机械振动课件

主讲：龚俊杰MECHANICAL VIBRATIONMECHANICAL VIBRATIONMECHANICAL VIBRATIONMECHANICAL VIBRATION硕 士 生：60学时（教材要求）高等数学、工程数学学时学时矩阵代数、复变函数、微分方程理论力学、材料力学 我院硕士生：30学时基础基础 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。第一章第一章 绪论绪论 机械振动，是指物体(系)在平衡位置(或平均位置)附近来回往复的运动。限制有害的振动 利用有益的振动1.1 1.1 机械振动机械振动 研究目的：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，人们常常为振动和躁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。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；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；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。地震的破坏地震的破坏唐山唐山大地震大地震振动引起的转子系统破坏振动引起的转子系统破坏风机用消声器风机用消声器大型风机用消声器进风口结构大型风机用消声器进风口结构红色为防锈漆，白色为孔内装有消声纤维玻璃电话亭内装超细电话亭内装超细吸声棉的吸声平板吸声棉的吸声平板会议室用的隔声吸声屏风会议室用的隔声吸声屏风车间顶上的吸声屏障车间顶上的吸声屏障汽车排气管用消声器汽车排气管用消声器法国法国VOLVO客车内的吸声毛绒客车内的吸声毛绒一种吸声型的声屏障结构一种吸声型的声屏障结构利用声屏障将声源利用声屏障将声源和保护目标隔开和保护目标隔开高架桥上的吸声屏障高架桥上的吸声屏障高架桥上的吸声高架桥上的吸声与隔振组合屏障与隔振组合屏障美美国国高高速速公公路路用用混混凝凝土土板板墙墙做做声声屏屏障障，声声衰减衰减710dB日本日本吸声吸声型声型声屏障屏障中国第一座公中国第一座公路声屏障，降路声屏障，降噪量为噪量为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。振动传输振动造型振动打桩振动筛选振动破碎振动研磨振动抛光振动采油海浪发电钟表 音乐 振动时效振动烘干 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。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。自然界中的振动现象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。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。车车辆辆减减振振系系统统船只的振动船只的振动航空和航天航空和航天车载火炮稳定系统车载火炮稳定系统 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。飞机的振动模拟飞机的振动模拟硬盘振动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 缆车上装有减振器缆车上装有减振器采用振动沉管混凝土灌注桩采用振动沉管混凝土灌注桩的徐州黄河东岸美化工程的徐州黄河东岸美化工程 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1.2 振动系统模型振动系统模型 1离散系统与连续系统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：(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。质量m、弹簧k、阻尼c。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 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)。2.2.常参数系统与变参数系统常参数系统与变参数系统3线性系统与非线性系统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(坐标、速度、加速度)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，即：弹性力和变形成线性关系；阻尼力与速度成线性关系；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有限元模型图示 一个实际振动系系统统，在外界激激励励的作用下，会呈现出一定的振振动动响响应应。这种激励就是系统的输输入入，响应就是输输出出，二者通过振动系统联系起来(如下图）。1.3 激励与响应激励与响应一一.系统激励可分为两大类系统激励可分为两大类1.1.确定激励确定激励 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 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。二二.系统响应同样可以分为两大类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：瞬态振动的响应在较短的时间中会逐渐消失。瞬态响应和稳态响应。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。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。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。”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。1.4 振动的分类振动的分类此外，还可以按激励的控制方式分类如下：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.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：(2)系统识别：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。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。1.5 振动问题及其解决方法振动问题及其解决方法(3)振动设计：(4)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。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。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。2 2解决振动问题的方法解决振动问题的方法理论分析理论分析主要体现在主要体现在“计算计算”实验研究实验研究有虚拟有虚拟“试验试验”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第一阶振型图第二阶振型图风振响应图有限元图计算工程软件在振动分析中的应用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在汽车碰撞中的应用汽车侧面碰撞变形的动态演示振动在汽车碰撞中的应用汽车正面碰撞的演示振动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纳米管的 1阶(A)、2阶(B)、3阶(C)振动的振型与悬臂梁振型相同。纳米管的截面尺度约1纳米(nm)=10-3微米(m)=10-6毫米(mm)。19991999年年Science Science 杂志杂志振动力学在现代科技的应用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 线性条件下，被测试的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。测测试试系系统统应应包包括括：试试验验结结构构、激激励励系系统统、测测量系统、分析系统、检测系统。量系统、分析系统、检测系统。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。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。振动测试方法如下所述。振动测试方法如下所述。感应式振动试验台感应式振动试验台 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喷气飞机全机振动试验 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。某钢厂减速机振动测点布置图 确定一个振动系统空间位置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置，所以称它们为单自由度系统。1.6 自由度自由度 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。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制基本单位举例制基本单位举例量名称符号说 明长度(length)米m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。”质量(mass)千克kg其标准原器是一铂铱(platinum-iridium)圆柱体。藏于法国Svres地方的地下室内。时间(time)秒s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。”1.7 单位单位