形成基本功能
各子系统微观层次的非线性相互作用，导致宏观行为 演变——功能精度、稳定性、确定性
800—1000个子系统、300多万个零件
50余个物理过程、融合百万余参数
复杂机电系统基础研究的思考
一、复杂机电系统的一般性认识
2、复杂机电系统行为规律的重要特征
一个复杂机电系统的整体行为 不能通过独立分析其各部分的 行为来确定，需要建立系统研 究方法； 一个复杂机电系统的整体行为
在大时间尺度上是不能预先唯
一性确定，不宜使用一般意义 的寻优方法。
CM04平整机功率拓扑键图
R 24
Fw
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例3、复杂结构力流传递与强度设计的不确定性 超大载荷 复杂工艺 多维高精度 不确定性 附加力系 复杂 组合
4）复杂系统的非线性动力学效应与宏观功能精度
轧辊多维动态响应
复杂机电系统基础研究的思考
轧件表面不规则印痕
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例1、系统动力学的“灰色”现象与命题 5）轮轨波磨的复杂[动力学-摩擦学]耦合与高 速有轨运载安全 波磨现象与高速安全 窗口现象与启示
复杂机电系统基础研究的思考
一、复杂机电系统的一般性认识
例： 轧制板材厚度由压力、张力、速度、润滑综合确定
厚差、板型的变化——时变系统
发散、自激、复合强迫振动现象——非线性复杂耦合
复杂机电系统是一个非线性耦合系统
复杂机电系统基础研究的思考
二、复杂机电系统发展的总体走向 ——前沿集成、极端化
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例1、系统动力学的“灰色”现象与命题
1）非线性驱动力在系统响应中的多级非线性效应，工 作精度的扰动
电机驱动系统中的非线性驱动力 PZT微驱动中的非线性驱动力
非线性驱动力在系统中的传递——对系统行为的扰动
研究小组 钟 掘 杨华勇 熊诗波 秦大同 王益群 孟 光 虞 烈 翟婉明 赵淳生 王艾伦
二00四年十一月二十日
复杂机电系统
• 生产过程的载体
• 科学工程的工具
机械制造的产品
重要的社会性
机械制造的工具
机械工程发展的目标
工业社会、知识社会赖以生存、发展的核心生产力 装备制造业是国家战略目标的重心之一
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 1、系统动力学的“灰色”现象与命题
2）多动力源能量分流、融合中的竞争机制与工况畸变
i=1
M0
M1
集中驱动的能量变态传递与工况宏观劣变
多驱动源融合分流的小 扰动与精密制造受损
复杂机电系统基础研究的思考
活动横梁中载和纵 偏载下横向受力
活动横梁横偏载 下横向受力
活动横梁纵偏 载下纵向受力
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例3、复杂结构力流传递与强度设计的不确定性
2）多输入、强时变输出的复杂传动系统能流传 递分配和动力学特性的不确定性
1、功能多样、连续高效
[主体工艺行为+行为精度控制]ㆍn 系统功能 2、作业极端 制造极端 负载、尺度、速度、精度、材料 3、高丰度前沿技术集成 机载电、光、机、液、声多类技术系统 4、信息流与物质流并行，拟人智能化 ……………………………….
硅片→器件 液态→零件
复杂机电系统的极端化，其非解耦性和不确定性特征强化 基础研究的核心 ——多物理过程交互中的机械学宏、微确定性规律与非确定性机制
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 1、系统动力学的“灰色”现象与命题
3)高能效的多动力源能域互补、能量需求时变性与传动系 统动力及运动传递的不确定性
电动机 发动机 变速器 电池 发电机
清洁节能汽车的混合动力传动系统
复杂机电系统基础研究的思考
复杂传动系统
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例1、系统动力学的“灰色”现象与命题
高速有轨运载持续发展的挑战
——基于轮轨大系统复杂非线性动力学的系 统动态设计理论
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例2、摩擦状态的时变性与运行过程的不确定性
时变振动频谱
激光毛化表面粗糙度Ra=4µ m
新 辊 振 动
旧 辊 振 动
52
I24
53
44
1
32
33
I0+I1 C1,2 R 3
TF . . i
28
1
26
0
24
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21 22
I12+I13+I14
R 18
TF . . 1/if
34
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I22 I23 0
46 45
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0 49
I15+I16+I 17 C13,15
R 12
C21 R 23 Mf
TF . 51 . 50 1/r C23
L3 a io L5 L4 i1 i i2 i3
冲 击 度 m/s3
L1
L2
15 10 5 0 -5 -10
0
10
20
30 40 时间 s
50
60
能流传递分配系统简图
C5,6 ,5 I6 +I7+I8
10 12 11
能流传递动力转换时的冲击
Mf I9+I10+I11 1C11
15 13 17
I5 R 0 I2+I3+I4+
0
9
1
能流传递 系统模型
3
7 4
TF . . 1/ic
14
1
16
a/(1+a) . . 0 19 TF
18 30
C20 R 22 C22 I18+I19
31 37 35 39 42
0 38 1
Se
1
1
2
0
5
6
1
8 29
R15
27
. Biblioteka BaiduF1/(1+a) .
20 25
40
0 41
1/r . . TF 43
新旧辊粗糙度的1微米、硬度 的10HR的差别改变界面动力学 状态、产品表面状态
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例3、复杂结构力流传递与强度设计的不确定性
1）复杂结构力流传递的多通道和衍生的附加力 系、强度设计的不确定性
活动横梁中载和纵 偏载下横向受力
复杂机电系统基础研究的思考
一、复杂机电系统的一般性认识
1、复杂机电系统——现代机械装备
多种技术集成的多功能机电装备
系统载有多物理过程，形成基本功能
各子系统微观层次的非线性相互作用，导致宏观行为 演变——功能精度、稳定性、确定性
800—1000个子系统、300多万个零件
50余个物理过程、融合百万余参数
复杂机电系统基础研究的思考
一、复杂机电系统的一般性认识
2、复杂机电系统行为规律的重要特征
一个复杂机电系统的整体行为 不能通过独立分析其各部分的 行为来确定，需要建立系统研 究方法； 一个复杂机电系统的整体行为
在大时间尺度上是不能预先唯
一性确定，不宜使用一般意义 的寻优方法。
CM04平整机功率拓扑键图
R 24
Fw
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例3、复杂结构力流传递与强度设计的不确定性 超大载荷 复杂工艺 多维高精度 不确定性 附加力系 复杂 组合
4）复杂系统的非线性动力学效应与宏观功能精度
轧辊多维动态响应
复杂机电系统基础研究的思考
轧件表面不规则印痕
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例1、系统动力学的“灰色”现象与命题 5）轮轨波磨的复杂[动力学-摩擦学]耦合与高 速有轨运载安全 波磨现象与高速安全 窗口现象与启示
复杂机电系统基础研究的思考
一、复杂机电系统的一般性认识
例： 轧制板材厚度由压力、张力、速度、润滑综合确定
厚差、板型的变化——时变系统
发散、自激、复合强迫振动现象——非线性复杂耦合
复杂机电系统是一个非线性耦合系统
复杂机电系统基础研究的思考
二、复杂机电系统发展的总体走向 ——前沿集成、极端化
复杂机电系统基础研究的思考
三、突破复杂机电系统中“灰色”机械学现象的约 束 ——发展高性能装备的基础 例1、系统动力学的“灰色”现象与命题
1）非线性驱动力在系统响应中的多级非线性效应，工 作精度的扰动
电机驱动系统中的非线性驱动力 PZT微驱动中的非线性驱动力
非线性驱动力在系统中的传递——对系统行为的扰动