2009-5-洋底动力学_从洋脊增生系统到俯冲消减系统
西北大学学报(自然科学版)
2009年6月,第39卷第3期,Jun.,2009,Vol.39,No.3
Journal of North west University(Natural Science Editi on)
收稿日期:2009203205
基金项目:科技部“863”海洋技术领域基金资助项目(2009AA090300);国家自然科学基金资助项目(90814011、40776038、40472098);教育部新世纪人才基金资助项目(NCET20620595)
作者简介:李三忠,男,中国海洋大学教授,博士生导师,从事构造地质学及海洋地质学研究。
洋底动力学
———从洋脊增生系统到俯冲消减系统
李三忠1,张国伟1,2,刘保华3
(1.中国海洋大学海洋地球科学学院/海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛 266100;2.西北大学地质学系,陕西西安 710069;3.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛 266061)
摘要:目的 建立洋底动力学。方法 对相关国际前缘研究成果进行综合研究。结果 洋底动力学旨在研究洋底固态圈层的结构构造、物质组成和时空演化规律,研究洋底固态圈层与其他相关圈层,如软流圈、水圈、大气圈和生物圈之间相互作用和耦合机理,以及由此产生的资源、灾害和环境效应。结论 洋底动力学以传统地质学理论和板块构造理论为基础,在地球系统科学思想的指导下,以海洋科学、海洋地质、海洋地球化学与海洋地球物理、数值模拟等高新探测和处理技术为依托,侧重研究洋脊增生系统、深海盆地系统和俯冲消减系统的动力学过程,以及不同圈层界面和圈层之间的物质和能量交换、传输、转变、循环等相互作用的过程,为探索海底起源和演化、保障人类开发海底资源等各种海洋活动、维护海洋权益和保护海洋环境服务的学科。
关 键 词:深海大洋;大洋岩石圈;洋中脊;俯冲工厂;多圈层相互作用
中图分类号:P541 文献标识码:A 文章编号:10002274Ⅹ(2009)0320434210
1968年前后,大陆漂移学说的再度兴起和诸多
证据与海底扩张学说的提出和强有力的证据的完美
结合,直接导致了第一个真正称得上全球地学理论
的板块构造理论的诞生[1],引起了一场影响深刻的
第二次地学革命[2],它改变了固体地球科学几乎每
个分支学科原有的发展轨迹。但是,20世纪80年
代,研究发现,大陆岩石圈板块和大洋岩石圈板块不
同,具有明显的流变性,大陆地质构造的多样性和复
杂性不完全符合已有的板块构造理论模式。因此,
国内外学者开始向构造地质学和大地构造学未来发
展的方向———超越板块构造(Beyond Plate Tect on2
ics)发展,提出将大陆岩石圈流变学研究作为大陆
构造地质和大陆造山带研究的新起点[3-5],并以
1990年美国自然科学基金委发表的《大陆动力学》
为标志,正式提出大陆动力学问题。
大陆动力学及其资源、能源和环境效应是随社
会发展应运而生的重大科学目标,已成为当代地球
科学最令人瞩目的前沿研究领域之一[6]。当前,地
球科学正处于创建新的地学理论、构建地球系统科
学、建立新的地学知识体系与技术方法的重要发展
时期[7]。要构建地球系统科学新理论,显然仅仅探
讨大陆动力学是远远不够的[8],因此,我们特别强
调并于本文系统提出建立洋底动力学学科、相关研
究方向和实验室是非常必要的。之所以称为“洋底
动力学”是为了侧重海底固体圈层的研究,并与侧
重水圈研究的物理海洋学中的“大洋动力学”相区
分。正如大陆漂移学说和海底扩张学说曾是板块构
造学说的两大支柱一样,大陆动力学和洋底动力学
也必将成为地球系统科学新理论的核心,并从空间
尺度上超越仅涉及地壳或岩石圈层次的板块构造理
论,深刻揭示岩石圈乃至整个地球内部圈层的几何
学、运动学和动力学,并必将围绕多个圈层间物质的
运动和运动的物质这两大主题开展原始创新性研
究。
1 地球系统与洋底动力学
地球系统的空间范围包括从地心到地球外层空
间[9],可划为3个大的子系统:①外部的日地空间子系统,包括从太阳大气一直延伸到地球大气层;
②内部的深部地球子系统,包括地壳、地幔和地核,以及介于它们之间的部分;③表层地球子系统,包括近地表土壤、水、大气及生物等层圈。这些子系统各自有其特有的运动规律,但之间始终存在着复杂时空的物质和能量交换,因此,圈层间的相互影响、制约等作用也是地球系统科学重点研究的领域,包括地球不同层圈之间的相互作用循环及其动力学过程、资源环境与全球变化关系等[10]。
近年来,认识地球内部和外部层圈的结构、成分和动力学,阐明不同层圈在物理、化学和与生物的相互作用是地球系统科学的目标之一。地球系统科学研究以地球岩石圈2水圈2生物圈(包括人类)2大气圈之间的相互作用为主题,一方面,以地球不同层圈结构和性质及其与生命起源、资源形成和环境演化之间的关系为主线,研究各级不同时空尺度上地质环境变化及其对地球系统的影响,揭示各个地质历史时期地球内部变化对资源环境的制约[11];另一方面,以地球环境与生态系统为主线,涉及地球各层圈的相互作用以及对生命、人和社会的影响,人类活动对地球环境的影响[10]。
地球系统科学研究的各圈层依赖岩石圈的形成和动力学演化,因而岩石圈在地球系统中占据着重要地位。岩石圈是人们最可能接近且更直接影响人类生存的固体地球圈层,岩石圈的结构、组成与演化始终是地球科学研究的核心主题之一[12-14]。岩石圈的结构、组成与演化决定了地壳和地幔的形成、演化、改造、构造运动(包括地震和其他地质灾害的成因机理)、岩浆活动及大规模成矿作用的发生以及对应的生态环境效应。因此,岩石圈演化不仅是研究地球演化的重要组成部分,而且也为矿产资源的勘探开发、生态环境演化机制、地震和其他地质灾害的形成机理及预测提供了科学基础。据此,岩石圈动力学成为地球内部深层子系统动力学研究的主体。岩石圈可以分为大陆岩石圈和大洋岩石圈。大陆岩石圈动力学及其资源、环境和灾害效应是大陆动力学研究的主题[15],而大洋岩石圈动力学及其资源、环境和灾害效应是洋底动力学的核心内容。
深海大洋的岩石圈就是洋底动力学研究的对象,按照动力系统的不同,可以进一步分为洋脊增生系统、深海盆地系统和俯冲消减系统。海洋占地球总面积的7018%,而深海大洋占据海洋约9214%,它拥有极其丰富的自然资源和突出的战略地位[16]。国际上,对深海大洋海底的探索从板块构造理论建立以来就没有停止或减缓。特别是从DS DP (1968—1983)、ODP(1986—2003),到当前的I O DP (2003-),研究发现世界各大洋地层具有相同的氧同位素曲线,确立了地球轨道驱动冰期旋回的气候演变理论,促发了科学史上另一场革命(1976)———古气候革命(即地球古气候重建)[17]。同时,洋底的各种现象和规律逐步更多更明显地展现出来,如海底热液活动、深部黑暗生物圈、深海特异功能基因[18]。这些都表明海洋地质学学科的研究在深度和广度上不仅大大地超越了前人,而且使得海洋地质学作为海洋科学,乃至地球科学中最为活跃的一个领域,它的重要性愈来愈明显。而洋底动力学又是海洋地质学学科的“上层建筑”,因此,使得洋底动力学在海洋科学,乃至地球系统科学研究中的重要性凸显出来。
洋底动力学的研究重点是深海大洋岩石圈动力学与物质循环中的洋脊增生系统、俯冲消减系统的构造动力2岩浆2流体2生态系统之间的耦合关系。研究对象主要集中到大洋中脊的增生扩张系统和大陆边缘的俯冲消减系统以及相关领域,体现为1992年开始的国际大洋中脊计划(I nter R idge)和1999年开始的国际大陆边缘计划(I nter M argins),这些全球计划大大促进了该领域的发展。此外,深海大洋研究中的大火成岩省的研究,对地幔柱构造理论的发展和建立起着关键作用。
2 洋脊增生系统
全球大洋中脊体系在四大洋内相互连贯、连续延伸、首尾相接,是地球最为宏观的构造形迹,在全球众多学科研究中具有重要意义。洋中脊地形相当复杂,横向岭谷相间,纵向波状起伏。剖面上,有的具有中央裂谷,有的没有;平面上又具有多尺度分段性。大洋中脊体系全部由拉斑玄武岩构成,是现代火山作用带,具有较高的热流背景,也是全球最主要的浅源地震活动带。因此,规模巨大的大洋中脊系统也是地球上最大的断裂带,是地球深部物质与能量输入海洋的主要通道,是深部与浅部沟通的活跃场所。大洋中脊不时地发生岩浆作用,喷出岩浆、热液、气体,形成新的洋壳以及黑烟囱、白烟囱、热液羽状流,形成块状金属硫化物,并与多金属结核、富钴锰结壳的形成有着重大的关联。与深部物质输入海洋相对应,海洋底部冷的海水也通过海底进入海底岩石圈,构成海底热液循环体系,参与海水和海底岩石圈的物质交换[18]。这些特征表明,洋脊增生系统
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第3期 李三忠等:洋底动力学
是软流圈、岩石圈、水圈和生物圈、大气圈之间物质
和能量交换的重要大地构造场所,是多圈层相互作
用研究最重要的对象(见图1)
。
图1 洋底动力学系统划分与多圈层关系
Fig .1 Related s pheres and syste m s of ocean fl oor
211 洋脊差异扩张过程与动力学
迄今,人们发现大洋中脊体系具有一个突出特征:不同洋脊段具有不同的扩张速率
[19]
。洋中脊
快、慢速扩张的成因也反映在不同扩张速率洋脊的各种表观地质、地貌现象上。其中,快速和慢速扩张脊的地形差异可以用洋底深度2年龄关系作出合理的解释,与快速扩张脊相比,慢速扩张脊在扩张至同样的水平距离时所需时间较长,从而可以冷却下沉至更大深度。相邻转换断层之间的距离间隔也与扩张速率有关:扩张速率最慢处的距离间隔小于200km ,中速—快速扩张脊为600～1000k m ,扩张
速率大于140mm /a 的脊段上未发现转换断层,总体上转换断层间距随扩张速率而增加
[20]
。一般而
言,快速扩张脊无中央裂谷,如太平洋海隆;慢速扩张脊才有明显的中央裂谷出现,如大西洋。因此,探讨快、慢速扩张洋中脊的成因差异,也就成了探讨中
央裂谷成因机制的问题。关于中央(轴部)裂谷出现与否的机制还存在几个争论模型[20]
,但无论何种
机制,快、慢速扩张洋中脊的成因与洋脊分段机制密
切相关已为大家所接受。
然而,人们并不清楚,为什么会有扩张速度差异?为什么在某段洋中脊是这种扩张速度而不是那种扩张速度?为什么洋脊扩张速度具有分段性?与这些速度差异耦合的地幔对流循环型式如何?现今
的浅地幔对流模型、深地幔(或全地幔)对流模型、双层对流模型、热幔柱相连的双层对流模型、混合对流5种模式哪个最现实?这些都涉及洋底动力学的本质问题,因此最好的动力学模型应当包括目前科学家已经识别出的、地幔中可能存在的5种对流方式:全地幔大尺度地幔对流、上地幔小尺度对流、层状对流、D 层中极小尺度对流和热柱形态对流,前4种也称为环状形态对流
[21]
。这些地幔内部过程对
洋中脊形成过程有着重要影响,主要体现在:①地幔温度影响洋中脊深度、地壳成分和地壳厚度;②岩石圈厚度随扩张速率和其他因素变化;③影响断裂作用和熔融作用程度、蛇纹石化和熔体/岩石相互作用;④富集地幔的不均一性影响包括挥发分和成矿金属在内的地壳成分;⑤亏损地幔和拆离断层作用能够导致海底蛇纹石化;⑥地幔过程控制岩浆分段和熔体供应以及在洋壳中的分布;⑦地幔低速带的分段和构造分段相同。2.2 洋脊分段过程与动力学
从20世纪80年代以来,研究发现各种扩张速率下的洋中脊被转换断层和非转换断层分成长度不等的许多段落,而且在大西洋中脊中表现得特别明显
[22]
。各种扩张速率下的洋脊都具有分段性,其分
段机制都与洋中脊拓展(p r opagati on )、叠接(over 2
lapp ing )、跃迁(ju mp ing )或废弃(abandonment )、死
—634—西北大学学报(自然科学版) 第39卷
亡过程密切相关,而拓展、叠接过程又受多种动力要素控制。较长的脊段往往由相邻较短脊段的不断损耗或拓展、连接而逐渐生长,以致于较长的脊段不断增长其长度和寿命,而短脊段只能存在一定的时间范围内。横向上,大多数洋脊分段主要涉及到洋脊内部谷地,特别是轴向火山脊;纵向上,各段洋脊的中央裂谷表现为中间宽、两端渐窄,岩浆热和地热梯度表现为中部比两端和边缘高[23]。
洋脊分段现象在洋中脊系统中具有普遍意义,其分段结构层次和分段过程研究,揭示了洋中脊在形成发展过程中所存在的各种时空间断及其与洋脊轴向拓展和侧向伸展作用之间的多层次关系,促使人们重新认识板块构造中“简单”几何结构的洋中脊构造的复杂性时空演化过程。例如,马宗晋等[24]所提出的不同大洋的构造增生期、洋脊的石化(fos2 sil ridge)与洋中脊的跃迁等复杂过程。据大西洋洋壳重建和洋脊分段拓展的研究成果,不同区段内转换断层位错方向的规律性变化、时间间隔和1～4级洋脊段的拓展增殖过程分析表明,整个洋脊的宏观分段拓展过程可能与全球或洲际性的动力学背景的重要变化(如周期性的)、岩浆囊的间歇式上升涌动和轴向迁移密切相关。依此类推,太平洋和印度洋中脊也可能存在比大西洋中脊更丰富的宏观分段结构。例如,东太平洋洋脊(与转换断层的关系)不仅可划分出以左旋或右旋错切为主的区段,还发现有无地震和有地震洋脊区段[23]。
洋中脊的断裂构造组合由正断层和转换断层(破裂带介于洋中脊之间的部分)、岩浆侵位构造组成。正断层组合围限成地堑、地垒、微板块或海洋核杂岩等特定构造类型。其中,微板块的成因机制也是揭示大板块形成、发展和壮大的重要机制之一。不同的洋域都具有广泛发育的正断层,但具有不同的断裂组合型式,也不论是超快速、快速、中速、慢速还是超慢速扩张脊,正断层都具有明显的分段特点。一般将断层级别分为4级,对应着洋中脊的4级分段。因此,洋中脊复杂系统的分段特征和正断层的分段具有明显的相关性。
洋中脊运动学特征也受正断层的行为控制,单条正断层有双向拓展的生长方式,也存在单向拓展的生长方式;断裂之间的连接存在软连接(s oft link2 age),也存在硬连接(hard linkage)和混合连接;不同级别断裂之间的连接又存在生长时间的差异。因而,多条正断层之间拓展、生长、连接等相互作用是复杂的,正断层存在复杂的、同时或不同时的分段生长、双向或单向拓展、软和硬连接等机制,这些也同样适用于主体由正断层组成的洋中脊分段、拓展与叠接机制,为其重要的浅部动力要素。而且,叠接断层之间的活动性中继断坡(relay ra mp)可以控制:①滑移和有限位移型式;②破裂型式和顺序;③海底地形,不同密度和成分底水系统;④中央裂谷形成和演化;⑤火山活动位置;⑥洋中脊浅源地震分布;
⑦岩浆聚集场所、成矿流体圈闭和热液喷口的分布,等等。此外,洋中脊扩张的0～10Ma时间段内裂隙不会封闭,这样洋脊这个时间段形成的洋壳范围内的流体系统(包括热液和下渗海水)也会明显不同于老于10Ma的洋壳区,从而导致了洋底复杂的断裂组合、物质循环和多圈层相互作用[25]。
洋脊分段受不同段的岩浆及其动力学过程的差异控制,这种差异也导致不同洋脊段的热液系统、成矿系统和地球化学环境明显不同,并使得洋脊生物系统、生态系统发生分异[23]。因此,洋中脊的这种分段特性不仅表现在断裂分段方面,还包括岩浆作用分段、热液成矿分段、地球化学特征分段、生态环境分段等,它们之间相互耦合,但主要动力机制来自构造的动力演化。由此可见,构成洋中脊主体的正断层的行为决定了洋中脊系统的演化。
断裂演化的周期性决定了洋中脊系统很多子系统的周期演化。一般小尺度断层连接成更大尺度的断层后,意味着小尺度正断层的演化结束,因此洋中脊不同尺度的断裂演化具有不同时限的周期性,并决定其他地质特征演化的周期,且不同尺度的断层之间存在分形行为。可见,单条正断层具有成核、拓展、叠接、生长、分叉、死亡、活化6个过程,不同阶段的行为某种程度上决定了洋中脊体系的行为和周期演化。这种过程和周期理论上可以在洋中脊的沉积记录中得到揭示,但目前的调查程度和技术水平还不能达到揭示这种微小变化的程度。
总之,与单纯伸展盆地不同的是,洋中脊有时空上不均匀的岩浆活动,因而,岩浆动力学要素也是洋中脊分段、拓展与叠接的重要的深部动力要素。洋中脊构造体系的动力学演化也受岩浆供应量及其方式制约,且更宏观的洋中脊构造样式可能还受更大区域尺度乃至全球尺度构造的制约。然而,洋中脊体系的异常行为则可能决定于异常的动力学过程,如地幔柱2洋中脊相互作用。
2.3 脊-柱相互作用与复杂洋底构造演化
柱-脊相互作用已经得到地球化学和同位素资料、海底地貌、重力、地震层析成像、实验和流体动力学模拟的检验。当热点形成于洋中脊附近时,它们便与洋中脊相互作用。柱-脊相互作用的证据表现
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第3期 李三忠等:洋底动力学
在,当洋中脊试图重新定位热点位置时,洋中脊朝热点方向明显的跃迁。如果洋中脊不是固定的,它们便可能与热点相遇,正如冰岛热点于15Ma发生的那样。如果像冰岛一样,热点正反映为地幔柱,洋中脊将被热点“捕获”,且洋中脊连续跃迁才能与热点保持一致。当洋中脊经过一个小地幔柱时,正如大西洋盆地中的大多数热点,它们便不会被捕获。事实上,大多数临近洋中脊的热点多数对应浮力通量相对小的小地幔柱,这种小地幔柱不具有捕获洋中脊的能力[21]。而且,地幔柱2洋中脊相互作用可导致洋中脊的跳跃(jump ing)、洋中脊的不对称性、微板块的形成乃至区域洋底宏观构造格局的调整,当然也会留下异常的地球化学痕迹等。
214 海洋核杂岩与洋底构造样式的多样性
海洋核杂岩(oceanic core comp lex)作为慢速和超慢速扩张脊的洋盆中复杂的伸展变形构造之一,也可以导致洋底复杂的局部构造现象。它与变质核杂岩具有相同的几何结构和运动学特征[25,26,但处于不同的大地构造背景和起源于不同的动力学成因。与变质核杂岩相比,海洋核杂岩具有明显的独特性。最明显的差别是变质核杂岩在拆离滑脱形成之前通常经历了大规模逆冲推覆作用,但海洋核杂岩没有类似的前期逆冲挤压现象,从一开始便处于伸展构造背景下。此外,变质核杂岩的核部常出现同构造花岗岩的侵入[26],而海洋核杂岩的核部则常有蛇纹石化的超基性岩体(尤其是辉长岩侵入体)底辟侵入[27]。组成海洋核杂岩的拆离面不是长英质糜棱岩和绿泥石化角砾岩,而是由白色结壳式碳酸盐岩和强烈蛇纹石化的橄榄岩或玄武岩、超镁铁质糜棱岩、糜棱状辉长岩等组成。拆离面以上为未变质的薄层海洋沉积层,以下为热洋幔的退变质岩石,而拆离面本身成为海水或深部热液的通道,流体参与构造活动对拆离面上部的变形起了重要作用。海洋核杂岩的拆离断层位移量可达数十千米,因而可能导致海底磁条带的局部错位,使得洋壳磁条带的平面结构复杂化[25]。
215 洋脊增生系统动力学的未来展望
2.5.1 洋中脊岩浆动力学和物质组成 进一步阐述各种速度的扩张脊段岩石组合特征、地幔组成和岩浆起源,各种速度的洋中脊扩张脊段拉张体制下岩浆的发生、运移、演化及上升侵位历史,揭示大洋中脊岩浆作用与成岩动力学特征;侧重岩石学、地球化学手段(同位素和元素地球化学、岩石地球化学等)和构造数值模拟手段,研究洋中脊构造过程和岩浆过程(分凝、上升、侵位)的耦合性及其效应,探讨岩浆起源和地幔组成与不均一性。
2.5.2 洋中脊多圈层物质和能量循环、成矿系统 壳幔交换地球化学及生态环境效应主要研究地壳与地幔之间元素的迁移、交换以及由此引发的元素在地壳与地幔之间的再分配、再富集及其可能导致的成矿作用及环境效应;洋中脊、转换断层是地质作用非常活跃的场所,岩浆作用、变质作用、成矿作用、构造作用正在这些部位进行着,对它们的研究是了解地球内外圈层物质和能量交换以及硫化物成矿作用、海底多金属氧化物成矿作用的根本。
2.5.3 洋中脊结构、构造过程与深部地球动力学 通过多尺度和多层次的构造解析与变形机制分析,以建立立典式构造解析研究基地、探索洋中脊不同层次岩石流变学结构为目标,开展洋中脊岩石圈不同层次、不同尺度的构造的几何学、运动学和变形机制研究,再造洋中脊增生构造的演变过程;结合热流、磁条带等结果及数值模拟,揭示不同尺度、不同性质、不同层次变形形迹之间的相互关系,建立洋中脊构造演变过程的时空模型;分析洋中脊几何结构的差异分段机制与演化,脊-柱相互作用及其不同层次深部动力学过程;揭示地震发生机理;以西南印度洋为重点,研究超慢速扩张脊岩石的组合特征,探讨超慢速扩张脊岩石圈与地幔软流圈的相互作用,开展相关动力学数值模拟;研究扩张中心与热点相互作用、岩石圈与地幔软流圈相互作用的各级动力学,以及该作用对洋壳结构、构造的影响,对洋中脊的热能、热液和岩浆活动的影响;特别是洋底结构构造的演化具有周期性,一般7～8Ma发生一次大规模调整,且在全球洋底具有一定的同步性,如43, 38,35,30,23,15,8Ma发生的事件,这些全球同步、周期性事件的动力学机制目前仍然没有被广泛注意。
2.5.4 大洋中脊热液系统、深部生物圈和洋底下的海洋 大洋中脊和其他海区(如西太平洋弧后盆地和冲绳海槽等)的热液作用在金属成矿、热液生物和海水化学等方面具有重大意义。通过热液活动,探讨不同海底岩石圈-水圈之间能流、物流的异同,为正确认识地球深部与表层过程相互作用对地球系统的影响提供依据。同时,开展热液生物群及相关的极端环境下(高毒、高温、高压、高硫、无光、缺氧)微生物等方面的基础研究,查明极端环境下的深部生物圈,探讨其在物质和能量循环中的作用,探索极端环境下的生命过程、生命起源的根本。深海海底以下数千米深部仍然有大量微生物生存,这种“深部生物圈”估计占全球生物量的1/10至1/2;大洋
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中脊和其他海区(如冲绳海槽),发现有深海热液喷出,形成金属成矿,滋养独特的热液“黑暗生物链”;洋中脊冠部的岩浆过程提供能量通过洋壳驱动水热循环,导致水-岩相互作用,在840～3600m的水深深度范围内形成低温(<200℃)和高温(200℃～400℃)热液喷口,并成为地球热输出的主要途径。水-岩反应和地幔气体的喷气作用也改变着全球海水化学成分。不同的水化学滋养着不同的海底微生物群落。对深海沉积微生物的生存与对环境适应机制的研究将不仅促进进一步了解深海微生物乃至深海生物圈对全球气候环境的影响,也能促进对深海微生物资源的开发和利用。这些都逐渐成为科学研究的一大焦点[18]。
3 俯冲消减系统
大陆边缘毗邻大陆这个物源地,是地球上重要的沉积区,许多大陆边缘带由于其沉积作用而逐渐向海洋扩展。大气、海洋和陆地等重要界面也都在这个地带交接,大气、海洋和陆地过程也在此汇聚,同时,该地带也是人类活动最为强烈的地带,是物质跨界转移最为明显的地带之一。但是,大气、海洋和陆地对自然变异和人类活动的响应速率和规模具有明显的区别,因此,该区是研究全球变化的重要场所。此外,现在已成为内陆山脉的褶皱隆起带大都形成于大陆边缘,现代大陆边缘的研究可为地球早期造山作用提供重要信息。大陆边缘蕴藏的丰富油气及其他资源也日益引起人们的关注。由此,大陆边缘是当前海洋地质学研究的前沿之一。甚至,要解决全球动力学问题,不是大陆动力学也不是深海大洋洋底动力学可以实现的,而是大陆边缘动力学才能够解决。这说明大陆边缘在地球系统科学中占有重要地位。
311 俯冲消减系统的复杂性
洋壳形成于扩张脊,消减于俯冲带,两过程普遍共存于同一洋盆,如太平洋、地中海和印度洋。正常情况下,板块生长总体是对称的,因而扩张带和消减带两者应当平行展布。然而,洋底的消减往往发生在与生长轴呈一定角度相交的地带,并引起盆地的不对称消减。而且,消减过程一般导致扩张脊进入俯冲带,引发海沟-洋中脊相互作用。脊-沟相互作用涉及活动大陆边缘盆地形成、岩浆特点和时空分布、变质变形等诸多问题,已得到广泛重视。
正俯冲的洋中脊的持续扩张作用将会使该洋中脊两侧的洋壳板片之间在上覆板块之下形成一个持续加宽的间隙,这个间隙称为板片窗[27]。小于10Ma的大洋岩石圈具有浮力,其俯冲时往往形成板片窗。板片窗形态依赖于3个主要因素:板块的相对运动和速率、俯冲前的洋脊2转换断层组合样式、俯冲角度。影响板片窗形态的次要因素还有热侵蚀、相变等因素。在板片窗出现的活动大陆边缘,软流圈、岩石圈、大气圈、水圈发生独特的多圈层相互作用,是地球系统最为活跃的地带之一,如环太平洋地带,在这些地区,海沟-洋中脊相互作用较普遍。由于该地带的洋底消减往往与生长轴呈一定角度相交,不仅引起盆地的不对称消减,而且使得板片窗之上的活动大陆边缘的构造、岩浆、成矿和热效应明显不同于洋中脊平行于俯冲带的消减作用产生的构造、地震、岩浆、成矿和热效应[27]。
板片窗与特定的三节点(RFF型)有关,该三节点是板片窗末端在海沟处的显示,是海沟-洋脊相互作用的端点,它可以发生迁移、跳跃等构造过程,从而导致脊-沟相互作用的复杂性。沟-脊相互作用的类型可以根据洋脊-转换断层系统与海沟的初始组合关系来划分,可以分为:扩张中心与海沟平行,分段的洋中脊-转换断层系统垂直和洋中脊与海沟不垂直的相互作用3种类型。
沟-脊相互作用与板片窗一样出现在活动大陆边缘,只不过相对后者,前者出现在浅部和靠海一侧,该处同样会发生独特的软流圈、岩石圈、大气圈、水圈多圈层相互作用。由于该地带的洋底消减往往与生长轴呈一定角度相交,不仅引起盆地的不对称消减、沉积类型与中心的迁移,而且使得不同类型沟-脊相互作用的活动大陆边缘侧的构造、地震、岩浆、成矿和热效应的时空演化明显不同[27]。
目前,认为俯冲板片的最大下插深度可以超过670k m,滞留一段时间后可能发生另一种深部过程———拆沉,并进入更深部圈层,而地幔柱常起源于2900k m深度的核幔边界,所以地幔柱的上升位置对上覆岩石圈的位置没有选择性,除可以出现于洋中脊和板内之外,还可以在俯冲带上侵并产生作用。由此,提出了地幔柱与俯冲带相互作用的问题,这对活动大陆边缘的复杂性、板块俯冲作用过程提供一些新的解决方案。而且,目前认为地幔柱的形成除可以起源于核幔边界外,还可以起源于670km,且常认为后者可以随板块运动发生迁移,所以地幔柱可以随板块迁移到俯冲带并进入俯冲带,从而出现柱-沟相互作用。地幔柱在俯冲带出现的位置不同,因而其对俯冲过程的影响和作用效果也相应不同。由此,提出6种地幔柱与俯冲带相互作用的可
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第3期 李三忠等:洋底动力学
能模式,这对传统的板块俯冲作用过程是个重要突破[28]。
312 “俯冲工厂”及其资源、环境和灾害效应海底表层主要为松散的沉积物覆盖,洋壳消减带则带着海底沉积层向下俯冲,构成浅部物质进入深部的重要场所。洋壳携带的大量流体地质过程是复杂的,在活动大陆边缘,当冷的、覆盖了大洋沉积物的大洋板块向下俯冲时,沉积物中所含的大量的孔隙水以及局部熔融产生的流体构成了该区域独特的流体场,流体场的出现和作用过程与发生在该区的岩浆作用、变质作用、地震活动以及资源环境效应都有着极大的关系。一些西方发达国家如德国,已经成立针对大陆边缘流体地质作用的专项研究,其研究目标是消减带流体过程和构造,前弧流体系统和释放,流体挥发性组分在板-弧-大气圈的相互作用。但是,迄今被动大陆边缘流体场性质以及地球化学过程尚不清楚,与其相关的地质作用亦不清楚。
4 深海盆地系统
深海占整个海洋面积的9214%[16]。除了大洋中脊、转换断层外,深海的海岭以及某些海山也是深部与浅部物质沟通的活跃场所。就油气勘探而言,海平面300m以下就属深海。但是,通常所说的深海一般是水深在4000m以上的海域,其面积接近世界海洋面积的6514%,和地质意义上的深海盆地范围大体一致。深海盆地系统是指深海除去洋脊增生系统和俯冲消减系统之后的深海部分,该区海底总体平坦,沉积物厚度总体向海沟变厚,沉积层序增加,向洋中脊变薄,沉积层序减少。但是,地震剖面揭示,沉积层之下的洋壳层显现得崎岖不平。海底洋壳年龄总体表现出从大洋中脊轴部向两侧海底年龄逐渐递增的规律性,并以洋中脊为对称轴对称分布,且深海盆地水深、大洋岩石圈厚度和洋壳年龄都具有密切关系。深海沉积物不仅记录了全球气候变化、环境演变、生命起源等信息,而且和多金属结核等资源开发密切相关,更是回答人类与地球如何和谐共存这一21世纪最大科学目标的关键所在[18]。
围绕人类与地球和谐共存这一目标,自20世纪80年代以来,从系统科学的角度理解海洋,研究海洋,始终是深海海洋科学的发展趋势。深海研究的空间尺度和时间尺度不断加大,数据指标的覆盖面不断加大,基于数据的环境变化模型研究进展显著,并为过程模型临近真实性奠定了坚实的基础。同时,深海研究也始终重视由于数据指标量不断加大而带来的信息重复问题,因此应注重在不同尺度(置信度)水平上的指标相关性研究,由此获取降维后的定量化理论模型与耦合模型。层圈2界面的耦合作用、地幔柱等典型动力过程、海洋大循环、现代海底成矿作用和极端环境生态系统成为学科前沿的突破点,紧密围绕海洋在全球气候中的作用、海洋环境演变规律及其与全球环境演变的关系、海洋资源形成机制与可持续利用等重大的科学问题的联合攻关,是近年来海洋科学发展的成功之处[18]。
411 深海盆地构造的复杂性:三节点与盆地形成演化过程的复原
与三节点相接的三个板块之间的边界可以是拉张型、挤压型或剪切型的边界,但是它们的组合类型比较复杂,而且稳定性不同,这对精细研究海底构造格局与演化具有重要的意义。
洋底扩张板块边界一般通过裂谷扩展过程而改组,且微板块在大尺度板块边界改组中起到关键作用。改组的原因有多方面,包括相对或绝对的板块运动变化,抬升的洋脊轴深度,转换断层的剪切。尽管三节点的迁移和复杂板块边界之间的相互作用普遍存在,但在细节上却知之甚少,尤其是当它们同时发生的时候。由于三节点运动学的稳定性,在三节点长期的演化中有其局限性。例如,三节点迁移在板块运动的改变、裂谷扩展、微板块的形成、岩石圈的迁移、微板块的死亡等历史中都具有同样重要的作用。因此,异常的地质构造,包括重新定向的深海丘陵断层型式、假断层、孤立的转换断层、汇聚带和加厚的岩石圈、扩张带、变薄的岩石圈、其他类型的岩石圈变形、衰退的裂谷,它们都可遗留在三节点的迁移轨迹上,这取决于微板块是如何发展和随后如何活化。三节点演化遗迹的实例分析有助于理解大陆边缘和大洋构造格局及其演化的复杂性,这些研究有助于改变大洋板块是整体统一而且有稳定刚性特征的传统认识[29]。实际上,大洋板块和大陆板块一样,同样具有垂向流变学结构和平面几何学结构的复杂性,只是我们对前者依然认识不足,这要求大陆动力学研究人员在作对比研究时,需要慎重。412 大火成岩省和地幔柱构造
20世纪80年代,人们开始关注大量的洋壳板块俯冲之后的去向、归宿和状态,对板片行踪的讨论兴盛起来,大致形成3种不同观点:一种认为板片不能潜入到下地幔,第二种认为可以俯冲到下地幔,第三种观点介于其间,认为不同的岛弧同时潜入和未潜入下地幔的情况都有。近年来,高精度的地震层
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析成像成果显示,与俯冲板片相关的高波速异常体在670km附近的上、下地幔界面处滞留、积聚、增厚,且常呈近水平状向前扩展,高速异常体还进一步延入下地幔,有的已抵达核幔边界(Dg层)。这种与俯冲消减系统密切相关的下降流,通常称为冷幔柱。同时,大量P波层析成像和地幔对流的计算实验,发现现今地球存在两个超级上升流,称为热地幔柱,即西南太平洋热幔柱和南部非洲热幔柱,它们并非直立上升,而是分别错位地和浅部洋脊增生系统或大陆裂解系统相关,从而使得探讨浅部地质响应的深部构造过程时需要慎重。
地幔柱构造包括冷幔柱与热幔柱两种类型,它们成对出现。滞留板块塌落到下地幔会造成上地幔物质亏损,必然会从下地幔产生向上运动的热地幔柱。所以,从全局上看,滞留板块的下落和地幔柱的上升必然是相互约束的运动。如果把下落的滞留板块称为“冷幔柱”,上升的地幔物质称为“热幔柱”,冷幔柱为窗帘状的下降流,热幔柱为圆筒状的上升流,那么,地幔全局性物质对流主要是由这种向下运动的冷幔柱和向上运动的热幔柱所支配[30]。
在深海大洋中,不同级别的地幔柱构造表现为不同尺度的大火成岩省。它们和不同尺度的板块运动之间的耦合,使得这些与地幔柱相关的火山活动时空也异常复杂,同时使得洋底地形地貌变得复杂,甚至使得洋中脊扩张经常发生偏斜,其几何学、运动学等也出现不对称。总之,深海盆地构造研究,特别是深部和浅部构造过程是否耦合依然是值得深入探讨的前缘问题,也是解释浅部圈层复杂现象的板块构造理论需要完善的内容。
5 洋底多圈层相互作用
大洋岩石圈构造、演化与动力学,侧重岩石圈层圈构造,海底盆-山耦合动力学过程和机制,多尺度、多层次构造解析与变形机制以及构造-岩浆演化与成矿主要领域,也应当是当前地球动力学研究的重要组成部分,而且是海底构造地质学的前缘领域和多圈层作用研究的核心。其研究内容同样包括:
1)大洋岩石圈流变学和层圈构造动力学。大洋岩石圈流变学和大陆岩石圈流变学一样应当是以位错理论为基础,以高温高压实验技术为手段来研究地球深部物质在不同物理化学环境中(温度、压力、差异应力、流体和水)的变形和流动。以流变学理论为基础,研究不同年龄洋壳和深部物质组成、性质和几何学、运动学及动力学特征;以高温高压实验技术为手段,研究极端条件下岩石圈深部物质的力学2流变性质以及矿物物理相变规律,并将实验成果应用于天然构造;应用构造地质学先进的背散射衍射法(EBS D)研究大洋岩石圈岩石的显微构造和组构,以及与构造演化和地震波各向异性的关系;研究大洋岩石圈的熔体、流体和水(包括名义上无水矿物)对大洋构造变形的制约作用;采用数值模拟手段,进行不同海区和大洋岩石圈结构的有限元应力场模拟,揭示不同洋区应力差异与演化;探索大洋岩石圈结构和演化规律,为不同系统的地震成因机制和深、浅部矿产资源的形成及预测提供重要依据。
以探索大洋岩石圈层圈构造作用过程及其海底浅表地质响应关系为主要研究目标,研究大洋岩石圈板块构造、典型大洋板内构造带的几何学、运动学特征,层圈相互作用及其动力学过程;研究海底典型海盆2海山耦合关系,探讨深海盆2山系统演化机制,特别是进行洋壳俯冲和地幔柱诱发的区域性动力沉降或隆升模拟,探索大陆边缘盆2山演化与板缘和深部构造作用的成因关系;将区域大洋构造演化、变形分析与现代同位素地质测年技术、最新精细磁条带分析技术相结合,逐步建立精细的中、新生代海底构造演化和海盆构造动态复原。
2)洋脊断裂系统和俯冲消减系统是多圈层相互作用的纽带(前者以正断层行为为特征)。单条正断层的位移特征能够决定流体(成矿热液、岩浆)的运移、聚集方向,成为热液、成矿流体、岩浆的输导系统。而且,位移较大的中部又由于降压相对较大,下部成为降压熔融的强烈部位,因此往往是岩浆生成场所,且表现为沿洋中脊透镜状分布;而断裂端部往往形成横向背斜,横向背斜和断裂连接部位(变换带)往往是热液的驻留部位,因而,在洋中脊某些分段为叠接扩张中心、火山活动场所等,类似油气中的圈闭,这非常类似油气生成-运聚的源-汇。总之,正断裂系统既可以是热液输导系统,也可以是岩浆驻留系统。其他系统也是同样的,因此,通过正断裂系统可以将流体系统、岩浆系统、物质循环系统、大洋沉积系统、成矿系统、生态系统联系起来,从而决定多圈层相互作用的过程。不同系统之间也存在平面上的相互作用,也就是说,存在断裂不同分段之间可能也会存在断裂-岩浆-地球化学-成矿-生物的耦合或非耦合关系。
3)多圈层物质和能量交换与构造2岩浆演化和成矿。利用海洋地球化学技术和方法,研究海底物质多圈层的聚集、分散、循环、沉淀、成矿等,以及流
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第3期 李三忠等:洋底动力学
体在各环节中的作用,就环境、资源、生态(特别是“黑色海洋”和“蓝色海洋”生态系统关系)、全球气候变化等领域的海洋地球化学问题,建立海洋地球化学实验分析方法体系,开展海底岩石地球化学、海洋沉积地球化学、同位素地球化学和现代海底热液活动、海底岩浆作用、现代成矿作用地球化学等方面的研究,力争建立海洋成矿体系,发展海洋成矿理论。以研究构造应力场转换、壳幔相互作用与大规模成矿作用的时空耦合关系为主要内容,研究海底矿产资源的分布规律、赋存状态、成矿环境与成矿机制、规模与储量评价、勘探与开发技术、资源市场与远景分析等,研究现代海底热液活动及其成矿作用、成矿作用的海陆对比、海底岩浆作用,关注海底成矿作用体系与全球构造背景的关系、海底热液循环与金属硫化物矿床、富钴锰结壳以及多金属结核的成因联系、近海碳氢化合物的聚集条件分析等方面,不仅对海底矿产资源的勘查评价和认识陆地大型矿床的成因具重要意义,而且对于认识大洋热平衡、物质通量和“黑暗生物链”等重大科学问题也具有关键性作用。这些研究将有助于理解约束海底成矿作用的关键地质要素与流体介质特征,揭示成矿物质迁移—聚集—分散—循环—沉积过程和成矿机理,建立海洋成矿体系,发展海洋成矿理论,最终揭示海洋矿床的形成、演化、质量与分布。同时,注意研究海底矿产资源探测的高新技术与方法、海底矿产资源评价等内容,发展矿产资源综合评价的新技术、新方法。选择太平洋海底成矿带为主要基地,通过成矿区(带)、矿田及矿床(点)精细的海洋地质调查和控矿构造分析,探索构造2岩浆2成矿演化规律,为成矿远景靶区优选及资源潜力的预测提供地质依据。开展海洋中深层、热液区、冷泉、深海底和地壳内部特征生态系统研究,进行生物机能、环境与生物相互作用、生物多样性进化和生物机能利用研究。开展海底深部动力过程、海洋环境演变与海底成矿作用的耦合关系研究,探讨不同类型资源的共生伴生规律,以及开发活动可能对深海环境、生态造成的影响。
4)俯冲消减系统的物质和能量交换与人类圈安全。俯冲消减系统的物质和能量交换有助于研究古地壳再循环作用及其地幔混染效应,揭示固体地球化学循环的幔源岩石记录,阐明地幔不均一性的形成机理。此外,俯冲消减系统中的海岸带也是人类拓展生存空间的需求对象。全世界60%的人口和2/3的大中城市集中在沿海地区,全世界河流入海泥沙、生源要素及污染物的75%～90%归宿于海岸带。预计未来70%的世界人口将在海洋边缘的沉积区域生活和工作[17],如何指导人类活动和海岸带资源环境的和谐共存,是国际大型研究计划LO I CZ的重要目标[17,18]。因此,在人类开发和利用大陆边缘,面向海底资源开发等人类活动中的海底沉积环境问题和工程安全问题,进行围垦(海洋农牧化)、填海造地(海上机场和海上城市)、建造海墙、筑防波堤、拦河筑坝、管线铺设、滩滁利用、港口建设、海底工事(海底仓储、人工岛、钻采平台、军事设施)等工程活动前,必须先开发先进数值模拟手段,整合利用构造地质学、地震学、水动力学、气候学、生物化学、生态学、沉积动力学、物理海洋学等方法,了解该区各种体系对人类活动的响应,以保障人类活动与该区原始的、自然的生态系统和谐统一。
致谢:值此张国伟院士70华诞,作为学生仅以此文表示庆贺!真诚感谢恩师10多年来在学术道路上对我的鼓励、扶持和帮助,在生活上对我和我家人的关照!撰写此文期间,得到了中国海洋大学各级领导和同事的大力支持和帮助,在此,一并致以诚挚谢意!由于篇幅有限,原文被压缩了一半以上,详细内容将另文补充、修改,以飨读者。
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(编 辑 雷雁林)
Mar i n e geodynam i cs:fro m m i d 2ocean i c r i dge
syste m to subducti on factory
L I San 2zhong 1
,ZHANG Guo 2wei 1,2
,L I U Bao 2hua
3
(1.College of Marine Geosciences/Key Lab of Sub marine Geosciences and Pr os pecting Techniques,M inistry of Educati on,Ocean Uni 2
versity of China,Q ingdao 266100,China;2.Depart m ent of Geol ogy,North west University,Xi ′an 710069,China;3.First I nstitute of O 2ceanography,S OA,Q ingdao 266061,China )
Abstract:A i m Owing t o the deep understanding critical functi on of the oceans in the earth syste m ,it is nessesary t o establish Marine Geodyna m ics .M ethods Based on synthetic investigati on of related research,ocean fl oor is als o a window f or understanding many p r ocesses of the Earth .Results Marine Geodyna m ics or Dyna m ics of Ocean Fl oor is ai m ed t o reveal architextures and structures,compositi on,te mperal and s patial evoluti on of oceanic lithos phere,and interacti on bet w een lithos phere and its related s pheres such as asthenos phere,hydr os phere,at m os 2phere and bi os phere,and its i m pacts t o submarine res ources,hazards and envir onment .Conclusi on Marine Geo 2dyna m ics is based on traditi onal geol ogical theory and p late tect onics and guided by thinking of Earth Syste m Sci 2ence,it f ocuses on dyna m ic p r ocesses in m id 2oceanic ridge syste m ,deep 2sea basin syste m and subductin syste m ,and trans potai on,interchange,transiti on and cycling of materials and energy on the different interfaces or bet w een different s pheres .The scientific goal is t o study origin and evoluti on of ocean fl oor and oceanic lithos phere,t o maintain marine activities of hu man being such as marine m ilitary and exp l oitati on and exp l orati on of submarine re 2s ources,t o p r otect our nati onal mariti m e rights and interests and t o p r otect marine envir onment,using hi 2tech tech 2niques f or nu merical modelling,exp l orati on and p r ocessing in the fields of marine sciences marine geol ogy,a m rine geophysics and marine geoche m istry .
Key words:deep sea and ocean;oceanic lithos phere;m id 2ocean ridge;subducti on fact ory;multi 2s pherical interac 2ti on
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344—第3期 李三忠等:洋底动力学
研究生《机械系统动力学》试卷及答案
太原理工大学研究生试题 姓名： 学号： 专业班级： 机械工程2014级 课程名称: 《机械系统动力学》 考试时间: 120分钟 考试日期: 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 总分 分数 1 圆柱型仪表悬浮在液体中，如图1所示。仪表质量为m ，液体的比重为ρ，液体的粘性阻尼系数为r ，试导出仪表在液体中竖直方向自由振动方程式，并求固有频率。（10分） 2 系统如图2所示，试计算系统微幅摆动的固有频率，假定OA 是均质刚性杆，质量为m 。（10分） 3 图3所示的悬臂梁，单位长度质量为ρ，试用雷利法计算横向振动的周期。假定梁的 变形曲线为?? ? ?? -=x L y y M 2cos 1π（y M 为自由端的挠度）。（10分） 4 如图4所示的系统，试推导质量m 微幅振动的方程式并求解θ(t)。（10分） 5 一简支梁如图5所示，在跨中央有重量W 为4900N 电机，在W 的作用下，梁的静挠度δst=，粘性阻尼使自由振动10周后振幅减小为初始值的一半，电机n=600rpm 时，转子不平衡质量产生的离心惯性力Q=1960N ，梁的分布质量略去不计，试求系统稳态受迫振动的振幅。（15分） 6 如图6所示的扭转摆，弹簧杆的刚度系数为K ，圆盘的转动惯量为J ，试求系统的固有频率。(15分) 7如图7一提升机，通过刚度系数m N K /1057823?=的钢丝绳和天轮（定滑轮）提升货载。货载重量N W 147000=，以s m v /025.0=的速度等速下降。求提升机突然制动时的钢丝绳最大张力。(15分) 8某振动系统如图8所示，试用拉个朗日法写出动能、势能和能量散失函数。(15分) 太原理工大学研究生试题纸
车辆系统动力学解析
汽车系统动力学的发展现状 仲鲁泉 2014020326 摘要：汽车系统动力学是研究所有与汽车系统运动有关的学科，它涉及的范围较广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有汽车在垂直和横向两个方面的动力学内容。介绍车辆动力学建模的基础理论、轮胎力学及汽车空气动力学基础之外，重点介绍了受汽车发动机、传动系统、制动系统影响的驱动动力学和制动动力学，以及行驶动力学和操纵动力学内容。本文主要讲述的是通过对轮胎和悬架的系统动力学研究，来探究汽车系统动力学的发展现状。 关键词：轮胎；悬架；系统动力学;现状 0 前言 汽车系统动力学是讨论动态系统的数学模型和响应的学科。它是把汽车看做一个动态系统，对其进行研究，讨论数学模型和响应。是研究汽车的力与其汽车运动之间的相互关系，找出汽车的主要性能的内在联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据。 车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科。有关车辆行驶振动分析的理论研究，最早可以追溯到100年前。事实上，知道20世纪20年代，人们对车辆行驶中的振动问题才开始有初步的了解；到20世纪30年代，英国的Lanchester、美国的Olley、法国的Broulhiet开始了车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。开始出现有关转向、稳定性、悬架方面的文章。同时，人们对轮胎侧向动力学的重要性也开始有所认识。在过去的70多年中，车辆动力学在理论和实际应用方面也都取得了很多成就。在新车型的设计开发中，汽车制造商不仅依靠功能强大的计算机软件，更重要的是具有丰富测试经验和高超主观评价技能的工程师队伍。 在随后的20年中，车辆动力学的进展甚微。进入20世纪50年代，可谓进入了一个车辆操纵动力学发展的“黄金时期”。这期间建立了较为完整的车辆操纵动力学线性域（即侧向加速度约小于0.3g）理论体系。随后有关行驶动力学的进一步发展，是在完善的测量和计算手段出现后才得以实现。人们对车辆动力学理解的进程中，理论和试验两方面因素均发挥了作用。随后的几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在汽车产品竞争中的重要作用，因而车辆动力学得以迅速发展。计算机及应用软件的开发，使建模的复杂程度不断提高。
铁道车辆系统动力学作业及试地的题目详解
作业题 1、车辆动力学的具体内容是研究车辆及其主要零部件在各种运用情况下，特别是在高速运行时的位移、加速度和由此而产生的动作用力。 2、车辆系统动力学目的在于解决下列主要问题： ①确定车辆在线路上安全运行的条件； ②研究车辆悬挂装置和牵引缓冲装置的结构、参数和性能对振动及 动载荷传递的影响，并为这些装置提供设计依据，以保证车辆高速、安全和平稳地运行； ③确定动载荷的特征，为计算车辆动作用力提供依据。 3、铁路车辆在线路上运行时，构成一个极其复杂的具有多自由度的振动系统。 4、动力学性能归根结底都是车辆运行过程中的振动性能。 5、线路不平顺不是一个确定量，它因时因地而有不同值，它的变化规律是随机的，具有统计规律，因而称为随机不平顺。 （1）水平不平顺； （2）轨距不平顺； （3）高低不平顺； （4）方向不平顺。 6、车轮半径越大、踏面斜度越小，蛇行运动的波长越长，即蛇行运动越平缓。 7、自由振动的振幅，振幅大小取决于车辆振动的初始条件：初始位移和初始速度（振动频率）。
8、转向架设计中，往往把车辆悬挂的静挠度大小作为一项重要技术指标。 9、具有变摩擦减振器的车辆，当振动停止时车体的停止位置不是一个点，而是一个停滞区。 10、在无阻尼的情况下共振时振幅随着时间增加，共振时间越长，车辆的振幅也越来越大，一直到弹簧全压缩和产生刚性冲击。 11、出现共振时的车辆运行速度称为共振临界速度 12、在车辆设计时一定要尽可能避免激振频率与自振频率接近，避免出现共振。 13、弹簧簧条之间要留较大的间距以避免在振动过程中簧条接触而出现刚性冲击 14、两线完全重叠时，摩擦阻力功与激振力功在任何振幅条件下均相等。 15、在机车车辆动力学研究中，把车体、转向架构架（侧架）、轮对等基本部件近似地视为刚性体，只有在研究车辆各部件的结构弹性振动时，才把他们视为弹性体。 16、簧上质量：车辆支持在弹性元件上的零部件，车体（包括载重）及摇枕质量 17、簧下质量：车辆中与钢轨直接刚性接触的质量，如轮对、轴箱装置和侧架，客车转向架构架，一般是簧上质量。 18、一般车辆（结构对称）的垂向振动与横向振动之间是弱耦合，因此车辆的垂向和横向两类振动可以分别研究。 19、若车体质心处于纵垂对称面上，但不处于车体的横垂对称面上，则车体的浮沉振动将和车体的点头振动耦合起来。
2015年系统动力学A卷试题
南京农业大学试题纸 2014-2015学年 第二学期 课程类型：选修 试卷类型：A 课程 系统动力学 班级 学号 姓名 成绩 一 填空（每空2分，共20分） 1 系统阶次是根据系统的 决定。 2 系统动力学模型中变量可分为 、 、辅助变量和常量等。 3 反馈的类型有 和 。 4 因果关系图与存量流量图的区别在于 。 5 状态变量在回路中的作用是 。 6 典型的速率结构与方程有 、 、 等。 二 简答题（共35分） 1 为什么要学习系统动力学方法？（4分） 2 因果回路图中回路的极性的判断依据是什么？分别举一个回路为正和负的因果回路图，其中变量的个数不少于3个。（7分） 3 从反馈的类型来看，系统的基本结构包括哪几种？（6分） 4 绘制S 形增长系统的行为模式及结构。（8分） 5 简述一阶正反馈（指数增长）系统的时间常数T 和倍增时间Td 的含义，推导出它们之间的关系式，并给出LEV(a+k*T)与LEV(a)之间的关系。（10分） 三 绘图题（15分） 假设一个系统只有羚羊和狮子两种动物。羚羊数量（POPULATION OF ANTELOPE, PA ）由其出生速率(BRA)和死亡速率(DRA)共同决定，羚羊出生速率(BRA)又与羚羊数量（PA ）、羚羊生育比例（FBA ）有关，羚羊死亡速率(DRA)与羚羊数量（PA ）、羚羊平均寿命(ALA)以及狮子数量(POPULATION OF LION, PL)有关；狮子数量(PL)由狮子的出生速率(BRL)和死亡速率(DRL)共同决定，影响狮子出生速率(BRL)的因素除了狮子生育比例（FBL ）和狮子数量（PL ）外，羚羊数量（PA ）对其也有影响，狮子死亡速率(DRL)和狮子数(PL)、狮子平均寿命(ALL)有关，试绘制该系统因果回路图和存量流量图。 本试卷适应范围 物流121-124
车辆系统动力学发展1
汽车系统动力学的发展和现状 摘要：近年来，随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车的舒适性、可靠性以及安全性也提出越来越高的要求，这些要求的实现都与汽车系统动力学相关。汽车系统动力学是研究所有与汽车系统运动有关的学科，它涉及的范围较广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有车辆在垂向和横向两个方面的动力学内容。本文通过对汽车系统动力学的的介绍，对这一新兴学科的发展和现状做一阐述。 关键字：汽车系统动力学动力学响应发展历史 Summary：In recent years, with the rapid development of automobile industry, people on the vehicle comfort, reliability and safety are also put forward higher requirements, to achieve these requirements are related to vehicle system dynamics.Vehicle system dynamics is the study of all related to the movement of the car system discipline, it involves the scope is broad, in addition to the effects of dynamic response of vehicle longitudinal motion and its subsystems, and vehicles to and dynamic content crosswise two aspects in the vertical.Based on the vehicle system dynamics is introduced, the development and status of this emerging discipline to do elaborate. Keywords：Dynamics of vehicle system dynamics Dynamic response Development history 0 引言 车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科。有关车辆行驶振动分析的理论研究，最早可以追溯到100年前。事实上，知道20世纪20年代，人们对车辆行驶中的振动问题才开始有初步的了解；到20世纪30年代，英国的Lanchester、美国的Olley、法国的Broulhiet开始了车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。开始出现有关转向、稳定性、悬架方面的文章。同时，人们对轮胎侧向动力学的重要性也开始有所认识。 在随后的20年中，车辆动力学的进展甚微。进入20世纪50年代，可谓进入了一个车辆操纵动力学发展的“黄金时期”。这期间建立了较为完整的车辆操纵动力学线性域（即侧向加速度约小于0.3g）理论体系。随后有关行驶动力学的进一步发展，是在完善的测量和计算手段出现后才得以实现。人们对车辆动力学理解的进程中，理论和试验两方面因素均发挥了作用。随后的几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在汽车产品竞争中的重要作用，因而车辆动力学得以迅速发展。计算机及应用软件的开发，使建模的复杂程度不断提高。在过去的70多年中，车辆动力学在理论和实际应用方面也都取得了很多成就。在新车型的设计开发中，汽车制造商不仅依靠功能强大的计算机软件，更重要的是具有丰富测试经验和高超主观评价技能的工程师队伍。 传统的车辆动力学研究都是针对被动元件的设计而言，而采用主动控制来改变车辆动态性能的理念，则为车辆动力学开辟了一个崭新的研究领域。在车辆系统动力学研究中，采用“人—车—路”大闭环的概念应该是未来的发展趋势。作为驾驶者，人既起着控
机械动力学复习题
机械动力学复习试题 1、试求图1-1所示系统的等效弹簧常数，并导出其运动微分方程。 2、一无质量的刚性杆铰接于O ，如图2-1所示。试确定系统振动的固有频率，给出参数如下：k 1=2500磅/英寸(4.3782×105N/m ）， K 2=900磅/英寸(1.5761×105N/m ）， m=1磅*秒2/英寸（175.13kg ）， a=80英寸 (2.03m)， b=100英寸（2.54m ）。 3、试求出图3-1所示系统的固有频率。弹簧是线性的，滑轮对中心0的转动惯量为I 。设R=2500磅/英寸（4.3782×105N/m ）， I=600磅*英寸*秒2（67.79N*m*s 2）， m=2.5磅*秒2/英寸（437.82kg ）， R=20英寸（0.5/m ） 4、一台质量为M 的机器静止地置于无质量的弹性地板上，如图4-1所示。当一单位载荷作用于中心点时的挠度为x st 。今在机器上放有一总质量为ｍｓ并带有两个旋转的不平衡质量的振动器提供一铅垂的谐波力mlw 2sinwt ，这里，转动的频率w 是可以改变的。试说明怎样用此振动器来测定系统弯曲振动的固有频率。 2 k 图3-1 图2-1
5,、图5-1中所示的系统模拟一在粗糙道路上运动的车辆，速度为均匀，即V=常数。试计算其响应Z(t)和传给车辆的力。 图5-1 6,、试导出如图6-1所示系统的运动微分方程，并求解位移X1(t)。
7、转动惯量分别为I 1和I 2的两个圆盘安装在扭转刚度分别为GJ 1和GJ 2的圆轴上如图7-1。导出这两个圆盘的转动微分方程。 8、导出图8-1所示系统当θ为微小角时的运动微分方程。 图 6-1 GJ 1 GJ 2 1() t θ2()t θ M 2(t) M 1(t) I 1 I 2
系统动力学模型案例分析
系统动力学模型介绍 1.系统动力学的思想、方法 系统动力学对实际系统的构模和模拟是从系统的结构和功能两方面同时进行的。系统的结构是指系统所包含的各单元以及各单元之间的相互作用与相互关系。而系统的功能是指系统中各单元本身及各单元之间相互作用的秩序、结构和功能，分别表征了系统的组织和系统的行为，它们是相对独立的，又可以在—定条件下互相转化。所以在系统模拟时既要考虑到系统结构方面的要素又要考虑到系统功能方面的因素，才能比较准确地反映出实际系统的基本规律。系统动力学方法从构造系统最基本的微观结构入手构造系统模型。其中不仅要从功能方面考察模型的行为特性与实际系统中测量到的系统变量的各数据、图表的吻合程度，而且还要从结构方面考察模型中各单元相互联系和相互作用关系与实际系统结构的一致程度。模拟过程中所需的系统功能方面的信息，可以通过收集，分析系统的历史数据资料来获得，是属定量方面的信息，而所需的系统结构方面的信息则依赖于模型构造者对实际系统运动机制的认识和理解程度，其中也包含着大量的实际工作经验，是属定性方面的信息。因此，系统动力学对系统的结构和功能同时模拟的方法，实质上就是充分利用了实际系统定性和定量两方面的信息，并将它们有机地融合在一起，合理有效地构造出能较好地反映实际系统的模型。 2.建模原理与步骤
(1)建模原理 用系统动力学方法进行建模最根本的指导思想就是系统动力学的系统观和方法论。系统动力学认为系统具有整体性、相关性、等级性和相似性。系统内部的反馈结构和机制决定了系统的行为特性，任何复杂的大系统都可以由多个系统最基本的信息反馈回路按某种方式联结而成。系统动力学模型的系统目标就是针对实际应用情况，从变化和发展的角度去解决系统问题。系统动力学构模和模拟的一个最主要的特点，就是实现结构和功能的双模拟，因此系统分解与系统综合原则的正确贯彻必须贯穿于系统构模、模拟与测试的整个过程中。与其它模型一样，系统动力学模型也只是实际系统某些本质特征的简化和代表，而不是原原本本地翻译或复制。因此，在构造系统动力学模型的过程中，必须注意把握大局，抓主要矛盾，合理地定义系统变量和确定系统边界。系统动力学模型的一致性和有效性的检验，有一整套定性、定量的方法，如结构和参数的灵敏度分析，极端条件下的模拟试验和统计方法检验等等，但评价一个模型优劣程度的最终标准是客观实践，而实践的检验是长期的，不是一二次就可以完成的。因此，一个即使是精心构造出来的模型也必须在以后的应用中不断修改、不断完善，以适应实际系统新的变化和新的目标。 (2)建模步骤 系统动力学构模过程是一个认识问题和解决问题的过程，根据人们对客观事物认识的规律，这是一个波浪式前进、螺旋式上升的过程，因此它必须是一个由粗到细，由表及里，多次循环，不断深化的过程。系统动力学将整个构模过程归纳为系统分析、结构分析、模型建立、模型试验和模型使用五大步骤这五大步骤有一定的先后次序，但按照构模过程中的具体情况，它们又都是交叉、反复进行的。 第一步系统分析的主要任务是明确系统问题，广泛收集解决系统问题的有关数据、资料和信息，然后大致划定系统的边界。 第二步结构分析的注意力集中在系统的结构分解、确定系统变量和信息反馈机制。 第三步模型建立是系统结构的量化过程(建立模型方程进行量化)。 第四步模型试验是借助于计算机对模型进行模拟试验和调试，经过对模型各种性能指标的评估不断修改、完善模型。 第五步模型使用是在已经建立起来的模型上对系统问题进行定量的分析研究和做各种政策实验。 3.建模工具 系统动力学软件VENSIM PLE软件 4.建模方法 因果关系图法 在因果关系图中，各变量彼此之间的因果关系是用因果链来连接的。因果链是一个带箭头的实线(直线或弧线)，箭头方向表示因果关系的作用方向，箭头旁标有“+”或“-”号，分别表示两种极性的因果链。
机械系统动力学试题
机械系统动力学试题 一、 简答题： 1．机械振动系统的固有频率与哪些因素有关？关系如何？ 2．简述机械振动系统的实际阻尼、临界阻尼、阻尼比的联系与区别。 3．简述无阻尼单自由度系统共振的能量集聚过程。 4. 简述线性多自由度系统动力响应分析方法。 5. 如何设计参数，使减振器效果最佳？ 二、 计算题： 1、 单自由度系统质量Kg m 10=, m s N c /20?=, m N k /4000=, m x 01.00=, 00=? x ,根据下列条件求系统的总响应。 （a ） 作用在系统的外激励为t F t F ωcos )(0=,其中N F 1000=， s rad /10=ω。 （b ） 0)(=t F 时的自由振动。 2、 质量为m 的发电转子，它的转动惯量J 0的确定采用试验方法：在转子径向R 1的地方附加一小质量m 1。试验装置如图2所示，记录其振动周期。 a ）求发电机转子J 0。 b ）并证明R 的微小变化在R 1=（m/m 1+1）·R 时有最小影响。 3、 如图3所示扭转振动系统，忽略阻尼的影响 J J J J ===321，K K K ==21 （1）写出其刚度矩阵； （2）写出系统自由振动运动微分方程； （2）求出系统的固有频率； （3）在图示运动平面上，绘出与固有频率对应的振型图。 1 θ（图2）
（图3） 4、求汽车俯仰振动（角运动）和跳振（上下垂直振动）的频率以及振 动中心（节点）的位置（如图4）。参数如下：质量m=1000kg，回转半径r=0.9m，前轴距重心的距离l1=0.1m,后轴距重心的距离l2=1.5m,前弹簧刚度k1=18kN/m,后弹簧刚度k2=22kN/m （图4） 5、如5图所示锻锤作用在工件上的冲击力可以近似为矩形脉冲。已知 工件，铁锤与框架的质量为m1=200 Mg，基础质量为m2=250Mg，弹簧垫的刚度为k1=150MN/m，土壤的刚度为k2=75MN/m.假定各质量的初始位移与速度均为零，求系统的振动规律。
车辆系统动力学仿真大作业(带程序)
Assignment Vehicle system dynamics simulation 学院：机电学院 专业：机械工程及自动化 姓名： 指导教师：
The model we are going to analys: The FBD of the suspension system is shown as follow:
According to the New's second Law, we can get the equation: 2 )()(221211mg z z c z z k z m --+-=???? 221212)()(z k mg z z c z z k z m w +-----=? ??? 0)()()()(222111222111=-++--+-++--+? ? ? ? ? ? ? ?w w w w z L z k z L z k z L z c z L z c z m χχχχ 0)()()()(2222111122221111=-++----++---? ? ? ? ? ? ? ?w w w w z L z L k z L z L k z L z L c z L z L c J χχχχχ d w w w w Q z L z k z L z c z m ,111111111)()(-=------? ? ? ? ?χχ d w w w w Q z L z k z L z c z m ,222222222)()(-=-+--+-? ????χχ When there is no excitation we can get the equation: 2)()(221211mg z z c z z k z m --+-=???? 2 21212)()(z k mg z z c z z k z m w +-----=? ??? Then we substitude the data into the equation, we write a procedure to simulate the system: Date: ???? ?? ??? ??==?==?===MN/m 0.10k m 25.1s/m kN 0.20MN/m 0.1m kg 3020kg 2100kg 3250w 2l c k I m m by w b
系统动力学定义(精)
系统动力学定义 系统动力学出现于1956年，是美国麻省理工学院JayW.Forrester福瑞斯特教授最早提出的一种对社会经济问题进行系统分析的方法论和定性与定量相结合的分析方法，是一门以系统反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为主要手段，定量地研究系统发展的动态行为的一门应用学科，属于系统科学的一个分支。复旦大学管理学院王其藩教授在他所著的《高级系统动力学》中给出了系统动力学的内涵曰:系统动力学是一门研究信息反馈系统的学科，是一门探索如何认识和解决系统问题的科学，是一门交叉、综合性的学科。系统动力学认为，系统的行为模式与特性主要地取决于其内部的动态结构与反馈机制，系统在内外动力和制约因素的作用下按一定的规律发展和演化。系统动力学是从运筹学的基础上改进发展起来的。鉴于运筹学太拘泥于“最优解”这一不足，系统动力学从观点上做了基本的代写硕士论文改变，它不依据抽象的假设，而是以现实存在的世界为前提，不追求“最佳解”，而是寻求改善系统行为的机会和途径。由此，系统动力学在传统管理程序的背景下，引进信息反馈和系统力学理论，把社会问题流体化，从而获得描述社会系统构造的一般方法，并且通过电子计算机强大的记忆能力和高速运算能力而获得对真实系统的跟踪，实现了社会系统的可重复性实验。不同于运筹学侧重于依据数学逻辑推演而获得解答，系统动力学是依据对系统实际的观测所获得的信息建立动态仿真模型，并通过计算机实验室来获得对系统未来行为的描述。当然，系统动力学建立的规范模型也只是实际系统的简化与代表。一个模型只是实际系统一个断面或侧面，系统动力学认为，不存在终极的模型，任何模型都只是在满足预定要求的条件下的相对成果。模型与现实系统的关系可用下图形象地加以说明。
多刚体动力学大作业(MAPLE)
MAPLE理论力学 学号：201431206024 专业：车辆工程 姓名：张垚 导师：李银山
题目一: 如图，由轮1，杆AB 和冲头B 组成的系统。A ，B 两处为铰链连接。OA=R,AB=l,如忽略摩擦和物体自重，当OA 在水平位置，冲压力为F 时，系统处于平衡状态。 求：（1）作用在轮1上的力偶矩M 的大小 （2）轴承O 处的约束力 （3）连接ＡＢ受的力 （4）冲头给导轨的侧压力。 解： 对冲头Ｂ进行受力分析如图2：Ｆ，ＦB ＦN 对连杆ＡＢ进行受力分析如图3：ＦB ，ＦA > restart: #清零 > sin(phi):=R/l; #几何条件 > cos(phi):=sqrt(l^2-R^2)/l; > eq1:=F[N]-F[B]*sin(phi)=0; #冲头， x F ∑=0 > eq2:=F-F[B]*cos(phi)=0; #冲头， y F ∑=0 > solve({eq1,eq2},{F[N],F[B]}); #解方程 > F[B]:=F/(l^2-R^2)^(1/2)*l;#连杆的作用力的大小 > F[A]:=F[B]; #连杆AB ，二力杆 := ()sin φR l := ()cos φ - l 2R 2 l := eq1 = - F N F B R l 0 := eq2 = - F F B - l 2R 2 l 0{}, = F B F l - l 2 R 2 = F N F R - l 2 R 2 := F B F l - l 2 R 2 := F A F l - l 2 R 2 图1 图2 图3
> eq3:=F[A]*cos(phi)*R-M; #轮杆0=A M > eq4:=F[Ox]+F[A]*sin(phi)=0; #轮杆1 0=∑ x F > eq5:=F[Oy]+F[A]*cos(phi)=0; #轮杆1 0=∑ y F > solve({eq3,eq4,eq5},{M,F[Ox],F[Oy]});#解方程 答：（1）作用在轮１上的力偶矩Ｍ＝ＦＲ； （2）轴承Ｏ处的约束力 （3）连杆ＡＢ受力 （4）侧压力 题目二： 如图4，图示曲线规尺的杆长OA=AB=200mm,而CD=DE=AC=AE=50mm 。如OA 杆以等角速度 s rad 5π ω= 绕O 轴转动，并且当运动开始时，角?=0?。 （1）求尺上D 点的运动方程。 （2）求D 点轨迹，并绘图。 > restart: #清零 > OA:=l: #OA 长度 > AB:=l: #AB 长度 > CD:=l/4: #CD 长度 > DE:=l/4: #DE 长度 > AC:=l/4: #AC 长度 > AE:=l/4: #AE 长度 > phi:=omega*t: #瞬时夹角 > x:=OA*cos(phi): #D 点的横坐标 := eq3 - F R M := eq4 = + F Ox F R - l 2 R 2 0 := eq5 = + F Oy F 0{},, = M F R = F Oy -F = F Ox - F R - l 2 R 2 = F Ox - F R - l 2 R 2 = F Oy -F := F B F l - l 2 R 2 = F N F R - l 2 R 2 图4
车辆系统动力学-复习提纲
1. 简要给出完整约束与非完整约束的概念2-23,24,25, 1)、约束与约束方程 一般的力学系统在运动时都会受到某些几何或运动学特性的限制，这些构成限制条件的具体物体称为约束，用数学方程所表示的约束关系称为约束方程。 2）、完整约束与非完整约束 如果约束方程只是系统位形及时间的解析方程，则这种约束称为完整约束。 完整约束方程的一般形式为： 式中，qi为描述系统位形的广义坐标(i=1，2，…，n)；n为广义坐标个数；m为完整约束方程个数；t为时间。 如果约束方程是不可积分的微分方程，这种约束就称为非完整约束。 一阶非完整约束方程的一般形式为：
式中，qi为描述系统位形的广义坐（i = 1, 2, …,n）；为广义坐标对时间的一阶与数；n为广义坐标个数；m为系统中非完整约束方程个数；t为时间。 2. 解释滑动率的概念3-7,8 1.滑动率S 车轮滑动率表示车轮相对于纯滚动（或纯滑动）状态的偏离程度，是影响轮胎产生纵向力的一个重要因素。 为了使其总为正值，可将驱动和被驱动两种情况分开考虑。驱动工况时称为滑转率；被驱动（包括制动，常以下标b以示区别）时称为滑移率，二者统称为车轮的滑动率。
参照图3-2，若车轮的滚动半径为rd，轮心前进速度(等于车辆行驶速度)为uw，车轮角速度为ω，则车轮滑动率s定义如下： 车轮的滑动率数值在0~1之间变化。当车轮作纯滚动时，即uw=rd ω，此时s=0；当被驱动轮处于纯滑动状态时，s=1。 3. 轮胎模型中表达的输入量和输出量有哪些？3-22,23 轮胎模型描述了轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系，即轮胎在特定工作条件下的输入和输出之间的关系，如图3-7所示。 根据车辆动力学研究内容的不同，轮胎模型可分为：
铁道车辆平稳性分析
铁道车辆平稳性分析 1.车辆平稳性评价指标 1.1 sperling平稳性指标 欧洲铁路联盟以及前社会主义国家铁路合作组织均采用平稳性指数来评定车辆的运行品质。等人在大量单一频率振动的实验基础上提出影响车辆平稳性的两个重要因素。其中一个重要因素是位移对时间的三次导数,亦即（加速度变化率）。若上式两边均乘以车体质 量,并将之积改写为，则。由此可见,在一定意义上代表力F的变化率的增减变化引起冲动的感觉。 如果车体的简谐振动为,则，其幅值为： 影响平稳性指数的另一个因素是振动时的动能大小,车体振动时的最大动能为： 所以： sperling在确定平稳性指数时,把反映冲动的和反映振动动能的乘积作为衡量标准来评定车辆运行平稳性。 车辆运行平稳性指数的经验公式为： 式中——振幅（cm）； f——振动频率（Hz）； a——加速度,其值为：； ——与振动频率有关的加权系数。 对于垂向振动和横向振动是不同的，具体情况见错误!未找到引用源。。 表1振动频率与加权系数关系 对于垂向振动的加权系数对于横向振动的加权系 f的取值范围（Hz）公式f的取值范围（Hz）公式 0.5~5.9 0.5~5.5
5.9~20 5.4~2.6 大于20 1 大于26 1 以上的平稳性指数只适用一种频率一个振幅的单一振动,但实际上车辆在线路上运行时的振动是随机的,即振动频率和振幅都是随时间变化的。因此在整理车辆平稳性指数时,通常把实测的车辆振动加速度按频率分解,进行频谱分析,求出每段频率范围的振幅值,然后对每一频段计算各自的平稳性指数,然后再求出全部频率段总的平稳性指数： Sperling平稳性指标等级一般分为5级，sperling乘坐舒适度指标一般分为4级。但在两级之间可按要求进一步细化。根据W值来评定平稳性等级表见错误!未找到引用源。 表2车辆运行平稳性及舒适度指标与等级 W值运行品质W值乘坐舒适度（对振动的感觉） 1 很好 1 刚能感觉 2 好 2 明显感觉 3 满意 2.5 更明显但无不快 4 可以运行 3 强烈，不正常，但还能忍受3.25 很不正常 4.5 运行不合格 3.5 极不正常，可厌，烦恼，不能长时忍 受 5 危险 4 极可厌，长时忍受有害 我国也主要用平稳性指标来评定车辆运行性能，但对等级做了简化，见错误!未找到引用源。。 表3车辆运行平稳性指标与等级 平稳性等级评定 平稳性指标 客车机车货车 1 优<2.5 <2.75 <3.5 2 良好 2.5~2.75 2.75~3.10 3.5~4.0 3 合格 2.75~3.0 3.10~3.45 4.0~4.25 对sperling评价方法的分析： 1.该评价方法仅按照某一个方向的平稳性指标等级来判断车辆的性能是不全面的,需要同时考虑垂向与横向振动对人体的生理及心理的相互影响,因为有时根据垂向振动确定的平稳性指标等级与根据横向振动确定的平稳性指标等级存在较大的差异。 2.该评价方法不够灵敏。由于人体对不同振动频率的反应不同,当对应某一频率范围的平稳性指标值很大值大于,在该窄带中的振动已超出了人体能够承受的限度,但在其它频带中值都很小,由于该方向总的平稳性指标是不同振动频率的平稳性指标求和,因而可能该方向总的砰值并不大,从而认为该车辆的平稳性能符合要求是不正确的。
车辆系统动力学试卷
1、系统动力学有哪三个研究内容？ （1）优化：已知输入和设计系统的特性，使得它的输出满足一定的要求，可称为系统的设计，即所谓优化。就是把一定的输入通过选择系统的特性成为最优化的输出。 （2）系统识别：已知输入和输出来研究系统的特性。 （3）环境预测。已知系统的特性和输出来研究输入则称为环境预测。 例如对一振动已知的汽车，测定它在某一路面上行驶时所得的振动响应值（如车身上的振动加速度），则可以判断路面对汽车的输入特性，从而了解到路面的不平特性。 车辆系统动力学研究的内容是什么？ （1）路面特性分析、环境分析及环境与路面对车辆的作用；（2）车辆系统及其部件的运动学和动力学；车辆内各子系统的相互作用； （3）车辆系统最佳控制和最佳使用； （4）车辆-人系统的相互匹配和模型研究、驾驶员模型、人机工程等。 2、车辆建模的目的是什么？ （1）描述车辆的动力学特性； （2）预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案； （3）解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。 车辆系统动力学涉及哪些理论基础？ （1）汽车构造 （2）汽车理论
（3）汽车动力学 （4）信号与系统 在“时间域”及“频率域”下研究时间函数x(t)及离散序列 x(n)及系统特性的各种描述方式，并研究激励信号通过系统 时所获得的响应。 （5）自动控制理论 （6）系统辨识 （7）随机振动分析 研究随机振动中物理量的描述方法(相关函数、功率谱密度)， 讨论受随机激励的振动系统的激励、系统特性、响应三者统 计规律性之间的关系。 （8）多体系统动力学 建立车辆系统动态模型的方法主要有哪几种？ 数学模型 （1）各种数学方程式：微分方程式，差分方程，状态方程，传递函数等。 （2）用数字和逻辑符号建立符号模型—方框图。 3、路面不平度功率谱密度的表达式有几种？各有何特点？试举出2 种以上路面随机激励方法，并说明其特点。（10分） 路面功率谱密度的表达形式分为幂函数和有理函数两种 （1）路面不平度的幂函数功率谱密度 ISO/DIS8608和国家标准GB7031-1987《车辆振动输入路
车辆系统动力学试题及答案
西南交通大学研究生2009－2010学年第( 2 )学期考试试卷 课程代码 M01206 课程名称 车辆系统动力学 考试时间 120 分钟 阅卷教师签字： 答题时注意：各题注明题号，写在答题纸上（包括填空题） 一． 填空题（每空2分，共40分） 1．Sperling 以 频率与幅值的函数 ，而ISO 以 频率与加速度的函数 评定车辆的平稳性指标。 2．在轮轨间_蠕滑力的_作用下,车辆运行到某一临界速度时会产生失稳的_自激振动_即蛇行运动。 3．车辆运行时，在转向架个别车轮严重减重情况下可能导致车辆 脱轨 ，而车辆一侧全部车轮严重 减重情况下可能导致车辆 倾覆 。 4．在车体的六个自由度中，横向运动是指车体的横移、 侧滚 和 摇头 。 5．在卡尔克线性蠕滑理论中，横向蠕滑力与 横向 蠕滑率和 自旋 蠕滑率呈相关。 6．设具有锥形踏面的轮对的轮重为W ，近似计算轮对重力刚度还需要轮对的 接触角λ 和 名义滚动圆距离之半b 两个参数。 7．转向架轮对与构架之间的 横向定位刚度 和 纵向定位刚度 两个参数对车辆蛇行运动稳定性影 响较大。 8． 纯滚线距圆曲线中心线的距离与车轮 的_曲率_成反比、与曲线的_曲率_成正比。 9．径向转向架克服了一般转向架 抗蛇行运动 和 曲线通过 对转向架参数要求的矛盾。 10．如果两辆同型车以某一相对速度冲击时其最大纵向力为F ，则一辆该型车以相同速度与装有相同缓冲器 的止冲墩冲击时的最大纵向力为_21/2F _，与不装缓冲器的止冲墩冲击时的最大纵向力为_2F_。 院 系 学 号 姓 名 密封装订线 密封装订线 密封装订线
共2页 第1页 5．什么是稳定的极限环？ 极限环附近的内部和外部都收敛于该极限环，则称该极限环为稳定的极限环。 6．轨道不平顺有几种？各自对车辆的哪些振动起主要作用？ 方向、轨距、高低（垂向）、水平不平顺。方向不平顺引起车辆的侧滚和左右摇摆。轨距不平顺对轮轨磨耗、车辆运行稳定性和安全性有一定影响。高低不平顺引起车辆的垂向振动。水平不平顺则引起车辆的横向滚摆耦合振动。 三．问答题 （每题15分，共30分） 1．已知：轮轨接触点处车轮滚动圆半径r ，踏面曲率半径R w ，轨面曲率半径R t ， 法向载荷N ，轮轨材料的弹性模量E 和泊松比o 。试写出Hertz 理论求解接触椭圆 长短半径a 、b 的步骤。P43-P44 根据车轮滚动圆半径、踏面在接触点处的曲率半径、钢轨在接触点处的曲率半径得到A+B 、B-A ，算得cos β，查表得到系数m 、n ，然后分别根据钢轨和车轮的弹性模量E 和泊松比σ，求得接触常数k ，得出轮轨法向力N ，然后带人公式求得a 、b 。 2． 在车辆曲线通过研究中，有方程式 ()W f r y f w O W μψλ212 1 2 222 * 11=??? ?????+???? ?? 二．简答题 （每题5分，共30分） 1．与传统机械动力学相比，轨道车辆动力学有何特点？ 2．轮轨接触几何关系的计算有哪两种方法，各有何优缺点？ 解析和数值方法。数值方法可以用计算机，算法简单，效率高，但存在一定误差；解析方法是利用轮轨接触几何关系建立解析几何的方式求解，比较准确，但是计算繁琐，方法难于理解。 3．在车辆系统中，“非线性”主要指哪几种关系？ 轮轨接触几何非线性、轮轨蠕滑关系非线性、车辆悬挂系统非线性 4．怎样根据特征方程的特征根以判定车辆蛇行运动稳定性？。 根据求出的特征根实部的正负判断车辆蛇行运动的稳定性，当所有的特征根实部均为负时，车辆系统蛇行运动稳定，存在特征根为零或者负时，车辆系统的蛇行运动不稳定。
车辆系统动力学试卷
1、系统动力学有哪三个研究容？ （1）优化：已知输入和设计系统的特性，使得它的输出满足一定的要求，可称为系统的设计，即所谓优化。就是把一定的输入通过选择系统的特性成为最优化的输出。 （2）系统识别：已知输入和输出来研究系统的特性。 （3）环境预测。已知系统的特性和输出来研究输入则称为环境预测。 例如对一振动已知的汽车，测定它在某一路面上行驶时所得的振动响应值（如车身上的振动加速度），则可以判断路面对汽车的输入特性，从而了解到路面的不平特性。 车辆系统动力学研究的容是什么？ （1）路面特性分析、环境分析及环境与路面对车辆的作用； （2）车辆系统及其部件的运动学和动力学；车辆各子系统的相互作用； （3）车辆系统最佳控制和最佳使用； （4）车辆-人系统的相互匹配和模型研究、驾驶员模型、人机工程等。 2、车辆建模的目的是什么？ （1）描述车辆的动力学特性； （2）预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案； （3）解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。 车辆系统动力学涉及哪些理论基础？ （1）汽车构造 （2）汽车理论
（3）汽车动力学 （4）信号与系统 在“时间域”及“频率域”下研究时间函数x(t)及离散序列 x(n)及系统特性的各种描述方式，并研究激励信号通过系统 时所获得的响应。 （5）自动控制理论 （6）系统辨识 （7）随机振动分析 研究随机振动中物理量的描述方法(相关函数、功率谱密度)， 讨论受随机激励的振动系统的激励、系统特性、响应三者统 计规律性之间的关系。 （8）多体系统动力学 建立车辆系统动态模型的方法主要有哪几种？ 数学模型 （1）各种数学方程式：微分方程式，差分方程，状态方程，传递函数等。 （2）用数字和逻辑符号建立符号模型—方框图。 3、路面不平度功率谱密度的表达式有几种？各有何特点？试举出2 种以上路面随机激励方法，并说明其特点。（10分） 路面功率谱密度的表达形式分为幂函数和有理函数两种 （1）路面不平度的幂函数功率谱密度 ISO/DIS8608和国家标准GB7031-1987《车辆振动输入路面平
湖南大学 汽车系统动力学 试卷
诚信应考,考试作弊将带来严重后果！ 湖南大学课程考试试卷
7、对于一个线性系统，输入为正弦波时，输出（）保持不变 A 幅值 B 相位 C 频率 D 方向 8、对悬架动行程而言，在静平衡条件下，车轮与车身相对位移保持在正负2倍动行程以内的概率为（）。 A 68.3% B 95.4% C 99.7% D 52.6% 9、两自由度基本操纵模型的最大问题是忽略了（）的影响。 A 空气动力 B 转向系统 C 路面 D 簧载质量的侧倾运动 10、（）是电动助力转向系统的基本控制方法。 A 回正控制 B 模糊控制 C 自适应控制 D 最优控制 二、判断题（总共10题，每题2分，共计20分） 1、车辆动力学分析中平衡条件是指稳定状态下车辆的基准条件。（） 2、拉格朗日运动学普遍方程建立的基本依据是虚功率原理。（） 3、离散化方法是车辆建模中对柔体处理常用方法。（） 4、防滑系统工作时对每个车轮进行控制。（） 5、半主动悬架中的阻尼系数只在几个离散值之间进行切换。（） 6、就车辆乘坐舒适性来说，通常是以噪声、振动来描述。（） 7、车辆运动过程中，轮胎主要受到纵向、侧向以及垂向三个方向的力。（） 8、一般情况下，质心后移，稳定裕度减少，车辆将趋于过多转向。（） 9、多刚体动力学分析方法将车辆各系统看作是由铰链和内力连接起来的刚体集合，在外力作用下产生运动。（）
10、建立基本操纵模型的运动方程时，必须考虑车辆的加速度坐标系。 （ ） 三、填空题（总共10题，每题2分，共计20分） 1、汽车操纵动力学包含相互关联的两方面内容即操纵性和（ ）。 2、采用（ ）闭环系统是未来汽车系统动力学研究的趋势。 3、关于人体对振动的反应，首先可将振动输入按振动的幅值和频率、作用的（ ）、作用的时间进行分类。 4、分析汽车的操纵稳定性有两种基本方法：（ ）和（ ）。 5、轮胎设计有四大要素，即（ ）、轮廓（整体形状）、结构和材料。 6、车辆转向时，为获得左右不等的转向角，转向杆系构成的几何形状通常设计成不等边四边形，称为（ ）。 7、作用于车辆的外力和外力矩有两种，即（ ）和空气动力。 8、轮胎载荷的变化会引起地面接触印迹面积的变化，并导致（ ）和制动力的减少。 9、悬架与转向杆系运动关系不协调会引起（ ）的摆振。 10、轮胎经验模型是基于（ ）的递归分析上来表现出轮胎和路面间的力学特性的轮胎模型。 四、问答题（总共2题，每题20分，共计40分） 1、简述不足转向参数与车辆稳态转向特性的关系。若车辆系统特征方程为 022=++λλ，计算该系统的无阻尼固有频率、阻尼固有频率、阻尼比，并判断该系统是否稳定？（可画图说明）