在航空航天、旋转机械、车辆工程、军工器械、机器人以及微机电系统(MEMS)领域中,这类工程中系统的各个柔性部件存在大范围的刚体运动,同时其自身发生弹性变形,这就涉及结构部件的刚体运动与弹性变形相互耦合的问题。运动与变形耦合动力学系统涉及到刚体动力学与变形体力学之间的统一,柔性体在作大范围运动时呈现出的动力过程非常复杂。随着刚柔耦合系统规模越来越庞大,结构越来越复杂,及其运行速度要求不断加快,对系统在不同的约束、不同的受力与控制环节等工况下的运行过程的精确掌握,这些都成为工程预研与设计的重大难题。目前对刚柔耦合系统动力学的研究主要集中在力学建模、计算求解、柔性多体系统的接触与碰撞问题和多物理场下的运动与变形耦合效应等方面,然而对刚柔耦合系统的动力学建模尤为关键,要求所建模型既能反映系统的耦合效应,同时能够在无刚体运动时退化为经典弹性力学,而在不考虑弹性体变形时能够退化成刚体动力学。对于刚柔耦合系统动力学中存在动力刚化效应的机理,目前存在较大争议,其中涉及到几何非线性、运动非线性以及材料非线性等大变形理论,这些问题的探讨仍是研究的重点。随着含偶应力线弹性理论的不断完善,将物质点的旋转变形考虑于弹性体的变形,并计及其产生的偶应力对弹性体的影响,以含偶应力线弹性理论为基础,研究弹性体的刚柔耦合动力学过程,对于这方面的研究受到越来越多的关注,为微观尺寸下柔性体的动力学研究带来较大突破。首先,本文对质量弹簧离心振动系统的刚柔耦合动力学建模、数值求解及其动力学响应分析等作了重点阐述,解析了耦合系统的动力学本质、惯性效应及其动力学特性,并研制出离心振动复合实验装置来验证该理论模型;其次,考虑弹性体的平动变形和旋转变形,将偶应力理论应用于刚柔耦合动力学模型中,建立了广义弹性体作定轴刚体转动的刚柔耦合动力学模型,并开发了相应的有限元计算程序;最后,基于广义弹性体的刚柔耦合动力学模型,对旋转悬臂梁、中心刚体-柔性梁系统、风轮叶片以及超大吨位起重机臂架系统的动力学过程作了深入研究。论文的主要工作和结论如下:(1)针对单质点双自由度的质量弹簧离心振动系统的刚柔耦合动力学过程进行重点研究,建立了已知刚体转动情况时质量弹簧系统的动力学方程,对其进行计算求解,并对其解析解进行详细、系统地研究和分析,尤其针对其动力学特性和动力学响应作了专门研究,为探究刚柔耦合系统动力学耦合的本质,对各种惯性力随时间的变化过程进行了相关研究。为验证刚柔耦合系统中质点出现花瓣形状的运动轨迹,设计并研制出离心振动复合实验装置,通过对比分析得到刚柔耦合系统模型的合理性。(2)以Mindlin线弹性偶应力理论为基础,创建了含三个材料参数的广义弹性理论,并结合质量弹簧系统的动力学建模方法,通过哈密尔顿原理推导出作定轴刚体转动的广义弹性体的刚柔耦合动力学模型,该模型计及了相对惯性力、离心力、科氏力和切向惯性力。考虑以弹性体的位移和变形转角为独立变量,利用约束变分原理建立了广义弹性体作定轴刚体转动的有限元控制方程,其中单元离散采用8个节点48个自由度的三维六面体实体等参元或4个节点24个自由度的三维四面体单元。对广义弹性体的有限元分析可以考虑各种惯性力因素对其内力分布造成的影响,也能够给出其动力特性的变化规律,还可以考虑结构的尺寸效应。(3)数值分析旋转悬臂梁的动力学特性和动力学响应,得到旋转悬臂梁在不同恒定转速下动频的变化规律,对比分析不同旋转姿态、不同恒定转速等工况时悬臂梁的等效应力、等效偶应力及其位移等动力学响应。特别指出了花瓣形状的质点运动轨迹和旋转系统最大转速概念等新的结论。进一步对旋转微梁进行动力学特性和动力学响应分析,突出旋转变形对整个计算结果的影响,体现出广义弹性理论的刚柔耦合动力学模型对微观结构部件进行动力分析时的合理性和精确性。(4)计算选取中心刚体-柔性梁的刚柔耦合系统,对系统最大转速问题展开深入研究,从而为结构的控制提供新的途径。考虑刚柔耦合系统中柔性梁受到不同外力载荷作用时,柔性梁在整个旋转过程中的动力学响应,更加准确和合理地模拟出柔性梁的动力学过程,精确解析了系统结构部件在离心场中的刚柔耦合机理,为更好地数值仿真工程实际结构的运转过程及控制旋转系统结构部件的位移值和应力值提供理论依据和技术指导。(5)建立风轮叶片的力学模型,采用广义弹性体作定轴刚体转动的刚柔耦合动力学模型,数值模拟了风轮叶片从启动加速阶段至额定转速工作阶段的动力学过程。计算还考虑了不同载荷作用时风轮叶片的动力学响应存在的差异,为更精确和合理地仿真风轮叶片的动力学过程提供重要的参考价值。(6)用经典弹性理论以及传统梁,杆单元去仿真求解刚体-柔性多体系统的动力学过程,以超大吨位轮式起重机臂架作大范围回转运动的刚柔耦合动力学过程作为依托,建立其柔性多体动力学模型,并编写相关程序对其进行计算求解,仿真了轮式起重机通过钢丝绳提起吊物,然后回转吊臂使得吊物在空中摆动的整个过程,计算得出吊物的偏摆角和吊臂不同位置的等效应力值随时间的变化曲线,并将仿真结果与试验测量结果进行对比分析,进一步验证了本文模型在建模思想和方法上的合理性。