振动与冲击理论基础幻灯片.ppt

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1、振动与冲击理论基础第1页，共62页，编辑于2022年，星期六1 1 概述概述商品破损的原因商品破损的原因:（1 1）冲击）冲击冲击过程的时间历程不能用数学式描述；冲击过程的时间历程不能用数学式描述；冲击幅值是多峰状态，包装的响应是随机分布的；冲击幅值是多峰状态，包装的响应是随机分布的；冲击波的形状比较复杂，难以用简单的函数表达；冲击波的形状比较复杂，难以用简单的函数表达；没有明确的冲击作用时间，很难用脉宽来定量时间；没有明确的冲击作用时间，很难用脉宽来定量时间；(2)(2)振动振动 某个物理量的值在观测时间内不断地经过极大值和极小值某个物理量的值在观测时间内不断地经过极大值和极小值地变化，这种

2、状态的改变称为振动。地变化，这种状态的改变称为振动。机械振动机械振动物体在平衡位置附近所做的周期性往复运动，称为机械物体在平衡位置附近所做的周期性往复运动，称为机械振动。（包装动力学研究的重点）振动。（包装动力学研究的重点）（3 3）气候条件）气候条件（温湿度、风雨、盐雾等）（温湿度、风雨、盐雾等）（4 4）其他因素）其他因素（如有害气体、热源、放射源、气味源和日光照射等）（如有害气体、热源、放射源、气味源和日光照射等）脆脆值值第2页，共62页，编辑于2022年，星期六1.1 1.1 机械振动机械振动组成：组成：振振动动系系统统（单单摆摆），振振源源（给给一一初初始始位位移移），响应响应 振动

3、问题：已知振源、系统特性，求响应振动问题：已知振源、系统特性，求响应 环境预测：已知系统特性、响应，求输入环境预测：已知系统特性、响应，求输入 系统识别：已知输入、响应，求系统特性系统识别：已知输入、响应，求系统特性车床车床+混凝混凝土机座土机座弹性垫弹性垫振动系统振动系统激励激励响应响应第3页，共62页，编辑于2022年，星期六1.1 1.1 实际包装系统实际包装系统简化简化第4页，共62页，编辑于2022年，星期六1.2 1.2 力学模型力学模型简化力学模型的原则：简化力学模型的原则：（1 1）要正确反映包装系统的特性；）要正确反映包装系统的特性；（2 2）在正确反映包装系统的特性的前提下

4、尽可能简化模）在正确反映包装系统的特性的前提下尽可能简化模型。型。考虑的具体问题：考虑的具体问题：（1 1）包装产品是均质刚体，还是由多个部件组成？产品的摆）包装产品是均质刚体，还是由多个部件组成？产品的摆放方式？放方式？（2 2）是否考虑外包装箱的质量和弹性？）是否考虑外包装箱的质量和弹性？（3 3）是否考虑缓冲材料的质量？）是否考虑缓冲材料的质量？（4 4）是否考虑缓冲材料的粘性？）是否考虑缓冲材料的粘性？第5页，共62页，编辑于2022年，星期六1.2 1.2 力学模型力学模型单自由度系统单自由度系统假假设设：被被包包装装产产品品为为均均质质刚刚体体，略略去去外外包包装装箱箱的的质质量量

5、和和弹弹性性，不不计计缓缓冲冲材材料料的的质质量量，并并视视为为粘粘性性和和阻阻尼尼的的弹性体。弹性体。m m：产品质量：产品质量k k：缓冲衬垫材料的弹性系数：缓冲衬垫材料的弹性系数c c：缓冲衬垫材料的粘性阻尼系数：缓冲衬垫材料的粘性阻尼系数第6页，共62页，编辑于2022年，星期六1.2 1.2 力学模型力学模型二自由度系统二自由度系统假假设设：略略去去外外包包装装箱箱的的质质量量和和弹弹性性，不不计计缓缓冲冲材材料料的的质质量量，并并视视为为粘粘性性和和阻阻尼的弹性体。尼的弹性体。m1,m2m1,m2：易损件和产品质量；：易损件和产品质量；k1k1，c1c1：易易损损件件与与产产品品间

6、间的的弹弹性性系系数数和和粘性阻尼系数；粘性阻尼系数；k2k2，c2c2：产产品品主主体体与与外外包包装装箱箱间间的的缓缓冲冲材料的弹性系数和粘性阻尼系数。材料的弹性系数和粘性阻尼系数。第7页，共62页，编辑于2022年，星期六1.2 1.2 力学模型力学模型三自由度系统三自由度系统假假设设：不不计计缓缓冲冲材材料料的的质质量量，并并视视为为粘粘性和阻尼的弹性体。性和阻尼的弹性体。m1,m2m1,m2：易损件和产品质量；：易损件和产品质量；m3m3：外外包包装装箱箱的的质质量量（外外包包装装箱箱很很重重时时）；k1k1，c1c1：易易损损件件与与产产品品间间的的弹弹性性系系数数和和粘性阻尼系数

7、；粘性阻尼系数；k2k2，c2c2：产品主体与外包装箱间的缓冲：产品主体与外包装箱间的缓冲材料的弹性系数和粘性阻尼系数。材料的弹性系数和粘性阻尼系数。第8页，共62页，编辑于2022年，星期六1.2 1.2 力学模型力学模型多自由度系统多自由度系统第9页，共62页，编辑于2022年，星期六1.2 1.2 力学模型力学模型多自由度系统多自由度系统假设：产品叠放在同一包装箱中或同一产品假设：产品叠放在同一包装箱中或同一产品 有多个关键零部件有多个关键零部件 不计缓冲材料的质量，并视为粘性和不计缓冲材料的质量，并视为粘性和 阻尼的弹性体。阻尼的弹性体。m1,m2m1,m2mnmn：质量；：质量；k1

8、k1，k2k2knkn：弹性系数；：弹性系数；c1c1，c2c2cncn：粘性阻尼系数。：粘性阻尼系数。第10页，共62页，编辑于2022年，星期六1.3 1.3 机械振动的分类机械振动的分类（1 1）按按自自由由度度分分：单单自自由由度度系系统统，二二自自由由度度系系统统，三三自自由由度度系系统统，多自由度系统，连续介质系统；多自由度系统，连续介质系统；（2 2）按系统运动的微分方程分：）按系统运动的微分方程分：线性振动线性振动（运动方程为线性微分方程）；（运动方程为线性微分方程）；非线性振动（运动方程为非线性微分方程）；非线性振动（运动方程为非线性微分方程）；（3 3）按系统输入类型分：）

9、按系统输入类型分：自由振动：系统只受初干扰或外界激励取消后，系统仅自由振动：系统只受初干扰或外界激励取消后，系统仅 在弹性恢复力的作用下产生振动。在弹性恢复力的作用下产生振动。强迫振动：系统在外界激励下产生的振动；强迫振动：系统在外界激励下产生的振动；自激振动：系统在输入和输出之间有反馈特性，并有能自激振动：系统在输入和输出之间有反馈特性，并有能 量补充而产生的诊断。量补充而产生的诊断。（4 4）按系统输出规律分：）按系统输出规律分：周期振动周期振动 随机振动随机振动 第11页，共62页，编辑于2022年，星期六2 2 单自由度线性系统的振动单自由度线性系统的振动2.1 2.1 单自由度线性系

10、统的自由振动单自由度线性系统的自由振动 自由振动自由振动振体在受到初干扰（初位移或振体在受到初干扰（初位移或初速度）后，仅在系统恢复力的作用下在平初速度）后，仅在系统恢复力的作用下在平衡位置附近作往复运动称为自由振动。衡位置附近作往复运动称为自由振动。第12页，共62页，编辑于2022年，星期六2.1.1 2.1.1 无阻尼系统的自由振动无阻尼系统的自由振动(a)(b)(c)平衡位置第13页，共62页，编辑于2022年，星期六（1 1）无阻尼系统自由振动的微分方程及求解）无阻尼系统自由振动的微分方程及求解图（图（b b）W=F=k W=F=k （2-12-1）图（图（c c）F=-k()F=-

11、k()负号表示力的方向负号表示力的方向根据牛顿第根据牛顿第2 2定律定律 F=ma F=ma 得振动体的运动微分得振动体的运动微分方程：方程：W-k()=m W-k()=m 由（由（2-12-1）得）得 m =-k m =-k（作作用用在在振振动动方方向向的的常常力力只只影影响响振振动动中中心心的的位位置，而不影响振动规律）置，而不影响振动规律）第14页，共62页，编辑于2022年，星期六（1 1）无阻尼系统自由振动的微分方程及求解）无阻尼系统自由振动的微分方程及求解设设 系统的固有特性，固有频率）系统的固有特性，固有频率）得得 （二阶常系数线性齐次微分方程）（二阶常系数线性齐次微分方程）解：

12、解：C C，D D待定系数待定系数代入初始条件：代入初始条件：所以所以,得方程的解得方程的解 第15页，共62页，编辑于2022年，星期六（1 1）无阻尼系统自由振动的微分方程及求解）无阻尼系统自由振动的微分方程及求解令令A A振幅：振体偏离振动中心的最大距离振幅：振体偏离振动中心的最大距离相位角，相位角，A A，由运动的初始条件定。由运动的初始条件定。第16页，共62页，编辑于2022年，星期六（2 2）周期、频率和圆频率）周期、频率和圆频率周期：周期：物体作一次完全振动（来回一次）所需的时间称为振动周物体作一次完全振动（来回一次）所需的时间称为振动周 期，用期，用T T表示，则物体在任一时

13、刻表示，则物体在任一时刻t t的运动状态（位置和的运动状态（位置和 速度）应该与物体在速度）应该与物体在t+Tt+T的运动状态（位置和速度）相同的运动状态（位置和速度）相同运动状态具有周期性运动状态具有周期性由于正弦函数的数值每经过由于正弦函数的数值每经过22重复一次，故重复一次，故 频率：频率：周期的倒数称为频率。它表示单位时间内（每秒）物体所周期的倒数称为频率。它表示单位时间内（每秒）物体所 作的完全振动的次数，单位为赫兹（作的完全振动的次数，单位为赫兹（HzHz）。）。圆频率圆频率 ：表示振动体在：表示振动体在22秒内的振动次数。秒内的振动次数。（弧度（弧度/秒）秒）第17页，共62页，

14、编辑于2022年，星期六（2 2）周期、频率和圆频率之间的关系）周期、频率和圆频率之间的关系说明：周期、频率或固有频率都是由振动系统本说明：周期、频率或固有频率都是由振动系统本 身的性质所决定的量；这种由系统本身性身的性质所决定的量；这种由系统本身性 质所决定的周期、频率或圆频率往往称为质所决定的周期、频率或圆频率往往称为 固有周期固有周期、固有频率固有频率或或固有圆频率固有圆频率。第18页，共62页，编辑于2022年，星期六例：求质量例：求质量弹簧系统的周期、频率或圆频率。弹簧系统的周期、频率或圆频率。结论：质量结论：质量弹簧系统的周期、频率和圆频率与重力弹簧系统的周期、频率和圆频率与重力

15、作用下的静变形有关。作用下的静变形有关。代入代入 第19页，共62页，编辑于2022年，星期六（3 3）计算固有频率的能量法）计算固有频率的能量法 根据能量守恒定理，系统的机械能守恒：根据能量守恒定理，系统的机械能守恒：T+V=T+V=常数常数 T T：动能，：动能，V V：势能：势能具体研究质量具体研究质量弹簧系统：振动体在任意位置弹簧系统：振动体在任意位置且有速度且有速度 ，则，则第20页，共62页，编辑于2022年，星期六（3 3）计算固有频率的能量法）计算固有频率的能量法平衡位置：平衡位置：极限位置：极限位置：在上述系统中：在上述系统中：，即，即 代入代入 第21页，共62页，编辑于2

16、022年，星期六（4 4）串联弹簧和并联弹簧的等效刚度）串联弹簧和并联弹簧的等效刚度串联弹簧串联弹簧 第22页，共62页，编辑于2022年，星期六（4 4）串联弹簧和并联弹簧的等效刚度）串联弹簧和并联弹簧的等效刚度并联弹簧：并联弹簧：推广到推广到N N个并个并联弹联弹簧：簧：第23页，共62页，编辑于2022年，星期六2.1.2 2.1.2 阻尼对自由振动的影响阻尼对自由振动的影响衰减振动衰减振动(1)(1)阻尼振动阻尼振动：振幅随时间而减小的振动称为阻尼振动。：振幅随时间而减小的振动称为阻尼振动。(2)(2)粘粘滞滞阻阻尼尼的的大大小小:当当振振体体以以不不大大的的速速度度在在流流体体介介质

17、质（空空气气、油油类类等等）中中运运动动时时，介介质质给给振振体体的的阻阻尼尼的的大大小小与与振振体体速速度成正比，即度成正比，即 粘粘滞滞阻阻尼尼系系数数，取取决决于于振振体体的的形形状状、大大小小和和介介质质的的性质，单位为牛顿性质，单位为牛顿秒秒/米。米。振体速度，米振体速度，米/秒。秒。牛顿。牛顿。-号表示阻尼的方向与振体速度的方向相反。号表示阻尼的方向与振体速度的方向相反。第24页，共62页，编辑于2022年，星期六（3 3）单自由度有阻尼系统的受力分析）单自由度有阻尼系统的受力分析取平衡位置为坐标原点取平衡位置为坐标原点 ，该系统的运动微分方程为该系统的运动微分方程为方程的解可设为

18、方程的解可设为 代入微分方程代入微分方程 得得 该系统的特征方程该系统的特征方程（二阶常系数线性齐次微分方程）（二阶常系数线性齐次微分方程）第25页，共62页，编辑于2022年，星期六特征方程的解特征方程的解 产生重根的情况在物理上具有特殊意义，将对应的阻尼产生重根的情况在物理上具有特殊意义，将对应的阻尼 系数称为系数称为临界阻尼系数临界阻尼系数。设设 系统中实际存在的阻尼与该系统临界阻尼系数之系统中实际存在的阻尼与该系统临界阻尼系数之比，称为比，称为阻尼比阻尼比。第26页，共62页，编辑于2022年，星期六(A)(A)小阻尼系统的自由振动（小阻尼系统的自由振动（111）强阻尼系统强阻尼系统特

19、征方程有两个负实根特征方程有两个负实根 ：振体运动的微分方程的解为两个衰减指数函数的和：振体运动的微分方程的解为两个衰减指数函数的和：取决于初始条件取决于初始条件 第30页，共62页，编辑于2022年，星期六第31页，共62页，编辑于2022年，星期六例题1：缓冲衬垫的排列如图所示，其中缓冲衬垫的弹簧刚度缓冲衬垫的排列如图所示，其中缓冲衬垫的弹簧刚度为为 ，求等效弹簧刚度。求等效弹簧刚度。解：解：第32页，共62页，编辑于2022年，星期六例题例题2 2：已知单自由度小阻尼系统在已知单自由度小阻尼系统在 时的第三个振幅比时的第三个振幅比 的的第二个振幅降低了第二个振幅降低了20%20%，求此系

20、统的阻尼系数和固有频率。，求此系统的阻尼系数和固有频率。解：解：（1 1）求阻尼系数）求阻尼系数小阻尼系统对数衰减率：小阻尼系统对数衰减率：（2 2）求固有频率）求固有频率 振动周期振动周期 ，阻尼系统的固有频率为：，阻尼系统的固有频率为：第33页，共62页，编辑于2022年，星期六2.2 2.2 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 受迫振动：振动系统在长时间或瞬间的激励作用下发生的振动。受迫振动：振动系统在长时间或瞬间的激励作用下发生的振动。2.2.1 2.2.1 运动微分方程及求解运动微分方程及求解以静平衡位置为坐标原点，以静平衡位置为坐标原点，坐标向下为正。坐标向下为正。F F

21、（t t）简谐扰力）简谐扰力（二阶常系统非齐次微分方程）（二阶常系统非齐次微分方程）第34页，共62页，编辑于2022年，星期六2.2.1 2.2.1 运动微分方程及求解运动微分方程及求解 方程的解为：方程的解为：其中：其中：为对应的齐次方程的通解，设为对应的齐次方程的通解，设 ，则，则 是一个衰减运动，瞬态解，通常不考虑；是一个衰减运动，瞬态解，通常不考虑；为特解（稳态解）：为特解（稳态解）：为强迫振动的振幅，为强迫振动的振幅，为相位角。为相位角。将将 代入非齐次微分方程中，可得代入非齐次微分方程中，可得 强强迫迫振振动动的的振振幅幅和和相相位位角角只只决决定定于于系系统统本本身身的的特特性

22、性和和干干扰扰力力的的性性质质，与运动的初始条件无关。与运动的初始条件无关。第35页，共62页，编辑于2022年，星期六第36页，共62页，编辑于2022年，星期六(1)(1)频率比频率比 ：稳态解为：稳态解为：(2)(2)静力偏移静力偏移 ：力幅作用下系统的偏移力幅作用下系统的偏移 (3)(3)动力放大系数动力放大系数 ：表示干扰力对振动系统动力作用的效果，取决于表示干扰力对振动系统动力作用的效果，取决于 和和 。第37页，共62页，编辑于2022年，星期六(4)(4)曲线（以曲线（以 为参变量）为参变量）第38页，共62页，编辑于2022年，星期六(4)(4)曲线（以曲线（以 为参变量）为

23、参变量）A A1 1，即即 （低低频频段段），接接近近1 1，接接近近 缓缓慢慢交交变变的的干干扰扰力的动力作用接近其静力的作用。力的动力作用接近其静力的作用。B B 1 1，即即 （高高频频段段），接接近近0 0，干干扰扰力力交交变变极极其其迅迅速速时时，振体由于惯性几乎来不及振动。振体由于惯性几乎来不及振动。C C对对 的各条曲线，当的各条曲线，当 增大时，对于确定的增大时，对于确定的 和和 ，都有相应的最大值，都有相应的最大值共振共振解决问题！解决问题！求出共振时求出共振时 和和 ，求极值的问题。求极值的问题。当当 值较小（实际中往往如此），认为值较小（实际中往往如此），认为 ，即，即

24、干扰力频率接近于系统的固有频率时发生共振，干扰力频率接近于系统的固有频率时发生共振，。当当 ，无共振现象。，无共振现象。D.D.当当 =0=0，无无阻阻尼尼自自由由振振动动。从从图图上上可可以以看看出出，小小阻阻尼尼系系统统和和无无阻阻尼尼系系统的响应没有区别。因此，在统的响应没有区别。因此，在 和和 时可以按无阻尼系统来计算时可以按无阻尼系统来计算 值。值。第39页，共62页，编辑于2022年，星期六例题例题3 3：在如图所示的振动系统中，已知弹簧常数在如图所示的振动系统中，已知弹簧常数 ，物块，物块质量质量 ，粘滞阻尼系数，粘滞阻尼系数 ，干扰力的，干扰力的力幅力幅 ，干扰力频率，干扰力频

25、率 ，试求振体的受迫，试求振体的受迫振动。振动。第40页，共62页，编辑于2022年，星期六解：分析解：分析 求求 和和 求求 和和（1 1）求系统的固有频率）求系统的固有频率 （注意单位）（注意单位）（2 2）求频率比）求频率比（3 3）求阻尼比）求阻尼比（4 4）求）求 和和 第41页，共62页，编辑于2022年，星期六2.2.2 2.2.2 支座激励与隔振支座激励与隔振强迫振动强迫振动外界的激励力，位移干扰。外界的激励力，位移干扰。（1 1）系统运动微分方程及求解）系统运动微分方程及求解运动微分方程为运动微分方程为 将将 方程的稳态解为：方程的稳态解为：第42页，共62页，编辑于2022

26、年，星期六（2 2）传递率）传递率 :（振体振幅与支座振动的振幅的比值）（振体振幅与支座振动的振幅的比值）（3 3）曲线曲线（为参变量）为参变量）第43页，共62页，编辑于2022年，星期六A A 1 1，1 1，隔隔振振体体的的固固有有频频率率远远大大于于激励频率时，激励频率时，1 1，没有隔振效果。，没有隔振效果。B B 区域内，区域内，振体振幅会被放大，当，振体振幅会被放大，当 ，发发生生共共振振。放放大大区区。运运输输包包装装工工具具在在起起制制动动过过程程中中可可能能会会经经过过放放大大区区，因因此此隔隔振振体体（缓缓冲冲结结构构）应应有适当的阻尼。有适当的阻尼。C C ，有有隔隔振

27、振效效果果，称称为为隔隔振振区区。在在实实际际应应用中取用中取 。（4 4）传递率曲线分析）传递率曲线分析第44页，共62页，编辑于2022年，星期六例例4 4：包装件内装产品在静平衡时压缩缓冲衬垫引起的静变形为包装件内装产品在静平衡时压缩缓冲衬垫引起的静变形为5.08cm5.08cm，如果，如果此包装放在运输车上，支座扰频为此包装放在运输车上，支座扰频为 ，支座扰力幅值，支座扰力幅值 ，求产品最大位移和最大加速度。，求产品最大位移和最大加速度。解：分析，求解：分析，求在本题中不考虑阻尼，故在本题中不考虑阻尼，故 第45页，共62页，编辑于2022年，星期六（1 1）求系统固有频率）求系统固有

28、频率 （注意单位）（注意单位）（2 2）求传递率）求传递率 （3 3）求）求 第46页，共62页，编辑于2022年，星期六2.2.3 2.2.3 任意周期激励力引起的强迫振动任意周期激励力引起的强迫振动（1 1）非简谐周期激振力引起的受迫振动）非简谐周期激振力引起的受迫振动系统的运动微分方程为系统的运动微分方程为 应用谐波分析法，可将应用谐波分析法，可将 按富里埃级数展开成一系列不同按富里埃级数展开成一系列不同频率的简谐激振力，即频率的简谐激振力，即 为为常力，取静平衡位置为坐标原点，方程中不出现该项。常力，取静平衡位置为坐标原点，方程中不出现该项。当系统阻尼较小时，当系统阻尼较小时，可忽略不

29、计，可忽略不计，方程的解为：，方程的解为：为第为第j j阶谐波阶谐波响应的相位差响应的相位差 为第为第j j阶频率比阶频率比 第47页，共62页，编辑于2022年，星期六（2 2）非简谐的周期性支承运动引起的受迫振动）非简谐的周期性支承运动引起的受迫振动 单自由度系统在支承运动单自由度系统在支承运动 作用下的稳态响应为：作用下的稳态响应为：根据叠加原理，得非简谐周期性支承运动作用下系统的稳态响应：根据叠加原理，得非简谐周期性支承运动作用下系统的稳态响应：若忽略阻尼若忽略阻尼 =0 =0，则，则 ，方程的解可简化为：，方程的解可简化为：第48页，共62页，编辑于2022年，星期六2.2.4 2.

30、2.4 任意激励力引起的强迫振动任意激励力引起的强迫振动系统的运动微分方程为：系统的运动微分方程为：任意激励力，非周期，无法直接求解任意激励力，非周期，无法直接求解解决方法：任意激励力解决方法：任意激励力分解成无数多个脉冲宽度（脉冲作用时间）为分解成无数多个脉冲宽度（脉冲作用时间）为无限小的脉冲，在无限小的脉冲，在 的间隔的间隔 内，系统质量受到一个微冲量内，系统质量受到一个微冲量 的作用的作用阴影面积表示阴影面积表示求出单独脉冲作用下系统的响应求出单独脉冲作用下系统的响应叠加叠加系统的总响应。系统的总响应。它包括了任意激励力作用下的瞬态振动它包括了任意激励力作用下的瞬态振动和激励停止后的自由

31、振动。和激励停止后的自由振动。若忽略阻尼，则若忽略阻尼，则 =0 =0，方程的解可简，方程的解可简化为：化为：DuhamelDuhamel积分法积分法第49页，共62页，编辑于2022年，星期六例例5 5：试求有阻尼单自由度系统对图：试求有阻尼单自由度系统对图2-152-15（a a）所示的阶跃函数激励的响应。）所示的阶跃函数激励的响应。解：单位阶跃函数可表示为：解：单位阶跃函数可表示为：阶跃函数可表示为阶跃函数可表示为 ,系统运动微分方程为：系统运动微分方程为：利用利用DuhamelDuhamel积分法，在积分法，在t0,t0,则响应为：则响应为：对无阻尼系统，对无阻尼系统，=0=0，系统响

32、应为：，系统响应为：当当 时，响应达到最大，即时，响应达到最大，即 ，为静变形的，为静变形的2 2倍，倍，其响应曲线见图（其响应曲线见图（b b）.第50页，共62页，编辑于2022年，星期六例例6 6：求半周期正弦脉冲激励对单自由度无阻尼系统的响应。：求半周期正弦脉冲激励对单自由度无阻尼系统的响应。第51页，共62页，编辑于2022年，星期六解：时间间隔为解：时间间隔为 的半周期正弦脉冲波形如图的半周期正弦脉冲波形如图a a 所示，可表示成：所示，可表示成：式中：式中：利用利用DuhamelDuhamel积分法，半周期正弦脉冲在积分法，半周期正弦脉冲在 的响应为：的响应为：当当 ，激振力为，

33、激振力为0 0，响应只取决于，响应只取决于 时的状态，有：时的状态，有：当当 的值不同时，响应曲线不同，（的值不同时，响应曲线不同，（c c）半周期正弦脉冲的冲）半周期正弦脉冲的冲击响应谱。击响应谱。第52页，共62页，编辑于2022年，星期六2.3 2.3 多自由度线性系统的振动多自由度线性系统的振动 2.3.1 2.3.1 两自由度线性系统的振动两自由度线性系统的振动第53页，共62页，编辑于2022年，星期六（1 1）系统的运动微分方程）系统的运动微分方程整理得：整理得：耦合方程耦合方程 引入矩阵和向量：引入矩阵和向量：矩阵方程矩阵方程 第54页，共62页，编辑于2022年，星期六（2

34、2）无阻尼系统的自由振动）无阻尼系统的自由振动方程的解为：方程的解为：为任意常数（由初始条件确定）为任意常数（由初始条件确定）为为 在频率在频率 时的振幅。时的振幅。基波基波：较低的频率项为基波；如果：较低的频率项为基波；如果 ，为基波。为基波。谐波谐波：其他的项称为谐波。：其他的项称为谐波。其中为常数其中为常数 第55页，共62页，编辑于2022年，星期六主振型主振型：系统按给定的一个固有频率作自由振动为主振动，系统作主振动系统按给定的一个固有频率作自由振动为主振动，系统作主振动的任何瞬间的各点位移之间所具有的一定比值，即整个系统具有确定的振的任何瞬间的各点位移之间所具有的一定比值，即整个系

35、统具有确定的振动形态，成为主振型。动形态，成为主振型。第56页，共62页，编辑于2022年，星期六若若 =0 =0，则产生第一主振型。，则产生第一主振型。或或振型矢量振型矢量 若若 =0 =0，则产生第二主振型，则产生第二主振型 。或或整个方程的解整个方程的解 振型矩阵振型矩阵 第57页，共62页，编辑于2022年，星期六（3 3）有阻尼系统的强迫振动）有阻尼系统的强迫振动 为任意的力或位移，无法直接求解；为任意的力或位移，无法直接求解；考虑考虑 和和 具有相同频率的谐波激励具有相同频率的谐波激励（复数域的问题）（复数域的问题）稳态响应为：稳态响应为：为复数常数为复数常数 第58页，共62页，

36、编辑于2022年，星期六2.3.2 2.3.2 多自由度线性系统的振动多自由度线性系统的振动第59页，共62页，编辑于2022年，星期六其运动微分方程为：其运动微分方程为：有限单元法求解有限单元法求解 第60页，共62页，编辑于2022年，星期六2.4 2.4 随机振动的基础理论在包装中的应用随机振动的基础理论在包装中的应用如图所示的包装箱受到白噪声功率谱密度常值为如图所示的包装箱受到白噪声功率谱密度常值为 ，阻阻尼尼比比 ，质质量量为为 的的产产品品与与刚刚度度为为 的的弹弹簧簧构构成成单单自自由由度度系统，具有系统，具有 的固有频率。试求产品与箱壁之间的允许间隙。的固有频率。试求产品与箱壁

37、之间的允许间隙。解：解：产品位移的均方根值为：产品位移的均方根值为：按照按照“3 3 ”准则，把可靠度取为准则，把可靠度取为99.74%,99.74%,产品与箱壁之间的间隙产品与箱壁之间的间隙应大于应大于 第61页，共62页，编辑于2022年，星期六 思考题和计算题思考题和计算题1 1结结合合手手机机及及附附件件（充充电电器器等等）的的包包装装思思考考如如何何将将不不同同的的包包装装件件的的组组合合方方法法简简化化成成动动力力学学模模型型。如如果果手手机机和和充充电电器器采采用用并并联联的的方方式式排排列列，考考虑虑缓缓冲冲衬衬垫垫的的阻尼，建立该系统的自由度系统的运动微分方程。阻尼，建立该系

38、统的自由度系统的运动微分方程。2 2无无阻阻尼尼系系统统的的自自由由振振动动与与有有阻阻尼尼自自由由振振动动有有何何区区别别（从从动动力力学学模模型型和和响响应应等等方方面面进行分析）？阻尼的大小对自由振动的响应有何影响？进行分析）？阻尼的大小对自由振动的响应有何影响？3 3计算如图所示的组合衬垫的等效刚度，其中计算如图所示的组合衬垫的等效刚度，其中K1=100N/MMK1=100N/MM，K2=200N/MMK2=200N/MM，K3=500N/MMK3=500N/MM。4 4受迫振动的振幅受迫振动的振幅B B与静力偏移与静力偏移B0B0之比称为动力放大系数，用之比称为动力放大系数，用 表示，即表示，即 可见动力放大系数可见动力放大系数 只取决于只取决于 和和 。请分析。请分析 和和 在不同取值在不同取值范围时的振动情况。范围时的振动情况。123第62页，共62页，编辑于2022年，星期六