《機(jī)械振動(dòng)》PPT課件.ppt

1、主講：龔俊杰,碩 士 生：60學(xué)時(shí)（教材要求）,高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué),學(xué)時(shí),矩陣代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、微分方程,理論力學(xué)、材料力學(xué),我院碩士生：30學(xué)時(shí),基礎(chǔ),振動(dòng)是在日常生活和工程實(shí)際中普遍存在的一種現(xiàn)象，也是整個(gè)力學(xué)中最重要的研究領(lǐng)域之一。,第一章 緒論,機(jī)械振動(dòng)，是指物體(系)在平衡位置(或平均位置)附近來回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。,限制有害的振動(dòng),利用有益的振動(dòng),興利除弊,1.1 機(jī)械振動(dòng),研究目的：,振動(dòng)的危害,人們對與振動(dòng)相關(guān)問題的研究起源于公元前6世紀(jì)畢達(dá)哥拉斯(Pythagoras)的弦線振動(dòng)發(fā)出聲音的工作。在工程實(shí)際和日常生活中，人們常常為振動(dòng)和躁聲帶來的危害大傷腦筋。例如，運(yùn)載工具的振動(dòng)會使乘

2、客感到不舒適；環(huán)境噪聲使人煩燥不安；共振及次諧波共振會引起機(jī)械設(shè)備、橋梁及飛機(jī)等的破壞；地震使人民生命財(cái)產(chǎn)遭受巨大損失等等。振動(dòng)對人體健康的影響包括生理上的和心理上的，其影響范圍涉及到人的心臟和血液循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)以及聽覺、視覺、人體平衡等諸多方面。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，振動(dòng)對生活環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)境的影響引起了人們的普通重視，國外已把振動(dòng)與噪聲列為七大公害之一，并著手研究振動(dòng)污染的規(guī)律、產(chǎn)生的原因、傳播的途徑與控制的方法等等。,使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)生大變形而破壞，甚至造成災(zāi)難性的事故，有些橋梁等建筑物就是由于振動(dòng)而塌毀；,引起噪聲污染；,影響精密儀器設(shè)備的功能，降低機(jī)械加工的精度和

3、光潔度；,加劇構(gòu)件的疲勞和磨損，縮短機(jī)器和結(jié)構(gòu)物的使用壽命；,消耗機(jī)械系統(tǒng)的能量，降低機(jī)器效率；,機(jī)翼的顫振、機(jī)輪的擺振和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的異常振動(dòng)，曾多次造成飛行事故；,惡化飛機(jī)和車船的乘載條件，等等。,地震，群災(zāi)之首。強(qiáng)烈的破壞性地震瞬間將房屋、橋梁、水壩等建筑物摧毀，直接給人類造成巨大的災(zāi)難，還會誘發(fā)水災(zāi)、火災(zāi)、海嘯、有毒物質(zhì)及放射性物質(zhì)泄漏等次生災(zāi)害。,地震的破壞,唐山大地震,振動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)破壞,風(fēng)機(jī)用消聲器,大型風(fēng)機(jī)用消聲器進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu),紅色為防銹漆， 白色為孔內(nèi)裝有 消聲纖維玻璃,電話亭內(nèi)裝超細(xì) 吸聲棉的吸聲平板,會議室用的隔聲吸聲屏風(fēng),車間頂上的吸聲屏障,汽車排氣管用消聲器,法國VO

4、LVO客車內(nèi)的吸聲毛絨,一種吸聲型的聲屏障結(jié)構(gòu),利用聲屏障將聲源 和保護(hù)目標(biāo)隔開,高架橋上的吸聲屏障,高架橋上的吸聲 與隔振組合屏障,美國高速公路用混凝土板墻做聲屏障，聲衰減710dB,日本 吸聲 型聲 屏障,中國第一座公路聲屏障，降噪量為10.5dB,振動(dòng)的利用,“振動(dòng)利用工程學(xué)” 是20世紀(jì)后半期逐漸形成和發(fā)展起來的一門新學(xué)科，振動(dòng)利用工程的發(fā)展使世人矚目。就振動(dòng)機(jī)械來說，目前已成功應(yīng)用于工礦企業(yè)中的振動(dòng)機(jī)器已發(fā)展到數(shù)百種之多，在許多部門，如采礦、冶金、煤炭、石油化工、機(jī)械、電力、水利、土木、建筑、建材、鐵路、公路交通、輕工、食品和谷物加工、農(nóng)田耕作以及在人類日常生活過程中，數(shù)以萬計(jì)的振動(dòng)

5、機(jī)器和振動(dòng)儀器已成功用來完成許多不同的工藝過程，如給料、上料、輸送、篩分、布料、烘干、冷卻、脫水、選分、破碎、粉磨、光飾、落砂、成形、整形、振搗、夯土、壓路、攤鋪、鉆挖、裝載、振倉、犁土、沉樁、拔樁、清理、捆綁、采油、時(shí)效、切削、檢樁、檢測、勘探、測試、診斷等等。,振動(dòng)傳輸,振動(dòng)造型,振動(dòng)打樁,振動(dòng)篩選,振動(dòng)破碎,振動(dòng)研磨,振動(dòng)拋光,振動(dòng)采油,海浪發(fā)電,鐘表,音樂,振動(dòng)時(shí)效,振動(dòng)烘干,超聲電機(jī)（ultrasonic motor ，USM）技術(shù)是振動(dòng)學(xué)、波動(dòng)學(xué)、摩擦學(xué)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、電力電子、自動(dòng)控制、新材料和新工藝等學(xué)科的交叉結(jié)合的新技術(shù)。超聲電機(jī)不像傳統(tǒng)的電機(jī)那樣，利用電磁力來獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩。

6、超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)來獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩的。在這種新型電機(jī)中，壓電陶瓷材料盤代替了許許多多的銅線圈。,海浪發(fā)電的基本原理是氣室將海浪的波能轉(zhuǎn)換成空氣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用這一氣流帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。,超聲診斷儀產(chǎn)生超聲，并發(fā)射到人體內(nèi)，在組織中傳播，遇到正常與有疾病的組織時(shí)，便會產(chǎn)生反射與散射，儀器接到這種信號后，加以處理，顯示為波形、曲線或圖像等，就可以供醫(yī)生做判斷組織或器官健康與否的依據(jù)。,利用振動(dòng)監(jiān)測機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行,故障診斷或健康檢測原理示意圖,在實(shí)際工程和日常生活中，振動(dòng)問題隨處可見,工程系統(tǒng)如機(jī)械、車輛、船舶、飛機(jī)、航天器、建筑、橋梁等都經(jīng)常處在各種激勵(lì)的作用下，因而會不可

7、避免地產(chǎn)生各種各樣的振動(dòng)，可見振動(dòng)力學(xué)在工程實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。例如在機(jī)械、電機(jī)工程中，振動(dòng)部件和整機(jī)的強(qiáng)度和剛度、大型機(jī)械的故障診斷、精密儀器設(shè)備的防噪和減振等問題；在交通運(yùn)輸、航空航天工程中，車輛舒適性、操縱性和穩(wěn)定性等問題，海浪作用下船舶的模態(tài)分析和強(qiáng)度分析，飛行器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲疲勞分析等問題；在電子電信、輕工工程中，通信器材的頻率特性、音響器件的振動(dòng)分析等問題；在土建、地質(zhì)工程中，建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)物的模態(tài)分析，地震引起結(jié)構(gòu)物的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，礦床探查、爆破技術(shù)的研究等問題；在醫(yī)學(xué)、生物工程中，腦電波、心電波、脈搏波動(dòng)等信號的分析處理等問題。,潮汐是一種周期性振動(dòng)。雖然引起潮汐的原因很復(fù)雜，

8、目前公認(rèn)的是月球引潮觀點(diǎn)，構(gòu)成“引潮力”的兩個(gè)因素為：(1)月球的引力；(2)地球繞地月公共質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的離心力。除月球外太陽的“引潮力”是比較突出的，日月引潮力影響天氣氣候，特別當(dāng)日、月、地同處一條直線上時(shí)，引潮力的共振減壓效應(yīng)最為顯著，幾乎所有的突發(fā)性特大自然災(zāi)害，都是在內(nèi)部條件基本具備情況下遇到此種觸發(fā)因素而發(fā)生的。潮汐的研究對航海與船舶進(jìn)出港、漁業(yè)、潮汐發(fā)電等十分有用。,自然界中的振動(dòng)現(xiàn)象,人們可以根據(jù)逐年的氣象情況統(tǒng)計(jì)出氣候周期性的振動(dòng)規(guī)律，根據(jù)這一規(guī)律可預(yù)估氣候趨勢，對生產(chǎn)與生活、抗洪和抗旱、防災(zāi)及減災(zāi)等有著重要的意義。,樹木年輪中的一疏一密是由氣候的周期變化而引起的，從廣義角度

9、來看，也是一種振動(dòng)現(xiàn)象，這一振動(dòng)特征，多應(yīng)用于考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)和水文學(xué)的研究之中，同時(shí)年輪學(xué)在環(huán)境污染、森林更新、冰川進(jìn)退、考古斷年、災(zāi)害、地震、雪崩、醫(yī)療、地方病、農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)量預(yù)測等都有著廣闊的發(fā)展前景。,車輛減振系統(tǒng),船只的振動(dòng),航空和航天,車載火炮穩(wěn)定系統(tǒng),在坦克炮塔內(nèi)，陀螺儀、加速度計(jì)及角度傳感器不斷地測定各種運(yùn)動(dòng)載荷，車載計(jì)算機(jī)根據(jù)這些信息計(jì)算并發(fā)出抵消這些運(yùn)動(dòng)的控制指令，通過伺服系統(tǒng)使炮塔相對于底盤水平轉(zhuǎn)動(dòng)、火炮相對于炮塔高低俯仰，從而使坦克即使在不斷顛簸的運(yùn)動(dòng)中也能將火炮準(zhǔn)確地對準(zhǔn)目標(biāo)。,飛機(jī)的振動(dòng)模擬,硬盤振動(dòng),壓氣機(jī)的振動(dòng)通過地面會影響到周圍的儀器設(shè)備,纜車上裝有減振器,采用振動(dòng)

10、沉管混凝土灌注樁的徐州黃河?xùn)|岸美化工程,振動(dòng)系統(tǒng)模型按系統(tǒng)的不同性質(zhì)可分為：,離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng),常參數(shù)系統(tǒng)與變參數(shù)系統(tǒng),線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng),確定系統(tǒng)與隨機(jī)系統(tǒng),1.2 振動(dòng)系統(tǒng)模型,1離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng),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)元件有三種：,(1)質(zhì)量(包括轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)模型只具有慣性。,(2)彈簧模型只具有彈性，其本身質(zhì)量可以 略去不計(jì)。,(3)阻尼模型既不具有彈性，也不具有慣性。它是耗能元件，在有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力。,質(zhì)量m、彈簧k 、阻尼c。,連續(xù)系統(tǒng)是由彈性體元件組成的，彈性體的慣性、彈性與阻尼是連續(xù)分布的，故亦稱為分布參數(shù)系統(tǒng)。,桿、梁、軸、板、殼等,如果一個(gè)振

11、動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)特性參數(shù)（質(zhì)量、剛度、阻尼系數(shù)等）都不隨時(shí)間而變化，即它們不是時(shí)間的顯函數(shù)，這個(gè)系統(tǒng)就稱為常參數(shù)系統(tǒng)（或不變系統(tǒng)）。,否則，稱為變參數(shù)系統(tǒng)(或參變系統(tǒng))。,2. 常參數(shù)系統(tǒng)與變參數(shù)系統(tǒng),3線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng),如果一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量不隨運(yùn)動(dòng)參數(shù)(坐標(biāo)、速度、加速度)而變化，而且系統(tǒng)的彈性力和阻尼力都可以簡化為線性模型，即： 彈性力和變形成線性關(guān)系； 阻尼力與速度成線性關(guān)系； 則稱為線性系統(tǒng)。,凡是不能簡化為線性系統(tǒng)的振動(dòng)系統(tǒng)都稱為非線性系統(tǒng)。,4確定系統(tǒng)和隨機(jī)系統(tǒng),確定系統(tǒng)的系統(tǒng)特性可用時(shí)間的確定性函數(shù)給出。,隨機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)特性不能用時(shí)間的確定性函數(shù)給出，只具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。,簡單的

12、振動(dòng)模型,汽車車身的振動(dòng)模型,有限元模型圖示,振動(dòng)篩篩框模態(tài)分析及動(dòng)態(tài)響應(yīng),有限元模型圖示,一個(gè)實(shí)際振動(dòng)系統(tǒng)，在外界激勵(lì)的作用下，會呈現(xiàn)出一定的振動(dòng)響應(yīng)。這種激勵(lì)就是系統(tǒng)的輸入，響應(yīng)就是輸出，二者通過振動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)系起來(如下圖）。,1.3 激勵(lì)與響應(yīng),一.系統(tǒng)激勵(lì)可分為兩大類,1.確定激勵(lì),可以用時(shí)間的確定函數(shù)來描述的激勵(lì)屬于確定激勵(lì)。,2隨機(jī)激勵(lì),隨機(jī)激勵(lì)不能用時(shí)間的確定函數(shù)來描述，但它們具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，因而可以用隨機(jī)過程來描述。,二.系統(tǒng)響應(yīng)同樣可以分為兩大類,1.確定響應(yīng),系統(tǒng)的響應(yīng)是時(shí)間的確定函數(shù)。,(1)根據(jù)響應(yīng)存在時(shí)間分為：,瞬態(tài)振動(dòng)的響應(yīng)在較短的時(shí)間中會逐漸消失。,瞬態(tài)響應(yīng)和

13、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。,穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的響應(yīng)可持續(xù)充分長時(shí)間。,(2) 根據(jù)響應(yīng)是否有周期性還可分為：,簡諧響應(yīng)，周期響應(yīng)，非周期響應(yīng)和混沌。,2隨機(jī)響應(yīng),系統(tǒng)的響應(yīng)為時(shí)間的隨機(jī)函數(shù)，只能用概率統(tǒng)計(jì)的方法描述。,無論是確定系統(tǒng)，還是隨機(jī)系統(tǒng)，在隨機(jī)激勵(lì)的作用下，振動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)一定為隨機(jī)響應(yīng)。,如果是隨機(jī)系統(tǒng)，即使在確定激勵(lì)的作用下，系統(tǒng)的響應(yīng)亦是隨機(jī)的。,兩組天氣模式是怎樣分道揚(yáng)鑣的。兩條曲線表示的初始條件僅相差0.0001。起初它們看來要重合，但不久混沌動(dòng)力學(xué)特性導(dǎo)致獨(dú)立的、十分歧異的軌線。,1961年Lorenz和Edward從幾乎相同的出發(fā)點(diǎn)開始計(jì)算出的天氣模式的差別愈來愈大，終至毫無相似之處。真是“失之

14、毫厘，謬以千里?！?振動(dòng)現(xiàn)象按系統(tǒng)相應(yīng)的性質(zhì)可分為兩大類:,確定振動(dòng)與隨機(jī)振動(dòng)。,1對于一個(gè)確定系統(tǒng)，在受到確定激勵(lì)時(shí)，響應(yīng)也是確定的。這類振動(dòng)稱為確定振動(dòng)。,2對于確定系統(tǒng)，在受到隨機(jī)激勵(lì)時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)是隨機(jī)的。這類振動(dòng)稱為隨機(jī)振動(dòng)。,隨機(jī)振動(dòng)只能用概率統(tǒng)計(jì)的方法來描述。,對于隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來說，無論是受到確定激勵(lì)，還是隨機(jī)激勵(lì)，其響應(yīng)均為隨機(jī)的，這類振動(dòng)稱為隨機(jī)結(jié)構(gòu)(系統(tǒng))振動(dòng)。,1.4 振動(dòng)的分類,此外，還可以按激勵(lì)的控制方式分類如下：,1自由振動(dòng)：系統(tǒng)受初始激勵(lì)后不再受外界 激勵(lì)的振動(dòng)。,2強(qiáng)迫振動(dòng)：系統(tǒng)在外界控制的激勵(lì)作用下 的振動(dòng)。,3自激振動(dòng)：系統(tǒng)在自身控制的激勵(lì)作用下 的振動(dòng)。,

15、4. 參激振動(dòng)： 系統(tǒng)自身參數(shù)變化激發(fā)的振動(dòng)。,1. 振動(dòng)問題,不論是確定的還是隨機(jī)的振動(dòng)問題，一般說來，無非是在激勵(lì)、響應(yīng)和系統(tǒng)特性三者之中已知兩者求第三者。,(1)振動(dòng)分析：,(2)系統(tǒng)識別：,在激勵(lì)條件與系統(tǒng)特性已知的情形下，求系統(tǒng)的響應(yīng)，就是所謂振動(dòng)分析。,在激勵(lì)與響應(yīng)已知的情形下，來確定系統(tǒng)的特性，就是所謂振動(dòng)特性測定或系統(tǒng)識別。,1.5 振動(dòng)問題及其解決方法,(3)振動(dòng)設(shè)計(jì)：,(4)振動(dòng)環(huán)境預(yù)測：,實(shí)際的振動(dòng)問題往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的，它可能同時(shí)包含識別、分析和設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面的問題。,在一定的激勵(lì)條件下，如何來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特性，使得系統(tǒng)的響應(yīng)滿足指定的條件，這就是所謂振動(dòng)綜合或振動(dòng)設(shè)計(jì)。,

16、在系統(tǒng)特性和響應(yīng)已知的情形下，求激勵(lì)，即判別系統(tǒng)的環(huán)境特性，就是所謂 振動(dòng)環(huán)境預(yù)測。,2解決振動(dòng)問題的方法,理論分析主要體現(xiàn)在“計(jì)算”,實(shí)驗(yàn)研究有虛擬“試驗(yàn)”,計(jì)算技術(shù)在振動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用,工程實(shí)際振動(dòng)問題的計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué),計(jì)算技術(shù)在汽車振動(dòng)分析中的應(yīng)用,用計(jì)算機(jī)模擬整車的動(dòng)力學(xué)特性,計(jì)算工程軟件在振動(dòng)分析中的應(yīng)用,發(fā)動(dòng)機(jī)的有限元分析的動(dòng)態(tài)演示,計(jì)算技術(shù)在飛機(jī)振動(dòng)分析中的應(yīng)用,飛機(jī)機(jī)翼的振動(dòng)演示,計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在振動(dòng)分析中的應(yīng)用,工程實(shí)際振動(dòng)問題的動(dòng)態(tài)演示,計(jì)算工程軟件在振動(dòng)分析中的應(yīng)用,橋梁振動(dòng)的動(dòng)態(tài)演示,第 一 階 振 型 圖,第 二 階 振 型 圖,風(fēng) 振 響 應(yīng) 圖,有 限 元 圖,計(jì)算

17、工程軟件在振動(dòng)分析中的應(yīng)用,北京植物園展覽溫室風(fēng)振響應(yīng),計(jì)算工程軟件在振動(dòng)分析中的應(yīng)用,渦輪機(jī)頻率分析的動(dòng)態(tài)演示,振動(dòng)在汽車碰撞中的應(yīng)用,汽車側(cè)面碰撞變形的動(dòng)態(tài)演示,振動(dòng)在汽車碰撞中的應(yīng)用,汽車正面碰撞的演示,振動(dòng)在汽車碰撞中的應(yīng)用,汽車碰撞實(shí)景以及前后分析圖解,納米管的 1階(A)、2階(B)、3階(C)振動(dòng)的振型與 懸臂梁振型相同。納米管的截面尺度約1納米(nm) =10-3微米(m)= 10-6毫米(mm)。 1999年Science 雜志,振動(dòng)力學(xué)在現(xiàn)代科技的應(yīng)用,振動(dòng)力學(xué)在現(xiàn)代科技的應(yīng)用,納米管的端部為一個(gè)基 因，相當(dāng)于單自由度 系統(tǒng)，可通過測量系統(tǒng)的頻率計(jì)算出基因的 質(zhì)量。 199

18、9年Science 雜志,振動(dòng)力學(xué)在現(xiàn)代科技的應(yīng)用,納米管振動(dòng) 的幅頻特性與單自由度系統(tǒng)特性 完全相同，且共振頻率很高，達(dá) 2.4 MHz， 因此以納米管作為振動(dòng)傳感器可以獲得很寬 頻帶的傳感器。 1999年Science 雜志,線性條件下，被測試的結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性是結(jié)構(gòu)固有的，可以用不同的數(shù)學(xué)模型描述，但這些模型均是對結(jié)構(gòu)特征值的近似表示，關(guān)鍵在于解決實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒Y(jié)構(gòu)實(shí)際特性之間的近似程度問題。,測試系統(tǒng)應(yīng)包括：試驗(yàn)結(jié)構(gòu)、激勵(lì)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)。,光測法：將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為光信息進(jìn)行測量的方法。,電測法：機(jī)電變換原理。,機(jī)械法：杠桿（相對式接觸式）或慣性原理（絕對式接觸式）接收并記錄振動(dòng)的方法。,振動(dòng)測試方法如下所述。,感應(yīng)式振動(dòng)試驗(yàn)臺,可進(jìn)行試驗(yàn)的項(xiàng)目：沖擊、正弦、正弦+隨機(jī)、隨機(jī)、隨機(jī)+隨機(jī)