理论力学教学材料12振动ppt课件

1、 振动是日常生活和工程实践中常见的景象。 例如：钟摆的往复摆动,汽车行驶时的颠簸，电动机、机床等任务时的振动，以及地震时引起的建筑物的振动等。 利：振动给料机利：振动给料机 弊：磨损，减少寿命，影响强度弊：磨损，减少寿命，影响强度 振动筛振动筛 引起噪声，影响劳动条件引起噪声，影响劳动条件 振动沉拔桩机等振动沉拔桩机等 耗费能量，降低精度等。耗费能量，降低精度等。3. 研讨振动的目的：消除或减小有害的振动，充分利用振动研讨振动的目的：消除或减小有害的振动，充分利用振动 为人类效力。为人类效力。 2. 振动的利弊：振动的利弊：1. 所谓振动就是系统在平衡位置附近作往复运动。所谓振动就是系统在平衡

2、位置附近作往复运动。 4. 振动的分类：振动的分类： 单自在度系统的振动单自在度系统的振动 按振动系统的自在度分类按振动系统的自在度分类 多自在度系统的振动多自在度系统的振动 弹性体的振动弹性体的振动 按振动产生的缘由分类： 自在振动： 无阻尼的自在振动 有阻尼的自在振动衰减振动 强迫振动： 无阻尼的强迫振动 有阻尼的强迫振动 自激振动 实践中的振动往往很复杂，为了便于研讨，需简化为力学模型。质量弹簧系统振体 运动过程中，使物体回到平衡位置的力称为恢复力 12-1单自在度系统无阻尼自在振动单自在度系统无阻尼自在振动 一、振动的微分方程： 只需用一个独立坐标就可确定振体的位置，这种系统称为单自在

3、度系统。物体遭到初干扰后，仅在恢复力作用下的振动称为无阻尼自在振动图示质量弹簧系统，以平衡位置为坐标原点，那么xmFmg )(stxkFststkmg变形：振体静止平衡时弹簧的 kxxkmgFmgxmst)( mkn2令02xxn 则：这就是质量弹簧系统无阻尼自在振动的微分方程。)/( 0 22lgnn 对于其他类型，同理可得。如单摆：单摆： 复摆：复摆：)/( 0 22Jmgann 对于任何一个单自在度系统，以 q 为广义坐标从平衡位置开场量取 ，那么自在振动的微分方程的规范方式：02qqn 解为：)sin(tAqn)cos(tAqnn 0022020arctg , qqqqAnn设 t =

4、 0 时， 代入上两式得：00 , qqqq 或：tCtCqnnsincos21C1，C2由初始条件决议为nq CqC/ ,02 01tqtqqnnnsincos 00n 圆频率，振体在2秒内振动的次数。 n=2f n、f 都称为系统的固有频率或自然频率A振体分开平衡位置的最大位移，称为振幅n t + 相位，决议振体在某瞬时 t 的位置 初相位，决议振体运动的起始位置nT2T 周期，每振动一次所阅历的时间f 频率，每秒钟振动的次数，单位：HZ ， f = 1 / T 无阻尼自在振动的特点：无阻尼自在振动的特点： (2) 振幅A和初相位 取决于运动的初始条件(初位移和初速度)；(1) 振动规律为

5、简谐振动；(3)周期T 和固有频率n 仅决议于系统本身的固有参数(m,k,J)。四、其它四、其它 1. 假设系统在振动方向上遭到某个常力的作用，该常力假设系统在振动方向上遭到某个常力的作用，该常力只影响静平衡点只影响静平衡点O的位置，而不影响系统的振动规律，如振动的位置，而不影响系统的振动规律，如振动频率、振幅和相位等。频率、振幅和相位等。 2. 弹簧并联络统和弹簧串联络统的等效刚度212121212211 , )( , kkkkkmgkkmgFFmgkFkFeqststst并联2121eq21212121k )11()11( kkkkkkmgkmgkkmgkmgkmgeqstststst串联

6、并联串联 二、二、 求系统固有频率的方法求系统固有频率的方法st弹簧在全部重力作用下的静变形对于质量弹簧这类系统，当振体静止平衡时，有：stkmgstng于是： 无阻尼自在振动系统为保守系统，机械能守恒。 当振体运动到距静平衡位置最远时，速度为零，即系统动能等于零，势能到达最大值取系统的静平衡位置为零势能点。 当振体运动到静平衡位置时，系统的势能为零，动能到达最大值。mgAAkVstst)(2122max2max21 kAVmgkst222maxmax2121nmAxmT如：)sin(tAxn设mkkAmAVTnn 2121 222maxmax得由由Tmax=Vmax求wn的方法称为能量法。1

7、. 振动微分方程的规范方式振动微分方程的规范方式2. 静变形法：静变形法：3. 能量法：能量法： 综上所述，求系统固有频率的方法有：综上所述，求系统固有频率的方法有：02qqn stngst：集中质量在全部重力 作用下的静变形n由Tmax=Vmax , 求出 能量法是从机械能守恒定律出发，对于计算较复杂的振能量法是从机械能守恒定律出发，对于计算较复杂的振动系统的固有频率，用能量法来求更为简便。动系统的固有频率，用能量法来求更为简便。 例1 图示系统。设轮子无侧向摆动，且轮子与绳子间无滑动，不计绳子和弹簧的质量，轮子是均质的，半径为R，质量为M，重物质量 m ，试列出系统微幅振动微分方程，求出其

8、固有频率。 解：以解：以 x 为广义坐标，静平衡位置为为广义坐标，静平衡位置为 坐标原点。坐标原点。02)(, 0)(RkgRmMFmstIgkmMst2在恣意位置x 时：kxgmMxkFst22)2(静平衡时： 运用动量矩定理x：kxRRFgRmMFmxRmMRxMRRxMRxmHII42)()()23( 212由 ， 有)(FmdtdHIIkxRxRmM4)23( 振动微分方程：固有频率：mMkxmMkxn2380238 解解2 ： 用机械能守恒定律用机械能守恒定律 以以x为广义坐标取静平衡位置为为广义坐标取静平衡位置为原点原点22222)23(21 21)(22121xmMxmRxMRx

9、MT 以平衡位置为计算势能的零位置，并留意轮心位移x时，弹簧伸长2xgxmMxkkxgxmMxkVststst)(22 )()2(2222因平衡时gxmMxkst)(222kxV 由 T+V= 有：constconstkxxmM222)23(21mMkxmMkxn2380238 对时间 t 求导，再消去 ，得x 例2 鼓轮：质量M，对轮心回转半径，在程度面上只滚不滑，大轮半径R，小轮半径 r ，弹簧刚度 ，重物E质量为m, 不计轮D和弹簧质量，且绳索不可伸长。求系统微振动的固有频率。21 , kk 解：取静平衡位置O为坐标原点，取C偏离平衡位置x为广义坐标。系统的最大动能为： ) )()( (

10、 )(21 )(21212max21max22max21maxRkkrRmgxkkxRrRmgxkkVststst2max22222max2max22maxmax 21 )(21 )(21)(21xr)m(R)RM(RxRrRmRxMxMT以平衡位置为重力及弹性势能零位置，那么： 设 那么有)sin(nAxnAxAxmaxmax , )(21 2)()(221max222222maxAkkVARrRmRMTn根据Tmax=Vmax , 解得222221)()()(rRmRMRkkn 12-2 单自在度系统的有阻尼自在振动单自在度系统的有阻尼自在振动一、阻尼的概念：一、阻尼的概念： 阻尼：振动过

11、程中，系统所受的阻力。阻尼：振动过程中，系统所受的阻力。 粘性阻尼：在很多情况下，振体速度不大时，介质粘性引起粘性阻尼：在很多情况下，振体速度不大时，介质粘性引起的阻尼力与速度的一次方成正比，这种阻尼称为粘性阻尼。的阻尼力与速度的一次方成正比，这种阻尼称为粘性阻尼。vR投影式：xRx 粘性阻尼系数，简称阻尼系数。 自在振动是简谐运动，振幅不随时间而变。但实践中振动的振幅几乎都是随时间逐渐减小的也称为衰减振动，这是由于有阻尼。 二、振动微分方程及其解：二、振动微分方程及其解： 质量质量弹簧系统存在粘性阻尼：弹簧系统存在粘性阻尼：xkxxm 有阻尼自在振动微分方程的规范方式。02 2 , 22nx

12、xnx mnmkn 则令 其通解分三种情况讨论： 1、小阻尼情形mknn2 )()sin(tAexdnt22nnd有阻尼自在振动的圆频率则时设 , , , 0 00 xxxxt0022012220020tg ; )(nxxnxnnxxxAnn 衰减振动的特点：(1) 振动周期变大， 频率减小。mknnTnnd222221阻尼比当 时，可以以为nnTTnd1 (2) 振幅按几何级数衰减 对数减幅系数：11lnnTenT1)1(1nTintTitniieAeeAAA相邻两次振幅之比振幅：intiAeA)(222221 tn tnntnneCeCex)(nn2、大阻尼阻尼情形、大阻尼阻尼情形积分常数

13、由C1、C2由运动的初始条件决议。 物体的运动随时间的增长而无限地趋向平衡位置，不再具备振动的特性。 所示规律已不是周期性的了，随时间的增长，x 0，不具备振动特性。3、临界阻尼情形、临界阻尼情形 临界阻尼系数临界阻尼系数)(nnmkc2)(21tCCexntC1、C2由运动的初始条件决议 综上所述，系统受粘滞阻尼作用时，只需在nn的情况下才发生振动，振动的周期较无阻尼时略长，而振幅那么按几何级数递减。 例例3 质量弹簧系统，质量弹簧系统，W=150N，st=1cm , A1=0.8cm, A21=0.16cm。 求阻尼系数求阻尼系数 。20120212312121)(nTeAAAAAAAA解

14、：解：201)(8 . 016. 0nTe22122020)8 . 016. 0ln(nnnTnsradgstn/3 .3101. 08 . 9得n=0.41/smNsnmmn/2 .128 . 91504 . 0222由 12-3 单自在度系统的受迫振动单自在度系统的受迫振动 自在振动由于有阻尼的存在而逐渐衰减，但实践有很多振动并不衰减，这时由于遭到干扰力的作用。干扰力时对系统起着激振作用的力，它不依赖于系统的运动而给系统不断地输入能量，使其持速振动。比如：转子的偏心、支撑点或悬挂点的运动等。 系统在干扰力的作用下的振动称为受迫振动或强迫振动。 干扰力的种类很多，我们只讨论简谐变化的干扰力：

15、tHSsinH力幅：干扰力的最大值； 干扰力的圆频率 一、有阻尼情形一、有阻尼情形tHSxRkxFxxxsin , , tHxkxxmsin mHhmnmkn ; 2 ; 2令thxxnxnsin22 这就是有阻尼强迫振动微分方程的规范方式：二阶常系数非齐次微分方程。其解为：21xxx1、振动微分方程及其解 x1是对应齐次方程 的通解)02(2xxnxn 小阻尼：)sin(221tAexnntA、 积分常数，取决于初始条件x2 是特解：)sin(2tBx代入原方程并整理22222222tg4)(nnnnhB 受迫振动的振幅 强迫振动相位滞后干扰力相位角振动微分方程的全解为 )sin()sin(

16、22tBtAexnnt 衰减振动 受迫振动1nn时2n=n时3nn时)sin()(21tBtCCexnt)sin()(222221tBeCeCex tnn tnnnt上述三式的第一部分很快就消逝了。第一部分消逝之前的运动称为暂态呼应，第一部分消逝之后的运动称为稳态呼应。受迫振动指的是稳态呼应，其运动方程为：)sin(2tBxx 2、有阻尼受迫振动的特点：1振动规律 ，为简谐振动，不随阻尼而衰减。)sin(tBx2与运动的初始条件无关。3频率等于干扰力的频率，不受阻尼影响。二、无阻尼情形二、无阻尼情形当n=0时，振动微分方程：thxxnsin2 对应齐次方程的解：)sin(1tAxn特解：)si

17、n(2tBx当n=0时，有前述：0,22nhB 方程全解：nn 阻尼比tBtAxxxnsin)sin(21三、幅三、幅频曲线频曲线 共振景象共振景象将受迫振动的振幅改写为：22220)(4)(1 1nnBBkHmkmHhBn/20式中： 静偏离：在干扰力力幅作用下，振体偏离平衡位置的间隔 于是：22220)(4)(1 1nnBB放大系数或动力系数 对于不同的阻尼比x，可得一系列放大系数随频率比/n的变化曲线，称为振幅频率曲线，简称幅频曲线。 0, 1/ , 1/) 1 (BBnnn为何值无论时时时0.70 , 1/) 3(n阻尼对振幅影响显著。一定时，阻尼增大，振幅显著下降。222 , 0)(

18、 nddnn得由共振频率20max12BB此时0, 0/ , 1/)2(Bnnn为何值无论时 nBBBn22 00max有阻尼强迫振动相位总比干扰力滞后一相位角，称为相位差。22)(12)(12tgnnnnnn普通较小，可以以为当=n时系统发生共振，此时四、相四、相频曲线频曲线4n/n=0，即无阻尼情况，当=n时系统发生共振，B。 (1) 在0 内变化。(2) 单调上升。 (3) 当/n0时， 0。(4) 当/n1共振区时，变化猛烈， /n=1时无论阻尼大小，=/2 。(5) 当/n 1时， =。强迫振动与干扰力反相。对于不同的阻尼比x=n/n，可得一系列相位差随频率比/n的变化曲线，称为相位

19、差频率曲线，简称相频曲线。 例例4 知物体重知物体重P=3500N，k=20000N/m , 干扰力干扰力H=100N, f=2.5Hz , =1600Ns/m , 求求B, ,强迫振动方程。强迫振动方程。解：解：rad/s 58.1035008 . 92000022Pkgmkeqnm 105 . 2200002100230kHkHBeq485. 158.105 . 222 ; 212. 058.1024. 2rad/s 24. 28 . 9/3500216002nnnfnmn mm 84. 15 . 2736. 0736. 0485. 1212. 04)485. 11 (1)()(4)(1

20、102222222BBnnnn)847. 05sin(84. 1)rad( 847. 0)522. 0(arctg)(12arctg2txnnnn 12-4 临界转速临界转速 减振与隔振的概念减振与隔振的概念 一、转子的临界转速 引起转子猛烈振动的特定转速称为临界转速。这种景象是由共振引起的，在轴的设计中对高速轴应进展该项验算。单圆盘转子：单圆盘转子： 圆盘：质量圆盘：质量m , 质心质心C点；转轴过盘的几点；转轴过盘的几何中心何中心A点，点，AC= e ，盘和轴共同以匀角，盘和轴共同以匀角速度速度 转动。转动。 当当 n n为圆盘转轴所为圆盘转轴所组成的系统横向振动的固有频率时，组成的系统横向振动的固有频率时，OC= x+e (x为轴中点为轴中点A的弯曲变形。的弯曲变形。 kxexm2)(k为转轴相当刚度系数11222nemk