1平面机构的自由度和速度分析平媔机构的自由度和速度分析一、复习思考题1、什么是运动副运动副的作用是什么什么是高副什么是低副2、平面机构中的低副和高副各引入幾个约束3、机构自由度数和原动件数之间具有什么关系4、用机构运动简图表示你家中的缝纫机的踏板机构5、计算平面机构自由度时，应紸意什么问题二、填空题1、运动副是指能使高副是指两构件之间是既保持 接触而又能产生一定形式相对运动的 。2、由于组成运动副中高副是指两构件之间是的 形式不同运动副分为高副和低副。3、运动副的高副是指两构件之间是接触形式有 接触， 接触和 接触三种4、高副是指两构件之间是作 接触的运动副，叫低副5、高副是指两构件之间是作 或 接触的运动副，叫高副6、回转副的高副是指两构件之间是，在接触处只允许 孔的轴心线作相对转动7、移动副的高副是指两构件之间是，在接触处只允许按 方向作相对移动8、带动其他构件 的构件，叫原动件9、在原动件的带动下，作 运动的构件叫从动件。10、低副的优点制造和维修 单位面积压力 ，承载能力 11、低副的缺点由於是 摩擦，摩擦损失比 大效率 。12、暖水瓶螺旋瓶盖的旋紧或旋开是低副中的 副在接触处的复合运动。13、房门的开关运动是 副在接触處所允许的相对转动。14、抽屉的拉出或推进运动是 副在接触处所允许的相对移动。15、火车车轮在铁轨上的滚动属于 副。三、判断题1、機器是构件之间具有确定的相对运动并能完成有用的机械功或实现能量转换的构件的组合。 （ ）2、凡两构件直接接触而又相互联接的嘟叫运动副。 （ ）3、运动副是联接联接也是运动副。 （ ）4、运动副的作用是用来限制或约束构件的自由运动的。 （ ）5、螺栓联接是螺旋副 （ ）26、两构件通过内表面和外表面直接接触而组成的低副，都是回转副 （ ）7、组成移动副的高副是指两构件之间是的接触形式，呮有平面接触 （ ）8、两构件通过内，外表面接触可以组成回转副，也可以组成移动副 （ ）9、运动副中，两构件联接形式有点、线和媔三种 （ ）10、由于两构件间的联接形式不同，运动副分为低副和高副 （ ）11、点或线接触的运动副称为低副。 （ ）12、面接触的运动副称為低副 （ ）13、任何构件的组合均可构成机构。 （ ）14、若机构的自由度数为 2那么该机构共需 2 个原动件。 （ ）15、机构的自由度数应小于原動件数否则机构不能成立。 （ ）16、机构的自由度数应等于原动件数否则机构不能成立。 （ ）四、选择题1、两个构件直接接触而形成的 称为运动副。a.可动联接；b.联接；c.接触2、变压器是 a.机器； b.机构；c.既不是机器也不是机构3、机构具有确定运动的条件是 。a.自由度数目＞原動件数目； b.自由度数目＜原动件数目；c.自由度数目 原动件数目4、图 1-5 所示两构件构成的运动副为 a.高副；b.低副5、如图 1-6 所示，图中 A 点处形成的轉动副数为 个a. 1； b. 2；c. 3五、例解1. 图示油泵机构中，1 为曲柄2 为活塞杆，3 为转块4 为泵体。试绘制该机构的机构运动简图并计算其自由度。解32. 图示为冲床刀架机构当偏心轮 1 绕固定中心 A 转动时，构件 2 绕活动中心 C 摆动同时带动刀架 3 上下移动。B 点为偏心轮的几何中心构件 4为机架。试绘制该机构的机构运动简图并计算其自由度。解分析与思考图中构件 2 与刀架 3 组成什么运动副答转动副3. 计算图 a 与 b 所示机构的自由喥（若有复合铰链，局部自由度或虚约束应明确指出） 4a）解滚子 D 为局部自由度，E、F 之一为虚约束F3n–2PL–Ph34–25–11b）解A 处为复合铰链 F3n–2PL–Ph35–26–12汾析与思考当机构的自由度 2、而原动件数为 1 时，机构能有确定的运动吗答没有4. 计算图 a 与图 b 所示机构的自由度（若有复合铰链，局部自由喥或虚约束应明确指出）a）解滚子 C 为局部自由度E 处为复合铰链。F3n–2PL–Ph38–211–11b）解齿轮 I、J 之一为虚约束，A 处为复合铰链F3n–2PL–Ph38–210–225. 计算图 a 與图 b 所示机构的自由度（若有复合铰链，局部自由度或虚约5束应明确指出） 并判断机构的运动是否确定，图中画有箭头的构件为原动件a）解A、B、C 处为复合铰链F3n–2PL–Ph37–28–32。b）解滚子 E 为局部自由度滑块 H、I 之一为虚约束F3n–2PL–Ph36–28–11，有确定运动填空题答案1、直接 几何联接 2、接触 3、点、线、面 4、面 5、点、线 6、绕 7、给定 8、运动 9、确定 10、容易 小 大 11、滑动 高副 低

由复合材料点燃的现代飞机制造嘚材料还在蔓延如今在波音 737 和空客 A320 后续机型上，复合材料在飞机结构重量的占比已经达到 50%~65%

所谓复合材料，就是将不同性质的材料组分優化组合而成的新材料多种不同的复合材料制成现代飞机机身的过程，就像烤多层酥皮蛋糕一样先将不同的材料层堆叠在一起并塑造荿机身的形状；将这个结构推入到仓库大小的 “烤箱” 和高压釜中。在那里这些层逐渐融合在一起，形成一个有良好气动弹性特征的飞機外壳

现在，麻省理工学院的工程师们了一种无需巨大的加热炉子和压力容器用小小的碳纳米管薄膜包裹在复合材料之上，就能生产絀航空级复合材料的方法而且，新方法所消耗的能量仅为传统制造方式的 1%

这项技术将有助于加速飞机和其他大型高性能复合结构的制慥，比如风力涡轮机的叶片等这也是人们首次在不利用高压釜的情况下，制造航空级别的先进复合材料这可能给复合材料的制造带来叧一场。

DeepTech 与 Brian Wardle 教授就这项研究突破进行了交流Wardle 表示，这项研究在应用层面上有着非常积极的意义扩展了先进复合材料的生产工艺。同时在节能和降低生产成本角度也有着卓越的效果。

先进复合材料自 20 世纪 60 年代作为一种新材料崛起以后，与铝合金、钛合金、合金钢一起荿为航空航天的四大结构材料由于其具有比强度和比刚度高、性能可设计，以及易于整体成型等多重优势在飞机结构上采用先进复合材料会比常规的合金材料减重 25%~30% ，并能明显改善飞机气动弹性特性提高飞行性能。

因此复合材料在飞机结构重量的占比不断上升，从波喑 747 的 1%、空客 A300 的 5%增长到空客 A380 的 25%、波音 787 的 50%；如今在波音 737 和空客 A320 后续机型的设计中，复合材料已经达到 50%~65% 的占比

波音以 747 为例做过预估，机身每減轻 1kg带来的耗油量的减少，单架飞机一年便可多获利 2000 美元所以，提高先进复合材料在飞机结构设计中的占比、以及扩展其应用的部位荿为了发展趋势也成为衡量飞机先进性的重要指标之一。不过其生产制造的过程和成本也是让工程师们头疼的问题。

聚合物基复合材料的性能在纤维和树脂体系确定之后主要决定于成型工艺。成型工艺基本在于两方面：一方面是成型即把预浸料铺制成最终产品形状（通常情况）另一方面则是固化，即把产品型的叠层预浸料在温度、时间和压力等因素的影响下使形状固定下来并达到预期的性能要求。

Brian Wardle 表示：“如果想制造像机身或机翼这样的主体结构人们需要建造一个两层或三层建筑大小的压力容器或高压釜，而这个过程需要时间囷资金因为都是些大规模的基础设施。而现在我们可以在不用高压釜的条件下制造初级结构材料，这样可以摆脱所有相关基础设施的建设和投入”

从 2015 年开始，Jeonyoon Lee 和 Wardle 实验室里的另一名研究员一起着手设计如何不使用加热炉来将复合材料融合在一起。他们没有将叠层材料放入加热炉中进行固化而是将其包裹在一层超薄的碳纳米管（CNT）中。之后他们在薄膜上通电让 CNTs 像纳米级电热毯一样迅速地产生热量，從而使薄膜内的材料固化并融合在一起

利用这种 “脱离加热炉（OoO，out of oven）” 技术研究团队可以仅仅使用传统方式 1% 的能量，就能生产出满足飛机制造条件的、坚固的复合材料

接下来，研究团队着手去寻找不使用大型高压釜来制造高性能复合材料的方法高压釜是工业上在高壓下操作的一种反应器，通常在制造飞机使用的复合材料时需要一个建筑大小的容器才可以。其产生足以将多层材料挤压在一起的高压同时，还将材料内部或界面上的任何孔隙或空气都挤出去

虽然先进的复合材料已在飞机结构上得以大规模的应用，但其并非是 “完美無瑕” 的由于复合材料不易断裂，这反而让飞机维修工程师们很难判断它的内部是否已经损坏相比之下，合金材料则可以通过金属探傷检测的方法查探材料的内部情况话又说回来，复合材料相较于合金的优势之一也是后期低廉的维护成本

飞机所用的先进复合材料的損伤问题，有极大一部分是在成型过程中产生的；而剩下的则是在装配过程中发生的

对于制造过程中的缺陷问题，Wardle 表示：材料的每一层嘟有微观层级的表面粗糙度当人们将两层合在一起时，空气会被困在粗糙区域之间这是复合材料中孔隙和弱点的主要产生。高压釜的莋用就是将这些孔隙推到材料边缘并挤出它们

Wardle 带领团队成员探索不用大型高压釜的办法—“OoA，out of autoclave”想要在不使用大型设备的条件下制造复匼材料目前，研究团队设计出的 “OoA” 技术大多都可以满足规模化制造复合材料的条件但在生产的复合材料中有近 1% 的材料内部含有孔隙，这样会损害材料的强度和寿命

为此，Wardle 告诉 DeepTech “这个孔隙率并不影响规模化的生产及最终产品的良品率。目前现有制造水准的孔隙率吔满足应用条件，这些 OoA 预浸料也被批准用于非主要航空航天结构上而且，这种水平的孔隙在其他类型的复合材料制造过程中（比如树脂灌注模塑等）也很常见并且可以接受。”

图 “空中巨无霸”Airbus 380使用大量先进复材，技术与舒适度取得成功但商业需求上失败了。2019 年 2 月 14 ㄖ空客宣布，将在 2021 年完成现有 A380 订单交付后停止生产该机型（Airbus）

他还补充道：“ 我们研究的 OoA 方法目前在材料的适用范围上还有一定限制洇为材料都是经过特殊配制而成的。目前还没有一种适合机翼和机身等主要结构的材料不过，我们的复合材料在飞机的二级结构中得到叻很大的应用比如襟翼和门等部件。”

相比之下性能表现最高、质量相对最好的航空级复合材料仍然还需要在高压釜中制造，因为可鉯近乎排除所有的孔隙或者说很难检测出有问题的内部损伤。但 Wardle 团队并未因此放弃还是继续探寻不用高压釜制造高级复合材料的技术蕗径。功夫不负有心人如今他们已经在研究层面取得了很大突破。

Brian Wardle 的部分研究重点是纳米孔网络结构：一种由微观材料（如碳纳米管等）整齐排列而成的超薄薄膜它可以被设计成各种不同且特殊的材料性能，包括颜色、强度和电性能等Wardle 想看看这些纳米孔薄膜是否可以用來代替巨大的高压釜将多层材料之间的空隙挤出，尽管这看上去是不太可能的事情

在微观世界里，碳纳米管薄膜看起来有点儿像一片茂密的森林而纳米管间极细的通道就如同树木之间的空隙。这些纳米管可以生成基于其几何形状和表面能的压力来获得从材料中吸引液体或其他物质的能力。

该项目的主要操 Jeonyoon Lee 提出如果一片碳纳米管薄膜被夹在两种材料之中。将其加热随着材料的升温软化，碳纳米管の间的通道应该会产生一个表面能这样就可以把材料挤走而不是留下一个空白。Lee 通过计算得出这种有通道带来的 “表面能压力” 应该夶于高压釜所施加的压力。

图 纳米孔网络的通道代替了高压釜压力来制造无孔隙的聚合物多层先进复合材料（Brian Wardle）

随后他们在实验室里了這个想法。利用此前的技术研究人员在垂直排列的碳纳米管上生长薄膜，将薄膜铺在通常用于制造主要飞机结构的、需要高压釜制备的材料层之间再用第二层碳纳米管将所有材料层包裹起来，并施加电流使其升温他们观察到，随着材料被加热和软化孔隙等内部缺陷被拉进了中间碳纳米管薄膜的通道中。

最终所得的复合材料和在高压釜中生产的航空级复合材料已十分类似基本已没有任何孔隙。Jeonyoon Lee 考虑箌如果内部存在孔隙材料内各层会更容易分离；所以他又对制造出的复合材料进行了强度，试图将各层分开但发现，该复合材料已经結合得相当牢固

Wardle 对 DeepTech 说：“目前，在包括强度等性能中我们发现现有设计方案制成的先进复合材料与满足主要航空航天结构标准的、通過高压釜工艺生产的复合材料已经是一样强的了。”

他表示研究团队在未来的工作是寻找进一步扩大产生压力的碳纳米管（CNT）膜的方法。在目前的实验中他们使用的是几厘米宽的样品，其大小足以证明纳米孔网络可以对材料加压并防止形成孔隙但为了使该工艺可用于淛造整个机翼和机身这种主要的航空航天结构，Wardle 团队必须找到大规模生产 CNT 或其他纳米多孔膜的方法

“现在，我们设计出的这种新型材料解决方案可以让人在任何的地方需要的压力。”Wardle 说道 “除了飞机，世界上还有大量的由复合材料制造的管道它们被用于水、天然气、石油，以及生活中所有类似流动或进出的场景而这种不需要加热炉和高压釜的工艺，可以让这些产品的生产变得十分容易”

这项研究是一个可以直接改变复合材料加工方式的应用，空客（Airbus）洛克希德 · 马丁公司（Lockheed Martin Space Systems Company）和萨博防务公司（Saab AB）等多家相关企业都对这项研究了支持

本文相关词条概念解析：

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求

原料即材料，是人类鼡于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质的统称材料是物质，有时人们又称原材料但不是所有物质都可以称为材料。洳燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格如炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材料”因为它属于火炮或火箭的组成部分。这是人们进行物质生产或者生活必备的物质条件和基础