《振动力学》(教学大纲)

《振动力学与控制基础》课程大纲一、课程名称中文名称：振动力学与控制基础英文名称：Fundamentalsofvibrationmechanicsandcontrol二、课程性质专业选修课程三、学时与学分总学时：40学时（理论学时：36学时；实验实践学时：4学时）总学分：2.5学分四、先修课程微积分、理论力学、材料力学、复变函数与积分变换、偏微分方程等五、适用学科专业飞行器设计与工程、工程力学、机械工程等相关专业六、课程目标《振动力学与控制基础》是一门培养学生具有结构振动力学分析的技术基础课程，是航空航天、机械、力学等相关专业的主干课程。本课程在立德树人方面应着重培养学生的科学精神、探索未知追求真理的态度、工程伦理和可持续发展的设计思想。在教学内容方面，应着重传授结构及机械系统的统一动力学建模与求解方法，培养将复杂问题加以适当简化和力学建模的能力。在培养实践能力方面，应着重开展振动实验，深化基本的结构振动的分析方法。本课程的主要任务是通过教学与实验、实践环节培养学生：运用马克思主义辩证唯物主义和历史唯物主义分析结构振动问题的能力；振动力学与控制基础知识的应用能力；对于结构振动问题进行系统表达、建立模型、分析求解的能力。通过以上的学习和实践，学生将能够在航空航天等相关领域的结构振动问题分析和解决中展现专业能力和科学素养。本课程的教学目标包括：1.掌握结构及机械系统振动的基本原理，掌握航空航天工程学科工程振动力学与控制领域所需的专业基础知识。2.掌握包括单自由度、多自由度、连续体系统的统一动力学建模与求解方法，能够求解自由状态和受迫振动下的动力学响应，能够用于解决复杂工程结构振动问题的推演与分析。3.能够运用所学知识、原理和方法，对机械系统和结构的振动问题进行分析和判断。七、教学重点与难点1.教学重点（1）单自由度振动系统的自由及受迫振动响应求解;（2）多自由度振动系统的自由及受迫振动响应求解；（3）多自由度振动系统的模态及模态频率求解；（4）连续体系统的动力学建模及振动分析；（5）基本的振动控制方法。2.教学难点（1）单/多自由度系统振动求解方法；（2）系统边界条件问题；（3）连续体系统振动求解方法；（4）基本的振动控制方法及理论。八、教学内容及教学方法1.教学方法课内学时主要包含理论课堂教学和实验室实践教学两类。在理论课堂中采用启发式教学和课堂讨论教学方法，课堂上结合实际的工程结构振动问题，吸引学生注意力和兴趣，然后展开课程叙述。在教师的主导下，同学针对不同的系统动力学模型的建立、求解方案展开讨论。课堂均采用多媒体和黑板相结合的教学手段。2.教学手段本课程采用理论实践相结合的教学方式，在理论教学过程中，借助多媒体电子课件进行授课，演绎推理与归纳综合并重，注重启发学生研究型力学思维，突出对学生自主学习能力、创新思维能力的培养。通过展示丰富的图片及动画使学生直观了解结构动力学模型背后的工程实际问题；通过精心设计的例题研讨使学生掌握解决振动问题的基本方法。在实践教学过程中，通过现场实验教学培养学生研究型思维，鼓励学生在实验中追溯振动问题，引导学生利用振动力学与控制基础原理自主完成相关设计。3.教学内容教学内容见表1。表1:课程教学内容及教学方式支撑课程目标的关系矩阵教学内容教学要求对应课程目标学时教学方法课后文献阅读/作业和讨论一、绪论1.课程内容概述；2.数学工具—拉普拉斯变换；3.数学工具—矩阵的特征值和特征向量。1.了解振动力学与控制基础课程的意义；2.掌握拉普拉斯变换；3.掌握振动的频域、时域表示方法。思政内容：航空航天、舰船等军事科技结构振动问题的必要性和发展进程，激发学生的国防科研热情，使学生明白自己所学与工程实践的关系，激发学生爱国热情。1、24讲授/研讨1.阅读相关文献，了解本专业工程结构存在的振动问题；2.完成课后习题作业。二、单自由度振动系统1.单自由度振动系统动力学建模；2.单自由度系统振动求解方法；3.自由振动特性分析；4.受迫振动特性分析。1.了解振动的基本元素：质量、刚度、阻尼及信号；2.掌握拉格朗日方程法建立单自由度系统动力学方程；3.掌握单自由度系统拉普拉斯变换振动求解方法；4.掌握单自由度系统自由振动与受迫振动分析方法。思政内容：在推导单自由度振动方程时，培养学生严密的推理逻辑。1、28讲授/研讨1.阅读相关文献，精读教材；2.身边可简化为单自由度结构振动问题的讨论；3.完成课后习题作业。三、离散多体动力学1.多自由度振动系统动力学建模；2.无阻尼多自由度系统的矩阵表达式及特征值问题；3.无阻尼多自由度系统的受迫振动；4.有阻尼多自由度系统的受迫振动。1.掌握拉格朗日方程法建立多自由度系统动力学方程；2.掌握特征值问题的求解方法与模态叠加法；3.掌握无/有阻尼多自由度系统自由振动与受迫振动分析方法。思政内容：在分析多自由度系统振动时，用单自由度系统进行对比，培养学生从易到难解决实际工程问题的能力。1、28讲授/研讨1.阅读相关文献，精读教材；2.身边的多自由度振动问题的讨论；3.完成课后习题作业。四、连续体振动1.杆拉压振动、轴扭转振动、梁横向振动方程推导；2.连续体系统初始条件与边界条件；3.连续体受迫振动求解与分析。1.掌握杆、轴、梁振动建模方法；2.掌握切刀法确定边界条件；3.掌握杆、轴、梁受迫振动求解与分析方法。思政内容：以我国空间站为例，介绍航空航天柔性结构的应用，让学生认识振动科学的关键性。2、310讲授/研讨1.阅读相关文献，精读教材；3.身边的杆、轴、梁振动问题讨论；3.完成课后习题作业。五、振动控制方法1.隔振器的原理及其优化设计；2.无阻尼与有阻尼动力吸振器；3.反馈最优控制方法；4.前馈自适应控制方法。1.掌握隔振器与动力吸振器的基本设计方法；2.掌握反馈最优控制器的设计方法；3.掌握自适应控制器的设计方法。思政内容：以潜艇减振降噪为例，介绍振动控制应用，介绍主动振动控制等先进振动控制知识，使学生明白如何利用所学知识进行初步的振动工程设计，明白如何利用知识解决国防科研问题。2、36讲授/研讨1.阅读相关文献，精读教材；3.身边的振动控制问题讨论；3.完成课后习题作业。实验：悬臂梁振动辨识1.实验要求：以悬臂梁为对象，利用实验测试手段辨识悬臂梁的一阶固有频率和阻尼比;2.训练实际动手和工程实践能力。34现场实验/研讨1.完成实验数据处理；2.完成实验报告；3.思考实验过程相关问题。九、课程评价本课程评价与考核以学生能力目标的达成为主要目的。评价形式采用平时考核成绩（占50%）与期末考试成绩（占50%）相结合的方式，其中：(1)评价环节1：课后作业占40%；(2)评价环节2：实验报告占10%；(3)评价环节3：期末考试占50%，考核方式为闭卷试题。表2：课程评价支撑课程目标的关系矩阵评价环节目标1目标2目标3各环节成绩占比考核环节及其成绩比例评价1：课后作业第1-2章课后习题3%10%40%第3章课后习题2%5%第4-5章课后习题5%5%第6章课后习题5%5%评价2：实验报告悬臂梁振动辨识实验2%3%5%10%评价3：期末考试单自由度系统振动计算题5%10%50%多自由度系统振动计算题3%7%5%连续体系统振动计算题5%5%振动控制计算题5%5%毕业要求观测点所占比例合计15%55%30%100%表3：针对课程目标的课程评价标准课程目标评价标准高于预期（优秀）达到预期（合格）低于预期（不合格）课程目标1准确地掌握结构及机械系统振动的基本原理。掌握结构及机械系统振动的基本原理。未掌握结构及机械系统振动的基本原理。课程目标2准确地掌握单自由度、多自由度、连续体系统的统一动力学建模与求解方法，能够求解自由状态和受迫振动下的动力学响应。掌握单自由度、多自由度、连续体系统的统一动力学建模与求解方法，基本能够求解自由状态和受迫振动下的动力学响应。未掌握单自由度、多自由度、连续体系统的统一动力学建模与求解方法，不能求解自由状态和受迫振动下的动力学响应。课程目标3能够运用所学知识、原理和方法，正确分析和判断机械系统和结构的振动问题。可以运用所学知识、原理和方法，基本正确分析和判断机械系统和结构的振动问题。不能运用所学知识、原理和方法，不能正确分析和判断机械系统和结构的振动问题。十、教学或参考书目推荐教材：[1]机械振动(第5版)，清华大学出版社，2016，SingiresuS.Rao等编课外阅读书目/期刊：[1]机械振动，清华大学出版社，2014，吴天行、华宏星主编[2]机械振动基础，哈尔滨工业大学出版社，胡海岩主编[3]振动工程学报（期刊）[4]LeonardMeirovitch,PrinciplesandTechniquesofVibrations,PrenticeHall,1