机械振动第二章精.ppt
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1、机械振动第二章第1页,本讲稿共64页工程中的自由振动由于阻尼的存在而逐渐衰减,最后完全停止实际上又存在有大量不衰减的持续振动,由于外界有能量输入以补充阻尼的消耗,有的承受外加的激振力。在外加激振力作用下的振动称为受迫振动。一.单自由度系统的无阻尼受迫振动交流电通过电磁铁产生交变的电磁力引起振动系统;弹性梁上的电动机由于转子偏心在转动时引起的振动等。简谐激振力是一种典型的周期变化的激振力:H:激振力力幅;激振力力幅;:激振力的圆频率;:激振力的圆频率;:激振力初相位:激振力初相位第2页,本讲稿共64页设F为简谐激振力,F在坐标轴上的投影写成:1.振动微分方程图示振动系统,物块质量为m。取物块的平
2、衡位置为坐标原点,坐标轴铅直向下.恢复力Fk 在坐标轴上的投影为两端除以m,并设:物块受力有恢复力Fk和激振力F。质点的运动微分方程为则得:该式为无阻尼受迫振动微分方程的标准形式第3页,本讲稿共64页二阶常系数非齐次线性微分方程解由两部分组成:齐次方程的通解为:将x2代入无阻尼受迫振动微分方程,得:b为待定常数设特解为:得无阻尼受迫振动微分方程的全解:解得:第4页,本讲稿共64页表明:无阻尼受迫振动是由两个谐振动合成的:第一部分是频率为固有频率的自由振动;第二部分是频率为激振力频率的振动,称为受迫振动。实际振动系统存在阻尼,自由振动部分总会逐渐衰减下去,因而我们着重研究第二部分受迫振动,它是一
3、种稳态的振动。2.受迫振动的振幅在在简简谐谐激激振振的的条条件件下下,系系统统的的受受迫迫振振动动为为谐谐振振动动,其其振振动动频频率率等等于于激激振振力力的的频频率率,振振幅幅的的大大小小与与运运动动起起始始条条件件无无关关,与与振振动动系系统统的固有频率的固有频率n激振力的力幅激振力的力幅H、激振力频率、激振力频率有关。有关。第5页,本讲稿共64页(1)若若0,此此时时激激振振力力的的周周期期趋趋近近于于无无穷穷大大,激激振振力力为为一一恒恒力力,并并不不振振动动,所所谓的谓的b0振幅实为静力振幅实为静力H作用下的静变形。作用下的静变形。下面讨论受迫振动的振幅与激振力频率之间的关系(2)若
4、若0n按按式式b为为负负值值。习习惯惯上上把把振振幅幅都都取取为为正正值值,因因而而取取其其绝绝对对值值,而而视视受受迫迫振动与激振力反向,相位应加(或减)振动与激振力反向,相位应加(或减)1800。随着激振力频率随着激振力频率增大,振幅增大,振幅b减小。当减小。当趋于趋于,振幅,振幅b减小趋于零。减小趋于零。第6页,本讲稿共64页将将纵纵轴轴取取为为=b/b0,横横轴轴取取为为=/n,和和都都是是无无量量纲纲的的量量,绘绘出无量纲的振幅频率曲线。出无量纲的振幅频率曲线。振幅振幅b与激振力频率与激振力频率之间的关系之间的关系绘出曲线表示。该曲线称为振幅频率曲线第7页,本讲稿共64页上上述述分分
5、析析,当当=n时时,即即激激振振力力频频率率等等于于系系统统的的固固有有频频率率时时,振振幅幅b在在理理论论上上应应趋趋向向无无穷大,这种现象称为共振。穷大,这种现象称为共振。此时特解应设为:(3)共振现象当当=n时时是没有意义的无阻尼受迫振动微分方程得:它的幅值为:共振时受迫振动的运动规律为:第8页,本讲稿共64页实际上,由于系统存在阻尼,共振时振幅不可能达到无限大,一般来说,共振时的振幅都是相当大,往往使机器产生过大的变形,甚至造成破坏。因此如何避免发生共振是工程中一个非常重要的课题。当当=n时,系统共振,时,系统共振,受迫振动的振幅随时间受迫振动的振幅随时间无限地增大,其运动图无限地增大
6、,其运动图线如图示。线如图示。第9页,本讲稿共64页例例.图图示示为为一一无无重重刚刚杆杆AO,杆杆长长为为l,其其一一端端O铰铰支支另另一一端端A水水平平悬悬挂挂在在刚刚度度为为k的的弹弹簧簧上上,杆杆的的中中点点装装有有一一质质量量为为m的的小小球球。若若在在点点A加加一一激激振振力力F=F0sint,其其中中激激振振力力的的频率频率=1/2n,n为系统的固有频率。忽略阻尼,求系统的受迫振动规律。为系统的固有频率。忽略阻尼,求系统的受迫振动规律。解:解:设设任任一一瞬瞬时时刚刚杆杆摆摆角角为为,根根据据刚刚体体转转动动微微分分方方程程可可以以建建立立系系统的运动微分方程。统的运动微分方程。
7、令微分方程整理为:第10页,本讲稿共64页将将=1/2n代入上式代入上式解得:研究受迫振动方程特解第11页,本讲稿共64页例例.图图示示带带有有偏偏心心块块的的电电动动机机,固固定定在在一一根根弹弹性性梁梁上上。设设电电机机的的质质量量为为m1,偏偏心心块块的的质质量量为为m2,偏偏心心距距为为e,弹弹性性梁梁的的刚刚性性系系数数为为k,求求当当电电机机以以角角速速度度匀匀速速旋旋转转时时系系统统的的受受迫振动规律。迫振动规律。解:1)取电机与偏心块质点系为研究对象设电机轴心在瞬时t相对其平衡位置O的坐标为x,2)作用力:在系统上的恢复力:3)质点系动量定量的微分形式则偏心块坐标为:则偏心块坐
8、标为:x+esint。第12页,本讲稿共64页此微分方程为质点受迫振动,激振力项此微分方程为质点受迫振动,激振力项 m2e2sint 即电机旋转时,偏心块的离心惯性力在即电机旋转时,偏心块的离心惯性力在x轴方向的投影。轴方向的投影。激振力力幅为激振力力幅为 m2e2 等于离心惯性力的大小等于离心惯性力的大小激振力的圆频率等于转子的角速度激振力的圆频率等于转子的角速度。这种情况引起的激振力的力幅与激振力的频率有关。这种情况引起的激振力的力幅与激振力的频率有关。整理后得:第13页,本讲稿共64页当当n时时,振振幅幅随随着着增增大大而而减减小小,最后趋于最后趋于m2e/(m1+m2)。此曲线当此曲线
9、当n时,振幅从时,振幅从零开始,随着频率增大而增零开始,随着频率增大而增大;大;令:绘出振幅频率曲线。当当=n时,振幅趋于时,振幅趋于;受迫振动振幅:第14页,本讲稿共64页例例.图图为为一一测测振振仪仪的的简简图图,其其中中物物块块质质量量为为m,弹弹簧簧刚刚度度为为k。测测振振仪仪放放在在振振动动物物体体表表面面,将将随随物物体体而而运运动动。设设被被测测物物体体的的振振动动规规律律为为s=esint,求求测测振振仪仪中中物物块块的运动微分方程及其受迫振动规律。的运动微分方程及其受迫振动规律。解:解:1)取测振仪为研究对象)取测振仪为研究对象测测振振仪仪随随被被测测物物而而振振动动,则则其
10、其弹弹簧簧悬悬挂挂点的运动规律就是点的运动规律就是s=esint。2)位移分析)位移分析 取取t=0时时物物块块的的平平衡衡位位置置为为坐坐标标原原点点O,取取x轴轴如如图图。如如弹弹簧簧原原长长为为l0,st为为其其静静伸伸长长。设设任任一一时时刻刻t时时,物物块块的的坐坐标标为为x,弹簧的变形量为,弹簧的变形量为第15页,本讲稿共64页3)物块运动的微分方程:整理为:可见物块的运动微分方程为无阻尼受迫振动的微分方程。第16页,本讲稿共64页物块的受迫振动形式:激振力的力幅为b为物块绝对运动的振幅。为物块绝对运动的振幅。由由于于测测振振仪仪壳壳体体运运动动的的振振幅幅为为e,记记录录纸纸上上
11、画画出出的的振振幅幅为为物物块块相相对对于于测测振振仪仪的振幅的振幅 a=|b-e|。当。当n 时,时,b0,有,有ae。一般测振仪的物块质量较大,弹簧刚度一般测振仪的物块质量较大,弹簧刚度k很小,使很小,使n很小。很小。用用它它来来检检测测频频率率不不太太低低的的振振动动时时,物物块块几几乎乎不不动动,记记录录纸纸上上画画出出的的振振幅幅也也就就接接近于被测物体的振幅。近于被测物体的振幅。第17页,本讲稿共64页可建立质点运动微分方程若选平衡位置O为坐标原点,坐标轴铅直向下。则各力在坐标轴上的投影为:二.单自由度系统的有阻尼受迫振动图示有阻尼振动系统,设物块的质量为m,作用在物块上的力有线性
12、恢复力Fk、粘性阻尼力Fc和简谐激振力F。第18页,本讲稿共64页整理得:有阻尼受迫振动微分方程的标准形式二阶线性常系数非齐次微分方程其解由两部分组成:x1:齐次方程的通解:齐次方程的通解在小阻尼在小阻尼(n n)情形下,有情形下,有两端除以m,并令:第19页,本讲稿共64页x2:对应齐次方程的特解设它的形式为:其中其中表示受迫振动的相位落后表示受迫振动的相位落后于激振力的相位角。于激振力的相位角。代入微分方程,可得:代入微分方程,可得:将右端改写为:可整理为:第20页,本讲稿共64页对任意瞬时t,必须满足:其中A和为积分常数,由运动的初始条件确定。有阻尼受迫振动由两部分合成:第一部分是衰减振
13、动;第二部分是受迫振动两方程联立,可解出:得微分方程的通解为:第21页,本讲稿共64页由于阻尼的存在第一部分振动随时间的增加,很快地衰减,这段过程称为过渡过程(瞬态过程).过渡过程是很短暂的。过渡过程之后,系统进入稳态过程。第22页,本讲稿共64页有阻尼存在,受简谐激振力作用的受迫振动仍然是谐振动,其振动频率等于激振力的频率,其振幅表达式为:受受迫迫振振动动的的振振幅幅不不仅仅与与激激振振力力的的力力幅幅有有关关,还还与与激激振振力力的的频频率率以以及及振振动动系系统统的参数的参数m、k和阻力系数和阻力系数c有关。有关。下面研究稳态过程的振动。由受迫振动的运动方程特解可知:采采用用无无量量纲纲
14、形形式式,横横轴轴表表示示频频率率比比=/=/n,纵纵轴轴表表示示振振幅幅比比=b/b=b/b0。阻阻尼尼的的改改变用阻尼比变用阻尼比=c/c=c/cc c=n/n来表示。来表示。第23页,本讲稿共64页不同阻尼条件下受迫振动的振幅频率曲线阻尼对振幅的影响程度与频率有关1)当当n时时,阻阻尼尼对对振振幅幅的的影影响响甚甚微微,可可忽忽略略系系统统的的阻阻尼尼而而当当作作无阻尼处理。无阻尼处理。2)当当n(即即1)时时,振振幅幅显显著著地地增增大大。这这时时阻阻尼尼对对振振幅幅有有明明显显的影响,即阻尼增大,振幅显著地下降。的影响,即阻尼增大,振幅显著地下降。第24页,本讲稿共64页振幅振幅bm
15、ax具有最大值,这时的频率具有最大值,这时的频率称为共振频率。称为共振频率。在共振频率下的振幅为:在共振频率下的振幅为:当时或在一般情况下,阻尼比在一般情况下,阻尼比n时,有阻尼受迫振动的振幅影响也较小,这时可以时,有阻尼受迫振动的振幅影响也较小,这时可以忽略阻尼,将系统当作无阻尼系统处理。忽略阻尼,将系统当作无阻尼系统处理。第25页,本讲稿共64页有有阻阻尼尼受受迫迫振振动动的的位位相相总总比比激激振振力力落落后后一一个个相相位位角角,称称为为相相位差。位差。表达了相位差随谐振力频率的变化关系。表达了相位差随谐振力频率的变化关系。或由微分方程的特解画出相位差随激振力频率的变化曲线(相频曲线)
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