《振动基础》课件

《振动基础》课件本课件旨在介绍振动学的基本概念、原理和应用。内容涵盖振动系统的基本模型、自由振动、强迫振动、共振等重要概念。课程目标理解振动概念掌握振动的基本定义，分类和类型。掌握振动分析方法了解自由振动、受迫振动、阻尼振动等概念，以及振动分析方法的应用。掌握振动控制技术熟悉减振器、隔振器等常用振动控制技术和应用。了解工程应用学习振动在机械、土木、航空等领域中的应用和案例分析。什么是振动?周期性运动物体围绕平衡位置的往复运动，例如钟摆的摆动。弹性恢复力振动通常由弹性恢复力引起，例如吉他弦的振动。机械振动由机械因素引起的振动，例如地震引起的震动。振动的分类按振动体系的自由度分类单自由度振动：一个坐标就可以描述其运动状态，例如单摆。多自由度振动：需要多个坐标才能描述其运动状态，例如多层建筑的振动。按振动系统是否受到外界激励分类自由振动：系统不受外界激励，仅由初始条件决定其振动状态。受迫振动：系统受到外界激励，其振动状态由外界激励决定。自由振动与受迫振动11.自由振动没有外力作用下，系统自身因初始条件而产生的振动。22.受迫振动系统受到外界周期性力的作用，产生的振动。33.频率自由振动频率由系统本身固有特性决定。44.共振受迫振动频率与系统固有频率相同时，振幅显著增大的现象。简谐振动简谐振动是一种重要的振动形式，在现实生活中广泛存在。简谐振动是指物体在恢复力作用下，围绕平衡位置做周期性运动。简谐振动的特点是振动频率恒定，振幅可以改变。阻尼振动阻尼振动是指振动系统在振动过程中，由于受到摩擦力、空气阻力等阻尼力的作用，振动幅度逐渐减小的振动。阻尼力的大小和振动速度成正比，阻尼力越大，振动衰减越快。共振现象当外力的频率与系统的固有频率相同时，系统将产生大幅度的振动，这就是共振现象。共振现象在实际工程中十分常见，它可能导致设备损坏，甚至造成灾难性事故。共振曲线共振曲线描述了系统在不同频率下的振动幅度变化情况。它显示了当激励频率接近系统固有频率时，振动幅度会急剧增大，呈现峰值。1峰值共振频率2宽度阻尼程度3斜率系统刚度实际工程应用中的共振桥梁风力或车辆振动可能导致桥梁共振，造成结构损坏。建筑地震或强风可能引发建筑共振，导致结构强度降低。飞机发动机振动或气流扰动可能导致飞机共振，影响飞行稳定性。涡轮机旋转部件振动可能导致涡轮机共振，造成机械故障。共振频率与系统固有频率系统固有频率系统固有频率是系统本身的固有特性，由系统的质量和刚度决定，与外力无关。共振频率共振频率是系统在受到周期性外力驱动时，振幅达到最大值的频率，与系统固有频率密切相关。共振条件当外力频率与系统固有频率相等时，就会发生共振现象。共振的危害及预防危害共振会放大振动，导致设备损坏。例如，桥梁坍塌、机器故障。过度振动会造成噪音污染，影响人们生活和工作。预防调整设备工作频率，避免与系统固有频率一致。使用减振器吸收振动能量，降低振动幅度。改变结构设计，避免共振发生。扭转振动扭转振动是旋转物体绕其轴线发生周期性振动的一种运动形式。其特点是振动方向与旋转轴线平行。扭转振动在实际工程中应用广泛，例如发动机曲轴的振动、汽车传动轴的振动以及涡轮机叶片的振动。非线性振动非线性系统非线性振动系统中，运动方程是非线性的，无法用简单的正弦函数描述。混沌现象非线性振动系统可能表现出混沌现象，即系统对初始条件极其敏感，导致不可预测的运动。分岔非线性振动系统在参数变化时，会发生分岔，系统行为发生突变。工程应用非线性振动现象广泛存在于机械、航空、生物等领域，需要进行深入研究和分析。随机振动随机振动是指振动的大小、频率和相位随时间随机变化的振动。它是工程实际中常见的振动形式之一，例如风力机叶片、桥梁结构以及车辆行驶过程中的振动等。随机振动具有不确定性，分析难度大，需要借助统计方法和概率理论来描述。研究随机振动是理解和控制实际工程结构的振动行为的重要基础。通过分析随机振动的特性，可以评估结构的疲劳寿命，预测结构的可靠性，并采取有效的振动控制措施，保证工程结构的安全性和可靠性。离散系统的振动离散系统离散系统通常由多个质量块和弹簧组成，每个质量块都具有自身的运动特性。自由振动当系统受到初始扰动后，会以其固有频率进行自由振动，振动幅度逐渐衰减。受迫振动当系统受到外部激励力的作用时，会发生受迫振动，振动频率与激励频率一致。共振当激励频率接近系统的固有频率时，会发生共振现象，振幅会大幅增加。连续系统的振动桥梁振动桥梁承受风力、车辆荷载等因素，可能发生横向、纵向、扭转振动。飞机振动飞机飞行时，机翼、机身会受到气流扰动，产生振动。船舶振动船舶在水中航行，受到波浪冲击，可能产生横摇、纵摇、首摇振动。振动分析的方法实验分析法通过实测获取振动信号，利用分析仪器进行频谱分析，确定振动频率、振幅等参数。理论分析法建立振动系统的数学模型，利用微分方程等理论方法求解振动响应，并进行仿真分析。数值分析法利用有限元法等数值计算方法对复杂振动系统进行分析，获得振动响应。模态分析法通过实验或理论方法确定系统的固有频率、振型等参数，分析系统振动特性。振动测试与仪器1振动测试方法振动测试方法包括频率扫描、冲击响应、随机振动等。2测试仪器常用的振动测试仪器包括振动传感器、信号放大器、数据采集器、分析软件等。3测试目的振动测试的目的包括评估结构的振动特性、验证结构的强度和耐久性等。振动测量的原理和技术11.传感器传感器将振动信号转换为电信号，例如加速度传感器、速度传感器和位移传感器。22.信号放大放大传感器输出的微弱信号，以便后续处理和分析。33.数据采集使用数据采集卡或仪器将放大后的信号数字化。44.数据处理对采集到的数据进行分析，例如频谱分析、时域分析等，以提取振动特征。振动测试标准国家标准国家标准为振动测试提供了统一的规范，确保测试结果的一致性和可比性。GB/T10585-2006是中国常用的振动测试标准，它定义了振动测试方法、设备和测量参数。国际标准国际标准，例如ISO2631，提供了振动测试的全球通用框架，促进不同国家和地区的测试结果的相互认可。这些标准涵盖了各种应用，例如汽车、航空航天和工业设备的振动测试。振动控制技术减振通过减振器将振动能量转化为热能，降低振动幅度。隔振在振动源和被保护对象之间设置隔振装置，阻止振动传递。吸振利用吸振材料或装置吸收振动能量，降低振动幅度。阻尼增加系统阻尼，抑制振动。动平衡旋转体平衡旋转体不平衡会导致振动和噪音。动平衡原理通过调整质量分布，使旋转体达到平衡状态。动平衡方法静态平衡和动态平衡，根据旋转体特性选择方法。动平衡应用广泛应用于机械设备、航空航天、汽车等领域。减振器的作用和选型减少振动减振器通过吸收或分散振动能量，降低系统振幅，保护设备和环境。保护设备减振器能有效地降低振动对设备的负面影响，延长设备的使用寿命。提高性能通过降低振动，减振器可以提高设备的精度和效率，改善工作环境。减振器的安装1正确位置减振器安装在振动源和被保护设备之间2安装方式根据减振器类型选择合适的安装方式3固定牢固减振器安装必须牢固可靠4调试安装完成后进行调试，确保减振效果安装位置、方式、固定以及调试直接影响减振器的效果，需谨慎操作。减振器的维护1定期检查定期检查减振器是否出现裂纹、磨损、松动或腐蚀现象。更换老化或损坏的减振器。2清洁维护定期清洁减振器表面，清除灰尘和污垢。避免使用强酸或强碱性清洁剂。3润滑保养定期给减振器添加润滑油，保持减振器内部的润滑状态。振动控制的案例分析桥梁减震器和隔振装置，抑制桥梁在车辆行驶时产生的振动，确保桥梁结构安全和舒适性。建筑物减振器和隔震技术，降低地震或强风造成的建筑物振动，保护人员生命财产安全。精密仪器采用减震台和隔振措施，隔离外界的振动干扰，确保仪器正常运行和精度。高速列车运用减振技术，降低高速列车运行过程中的振动，提高舒适性和安全性。低频振动控制11.阻尼材料低频振动通常需要特殊的阻尼材料，例如橡胶或聚合物，以吸收能量并减少振动。22.质量块增加质量块可以降低系统固有频率，从而远离低频振动范围。33.隔振器选择适当的隔振器，例如空气弹簧或液压隔振器，以隔离低频振动。44.主动控制使用传感器和执行器，主动控制系统可以实时监测并抑制低频振动。总结与展望本课程深入浅出地介绍了振动的基本理论和应用。从振动的基本概念到共振现象，再到振动控制技术，内容涵盖了振动学的主要内容。课程内容实用性强，与实际工程应用紧密结合，为学生学习后续课程和从事相关工作打下了坚实的基础。随着科学技术的发展，振动理论和应用不断发展，例如非线性振动、随机振动等新领域的研究将越来越重要。未来，振动学将继续在机械、航空航天、土木工程等领域发挥重要作用。