振动理论及应用第一章绪论.

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1、第一章 绪论 振动理论及应用 振动理论及应用 沈火明 第一章 绪论 振动理论及应用 参考文献 1郑兆昌，机械振动（上）.北京：机械工业出版社， 1986.3 2高淑英，沈火明. 振动力学.北京：中国铁道出版社， 2007 3倪振华，振动力学，西安：西安交通大学出版社，1998 4刘延柱，陈文良等，振动力学，北京：高等教育出版社， 1998 5Willian T Thomson. Theory of Vibration With Applications（振动理论及应用）第5版, 2005 第一章 绪论 振动理论及应用 6胡少伟等，结构振动理论及其应用，北京：中国建筑工业 出版社，2005 7李

2、惠彬 编著，振动理论与工程应用，北京：北京理工大学 出版社，2006 8诸德超，邢誉峰 主编，程伟，李敏 编著，工程振动基础， 北京：北京航空航天大学出版社，2004 9方同，薛璞 著，振动理论及其应用，西安：西北工业大学 出版社，1998 10张相庭，王志培，黄本才，王国砚 编著，结构振动力学， 上海：同济大学出版社，2005 第一章 绪论 振动理论及应用 相关学报： （1）振动工程学报 （2）力学学报 （3）应用力学学报 （4）工程力学 （5）计算力学学报 （6）力学与实践 （7）振动与冲击 （8）噪声与振动控制 （9）地震学报 （10）地震工程与工程振动 （11）力学与实践 （12）土木

3、工程学报 （13）桥梁建设 （14）铁道学报 （15）同济大学学报 （16）西南交通大学学报 （17）清华大学学报 （18）北京交通大学学报 （19）大连理工大学学报 （20）世界地震工程 （21）振动测试与诊断 第一章 绪论 振动理论及应用 在工程技术领域中，振动现象更比比皆是，例如： （1）机车、车辆行驶时所引起的自身的振动以及支承 它的线路、桥梁的振动； （2）机器设备运转时或地震时所引起的厂房或堤坝的 振动； （3）风的脉动压力使输电线、烟囱、水塔、桥梁等建 筑物产生的振动； （4）船舶或飞机在航行中的振动。 振动是一种特殊的振荡现象，即在平衡位置附近 作微小或有限的振荡。 第一章 绪

4、论 振动理论及应用 振动的研究大致有以下几个方面： 确定系统的固有频率，预防共振的发生； 计算系统的动力响应，以确定机器、结构物受到的 动载荷或振动的能量水平； 研究平衡、隔振和消振方法，以消除振动的影响； 研究自激振动及其他不稳定振动产生的原因，以使 有效地控制； 进行振动检测，分析事故原因及控制环境噪声； 振动技术的利用。 第一章 绪论 振动理论及应用 京津高铁 武广高铁 日本新干线 2、高速铁路中 的振动问题 第一章 绪论 振动理论及应用 （1）高速列车耦合大系统动力学研究 l 轮轨耦合系统动力学 l 弓网耦合系统动力学 l 流固耦合系统动力学列车空气动力学 （2）服役可靠度研究 l 脱

5、轨安全性 l 结构可靠度 如与高速列车技术相关的力学问题： 第一章 绪论 振动理论及应用 基础科学 地面信息系统高速列车运行 自动控制 列车自动驾驶 列车群调度 车载控制系统 高速铁路技术技术基础 高速列车空气 动力学 弓网系统 动力学 空气冲击波 列车空气阻力 高强度车窗 运动跟随性 流线型车头 高速受电弓 列车系统动力学 及控制 运动稳定性轮轨型面 低频振动 轮轨内侧距行车安全性 运动平稳性 空气弹簧悬挂 车间耦合 接触疲劳 脱轨机理 高速列车脱轨标准 轮轨表面剥离和裂 纹 波浪形磨耗 粘着机理 摩擦磨损 轮轨耦合系统 动力学及控制 高弹性高平顺轨道 路基稳定性 车/桥耦合动力学 车辆/轨

6、道耦合 动力学 高频振动 轨道（桥梁）系统动 力学 高实密路基 大跨度桥梁 制动防滑器 最佳粘着控制 现代控制论 流体力学 悬索结构 动力学 三维弹性体滚 动接触力学 结构动力学 土动力学 多体系统 动力学 气动噪声 大系统动力学研究： 第一章 绪论 振动理论及应用 高速列车大系统耦合动力学模型 接触网柔性体 受电弓机构体 车辆刚体弹性 钢轨弹塑性体 路基 车辆 气 流 接触压力 位移 车端力 轮轨力 （含伤损 ） 表 面 速 度 作用力 弓网耦合关系 轮轨耦合关系 流固耦合关系 轮轨耦合关系 第一章 绪论 振动理论及应用 接触网系统模型 承力索 接触线接触压力 弓网耦合关系 第一章 绪论 振

7、动理论及应用 受电弓模型 KhUhBh ZH Fc0 Mh Fi Mf KfUfBf ZF 车顶 ZC 弓头 框架 第一章 绪论 振动理论及应用 会车压力波： 计算值 试验值 第一章 绪论 振动理论及应用 会车模拟再现： 第一章 绪论 振动理论及应用 上海杨浦大桥 汕头海湾大桥 世界最长的行车、铁路 两用吊桥香港青马大桥 2、桥梁工程 中的振动 问题 第一章 绪论 振动理论及应用 桥梁加固 彩虹桥事件 第一章 绪论 振动理论及应用 水力发动机引起的厂房振动问题 3、厂房振动问题 第一章 绪论 振动理论及应用 4、高层建筑中的振动问题 典型：风振、地震 第一章 绪论 振动理论及应用 立面图 绵阳

8、电视塔计算分析图 第一章 绪论 振动理论及应用 结论：模型在地震作用下的响应以 一 阶振型为主，且三个地 震波下位移幅值相差不大。 第一章 绪论 振动理论及应用 汶川地震对房屋的破坏 汶川地震对房屋的破坏 第一章 绪论 振动理论及应用 5、列车引发地面振动 第一章 绪论 振动理论及应用 嫦娥1号月球探测卫星神州5号载人飞船 6、航空航天中的力学问题 第一章 绪论 振动理论及应用 工程中由于振动特性设计不合理而造成严重事故的事例从古 至今屡见不鲜。 l 建筑物由于地震倒垮，现代建筑设计时必须考虑防震，抗震 ，尤其在地震多发地如日本，唐山大地震24万同胞死难 l 1940年，风致美国Tacoma大

9、桥垮塌； l 火箭中典型的Pogo振动，即火箭的纵向振动和液体输送管路 的耦合振动，一直困扰火箭的设计 l 神州四号过大，五号（拖拉机），六号（小轿车） l 澳星发射失败，是箭耦合振动振动过大。 l 飞机的强度事故（颤振因而坠落）中有90%由振动疲劳所至 。 振动危害极大 第一章 绪论 振动理论及应用 （3）研究了在桥上均匀安装MTMD后桥梁的挠度响应，并与STMD控制 效果进行了比较。 （2）给出了不同质量比下TMD控制的效果影响曲线，提出了中小跨度桥 梁TMD的建议最佳质量比，同时也讨论TMD对车辆运行平稳性的控制作 用。 （1）在模拟轨道不平顺的情况下，建立车桥TMD动力系统振动方程 ，

10、对桥梁实行TMD控制，研究基于Den Hartog最佳参数调整下的TMD控 制，讨论列车过桥时桥梁的最大挠度随列车速度的变化规律。 专题1：调质阻尼器对桥梁竖向共振的抑制作用 第一章 绪论 振动理论及应用 模拟的轨道不平顺曲线 根据美国六级线路轨道高低不平顺功率谱进行轨道不平顺的模拟， 其数学表达式为 第一章 绪论 振动理论及应用 力学模型 系统模型图 第一章 绪论 振动理论及应用 分析第节车厢的运动，其方程有 车体沉浮运动 车体点头运动 构架沉浮运动 第一章 绪论 振动理论及应用 对车厢整体分析，可得 第一章 绪论 振动理论及应用 桥梁的振动方程 由于列车过桥时整个桥梁的最大值总是发生在跨中

11、位置96，故本节主要 考虑在桥梁跨中设置TMD时的减振效果。 设TMD的质量为Mk，弹簧刚度为Kk，阻尼系数为Ck，振动位移为yz。 则TMD的运动方程为 对于如图215所示的简支梁，在不考虑桥梁阻尼时桥梁的振动方程可 表示为 第一章 绪论 振动理论及应用 利用变量分离法设，其中 为简支梁自由振动时的振型函数，为所求的形态振幅函数。根据振型 正交性整理有 第一章 绪论 振动理论及应用 考虑中小跨度桥梁，以邯长线长沟桥为例。车辆模型参数采用德国ICE高 速动车和拖车的参数，列车编组为前后2节动车和中间4节拖车。 TMD采用Den Hartog最佳参数，参数设计定义如下95 根据Den Harto

12、g最佳参数调整下的TMD控制，取TMD与桥梁的质量 比为1和5来进行讨论。图1是质量比为1时桥梁跨中挠度的控制效果曲 线。 采用无条件稳定的Newmark法，取桥梁的前五阶振型，利用Matlab语 言编程计算出列车通过桥梁任意时刻桥梁的动态响应。 第一章 绪论 振动理论及应用 图1 控制前后桥梁跨中挠度对比 从图1可以看出，当速度小于170km/h时，质量比为1的TMD控制效果 较好，且当速度为90110km/h时，质量比为1的TMD控制效果更好，乘客 舒适度均为良好。 第一章 绪论 振动理论及应用 图2 控制前后桥梁跨中的响应 由图2可以看出，TMD对桥梁的挠度响应控制效果明显，最高可 控制

13、28。 第一章 绪论 振动理论及应用 图3 车体加速度时程曲线 图3 给出了当荷载速度为时车体竖向加速度的时程曲线，根据Sperling指标 wz的经验算式，可计算出荷载速度为140km/h时wz=1.25，其平稳性等级都为 优良。 第一章 绪论 振动理论及应用 图4 控制前车体竖向加速度响应 图5 控制后车体竖向加速度响应的减幅效应 图4为TMD控制前车体竖向加速度随荷载速度变化的响应，图5为控制 后车体竖向加速度的减幅效应，由图中可以看出车体竖向最大加速度为 0.022g，即加装TMD后，仍可起到控制作用，且最大可控制16。 第一章 绪论 振动理论及应用 1 MTMD振动控制模型 图6 系

14、统模型图 专题2：MTMD振动控制研究 第一章 绪论 振动理论及应用 设TMD的质量为，弹簧刚度为，阻尼系数为，振动位移为。则TMD的运 动方程为 第一章 绪论 振动理论及应用 从图中可以看出，跨中挠度并不是随TMD质量比单调变化的；单个 TMD、3个TMD、5个TMD和7个TMD的工况最优质量比分别取为0.3、 0.2、0.05和0.1。从总质量上看是5个TMD的工况最小；从速度为 97km/h时桥梁的挠度上看也是5个TMD的工况最小。 图7 TMD质量比影响曲线 第一章 绪论 振动理论及应用 列车过桥速度一般是在某个速度段内，为了选取更优的方案，计算了60 160km/h速度段内桥梁的响应

15、，图8给出了各个工况下桥梁挠度随速度的变化 曲线。 图8 MTMD控制下桥梁的位移响应 第一章 绪论 振动理论及应用 从图9中可以看出，在80105km/h速度段内，5个TMD的工况挠度最小。 图10为TMD控制效果的对比，从图中可以看出当速度小于120km/h时，5个 TMD的工况控制效果最好。 图9 MTMD控制下桥梁的位移响应图10 MTMD控制效果对比 第一章 绪论 振动理论及应用 从控制效果上看，图11给出了速度为97km/h时单个TMD与5个TMD控制 下桥梁挠度的时程响应曲线，从图中可以看出5个TMD的效果比单个的要好， 另外还可以看出除最大峰值减小外，其它较大的峰值也获得了减小，减小幅度 比最大峰值的还大，这说明设置MTMD后结构的振动能量大大减小。在最初的 几秒内，MTMD对时程响应基本上没有改变，这是因为MTMD还处于启动阶 段，还没有充分运动起来的缘故。 图11 桥梁位移时程响应对比