机械振动概论

机械动力学与振动MechanicalDynamicsandVibration,EM206,第一章绪论,机械动力学基本知识机械振动研究起源、历史与发展机械振动的基本概念,第一章绪论,1.机械动力学基本知识,第一章绪论,现代机械产品发展的需求：高速、高效、高精度、重载、大功率、高度自动化、绿色、环保,第一章绪论,引发的问题：机毁人亡、发电机组损毁、桥梁断裂、火箭发射失败等等。,第一章绪论,传统的机械设计理论所面临的挑战：功能设计动态设计,任务：1、分析机器在运转过程中各构件的受力；2、研究机器在已知外力作用下的运动特性,机械系统动力学是研究机械系统在运行过程中的受力情况以及在这些力作用下的运动状态的一门学科。,动力学是研究惯性效应不能忽略的那些力学问题。比静力学方程多出了惯性项和时间变量，动力学问题不仅在数学求解上困难，而且其物理本质也复杂得多。,机械振动是指机械或结构在平衡位置附近的往复运动。,第一章绪论,第一章绪论,静力学,动力学,运动学,力,运动,?,第一章绪论,动力学,振动与声,第一章绪论,机械动力学：关心的是物体的任意运动机械振动学：关注在平衡位置附近的小幅运动后者是前者的一个特例,公元前231论比重奠定了静力学基础。,张衡(78-139),最早发明了地震仪,阿基米德,德国的开普勒(1571-1630)提出行星运动三定律。,意大利的伽利略(1564-1642)自由落体规律、惯性定律及加速度的概念。(钟摆的运动规律),英国伟大科学家牛顿(16431727)在1687年版的自然哲学的数学原理一书中提出了制约物质宏观机械运动的基本规律，即万有引力定律和动力学基本定律。奠定了牛顿力学的基础。,瑞士的欧拉(17071783)著出力学用微分方程研究。,法国达朗伯(17171785)名著动力学专论-达朗伯原理。,瑞士的伯努利(16671748)-虚位移原理。,法国拉格朗日(17361813)，对力学提出了全新的叙述方式，建立了受约束系统的动力学普遍方程，并进而导出拉格朗日方程，称为拉格朗日力学。,近代科学家与学者：Rankine(18201872)-旋转轴的临界转速；Kirchhoff(18241887)-板壳振动理论;,Rayleigh(18421919)声与振动理论求解系统固有振动的方法Poincar(18541912)非线性动力学理论,第一章绪论,2.机械振动研究起源、历史与发展,振动发展历史概述:振动应用的起源：古代乐器(goodvibration):鼓、笛及弦乐等,EgyptianHarp(3000B.C.),Museplayingthelyre.440430BC,第一章绪论,第一章绪论,五代南唐顾阂中韩熙载夜宴图,元代王振鹏伯牙弹琴图,第一章绪论,曾侯乙编钟,第一章绪论,新石器时代的骨哨,第一章绪论,近来，振动学科无论在其研究深度和广度上都发生了重大的变化，相关学科进一步融合与交叉，如与固体力学、流体力学、生物力学、机械工程、航空航天工程、车辆工程、船舶工程和土木工程等的融合与交叉，与计算机科学和控制科学的结合，以及与数学和物理学等基础学科的相互借鉴，使动力学与振动控制在理论和应用上产生了重大的变革和创新。,最近进展情况：,第一章绪论,在十一五国家中长期科学和技术发展规划纲要中确定的十六个重大专项有多个和动力学与振动控制相关，如大飞机、载人航天、核电装备、高档数控机床、微电子制造装备等，此外京沪高铁等一批国家重大工程也和动力学与振动控制密切相关。国家战略需求和工程科学研究过程中提出的大量动力学与振动控制问题，使动力学与振动控制既面临着紧迫的任务，也获得焕发青春和活力的源泉。,最近进展情况：,第一章绪论,微、纳机电系统（MEMS/NEMS）：微机械系统以其外形微小和操作尺寸极小而占据了当今世界高新技术的前沿领域，并成为人们认识和改造微观世界的重要手段。MEMS特征尺寸在10-610-3m，NEMS特征尺寸在10-910-6m。,最近进展情况：,第一章绪论,本世纪以来，工程的需求推动了振动学的发展。振动学已成为一门重要的工程科学，不仅具有比较完整的理论体系，而且拥有无数成功的工程实践。对振动学的研究动力来自于工业需求，但取得的突破性进展很大程度上依赖于思想方法。振动学根基于数学、物理学等科学，很自然地具有科学美的基本特征。,Universality统一性Simplicity简洁性Regularity整齐性Symmetry对称性Singularity奇异性,最近进展情况：,第一章绪论,1统一性,最近进展情况：,第一章绪论,整个振动学具有相当统一的理论框架，其部分与部分、部分与整体之间高度和谐，形成了统一的、优美的整体。,2简洁性,最近进展情况：,第一章绪论,振动学的理论体系具有清晰的纲目、最少构成要素的概念和结构，从而有可分解性。整个理论体系建立在为数不多的、非常简洁而又无比深刻的定理、方法和公式基础上,复杂振动信号的Fourier谱分解,Bifurcationdiagramofapiece-wisecircuit,3整齐性,最近进展情况：,第一章绪论,在振动学中，可列举出像简谐振动、周期振动这样一些图形上整齐、规则的现象，像线性系统模态正交关系、Rayleigh商这样整齐、优美的振动学规律，像非线性振动分析中的摄动法、平均法、多尺度法、随机振动分析中的矩方法这样整齐、规律性的方法。许多杂乱无章的现象或复杂冗长的公式在新的认识层次上具有整齐性。,4对称性,最近进展情况：,第一章绪论,许多振动问题具有外在的对称性：飞机具有一个对称平面，发动机叶盘具有旋转对称性等。若振动系统具有对称性，则其可剖分为二个以上相同的子系统，从而可设法进行分解，简化分析。,Heronattractor,Stableandunstablemanifold,5奇异性,最近进展情况：,第一章绪论,具有奇异的振动现象大多给人类带来过灾难。而一旦揭示出奇异现象的本质，它们就可造福人类。如：桥梁共振，转子临界转速、轴承油膜振荡、飞行器结构颤振、结构参激共振、动力失稳，激光器进入突发混沌。,应用领域,振动是是自然界中常见的现象,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,第一章绪论,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,应用领域,第一章绪论,应用领域,第一章绪论,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,应用领域,第一章绪论,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,应用领域,第一章绪论,Superpositionoftwoopticaloscillationswithafrequencydifferenceof25THz.Thebottomtwocurvesshowtheelectricfieldstrengthsoftheisolatedoscillations,andthetocurvetheadditivesuperposition.Asufficientlyfastintensitydetectorwouldrecordanoscillationofthepowerwiththedifferencefrequency.,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,应用领域,第一章绪论,yisthenumberofsomepredator(wolves);xisthenumberofitsprey(rabbits);,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,应用领域,第一章绪论,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,应用领域,第一章绪论,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,应用领域,第一章绪论,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,应用领域,第一章绪论,Catalysisandoscillation,机械电气土木光学生命人体经济地质化学,应用领域,第一章绪论,振动的灾害：车辆;桥梁；机械,第一章绪论,振动的灾害：振动产生的噪声;,第一章绪论,Theoriginal,5,939-foot-longTacomaNarrowsBridge,popularlyknownasGallopingGertie,openedtotrafficonJuly1,1940aftertwoyearsofconstruction,linkingTacomaandGigHarbor.Itcollapsedjustfourmonthslaterduringa42-mile-per-hourwindstormonNov.7,1940.,TacomaBridge,振动的灾害：Tacoma大桥；,第一章绪论,振动的灾害：机翼的振动;,第一章绪论,振动的灾害：地震;地震导致的海啸;,第一章绪论,振动的利用：琴弦振动；振动沉桩、振动拔桩以及振动捣固等;电子谐振器；振动检测；振动压路机;振动给料机;振动成型机等。,第一章绪论,第一章绪论,3.机械振动的基本概念,基本概念：Vibrationisarepetitive,periodic,oroscillatoryresponseofamechanicalsystem.机械振动:机械或结构在平衡位置附近的往复运动.,第一章绪论,振动（Vibration=Oscillation）【美国传统词典】Arapidlinearmotionofaparticleorofanelasticsolidaboutanequilibriumposition.【高级汉语词典】物体的全部或一部分沿直线或曲线往返颤动,有一定的时间规律和周期的规则运动.,第一章绪论,基本概念：振动（Vibration）可以表示为：频率Frequency,振幅Amplitude和相位Phaseangle.,第一章绪论,研究目的1.设法减少振动的危害,第一章绪论,研究目的1.设法减少振动的危害,第一章绪论,研究目的1.设法减少振动的危害,上海世博会演艺中心调谐质量减振器,研究目的1.设法减少振动的危害,第一章绪论,研究目的2.掌握机械振动的规律，利用振动为人类造福,第一章绪论,研究目的2.掌握机械振动的规律，利用振动为人类造福,第一章绪论,研究目的2.掌握机械振动的规律，利用振动为人类造福,第一章绪论,机械振动的分类1按振动系统的自由度数分类,单自由度系统(SDOF),自由度就是确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置所需独立坐标的数目,第一章绪论,机械振动的分类1按振动系统的自由度数分类,两自由度系统(2DOF),自由度就是确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置所需独立坐标的数目,第一章绪论,机械振动的分类1按振动系统的自由度数分类,多自由度系统(MDOF),自由度就是确定系统在振动过程中任何瞬时几何位置所需独立坐标的数目,第一章绪论,自由振动系统受初始干扰或原有的外激励取消后产生的振动；强迫振动系统在外激励力作用下产生的振动；自激振动系统在输入和输出之间具有反馈特性并有能源补充而产生的振动。,机械振动的分类2按振动系统所受的激励类型分类,自由振动没有外激励受迫振动有外激励,第一章绪论,简谐振动能用一项时间的正弦或余弦函数表示系统响应的振动；周期振动能用时间的周期函数表示系统响应的振动；瞬态振动只能用时间的非周期衰减函数表示系统响应的振动；随机振动不能用简单函数或函数的组合表达运动规律，而只能用统计方法表示系统响应的振动。,机械振动的分类3按系统的响应（振动规律）分类,第一章绪论,机械振动的分类3按系统的响应（振动规律）分类,第一章绪论,简谐振动周期振动瞬态振动随机振动,非线性微分方程分叉、混沌,线性微分方程;(叠加原理),线性振动,非线性振动,机械振动的分类4按描述系统的微分方程分类,第一章绪论,机械振动问题及解决方法1响应分析,?,已知系统参数systemparameters及外界激励externalforce(input),求系统的响应systemresponse(位移、速度、加速度和力的响应等）,第一章绪论,?,已知系统的激励externalforce(input)和响应response(output),确定系统参数systemparameters,系统设计：系统尚不存在，需要设计合理的系统参数，使系统在已知激励下达到给定的响应水平系统辨识：系统已经存在，需要根据测量获得的激励和响应识别系统参数，以便更好地研究系统特性,机械振动问题及解决方法2系统设计和系统辨识,第一章绪论,已知系统响应response(output)和系统参数systemparameters,?,确定系统外激励externalforce(input),第一章绪论,机械振动问题及解决方法3环境预测,第一章绪论,机械振动问题及解决方法理论分析过程,模拟系统的工作条件施加已知激励，测试系统的响应，来验证理论分析结果，或研究系统的固有特性。,第一章绪论,机械振动问题及解决方法实验分析过程,理论分析和试验研究的方法相互补充、相互促进，为解决复杂的工程振动问题创造了有利的条件。,第一章绪论,机械振动问题及解决方法玻璃瓶模态实验：,第一章绪论,机械振动问题及解决方法大型动平衡机振动分析,第一章绪论,机械振动问题及解决方法大型动平衡机振动分析,第一章绪论,机械振动问题及解决方法大型动平衡机振动分析,第一章绪论,机械振动问题及解决方法大型动平衡机振动分析,课程内容,围绕机械系统的动力学特别是振动问题的基本知识、建模及分析方法、工程应用等内容包含机械动力学与振动两部分，其中机械动力学仅讲述动力学基本内容，主体为振动部分动力学基本理论及刚体动力学分析机械振动基本概念振动基本理论与激励源分析机械振动的控制及应用,学时安排,课程目标,掌握从机械工程实际问题力学建模及运动规律的基本原理和分析方法培养对较复杂工程对象动力学