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1、机械动力学第一章 绪论11机器动态性能广义讲：动刚度 动精度 热稳定性 习惯讲：动力特性 动刚度 具体讲：抵抗振动的能力抗振性 加工质量 稳定性 切削效率1-112 机械动力学的基本内容屈维德说：振动设计、系统识别和环境预测三者可概括为现代机械动力学研究的基本内容1.振动设计（动态设计）：已知激励，规定响应要求，设计系统的振动特性 又称动力学的逆问题 反复试凑修改的过程1-22.系统识别：给定系统,已知激励，测试响应用测试数据与数学分析相结合方法确定振动系统数学模型 已知机械结构运动方程一般形式时，系统识别简化为参数识别 又称动力学的正问题 系统识别属动力分析范围 动力分析研究三方面问题： 固
2、有特性问题（系统识别 参数识别）动力响应问题动力稳定性问题1-33. 环境预测：已知系统（特性）、响应 ， 研究 激 励（振源分析 故障诊断） 13动态问题的特点1.振动学科：物理或力学分枝 基础学科 解决工程中动力学问题-工程学科-振动工程 2.振动工程：解决工程中动态问题3.动态问题：动态载荷作用于动态系统，构成动态问题1-44. 动态载荷：迅速变化（交变 突变） 的载荷5. 工程中许多问题必须作为动态问题处理6. 动态问题的特点a. 复杂性：载荷作用的“后效 性” 响应对过去载荷经历的“记忆性”静载荷静变形与加载过程无关1-5b.危险性：共振现象 自激振动（颤振）c.超常性：其现象、规律
3、及防治方法超越生活常识 （削边镗杆 动力减振器） 先有严谨完善理论后有工程应用参考书昆明工学院机床动力学 清华大学 机械振动SATOBAIS机床动力学WILLIAM T.THOMSONTheory of Vibration with Applications师汉民等机械振动系统1-615 振 动 的 控 制一. 振动控制实现途径1. 振动工程重要分支 出发点和归宿2. 振动控制： 利用 抑制3. 振动控制的五个环节(1). 确定振源特征：振源位置 激励特性振动特征：受迫 自激振动(2) 确定振动控制水平: 衡量振动水平的指标（位移 速度 加速度 应力）量（最大值 均方根值）(3) 确定振动控制
4、方法：隔振 吸振 阻振 消振 结构修改(4) 振动分析与设计：建立受控对象和控制装置的力学模型，设计控制装置参数和结构 控制装置：吸振器 隔振器 阻尼器等(5) 实现1-7机床的振源分析框图1-8二. 振动控制的分类 1. 按不同性质的振动分(1) 动力响应的控制：受迫振动的控制（共振）(2) 动力稳定性的控制：自激振动的控制 2. 按不同抑制振动手段分（5种） (1) 消振：消除或减弱振源（治本） 动平衡方法消除质量不平衡引起的离心力及力矩 车刀颤振 冷却剂减少车刀后刀面与工件间磨擦力（ 破坏产生颤振的条件） 抵消振动：由控制引起的振动抵消未加控制的原振动 (2) 隔振：振源与受控对象之间串
5、加一个子系统 (3) 吸振：动力吸振-受控对象上附加一个子系统1-9(4) 阻振：阻尼减振-受控对象上附加阻尼器或阻尼元件（消耗能量）(5) 结构修改：修改受控对象的动力学特征参数（质量 刚度 阻尼参数）实际存在的受控对象：结构修改问题设计阶段的受控对象：动态设计问题3. 按是否要能源分(1) 无源控制：被动控制(2) 有源控制：主动控制1-10三、振动主动控制 1. 两类控制方式：开环 闭环开环控制 闭环控制 开环控制：控制器中的控制规律是预先设置好，与振动状态无关 闭环控制：控制器按受控对象的振动状态为反馈信息而工作2. 振动主动控制系统的组成(1) 受控对象：控制对象（产品 结构或系统的
6、总称）(2) 作动器：又称作动机构。提供作用力（或力矩）的装置 1-11直接施加在受控对象或通过附加子系统作用受控对象常用作动器：伺服液压式 伺服气动式 电磁式 电动式 电压式 (3) 控制器：核心环节 实现所需的控制律 其输出是驱动作 动器动作的指令开环：其输入是按程序预先设置闭环：其输入通过测量系统感受受控对象的振动信息控制律：模拟电路-模拟控制数字计算机-数字控制(4) 测量系统：振动信息转换并传输到控制器（传感器 适调器放大器 滤波器）(5) 能源：为作动器提供外界能量（液压油源 气源 电源）(6) 附加子系统：有些系统没有1-123. 两类振动主动控制问题: 动力响应的主动控制动稳定
7、性的主动控制 四、振动主动控制的应用简介1. 二十世纪20年代 电磁阀控制的缓冲器（雏型）2. 1960年前后 出现复杂振动主动控制系统-解决航空工程的振动问题59年对B52型飞机机身侧向弯曲模态进行主动控制美国空军飞行动力实验室两项结构模态控制的研究：一项 66年开始“载荷减轻与模态镇定” 另一项67年开始“突风减缓与结构动力增稳系统”为飞机颤振主动抑制的研究创造了条件3. 1971年9月止,B-52G、H型飞机都装上了抑制低频结构模态振动系统.1-13-1航天工程领域：大柔性结构(大型天线 太阳能电池板 空间站) 其模态频率低且密集、阻尼小 在太空运行时,一旦受外干扰,大幅度的自 由振动要
8、延续很长时间.由此提出许多主动控制的新方案. 机械工程领域：采用主动控制技术消除柔性机器人臂在终端 位置处的振动抑制挠性转轴通过临界转速的主动控制研究, 是当今转子动力学研究热点 交通运输工程领域：车辆主动隔振、半主动隔振方面,已研制 出主动支承元件.4. 1980年振动主动控制的研究从航空工程扩展到其它 工程领域1-13-2五、振动主动控制的近期新进展 1. 受控对象与控制器的联合优化设计有三种不同的解法：(1)串行(顺序)解法：受控结构优化与控制器优化设计分成两个”独立”阶段进行.在完成一次循环迭代后,与前一次循环迭代结果进行比较,以决定需再从哪个阶段进行设计.(2)并行(同时)解法：受控
9、结构与控制器设计参数都等同地视为设计变量,同时进 行优化. (3) 多级分解的一体化设计方法：把整个优化过程分为系统级和子系统级的优化1-142. 新型作动器及其它主动元件作动器是影响主动控制实现的重要环节.目前重点在对不需要固定基础的轻型作动器的研究 。主要有反作用式作动器 压电陶瓷 形状记忆合金 电/磁致伸缩材料 电流变液等构成的作动器或主动元件。(1) 反作用式作动器控制作动器中某一部件的运动,使其产生的反作用力作用于受控对象,以控制受控对象的振动水平.对线位移振动 有惯性质量型作动器角位移振动 有反作用轮型作动器(Reaction wheel)(2) 压电式作动器 压电式作动器利用压电
10、材料的逆压电效应,通过施加外部电场,将电能转换成机械能的装置。 压电材料有：压电陶瓷 压电高分子材料(聚氟乙烯 聚偏氟乙烯) 它们 均可制成任意形状,易于与其它材料复合应用范围： 柔性结构 天线 柔性机器人手臂的振动与形状控制中;作为自适应智能结构的作动器 ; 1-15(3) 形状记忆材料作动 形状记忆效应（Shape Memory Effect SME）指某些具有热弹性或应力诱发马氏体 相变的材料处于马氏体状态，并进行一定限度的变形后，在随后加热并超过马氏体 相消失温度时，材料能完全恢复到变形前的形状和体积。经过处理,材料能记忆其在相变 前后 的形 状.可加工成片材、 丝线、薄膜， 特别是产
11、生大的应力或应 变 包括形状记忆合金(NiTi CuZnAl CuAlNi最具实用价值)。应用范围：低频振动的控制 (形状记忆材料响应慢) 1-16(4) 磁致伸缩材料作动器磁致伸缩材料在外加磁场的作用下,其尺寸、体积等会发生改变, 能提供较大 控制力,并且在低压电流产生的磁场中具有很好的线性度和电场变化的响应能力.如纯镍 NiFe NiCo等应用范围：高精度微幅隔振和自适应结构(5) 电流变流体由不导电流体和细小的悬浮状可极化的粒子组成.在通电状况下 在极短的时间 内,粒子极化,液体变成固体,悬浮粒子极化形成很强的静电引力链,这种链即使断开,仍能重新结合起来。当电场撤消后,材料又恢复液态玉米油中加入玉米淀粉 矿物油中加入硅胶 变压器油中加入纤维素 硅油中加入沸石都可形成电流变流体.我校研究的电流变流体减振器采用由聚苯胺/钛酸钡纳米复合粒子与降粘的甲基硅油组成的电流变流体 应用范围: 用于自适应结构. 灌入某些重要结构中,使结构受到冲击时能自 动加固,能减振和防断裂 可控型动态阻尼器 智能材料： 压电材料 形状记忆材料 磁致伸缩材料 电流变流体统称智能材料 目前正尝试将几种材料复合在一起成最佳性能组合 智能结构：集智能传感元件、智能作动元件、微型计算机控制芯片于一 体的结构1-17
