《机械动力学与振动》课程教学大纲

《机械动力学与振动》课程教学大纲
课程名称：机械动力学与振动
课程代码：EM357
学分/学时：3学分/51学时
开课学期：春季学期
适用专业：机械工程、热能与动力工程、核工程、航空宇航科学、建筑环境与设备及相关专业
先修课程：高等数学、理论力学、线性代数
后续课程：
开课单位：机械与动力工程学院
一、课程性质和教学目标（需明确各教学环节对人才培养目标的贡献，专业人才培养目标中的知识、能力和素质见附表）
课程性质：机械动力学与振动是机械工程、热能动力工程、核科学与工程、航空航天工程等专业的一门重要专业基础课，是机械、能源动力类专业必修主干课。

教学目标：机械动力学与振动是研究机械系统的运动、振动和受力之间的关系的科学，通过本课程的学习，掌握与机械动力学和振动有关的基本理论和分析方法，具备对复杂机械系统建立动力学模型的能力，进行动力学与振动相关分析的能力及从事相关科学研究工作和相关专业技术工作的能力，也为相关工程管理工作提供重要的理论基础。

（A4.1, A5.1, A5.2, A5.3，B2，B4，C2）
通过本课程教学，不仅使学生在机械动力学和振动特别是机械系统在外力作用下的响应及应用方面树立正确的概念，同时培养学生科学抽象、逻辑思维能力，进一步强化实践是检验理论的唯一标准的认识观。

具体来说，
1、能够利用牛顿/欧拉方程和拉格朗日方程建立弹性体系统进行动力学方程；[A3, A4.1, A4.2,
A5.1]
2、能够对振动系统的自由振动和受迫振动进行求解，了解提高抗振性能所利用的基本原则和
主要途径[A5.1, A5.4]
3、能够运用常用的振动基本公式、图表和计算软件（如matlab）等进行一般振动特性分析和
计算。

[A5.2，A5.1, A5.4]
4、具备对工程中的传动机构动力学，机器人动力学、惯性力系的平衡、振动传递、隔振、动
力吸振及旋转不平衡等问题进行建模和分析的能力[A5.1,A5.3, A5.4, B2, B4]
5、掌握模态法对多自由度系统的求解及特征根和特征向量的物理意义[A5.1]
6、强化理论来源于实践，实践是检验理论的唯一标准的认识观。

（A5.1, A5.2，B4, C2）
二、课程教学内容及学时分配（含实验、自学、作业、讨论等的内容及要求）
本课程由动力学基础理论、刚体动力学与机械的平衡、机械振动基本理论、机械振动的控制及应用五部分组成。

1、机械动力学与振动概述(1学时) （B4, C2）
机械动力学与振动的基本概念、工程应用背景、研究目的、历史、问题及解决方法
目标及要求：通过该概述，学生对机械动力学与振动的工程应用背景、研究目的及基本概念、问题和解决方法有个感性认识，为后续教学内容作铺垫。

课外活动：参观机械系统与振动国家重点实验室
2、机械动力学理论基础 (4学时)（A5.1,A5.2, B2, B4, C2）
2.1 作用于机械系统上的力
2.2 等效力学模型
2.3 约束、自由度、广义坐标
2.4 虚位移、理想约束、虚功原理、广义力
2.5 拉格朗日方程
目标及要求：通过本章节的学习，学生应该具备对较复杂的机械系统建立其动力学方程的能力，为刚体系统动力学和机械振动的系统动力学模型建立奠定理论基础。

3、机械的平衡与多体系统动力学分析（9学时）（A5.1,A5.3, A5.4, B2, B4）
3.1 转子平衡
3.2 机构惯性力平衡
3.3 机构惯性力矩平衡
3.4 应用：多连杆机构及多缸发动机的平衡
3.5 多体系统运动方程的建立
3.6 多自由度机械系统动力分析
3.7 应用：机器人操作机动力学分析
目标及要求：转子、机构的动平衡和多体系统动力学是机械动力学的基本内容，通过本章节的学习，学生应该掌握从实际问题到力学模型抽象过程的基本原理和基本方法，具备对机械系统进行动力学相关分析的能力及相关技术工作的适应能力。

同时，该章的内容有助于提高学生对后续振动章节中的振源(激励)的工程背景的认识。

4、单自由度系统的振动（16学时）（A5.1,A5.3, A5.4, B2, B4）
4.1 振动模型，振动方程的建立及固有频率的确定
4.2 无阻尼自由振动
4.3 有阻尼自由振动
4.4 简谐激励强迫振动及响应特性
4.5 隔振原理
4.6 等效粘性阻尼
4.7周期激励下的响应
4.8任意激励下的响应
目标及要求：通过本章的学习，学生应当掌握从实际问题到振动模型抽象过程的基本原理和基本方法，并结合高等数学的知识，能够求解解决单自由度系统的自由振动，强迫振动响应以及从物理本质上理解其响应规律及振动的基本知识。

能够联系实际工程应用，具备振动隔振、转子动平衡等相关技术工作的适应能力。

5、多自由度系统的振动（10学时）（A5.1, A5.2, B2，B4, C2）
5.1 多自由度振动方程的建立
5.2 无阻尼多自由度系统的自由振动
5.3 坐标耦合与解耦
5.4 有阻尼多自由度系统的强迫振动
5.5 动力吸振器
5.6 模态分析法
5.7 基频的近似算法
目标及要求：通过本章的学习，学生应当具备对较复杂系统建立振动方程的能力。

能够结合高等数学、线性代数的知识，对多自由度系统的自由振动，强迫振动从物理本质上理解其响应规律及振动的基本知识。

对振动模态和振型等概念有个较清楚的认识并能够利用模态法对多自由度系统的响应进行求解。

从频域上理解动力吸振的概念及工程应用。

6、简单连续系统动力学方程 (5学时)（A5.1, A5.2, B2，B4, C2）
6.1 杆的纵向振动
6.2 轴的扭振
6.3 梁的横向振动
6.4 应用：机械传动系统动力学分析
目标及要求：培养学生利用数学和力学知识，对简单连续系统建立运动方程的能力，进一步理解振动模态和振型的概念，具备对简单机械传动系统建立振动方程、进行动力学分析的能力。

7、机械振动的控制（4学时）（A5.1, A5.2, B2，B4, C2）
7.1 振源的振动控制
7.2 振动传播的控制
7.3 减少机械设备动载荷的途径
目标及要求：结合前几章的内容，使学生对振动控制能有更深一步的认识，能够对一个较简单机械系统的振动采用多种方法和途径实现振动控制，具备振动控制等相关技术工作的适应能力。

7 实验（2学时/实验）：（A5.3）
转子不平衡引起的振动，振动隔振。

课程大作业及要求：多个课题中选一个
1、运用动平衡、隔振原理及动力吸振知识，设计一个减振装置，减少转子不平衡引起的振动；（该课题可以设计为一个将隔振原理、动力吸振、动平衡减少振动以及振动主动控制结合在一起的课题）
2、运用动平衡知识实现对多缸发动机的平衡；
3、运用多体动力学知识，对机器人操作机动力学进行分析并提出改进方案；
三、教学方法
在教学方式上，以目前的授课、教学网站资源和机械工程实验室为基础，不断丰富教学内容、实验内容，积极采用启发和研讨式教学方法，促进课堂的生动性，提高学生的学习主动性和应用性，从而提高教学的质量。

为了达到课程教学目标的，我们将根据现有的教学大纲编写一本适合本课程的教材《机械振动与动力学》。

新编教材将以机械振动与动力学的基本理论、知识为基础，结合机械系统中的振动和动力学问题，把动力学与振动的基本理论、工程应用等主要内容循序渐进地展现出来。

经典内容与工程实践及科技新成果较好地结合，在重点、难点阐述上通过反复加强，引导学生思考的方式、在逐步深入的过程中使学生思考、掌握。

教材十分注意利用思考题、习题等开拓学生的思维，教材每章的思考题和习题不仅仅只是简单巩固已有内容，有些是加深内容的理解，有些是内容的延伸。

课堂教学中对难点与重点内容可采用循序渐进，并将基础知识和理论和实际工程应用相结合，通过对典型工程实际案例的动力学与振动分析，让学生掌握机械系统和结构的动力学模型，这也是机械动力学与振动分析研究的基础，接着通过具体的动力学与振动分析，逐步引导学生对机械动力学与振动的认识，然后介绍动力学与振动的基本概念和理论，使学生掌握与动力学与振动相关的分析和解决能力。

此外，本课程的教学内容将不断更新，充分结合振动所的科研课题，引入一些振动控制、隔振与非线性振动的最新研究成果，扩宽学生的视野，从理论知识、分析能力、应用能力和解决问题的能力方面不断丰富教学内容。

课堂教学流程设计框图
四、考核及成绩评定方式
对课程考核方式：半开卷式笔试+平时测验及作业
成绩评定方式：期末考试 55分
大作业：15分；习题：20分；实验 10分
五、教材及参考书目
教材：
机械振动与动力学: 自编
参考书目：
•W. T. Thomson, Theory of Vibration with Applications, 2005年•Harold Josephs, Dynamics of Mechanical System, 2002年
•赵玫，机械振动学，科学出版社，2005年
•张策，机械动力学，高等教育出版社，1995年
•Merovitch, L., Fundamentals of Vibrations, Mc Graw - Hill, 2001 •Tse, Francis S., Mechanical Vibration Theory and Applications, 1978 •清华大学工程力学系固体力学系编，机械振动学（上册），1980 •季文美，机械振动学，科学出版社，1985
附表：机械工程及自动化、热能与动力工程专业本科专业人才培养目标体系
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