当前位置:首页 >> 理化生 >>

机械振动


MECHANICAL VIBRATION

学时

力学本科生:60学时 全校选修课:30学时 工程硕士生:40?60学时

基础
? 高等数学、工程数学
? 矩阵代数、复变函数、微分方程 ? 理论力学、材料力学

参考书
? ? ? ? ? ? ? ? ? 教材:

《振动分析》张准 汪凤泉 东南大学出版社 1991 《机械振动》张义民 清华大学出版社 2007 参考书目: 《振动力学》倪振华 西安交通大学出版社 1989 《线性振动》P.C 米勒 W.O 希伦 (德) 天津大学出版社 1989

主要内容
? ? ? ? ? ? ? ? ? 绪论 单自由度系统的自由振动 单自由度系统的强迫振动 两自由度系统的振动 多自由度系统的振动 连续系统的振动 振动仿真 非线性振动 随机振动

第一章 绪论

振动是在日常生活和工程实际中普 遍存在的一种现象,也是整个力学中最 重要的研究领域之一。

振动力学发展简史
? 古代: ? 希腊的毕达哥拉斯与中国战国时代的《庄子》观 测和记载振动现象 ? ~17世纪: ? 奠定了振动力学发展的物理基础 ? 代表人物:伽利略、惠更斯、梅森、胡克、牛顿 等 ? ~18世纪: ? 线性振动理论的发展与成熟 ? 代表人物:欧拉、拉格朗日、达朗贝尔、伯努利、 傅立叶、开拉尼等

振动力学发展简史
? 19世纪: ? 振动力学工程应用技术的发展 ? 代表人物:瑞利、里兹、伽辽金、邓克利、斯托多拉、法穆 等 ? ~20世纪: ? 非线性振动理论的发展 ? 代表人物:庞加莱、开尔文、泰勒、切塔耶夫、李雅普罗夫、 泊松、克鲁洛夫、博格留波夫、米特洛波尔斯基、范德波尔、 邓哈托、贝克等 ? 近20年: ? 非线性振动理论的完善和工程应用的发展 ? 普适性、唯一性、规律性、对称性、奇异性

1.1

机械振动

机械振动,是指物体(系)在平衡位臵 (或平均位臵)附近来回往复的运动。 限制有害的振动

利用有益的振动

振动的危害
人们对与振动相关问题的研究起源于公元前6世纪 毕达哥拉斯(Pythagoras)的弦线振动发出声音的工作。在 工程实际和日常生活中,人们常常为振动和噪声带来的 危害大伤脑筋。例如,运载工具的振动会使乘客感到不 舒适;环境噪声使人烦燥不安;共振及次谐波共振会引 起机械设备、桥梁及飞机等的破坏;地震使人民生命财 产遭受巨大损失等等。振动对人体健康的影响包括生理 上的和心理上的,其影响范围涉及到人的心脏和血液循 环系统、呼吸系统、消化系统、神经系统以及听觉、视 觉、人体平衡等诸多方面。随着现代工业的迅速发展, 振动对生活环境和生产环境的影响引起了人们的普通重 视,国外已把振动与噪声列为七大公害之一,并着手研 究振动污染的规律、产生的原因、传播的途径与控制的 方法等等。

●引起噪声污染; ●影响精密仪器设备的功能,降低机械加 工的精度和光洁度;

●加剧构件的疲劳和磨损,缩短机器和结 构物的使用寿命; ●消耗机械系统的能量,降低机器效率; ●使结构系统发生大变形而破坏,甚至造 成灾难性的事故,有些桥梁等建筑物就是 由于振动而塌毁;
●机翼的颤振、机轮的摆振和航空发动机 的异常振动,曾多次造成飞行事故; ●恶化飞机和车船的乘载条件,等等。

地震,群灾之 首。强烈的破坏性 地震瞬间将房屋、 桥梁、水坝等建筑 物摧毁,直接给人 类造成巨大的灾难, 还会诱发水灾、火 灾、海啸、有毒物 质及放射性物质泄 漏等次生灾害。

地震的破坏

唐山大地震

台湾大地震

土耳其大地震

印度洋强震引发海啸席卷南亚东南亚

振动引起的转子系统破坏

红色为防锈漆, 白色为孔内装有 消声纤维玻璃

风机用消声器

大型风机用消声器进风口结构

车间顶上的吸声屏障

电话亭内装超细 吸声棉的吸声平板

会议室用的隔声吸声屏风

汽车排气管用消声器

法国VOLVO客车内的吸声毛绒

一种吸声型的声屏障结构

利用声屏障将声源 和保护目标隔开

高架桥上的吸声 与隔振组合屏障

高架桥上的吸声屏障

日本 吸声 型声 屏障 美国高速公路用混凝 土板墙做声屏障,声 衰减7~10dB 中国第一座公 路声屏障,降 噪量为10.5dB

振动的利用

“振动利用工程学” 是20世纪后半期逐渐形成和发 展起来的一门新学科,振动利用工程的发展使世人瞩目。 就振动机械来说,目前已成功应用于工矿企业中的振动 机器已发展到数百种之多,在许多部门,如采矿、冶金、 煤炭、石油化工、机械、电力、水利、土木、建筑、建 材、铁路、公路交通、轻工、食品和谷物加工、农田耕 作以及在人类日常生活过程中,数以万计的振动机器和 振动仪器已成功用来完成许多不同的工艺过程,如给料、 上料、输送、筛分、布料、烘干、冷却、脱水、选分、 破碎、粉磨、光饰、落砂、成形、整形、振捣、夯土、 压路、摊铺、钻挖、装载、振仓、犁土、沉桩、拔桩、 清理、捆绑、采油、时效、切削、检桩、检测、勘探、 测试、诊断等等。

◆钟表 ◆振动传输 ◆振动打桩 ◆振动破碎 ◆振动烘干 ◆振动采油 ◆振动时效

◆音乐 ◆振动造型 ◆振动筛选 ◆振动研磨

◆振动抛光
◆海浪发电

超声电机(ultrasonic motor ,USM)技术是振动 学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控 制、新材料和新工艺等学科的交叉结合的新技术。超 声电机不像传统的电机那样,利用电磁力来获得其运 动和力矩。超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和 超声振动来获得其运动和力矩的。在这种新型电机中, 压电陶瓷材料盘代替了许许多多的铜线圈。

海浪发电的基本原理是气室将海浪的波能转换成 空气往复运动,利用这一气流带动发电机发电。

超声诊断仪产生超声,并发射到人体内,在 组织中传播,遇到正常与有疾病的组织时,便会 产生反射与散射,仪器接到这种信号后,加以处 理,显示为波形、曲线或图像等,就可以供医生 做判断组织或器官健康与否的依据。

利用振动监测机器设备的运行

故障诊断或健康检测原理示意图

在实际工程和日常生活中,振动问题随处可见

工程系统如机械、车辆、船舶、飞机、航天器、建 筑、桥梁等都经常处在各种激励的作用下,因而会不可 避免地产生各种各样的振动,可见振动力学在工程实际 中有着广泛的应用。例如在机械、电机工程中,振动部 件和整机的强度和刚度、大型机械的故障诊断、精密仪 器设备的防噪和减振等问题;在交通运输、航空航天工 程中,车辆舒适性、操纵性和稳定性等问题,海浪作用 下船舶的模态分析和强度分析,飞行器的结构振动和声 疲劳分析等问题;在电子电信、轻工工程中,通信器材 的频率特性、音响器件的振动分析等问题;在土建、地 质工程中,建筑、桥梁等结构物的模态分析,地震引起 结构物的动态响应,矿床探查、爆破技术的研究等问题; 在医学、生物工程中,脑电波、心电波、脉搏波动等信 号的分析处理等问题。

自然界中的振动现象

●人们可以根据逐年的气象情况统计出气候周期性的振动规律, 根据这一规律可预估气候趋势,对生产与生活、抗洪和抗旱、 防灾及减灾等有着重要的意义。 ●潮汐是一种周期性振动。虽然引起潮汐的原因很复杂,目前 公认的是月球引潮观点,构成“引潮力”的两个因素为:(1)月 球的引力;(2)地球绕地月公共质心转动而产生的离心力。除月 球外太阳的“引潮力”是比较突出的,日月引潮力影响天气气 候,特别当日、月、地同处一条直线上时,引潮力的共振减压 效应最为显著,几乎所有的突发性特大自然灾害,都是在内部 条件基本具备情况下遇到此种触发因素而发生的。潮汐的研究 对航海与船舶进出港、渔业、潮汐发电等十分有用。 ●树木年轮中的一疏一密是由气候的周期变化而引起的,从广 义角度来看,也是一种振动现象,这一振动特征,多应用于考 古学、地质学和水文学的研究之中,同时年轮学在环境污染、 森林更新、冰川进退、考古断年、灾害、地震、雪崩、医疗、 地方病、农牧业产量预测等都有着广阔的发展前景。

车 辆 减 振 系 统

舰船的振动

航空和航天

在坦克炮塔内,陀螺仪、加 速度计及角度传感器不断地测定 各种运动载荷,车载计算机根据 这些信息计算并发出抵消这些运 动的控制指令,通过伺服系统使 炮塔相对于底盘水平转动、火炮 相对于炮塔高低俯仰,从而使坦 克即使在不断颠簸的运动中也能 将火炮准确地对准目标。

车载火炮稳定系统

飞机的振动模拟

硬盘振动

压气机的振动通过地面会影响到周围的仪器设备

缆车上装有减振器

各种形状的叠层减振器

在诺曼底桥采用了斜拉索上垂直方向布 臵辅助加固索(二次索)以防止斜拉索振动和 非线性变形增大。

运动器材:看似简单的滑雪板蕴涵了很多材料学 和人体工程学的科技成果。滑雪板由多层结构组成, 包括弹性板材、抗扭力的盒形结构、板芯、玻璃纤维 合材料、高分子材料底板、边刃等。

采用振动沉管混凝土灌注桩 的徐州黄河东岸美化工程

1.2

振动系统模型

振动系统模型按系统的不同性质可分为

离散系统与连续系统 常参数系统与变参数系统

线性系统与非线性系统
确定系统与随机系统

1.离散系统与连续系统 离散系统是由集中参数元件组成的,基 本的集中参数元件有三种: 质量m、弹簧k 、阻尼c。 (1)质量(包括转动惯量)模型只具有惯性。 (2)弹簧模型只具有弹性,其本身质量可以 略去不计。 (3)阻尼模型既不具有弹性,也不具有惯性。 它是耗能元件,在有相对运动时产生阻力。 连续系统是由弹性体元件组成的,弹性 体的惯性、弹性与阻尼是连续分布的,故亦 称为分布参数系统。 杆、梁、轴、板、壳等

2. 常参数系统与变参数系统

如果一个振动系统的各个特性参数 (质量、刚度、阻尼系数等)都不随时间 而变化,即它们不是时间的显函数,这个 系统就称为常参数系统(或不变系统)。 否则,称为变参数系统(或参变系统)。

3.线性系统与非线性系统

如果一个振动系统的质量不随运动参数 而变化,而且系统的弹性力和阻尼力都可以 简化为线性模型,则称为线性系统。

凡是不能简化为线性系统的振动系统都 称为非线性系统。

4.确定系统和随机系统

确定系统的系统特性可用时间的确定 性函数给出。

随机系统的系统特性不能用时间的确定 性函数给出,只具有统计规律性。

简单的振动模型

汽车车身的振动模型

有限元模型图示

振动筛筛框模态分析及动态响应

有限元模型图示

1.3

激励与响应

一个实际振动系统,在外界激励的作用 下,会呈现出一定的振动响应。这种激励就 是系统的输入,响应就是输出,二者通过振 动系统联系起来(如下图)。

一.系统激励可分为两大类

1.确定激励
可以用时间的确定函数来描述的激励属 于确定激励。 2.随机激励 随机激励不能用时间的确定函数来描述, 但它们具有一定的统计规律性,因而可以用 随机过程来描述。

二.系统响应同样可以分为两大类 1.确定响应

系统的响应是时间的确定函数。
(1)根据响应存在时间分为 瞬态响应和稳态响应。 瞬态振动的响应在较短的时间中会逐 渐消失。 稳态振动的响应可持续充分长时间。 (2) 根据响应是否有周期性还可分为 简谐响应,周期响应,非周期响应和混沌。

2.随机响应 系统的响应为时间的随机函数,只能用 概率统计的方法描述。 无论是确定系统,还是随机系统,在随 机激励的作用下,振动系统的响应一定为随 机响应。 如果是随机系统,即使在确定激励的作 用下,系统的响应亦是随机的。

1961年Lorenz和Edward从几乎相同的 出发点开始计算出的天气模式的差别愈来 愈大,终至毫无相似之处。真是“失之毫 厘,谬以千里。”

两组天气模式是怎样分道扬镳的。两条曲 线表示的初始条件仅相差0.0001。起初它们 看来要重合,但不久混沌动力学特性导致 独立的、十分歧异的轨线。

混沌中的有序窗口

Lorenz吸引子

海岸线的分形结构:放大时出现的新的湾 和岬,并且仍然与实际的海岸线很相似。

树的分形赝品。用分形技术在计算机上产 生的逼真、别致的树。

1.4

振动的分类

振动现象按系统相应的性质可分为两大类: 确定振动与随机振动。 1.对于一个确定系统,在受到确定激励时, 响应也是确定的。这类振动称为确定振动。 2.对于确定系统,在受到随机激励时,系 统的响应是随机的。这类振动称为随机振动。

随机振动只能用概率统计的方法来描述。
对于随机结构系统来说,无论是受到确定激 励,还是随机激励,其响应均为随机的,这类振 动称为随机结构(系统)振动。

此外,还可以按激励的控制方式分类如下所 述。 1.自由振动:系统受初始激励后不再受外界 激励的振动。 2.强迫振动:系统在外界控制的激励作用下

的振动。
3.自激振动:系统在自身控制的激励作用下 的振动。

4. 参激振动: 系统自身参数变化激发的振动。

1.5

振动问题及其解决方法

1. 振动问题 不论是确定的还是随机的振动问题,一般 说来,无非是在激励、响应和系统特性三者之 中已知两者求第三者。 (1)振动分析: 在激励条件与系统特性已知的情形下,求 系统的响应,就是所谓振动分析。





?

(2)系统识别: 在激励与响应已知的情形下,来确定系统 的特性,就是所谓振动特性测定或系统识别。


(3)振动设计:

?



在一定的激励条件下,如何来设计系 统的特性,使得系统的响应满足指定的条 件,这就是所谓振动综合或振动设计。

(4)振动环境预测: 在系统特性和响应已知的情形下,求 激励,即判别系统的环境特性,就是所谓 振动环境预测。

?





实际的振动问题往往是错综复杂的, 它可能同时包含识别、分析和设计等几个 方面的问题。

2.解决振动问题的方法

理论分析—主要体现在“计算”

实验研究—有虚拟“试验”

计算技术在振动力学中的应用

工程实际振动问题的计算结构动力学

计算技术在汽车振动分析中的应用

用计算机模拟整车的动力学特性

计算工程软件在振动分析中的应用

发动机的有限元分析的动态演示

计算技术在飞机振动分析中的应用

飞机机翼的振动演示

计算结构动力学在振动分析中的应用

工程实际振动问题的动态演示

计算工程软件在振动分析中的应用

桥梁振动的动态演示

计算工程软件在振动分析中的应用
有 限 元 图 第 二 阶 振 型 图 第 一 阶 振 型 图 风 振 响 应 图

北京植物园展览温室风振响应

计算工程软件在振动分析中的应用

涡轮机频率分析的动态演示

振动(冲击)在汽车碰撞中的应用

汽车侧面碰撞变形的动态演示

振动(冲击)在汽车碰撞中的应用

汽车正面碰撞的演示

振动(冲击)在汽车碰撞中的应用

车身第9阶自振频率

车身第12阶自振频率 车身第10阶自振频率

汽车正面碰撞的振型演示

振动(冲击)在汽车碰撞中的应用
碰 撞 场 景 碰 撞 结 果

碰撞前

碰撞中

碰撞后

汽车碰撞实景以及前后分析图解

振动力学在现代科技的应用

纳米管(A)、振动振型:1阶(B)、2阶(C)与悬臂梁振型相同 纳米管截面尺度约1纳米(nm)=10-3微米(?m)=10-6毫米(mm)
1999年Science 杂志

振动力学在现代科技的应用

纳米管的端部为一个基 因,相当于单自由度系统, 可通过测量系统的频率计算出基因的质量。
1999年Science 杂志

振动力学在现代科技的应用

纳米管振动 的幅频特性与单自由度系统特性 完全相同,且共振频率很高,达 2.4 MHz, 因此以纳米管作为振动传感器可以获得很宽 频带的传感器。 1999年Science 杂志

试验振动分析

测试系统应包括:试验结构、激励系统、测 量系统、分析系统。

线性条件下,被测试结构的振动特性是结构 固有的,可以用不同的数学模型描述,但这些模 型均是对结构特征值的近似表示,关键在于解决 实验模型和结构实际特性之间的近似程度问题。

振动测试方法

●机械法:杠杆(相对式接触式)或惯性原 理(绝对式接触式)接收并记录振动的方法。 ●光测法:将机械振动转换为光信息进行测 量的方法。 ●电测法:机电变换原理。

电磁式振动试验台

可进行试验的项目:冲击、正弦、正 弦+随机、随机、随机+随机、实测信号模 拟、冲击响应谱、瞬态捕捉。

*用振机进行拱坝 原体振动试验
三向六自由度(两个水平 向及竖向的平动,绕三个 主轴的转动共三向六个自 由度)地震模拟振动台

高塔的风洞实验和振动台架实验

高层建造结构振动台模型试验

采用激振器对整车 进行激励,激振器端部 安装力传感器,通过安 装在车架和车身上的传 感器测量车辆的动力响 应。

整车模拟振动试验台

军用飞机发动机齿轮在飞行过程中出 现断裂。经过模态分析发现齿轮某一阶工 作频率与发动机工作频率非常接近。安装 在振动台上以此频率进行激励,一小时以 后齿轮出现与实际工作破坏相同的裂纹, 表明是共振引起破坏。

喷气飞机全机振动试验

空调风机的振 动模态实验测 试实例图示

某钢厂减速机 振动测点布臵图

机械系统中,回 转体不平衡引起的振 动,往往也是一种周 期性运动。例如,下 图是某钢厂减速机上 测得的振动信号波形 (测点3),可以近似的 看作为周期信号。

1.6

自由度

确定一个振动系统空间位臵所需的独立 坐标的个数,称为振动系统的自由度。 如下图,只需要用一个独立坐标就可以 完全确定振动系统的位臵,所以称它们为单 自由度系统。

下图给出了两自由度的几个例子: (a)假定其中的质量A、B只能沿直线平动; (b)圆盘C、D只能绕固定轴转动; (c)刚杆EF限于在一个铅垂平面内运动,且 其重心限于沿铅垂线运动。

1.7

单位

国际单位制(SI)包括: (1)七个明确定义的基本单位; (2)派生单位; (3)补充单位。
SI制基本单位举例
量 名称 米 千克 符号 m kg 说 明

长度 (length) 质量 (mass) 时间 (time)

是用氪(krypton)-86灯的波长来定义的:即“一米 长度等于氪-86原子在能级2p10 和5d5 间转变时的真 空辐射波长的1650763.73倍。” 其标准原器是一铂铱(platinum-iridium)圆柱体。藏 于法国Sé vres地方的地下室内。
是由原子共振频率来定义的:“一秒等于铯 (cesium)-133原子在基态的两个超精细能级间转变 时辐射波的9192631770个周期的时间。”



s


相关文章:
机械振动
机械振动_高三数学_数学_高中教育_教育专区。第九章 机械振动 一、简谐运动【教学目标】 基础目标 1、回复力、平衡位置、机械振动 2、知道什么是简谐运动及物体做...
机械振动的概念
机械振动的概念_机械/仪表_工程科技_专业资料。机械振动的概念第一章 绪 论 1-1 机械振动的概念振动是一种特殊形式的运动, 它是指物体在其平衡位置附近所做的...
机械振动和简谐运动有什么联系与区别
1.机械振动 1)物体(或物体的一部分)在某一中心位置两侧所做的往复运动,就叫机械振动,常常 简称为振动。机械振动是一种机械运动,是区别于以前所学的各种运动的一...
机械振动(总复习)
机械振动基础目录 第一章 §1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 §1.6 第二章 §2.1 §2.2 §2.3 §2.4 §2.5 §2.6 §2.7 第三章 §3.1 §3.2...
机械振动的各种应用
机械振动的各种应用_机械/仪表_工程科技_专业资料。机械振动的利用机械振动,也简称为振动,物理学上是这样给它定义的:物体在平衡位置附 近做往复运动的运动。 在...
实际生活中的机械振动以及利用有益的振动
实际生活中的机械振动以及利用有益的振动_机械/仪表_工程科技_专业资料。实际生活中的机械振动以及利用有益的振动陈欣 20110238 (一)实际生活中的机械振动 振动是日...
机械振动学总结
机械振动学总结_理学_高等教育_教育专区。12 机械 2 班 徐云 20120310010215 机械振动学总结第一章一、简谐振动 物体作简谐振动时,位移 x 和时间 t 的关系可用...
机械振动学论文
机械振动学论文_工学_高等教育_教育专区。振动理论-综述报告摘要: 机械振动在我们的日常生活中扮演着非常重要的角色, 它可能对人们的生活带来烦恼, 也可能对生活带...
高中物理机械振动试题及答案
七彩教育网 http://www.7caiedu.cn 本资料来源于《七彩教育网》http://www.7caiedu.cn 第十一章 《机械振动》 单元测试(三) 1、关于简谐运动,以下说法正确...
更多相关标签:
机械振动学 | 机械振动基础 | 振动 | 振动测试设备 | 振动机械厂家 | 振动落砂机 | 机械波 | 机械振动和机械波 |