機械振動的概念

1、b)b)b)b)次要因素，將復雜的振系簡化為1-11-1機械振動的概念動稱為機械振動。能；降低了機械加工的精度和粗糙度；機器在使用中承受交變載荷而導致 構件的疲勞和磨損，以至破壞。此外，由于振動而產(chǎn)生的環(huán)境噪聲形成令 人厭惡的公害，交通運載工具的振動惡化了乘載條件，這些都直接影響了 人體的健康等等。但機械振動也有可利用的一面，在很多工藝過程中，隨 著不同的工藝要求，出現(xiàn)了各種類型利用振動原理工作的機械設備，被用 來完成各種工藝過程，如振動輸送、振動篩選、振動研磨、振動拋光、振 動沉樁等等。這些都在生產(chǎn)實踐中為改善勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等方 面發(fā)揮了積極作用。研究機械振動的目的就是要研究產(chǎn)生振

2、動的原因和它 的運動規(guī)律，振動對機器及人體的影響，進而防止與限制其危害，同時發(fā) 揮其有益作用。任何機器或結構物，由于具有彈性與質(zhì)量，都可能發(fā)生振動。研究振動問題時，通常把振動的機械或結構稱為振動系統(tǒng)（簡稱振系）。實際的 振系往往是復雜的，影響振動的因素較多。為了便于分析研究，根據(jù)問題的實際情況抓住主要因素，略去一個力學模型，針對力學模型來處理問題。振系的模型可分為兩大類：離 散系統(tǒng)（或稱集中參數(shù)系統(tǒng)）與連續(xù)系統(tǒng)（或稱分布參數(shù)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：質(zhì)量、彈簧與 阻尼器。其中質(zhì)量（包括轉(zhuǎn)動慣量）只具有慣性；彈簧只具有彈性，其本 身質(zhì)量略去不計，彈性力

3、只與變形的一次方成正比的彈簧稱為線性彈簧； 在振動問題中， 各種阻力統(tǒng)稱阻尼， 阻尼器既不具有慣性， 也不具有彈性， 它是耗能元件，在有相對運動時產(chǎn)生阻力，其阻力與相對速度的一次方成正比的阻尼器稱為線性阻尼器。連續(xù)系統(tǒng)是由彈性元件組成的，典型的彈 性元件有桿、梁、軸、板、殼等，彈性體的慣性、彈性與阻尼是連續(xù)分布 的。嚴格的說 , , 實際系統(tǒng)都是連續(xù)系統(tǒng)，所謂離散系統(tǒng)僅是實際連續(xù)系統(tǒng) 經(jīng)簡化而得的力學模型。例如將質(zhì)量較大、彈性較小的構件簡化為不計彈 性的集中質(zhì)量；將振動過程中產(chǎn)生較大彈性變形而質(zhì)量較小的構件，簡化 為不計質(zhì)量的彈性元件；將構件中阻尼較大而慣性、彈性小的彈性:章振動是一種特殊形式

4、的運動,它是指物體在其平衡位置附近所做的往復運動。如果振動物體是機械零件、部件、整個機器或機械結構，這種運振動在大多數(shù)情況下是有害的。由于振動，影響了儀器設備的工作性體也可 看成剛體。這樣就把分布參數(shù)的連續(xù)系統(tǒng)簡化為集中參數(shù)的離散系統(tǒng)。例如圖 1-11-1（a a）所示的安裝在混凝土基礎上的機器，為了隔振的目的, 在基礎下面一般還有彈性襯墊，如果僅研究這一系統(tǒng)在鉛垂方向的振動， 在振動過程中彈性襯墊起著彈簧作用，機器與基礎可看作一個剛體，起著 質(zhì)量的作用，襯墊本身的內(nèi)摩擦以及基礎與周圍約束之間的摩擦起著阻尼 的作用（阻尼用阻尼器表示，阻尼器由一個油缸和活塞、油液組成。活塞 上下運動時，油液從間

5、隙中擠過，從而造成一定的阻尼） 。這樣圖 1-11-1（a a） 所示的系統(tǒng)可簡化為 1-11-1 （b b）所示的力學模型。又如圖 1-21-2 中假想線表示 的是一輛汽車，若研究的問題是汽車沿道路行駛時車體的上下運動與俯仰運動，則可簡化為圖中實線所示的剛性桿的平面運動這樣一個力學模型。其中彈簧代表輪胎及其懸掛系統(tǒng)的彈性，車體的慣性簡化為平移質(zhì)量及繞 質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，輪胎及其懸掛系統(tǒng)的內(nèi)摩擦以及地面的摩擦等起著阻尼 作用，用阻尼器表示。下面以最簡 單的力學模型（圖 1-1b1-1b，其中略去阻尼）為例來闡明物體如何在平衡位置附近作往復運動的（a a）所示的靜平衡位置 0-00-0，此時物體的

6、重力與彈簧的彈性恢復力（此時 彈簧有靜變形）互相平衡，故合力為零，速度及加速度皆為零；當物體受 到向下的沖擊作用后，即向下運動，彈簧被進一步壓縮，彈簧恢復力逐漸 加大，合力的方向向上，使物體作減速運動。當物體的速度減小到零，物 體則運動到如圖 1-31-3 （b b）所示的最低位置，此時速度為零，由于合力的方 向向上，使物體產(chǎn)生向上的加速度，物體即開始向上運動；當物體返回到 如圖 1-31-3（c c）所示的平衡位置時，其所受的合力又為零，但其速度不為零, 由于慣性作用，物體繼續(xù)向上運動；隨著物體向上運動，彈簧逐漸伸長, 彈簧恢復力逐漸變小，物體重力大于彈簧恢復力，合力的方向向下，故物 體又作

7、減速度運動。當物體向上的速度減小到零時，物體即運動到如圖 1-31-3（d d）所示的最高位置。此后，物體即開始向下運動返回平衡位置；當物 體返回到如圖1-31-3（e e）所示的平衡位置時，其所受合力又為零，由于慣性 作用，物體繼續(xù)向下運動。這樣，物體便在平衡位置附近來回往復運動。從圖 1-31-3（ a a）到圖 1-31-3（e e）這一往復運動過程稱為完成一次振動。過程。當物體靜止時，物體處于圖 1-31-3/.1-21-2從運動學的觀點來看，機械振動是指機械系統(tǒng)的某些物理量（位移、速度、加速度），在某一數(shù)值附近隨時間 t t 的變化關系。當振動物體經(jīng)過 某一確定的時間間隔之后繼續(xù)重復

8、前一時間間隔的運動過程， 這種振動稱 為周期振動， 如圖 1-41-4（a a）所示。往復一次所需的時間間隔 T T 稱為周期。最簡單的周期振動是簡諧振動， 可以用正弦或余弦函數(shù)加以描述， 如圖 1-41-4（b b）所示，如果沒有一定的周期的振動，貝帰為非周期振動，如圖1-41-4（C）所示。1 1 2 2 振動的分類出。二者由系統(tǒng)的振動特性聯(lián)系著 , , 振動分析就是研究這三者間的相互關 系。為了便于分析研究問題 , , 有必要對振動作如下的分類。 按系統(tǒng)的輸入（振動原因）可分為 ：1.1. 自由振動系統(tǒng)受初始激擾或原有的外界激擾取消后，只依靠系統(tǒng) 本身的彈性恢復力維持的振動。2.2. 強

9、迫振動系統(tǒng)受外界持續(xù)激擾作用下所產(chǎn)生的振動。3.3. 自激振動激擾是由系統(tǒng)振動本身控制的，在適當?shù)姆答佔饔孟拢?系統(tǒng)會自動地激起的定幅振動。按系統(tǒng)的輸出（振動規(guī)律）可分為：1.1. 簡諧振動能用一項正弦和余弦函數(shù)表達其運動規(guī)律的周期性振 動。2.2. 非簡諧振動不能用一項正弦或余弦函數(shù)表達其運動規(guī)律的周期 性振動。3.3. 瞬態(tài)振動振動量為時間的非周期函數(shù)，通常只在一定的時間內(nèi)存 在。4.4. 隨機振動振動量不是時間的確定性函數(shù)，而只能用概率統(tǒng)計的方 法來研究的一個實際的振動系統(tǒng)，在外界激擾（亦稱激勵，可以是隨時間變化的力、速度、加速度及位移）作用下，會呈現(xiàn)一定的振動響應（亦稱反應，如位移、速

10、度及加速度等）。這種激擾就是系統(tǒng)的輸入 , , 響應就是系統(tǒng)的輸非周期性振動。按系統(tǒng)的自由度數(shù)可分為：1.1. 單自由度系統(tǒng)振動系統(tǒng)在振動過程中任何瞬時的幾何位置只需 要一個獨立坐標就能確定的振動。2.2. 多自由度系統(tǒng)振動系統(tǒng)在振動過程中任何瞬時的幾何位置需要 多個獨立坐標才能確定的振動。3.3. 彈性連續(xù)體的振動系統(tǒng)在振動過程中任何瞬時的幾何位置需要 無限多個獨立坐標 （位移函數(shù) ）才能確定的振動 , , 也稱為無限自由度系統(tǒng)振 動。四.按振動系統(tǒng)的結構參數(shù)的特性可分為：1.1. 線性振動系統(tǒng)的慣性力、阻尼力及彈性恢復力分別與加速度、速 度及位移成線性關系，能用常系數(shù)線性微分方程描述的振動

11、。2.2. 非線性振動系數(shù)的阻尼力或彈性恢復力具有非線性性質(zhì)，只能用 非線性微分方程來描述。五.按振動位移的特征可分為：1.1. 縱向振動振動物體上的質(zhì)點只作沿軸線方向的振動。2.2. 扭轉(zhuǎn)振動振動物體上的質(zhì)點只作繞軸線轉(zhuǎn)動的振動。3.3. 橫向振動振動物體上的質(zhì)點只作垂直軸線方向的振動?？v向振動與橫向振動又可稱為直線振動。1 1 3 3 簡諧振動的矢量表示法和復數(shù)表示法1.1.矢量表示法：簡諧振動可以用旋轉(zhuǎn)矢量在坐標軸上的投影來表示。設有一模為 A A 的旋轉(zhuǎn)矢量 0 0A A 以勻角速度3,由初始角為 位置開始，逆la)la)a 1-5時鐘向旋轉(zhuǎn)（見圖 1-5a1-5a）。則任一瞬時，這一

12、旋轉(zhuǎn)矢量在縱坐標軸上的投 影表示一簡諧振動（見圖 1-5b1-5b）。同樣它在橫坐標軸上的投影為一余弦函 數(shù)，也表示一簡諧振動。旋轉(zhuǎn)矢量的模就是簡諧振動的振幅，而旋轉(zhuǎn)角速 度就是簡諧振動的頻率。2.2. 復數(shù)表示法：如圖 1-61-6 所示，設 P P 為復平面上的一個點，連接 P P 與 坐標原點，得一矢量 OPOP 稱為復矢量。設復矢量 0P0P 的模為 A A,它在實軸 和虛軸上的投影分別為 AcoAcos s和 AsinAsin ，則復矢量 0P0P 可表示為如下復數(shù)形其中，復數(shù) Z Z 的模 A A 就是復矢量 0P0P 的模，復數(shù) Z Z 的復角0,（t）就 是復矢量 0P0P 與

13、實數(shù)軸的夾角。上式表明，簡諧函數(shù)可以用復數(shù)表示，復數(shù)的實部代表正弦函數(shù)，虛 部代表余弦函Tib數(shù)。在具體應用復數(shù)對簡諧振動進行計算時，可取復數(shù)的實部（或虛部） 進行計算，其結果亦取復數(shù)的實部（或虛部），本書如無特殊說明時均取復數(shù)虛部進行計算。式中A Ae，稱為復振幅,初相位角。簡諧振動的速度和加速度也可用復數(shù)表示為:將上述結果畫在復平面上，這些矢量關系如圖1-71-7 所示?？梢钥闯?，對復數(shù) AdAd3：每求導一次，則相當于在它前面乘上一個 i i3,而每乘上一個 i i，就相當于把這個復數(shù)矢量逆時針旋轉(zhuǎn)900。這就給運 算帶來一定的方便。1 14 4 振動問題及其解決方法，本課程的任務前面已

14、經(jīng)提到，振動分析就是研究激擾（輸入）、響應（輸出）和系統(tǒng)振動特性三者的關系，如圖 1-81-8 所示。不論是哪一類型振動問題，一般說 來，無非是在激擾、響應及系統(tǒng)特性三者之中，已知二者求第三者。從這 個意義上說，工程振動分析所要解決的問題可歸納為下列幾類:根據(jù)歐拉公式eicos isin,復數(shù) Z Z 可改寫為ZAei t,而其虛部對I I應的簡諧振動為：1.1.響應分析一這是在已知激擾與系統(tǒng)特性的情況下求系統(tǒng)的響應的問題，包括位移、速度、加速1-31-3許的振動能量水平提供了依 據(jù)。2.2.環(huán)境預測一這是在已知系統(tǒng)特性與響應的情況下來確定系統(tǒng)的輸 入，以判別系統(tǒng)的環(huán)境特性。3.3. 系統(tǒng)識別一這是在已知激擾與響應的情況下來確定系統(tǒng)的特性。后一種情況下，問題的另一種提法是：在一定激擾條件下，如何來設 計系統(tǒng)的特性使得系統(tǒng)的響應滿足指定的條件。這就是系統(tǒng)設計。實際的振動問題往往是錯綜復雜的，解決振動問題的方法，不外乎是 理論分析和試驗研究，二者是相輔相成的。計算機的日益發(fā)展和普及，以 及振動