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

2、個動態(tài)問題。所謂動態(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系統(tǒng)的某一固有頻率時，就必須作為一個動態(tài)問題，而不是靜態(tài)問題來處理。事實上，工程中的許多問題都必須看作動態(tài)問題。4n與靜態(tài)問題比較起來，動態(tài)問題具有以下特點與靜態(tài)問題比較起來，動態(tài)問題具有以下特點：n1.復(fù)雜性復(fù)雜性n 造成動態(tài)問題的復(fù)雜性的主要原因是其載荷作用的“后效性”與其響應(yīng)對應(yīng)于過去經(jīng)歷載荷的“記憶性”。前者是指某時刻作用在系統(tǒng)上的載荷不僅只影響系統(tǒng)在該時刻的響應(yīng)，而影響系統(tǒng)在此后各時刻的響應(yīng)；后者則是指系統(tǒng)在任一時刻的響應(yīng)不只由該時刻的載荷來決定，而是由在該時刻之前系統(tǒng)所經(jīng)受的載荷的全部

3、歷程來決定，好像系統(tǒng)能記住它過去的經(jīng)歷一樣。5n 動載荷對系統(tǒng)的作用是首先改變系統(tǒng)在各個時刻的初態(tài)，這些受擾的初態(tài)就按系統(tǒng)內(nèi)在的模式，向前運動和發(fā)展，然后才能決定系統(tǒng)在其后各個時刻的總的響應(yīng)。n 由此可見，一個動態(tài)系統(tǒng)在受到外加擾動時，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)出它的個性；對一個動態(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，使得對一個動態(tài)系統(tǒng)的辨識、響應(yīng)預(yù)測或控制，都要比對靜態(tài)問題復(fù)雜得多。6n2.危險性危險性n 動態(tài)系統(tǒng)可能十分危險，其危險性主要是由兩種因素引起的：其一為共振現(xiàn)象，當(dāng)擾動頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，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，在一定的條件下，一個動態(tài)系統(tǒng)(例如金屬切削機床、軋鋼機或飛機等等)，可以在沒有外加交變激勵的情況下，突然振動起來，振幅猛烈上升而產(chǎn)生巨大的破壞性。 7 例如機床上如果發(fā)生這種振動，便難于正常地進行切削加工，而飛機如果產(chǎn)生這種振動，往往會產(chǎn)生機毀人亡的后果。這種振動即自激振動。它似乎是“無緣無故”地發(fā)生的，對其機理的剖析及防治都比較困難。8n3.超常性超常性n 動態(tài)問題的現(xiàn)象、規(guī)律及其防治方法往往超越人們的生活常識之外，無法以直觀的方法來說明和理解，而必須通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治觯拍艿靡越忉尯图右灶A(yù)測

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

6、用可以是力(力矩)或稱載荷，也可以是運動，我們通稱為激勵激勵，前者為力激勵，后者為運動激勵。n 系統(tǒng)受到激勵后的行為我們則稱之為響應(yīng)響應(yīng)。一般用機械系統(tǒng)的某一個構(gòu)件或某點的位移(線、角)、速度、加速度的時間函數(shù)來表示，其實機械中的各構(gòu)件，運動副中受到的力，如應(yīng)力應(yīng)變也都屬于響應(yīng)。11n 現(xiàn)代機械動力學(xué)主要研究對象就是激勵、系統(tǒng)和響應(yīng)，而其主要研究內(nèi)容就是三者的關(guān)系，歸結(jié)為以下三個方面的問題：n 1.已知載荷和結(jié)構(gòu)參數(shù)求結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，稱為響應(yīng)預(yù)估問題，它是機械動力學(xué)的正問題，也是機械動力學(xué)研究的核心問題。這類問題一般借助于多種動態(tài)分析方法(如模態(tài)分析法、機械阻抗法、有限元法等)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進行

7、研究。即為已知激勵和系統(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，稱為參數(shù)辨識或系統(tǒng)辨識問題，它是機械動力學(xué)的第一類逆問題。n 這類問題通常要借助于模態(tài)分析的方法來識別結(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)，為改進結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。即為已知激勵和響應(yīng)求系統(tǒng)。13n 3.已知結(jié)構(gòu)參數(shù)和響應(yīng)求載荷，稱為載荷辨識問題，它是機械動力學(xué)的第二類逆問題。n 這類問題通常先進行第一類逆問題的計算和測試，求得結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后方能進行載荷辨識，以弄清外界擾動力的水平和規(guī)律。即為已知系統(tǒng)和響應(yīng)求激勵。14 1.2系統(tǒng)與機械系統(tǒng)系統(tǒng)與機械系統(tǒng) 現(xiàn)

8、代的工程問題不僅要對系統(tǒng)進行動態(tài)特性的分析，而且還需要對系統(tǒng)進行綜合，即將所要研究和處理的對象當(dāng)作一個系統(tǒng)，看其中元素和元素之間的關(guān)聯(lián)，并從整體的角度來協(xié)調(diào)好這種關(guān)聯(lián)，使這個系統(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)論的觀點看，系統(tǒng)是一些元素的組合，這些組合在一起的元素通過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械元件組成的機械系統(tǒng)，例如平面連桿機構(gòu)系統(tǒng)，由凸輪元件組成的凸輪機構(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)。如機和電形成的機電一體化系統(tǒng)，機械和液壓結(jié)合形成的機液控制系統(tǒng)等。n 因此，機械

9、系統(tǒng)動力學(xué)也常常研究這些系統(tǒng)的動力學(xué)問題，所以研究機械系統(tǒng)動力學(xué)具有極其重要的意義。n 分析任何一種動態(tài)系統(tǒng)，都應(yīng)首先建立它的數(shù)學(xué)模型，建立一個合理的數(shù)學(xué)模型是分析過程的關(guān)鍵。機械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是指對機械系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述，通常機械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是用微分方程來描述的。n 機械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常可分為離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)兩大類，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)。有時也根據(jù)其數(shù)學(xué)模型的確定性、隨機性和模糊性進行分類。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 機械系統(tǒng)動力學(xué)是借助于模型進行研究，模型是將實際事物抽象化而得到的。例如質(zhì)點、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際。n 任何機器、結(jié)構(gòu)或它們的零部件都具有彈性與質(zhì)量。若機械各構(gòu)件的彈性變形很小，以致可以忽略不計，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，則機械系統(tǒng)的動力學(xué)模型可分為離散系統(tǒng)(或稱集中參數(shù)系統(tǒng))和連續(xù)系統(tǒng)(或稱分布參數(shù)系統(tǒng))兩大類。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器與基礎(chǔ)的整體振動，這時機器與基礎(chǔ)可視為一個剛體。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)與周圍約束之間的摩擦起著阻尼的作用。因而這一系統(tǒng)可以簡化成圖1-1b所示的集中參數(shù)系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運動在數(shù)學(xué)上用常微分方程來描述。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，彈性和阻尼實際上是連續(xù)分布的，亦稱為分布參數(shù)系統(tǒng)，連續(xù)系統(tǒng)的運動在數(shù)學(xué)上用偏微分方程來描述。機械系統(tǒng)中有不少問題需要簡化為連續(xù)系統(tǒng)的模型。n 離散系統(tǒng)和

12、連續(xù)系統(tǒng)形式上代表不同類型的系統(tǒng)，似乎它們具有不同的動態(tài)特性，但事實上恰恰相反，因為離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)只不過是表示同一物理系統(tǒng)的兩個數(shù)學(xué)模型而已，由此推測它們應(yīng)具有類似的動力學(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描述的，但它們的性態(tài)實際上是相似的。為了論證這一點，我們將從桿的縱向振動微分方程的導(dǎo)出來說明它們之間的內(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方程。振動方程。 圖圖1-2an 取桿的縱向作為x軸，各個截面的縱向位移表示為u(x，t)。

13、桿的微元dx在自由振動中的受力圖也在圖中給出。設(shè)桿單位體積的質(zhì)量為、桿長為L、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的運動微分方程為：24 xux xuAEAExFTdxxuxuAEdxxFFTT22dxxuAEtuAdx222225n令c2=E/，則上式可化為： (1-1)(1-1)n式(1-1)稱為波動方程。桿的縱向振動除要滿足上述波動方程外，還必須滿足下列邊界條件：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)出的桿的縱向振動偏微分方程。 222221tucxun 以下，我們將改用離散系統(tǒng)模型來研究上述問題，并指出當(dāng)離散系統(tǒng)模型取極限時，它將趨近于上述連續(xù)系統(tǒng)模型。首先將系統(tǒng)簡化為圖1-2b所示的由無質(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的運動微分方程，可研究圖1-2b中的三個相鄰質(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在水平方向的運動方程為：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，因為方程式(1-3)對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，我們有必要對方程式(1-3)作進一步討論。n為此引出如下符號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)左邊的兩項實際上是質(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，x0，式(1-6)成為n 上述結(jié)果與連續(xù)系統(tǒng)的運動方程式(1-1)是一致的，可見，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)的過渡，通過一個極限過程，相當(dāng)于把質(zhì)量擴展分布到整個桿?？梢娺@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。這說明了無論數(shù)學(xué)模型如何選取，許多復(fù)雜的連續(xù)系統(tǒng)總可以離散化進行近似計算。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，將有相似的動力學(xué)特性。32n在工程實際應(yīng)用中，許多連續(xù)系統(tǒng)的問題，不可能求出封閉形式的精確解，只能求出近似解，例如對非均勻桿等復(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)進行計算。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 如果一個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用線性微分方程來描述，則該系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。

18、當(dāng)機械系統(tǒng)的質(zhì)量不隨運動學(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化為線性模型時，則該系統(tǒng)通常為線性系統(tǒng)。在實際情況中，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，有很好的實用價值。34n凡是不能簡化為線性系統(tǒng)的動力學(xué)系統(tǒng)都稱為非線性系統(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：對于同時作用于系統(tǒng)的兩個不同輸入(激勵)，所產(chǎn)生的輸出(響應(yīng))是這兩個輸入單獨作用產(chǎn)生的響應(yīng)之和。35 n 雖然對于許多實際系統(tǒng)都可以簡化為線性系統(tǒng)，但這樣的

19、簡化必須受到一定的限制。例如大家所熟悉的單擺系統(tǒng)，其擺長為L，質(zhì)量為m，如圖1-3所示。n其運動微分方程式為：n （1-7）n式中，x單擺的角位移 圖1-30sin2xmglxml 36n當(dāng) 很小時，可用x代替sinx，這樣式(1-7)簡化為：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 ，即周期不依賴于初始位移和初始速度，系統(tǒng)的運動具有等時性。n在大位移的場合下，上述結(jié)論是不正確的，因為方程式(1-8)對于大位移式不精確的。如果用sinx冪級數(shù)的前兩項代替sinx，則在 1rad時，仍是相當(dāng)精確的。02 mglxxml glT237n并在此假設(shè)下，方程(1-7)簡化為

20、：n這是一個非線性方程。根據(jù)非線性方程理論，系統(tǒng)已不具有運動等時性。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)與隨機性系統(tǒng)確定性系統(tǒng)與隨機性系統(tǒng)n系統(tǒng)的激勵可分為確定性和隨機性兩大類。n確定性激勵：系統(tǒng)的激勵是時間的確定性函數(shù)，例如正弦與余弦函數(shù)激勵、脈沖函數(shù)激勵等。如果系統(tǒng)的質(zhì)量、彈性和阻尼以及激勵都是確定性的，則系統(tǒng)可用確定性的微分方程來表示，當(dāng)初始條件已知

21、時，就可以求出系統(tǒng)之后的運動狀態(tài)，這種情況稱為確定性現(xiàn)象。39n隨機性激勵：系統(tǒng)的激勵是時間的非確定性函數(shù)，不能用解析式或表達(dá)式給出，但具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，必須用隨機過程來表示。所對應(yīng)的微分方程為隨機微分方程，不能實際表示出來。例如汽車在道路上行駛時，路面高低凹凸不平給予其汽車的激勵，可以看成是隨機的。這類問題不屬于本課程研究范圍，在此不贅述。40n1.7機械系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法機械系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法n機械系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法可分為兩大類，即動態(tài)分析和動態(tài)實驗。n1.結(jié)構(gòu)動態(tài)分析n 對于機械系統(tǒng)動力學(xué)正問題，動態(tài)分析一般借助于多種動態(tài)分析方法(如模態(tài)分析法、模態(tài)綜合法、機械阻抗法、四端參數(shù)法

22、、模態(tài)攝動法及有限元法等等)建立結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進而對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進行分析。41 對于機械系統(tǒng)動力學(xué)逆問題，動態(tài)分析通常首先進行動態(tài)實驗，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)識別的方法或系統(tǒng)辨識的方法進行分析。42n2.動態(tài)實驗動態(tài)實驗n 結(jié)構(gòu)動態(tài)實驗包括模態(tài)實驗、力學(xué)環(huán)境實驗、模擬實驗等，它是產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)，不僅可以直接考核產(chǎn)品的動力學(xué)性能，也為動態(tài)分析建立可靠的數(shù)學(xué)模型提供必要的數(shù)據(jù)。n 本課程主要考慮機械系統(tǒng)動力學(xué)的正問題，主要采用結(jié)構(gòu)動態(tài)分析。主要分成下列三大部分：剛性構(gòu)件組成的單、雙自由度機械系統(tǒng)動力學(xué)；單、雙以及多自由度系統(tǒng)振動；

23、機械系統(tǒng)的彈性體振動。注：由表可見，有些金屬氫化物的儲氫密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的注：由表可見，有些金屬氫化物的儲氫密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的1,0001,000倍，與液氫相當(dāng)，甚至超過液氫。倍，與液氫相當(dāng)，甚至超過液氫。 儲氫介質(zhì)儲氫介質(zhì)氫原子密度氫原子密度/1022個個 cm3儲氫儲氫相對密度相對密度含氫量含氫量(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氫能力某些金屬氫化物的儲氫能力 44碳納米管儲氫材料45 Linde水冷液氫儲罐實際產(chǎn)品及裝配汽車照片水冷液氫儲罐實際產(chǎn)品及裝配汽車照片 46注：該裝置一次可儲氫注：該裝置一次可儲氫3.1 kg3.1 kg，裝配于，裝配于GMGM的的HydroGen3HydroGen3汽車上，行駛里程汽車上，行駛里程為為170170英里。英里。 美國美國QUANTUM公司開發(fā)的第公司開發(fā)的第4類車用壓力儲氫裝置類車用壓力儲氫裝置 472.3 2.3 氫的輸運氫的輸運壓縮氫氣的運輸壓縮氫氣的運輸n壓縮氫氣可采用高壓氣瓶、拖車或管道輸送，氣瓶壓縮氫氣可采用高壓氣瓶、拖車或管道輸送，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)防氫脆所帶來的腐蝕問題氫脆所帶來的腐蝕問題。 48n運輸液態(tài)氫氣最大的優(yōu)點是能量密度高運輸液態(tài)氫氣最大的優(yōu)點是能量密度高(1輛拖車運載的液氫相輛拖車運載的液氫相當(dāng)于當(dāng)于20輛拖車運輸?shù)膲嚎s氫氣輛拖車運輸?shù)膲嚎s氫氣)，適合于遠(yuǎn)距離運輸，適合于遠(yuǎn)距離運輸(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、儲存時間為、儲存時間為1天、運輸距離超過天、運輸距離超過160 km，則采用液氫

26、的方式運輸成本最低，金屬氫化物運輸方式也，則采用液氫的方式運輸成本最低，金屬氫化物運輸方式也很有競爭力。很有競爭力。n但運輸距離若達(dá)到但運輸距離若達(dá)到1,600 km，液氫運輸?shù)某杀究杀冉饘贇浠铮簹溥\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發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用氫在燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用n氫在內(nèi)燃機中的應(yīng)用氫在內(nèi)燃機中的應(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、筆記本電腦、電動車方面也獲得了廣電池在手機、筆記本電腦、電動車

27、方面也獲得了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。n對于未來的對于未來的“氫經(jīng)濟氫經(jīng)濟”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池、燃?xì)廨啓C(蒸汽輪機蒸汽輪機)發(fā)電、內(nèi)燃機和火箭發(fā)動機。發(fā)電、內(nèi)燃機和火箭發(fā)動機。n普遍認(rèn)為，燃料電池是未來人類社會最主要的發(fā)電及動力設(shè)備。普遍認(rèn)為，燃料電池是未來人類社會最主要的發(fā)電及動力設(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簡介及技術(shù)現(xiàn)狀燃?xì)廨啓C簡介及技術(shù)現(xiàn)狀 燃?xì)廨啓C是一種外燃機。與內(nèi)燃機和汽輪機相比，燃?xì)廨啓C具有以下優(yōu)點：燃?xì)廨啓C是一種外燃機。與內(nèi)燃機和汽輪機相比，燃?xì)廨啓C具有以下優(yōu)點： (1) 重量輕、體積小、

28、投資省。燃?xì)廨啓C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的重量及所占的容積一般只有汽輪機裝置或內(nèi)燃機的幾分之一或幾十分之一，消耗材料少，投資費用低，機裝置或內(nèi)燃機的幾分之一或幾十分之一，消耗材料少，投資費用低，建設(shè)周期短。建設(shè)周期短。(2) 起動快、操作方便。從冷態(tài)起動到滿載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪起動快、操作方便。從冷態(tài)起動到滿載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪機裝置或大功率內(nèi)燃機則需幾分鐘到幾小時；同時由于燃?xì)廨啓C結(jié)構(gòu)簡機裝置或大功率內(nèi)燃機則需幾分鐘到幾小時；同時由于燃?xì)廨啓C結(jié)構(gòu)簡單、輔助設(shè)備少，運行時操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控，自動化程度可以超單、輔助設(shè)備少，運行時操作

29、方便，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控，自動化程度可以超過汽輪機或內(nèi)燃機。過汽輪機或內(nèi)燃機。(3) 水、電、潤滑油消耗少，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)運行。地區(qū)運行。 最簡單的燃?xì)廨啓C裝置的示意圖。它包括三個主要部件：壓氣最簡單的燃?xì)廨啓C裝置的示意圖。它包括三個主要部件：壓氣機、燃燒室和燃?xì)廨啓C。機、燃燒室和燃?xì)廨啓C。 燃?xì)廨啓C裝置示意圖燃?xì)廨啓C裝置示意圖 53 燃?xì)廨啓C應(yīng)用范圍越來越廣，目前在以下幾個領(lǐng)域已大量燃?xì)廨啓C應(yīng)用范圍越來越廣，目前在以下幾個領(lǐng)域已大量采用燃?xì)廨啓C：采用燃?xì)廨啓C：(1)航空領(lǐng)域。由于燃?xì)廨啓C小而輕，起動快，馬力

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

31、不斷下降，各國均認(rèn)識到必需降低由于空氣質(zhì)量不斷下降，各國均認(rèn)識到必需降低COx、NOx、煙塵等污染物的排放量。在現(xiàn)代社會中，很大一部分能源通過煙塵等污染物的排放量。在現(xiàn)代社會中，很大一部分能源通過火力發(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，必須對發(fā)電設(shè)備加以必要的改進。必須對發(fā)電設(shè)備加以必要的改進。 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發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)于純氫作為燃料氣的報道很

32、少。燃料氣的報道很少。 氫氣在燃?xì)廨啓C中的應(yīng)用氫氣在燃?xì)廨啓C中的應(yīng)用553.3 開發(fā)氫電池還是氫發(fā)動機？開發(fā)氫電池還是氫發(fā)動機？n人們在開發(fā)使用氫或其他燃料的電池方面做了大量的工作，取人們在開發(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，如價格高、體得了一定的成果。但燃料電池仍然有一些缺點，如價格高、體積大、冷啟動性能差，以及高負(fù)荷運行時效率低等。積大、冷啟動性能差，以及高負(fù)荷運行時效率低等。n氫燃料內(nèi)燃機的使用成本只相當(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，工作原理和點燃式內(nèi)燃機相同，所以有可能制造出既可使用氫燃

33、料原理和點燃式內(nèi)燃機相同，所以有可能制造出既可使用氫燃料也可使用汽油的發(fā)動機。氫燃料發(fā)動機排放的唯一有害物質(zhì)是也可使用汽油的發(fā)動機。氫燃料發(fā)動機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，在熱動力燃燒環(huán)境非常第三，空氣燃料混合比濃度較高時，在熱動力燃燒環(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?？?。氫的辛烷值高達(dá)130，而高級汽油的辛烷值只有大約而高級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)動機氣缸的壓縮過程中抗提前燃燒的能力強，也就是說可以發(fā)動機氣缸的壓縮過程中抗提前燃燒的能

34、力強，也就是說可以采用較高的壓縮比采用較高的壓縮比(活塞在行程兩端時氣缸最大容積和最小容積活塞在行程兩端時氣缸最大容積和最小容積的比值的比值)。據(jù)福特公司報道，一臺壓縮比為。據(jù)福特公司報道，一臺壓縮比為14.5:1的氫發(fā)動機最的氫發(fā)動機最大效率可達(dá)到大效率可達(dá)到52。57氫燃料發(fā)動機的優(yōu)點氫燃料發(fā)動機的優(yōu)點n由于氫的特性，使用氫燃料發(fā)動機時要記住以下幾點：首先，由于氫的特性，使用氫燃料發(fā)動機時要記住以下幾點：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)動機的燃燒非常清潔。料發(fā)動機的燃燒非常清潔。n其次，氫發(fā)動機可以靠空氣燃料混合比的濃度調(diào)節(jié)動力輸出，其次，氫發(fā)動機可以靠空氣燃料混合比的濃度調(diào)節(jié)動力輸出，不需要節(jié)流閥。這樣做最大的好處是提高了發(fā)動機的整體效率，不需要節(jié)流閥。這樣做最大的好處是提高了發(fā)動機的整體效率，因為不存在燃料泵中流量的損失，稀薄燃燒的效率較高也起了因為不存在燃料泵中流量的損失，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)動機氫發(fā)動機n氫燃料在發(fā)動機中運用主要是通過兩種方式：氫燃料在發(fā)動機中運用主要

36、是通過兩種方式：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)燃機活塞內(nèi)燃機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)心的問題，對氫能系統(tǒng)而言，也是如此。先關(guān)心的問題，對氫能系統(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)的危險特征，比如易燃、易泄漏、氫脆等，而且由于氫的使用范危險特征，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)驗不夠豐富，在使用者的可接受心理上也存在著較大問題。大問題。n為了氫能系統(tǒng)和燃料電池汽車的進一步發(fā)展，制定相關(guān)氫能安為了氫能系統(tǒng)和燃料電池汽車的進一步發(fā)展，制定相關(guān)氫能安全標(biāo)準(zhǔn)及對氫安全問題進行研究是很有必要的。全標(biāo)準(zhǔn)及對氫安全問題進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，對于透過薄膜的擴散，氫氣的擴散速度孔中泄漏。例如，對于透過薄膜的擴散，氫氣的擴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、高壓儲罐等但是，比較有意義的是，在燃料管線、閥門、高壓儲罐等上面實際出現(xiàn)的裂孔中，氫氣泄漏的速度如何。上面實際出現(xiàn)的裂孔中，氫氣泄漏的速度如何。n從高壓儲氣罐中大量泄漏，氫氣和天然氣都會達(dá)到聲速。從高壓儲氣罐中大量泄漏，氫氣和天然氣都會達(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、鎳鋼以及其它高強度鋼容易發(fā)生氫脆。這些鋼長期暴露錳鋼、鎳鋼以及其它高強度鋼容易發(fā)生氫脆。這些

39、鋼長期暴露在氫氣中，尤其是在高溫高壓下，其強度會大大降低，導(dǎo)致失在氫氣中，尤其是在高溫高壓下，其強度會大大降低，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，通過選擇合適的材料，如鋁和一些合成材料，就可以避但是，通過選擇合適的材料，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。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。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、酮及其它類似化合物，會強烈地阻止、醇、酮及其它類似化合物，會強烈

40、地阻止生成金屬氫化物。生成金屬氫化物。644.3 氫的擴散氫的擴散 n如果發(fā)生泄漏，氫氣就會迅速擴散。如果發(fā)生泄漏，氫氣就會迅速擴散。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) )和更大的擴散性和更大的擴散性( (橫向移動橫向移動) )。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%。所以即使在沒有風(fēng)或不通風(fēng)的情況下，。所以即使在沒有風(fēng)或不通風(fēng)的情況下，它們也會向上升，而且氫氣會上升得更快一些。而丙烷和汽油它們也會向上升，而且氫氣會上升得更快一些。而丙烷和汽油氣都比空氣重，所以它們會停留在地面，擴散的很慢。氣都比空氣重，所以它們會停留在地面，擴散的很慢。65n氫的擴散系數(shù)是天然氣的氫的擴散系數(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方向快速擴散，迅速降低濃度。以向各個方向快速擴散，迅