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1、主讲：龚俊杰,硕 士 生：60学时（教材要求）,高等数学、工程数学,学时,矩阵代数、复变函数、微分方程,理论力学、材料力学,我院硕士生：30学时,基础,振动是在日常生活和工程实际中普遍存在的一种现象，也是整个力学中最重要的研究领域之一。,第一章 绪论,机械振动，是指物体(系)在平衡位置(或平均位置)附近来回往复的运动。,限制有害的振动,利用有益的振动,兴利除弊,1.1 机械振动,研究目的：,振动的危害,人们对与振动相关问题的研究起源于公元前6世纪毕达哥拉斯(Pythagoras)的弦线振动发出声音的工作。在工程实际和日常生活中，人们常常为振动和躁声带来的危害大伤脑筋。例如，运载工具的振动会使乘
2、客感到不舒适；环境噪声使人烦燥不安；共振及次谐波共振会引起机械设备、桥梁及飞机等的破坏；地震使人民生命财产遭受巨大损失等等。振动对人体健康的影响包括生理上的和心理上的，其影响范围涉及到人的心脏和血液循环系统、呼吸系统、消化系统、神经系统以及听觉、视觉、人体平衡等诸多方面。随着现代工业的迅速发展，振动对生活环境和生产环境的影响引起了人们的普通重视，国外已把振动与噪声列为七大公害之一，并着手研究振动污染的规律、产生的原因、传播的途径与控制的方法等等。,使结构系统发生大变形而破坏，甚至造成灾难性的事故，有些桥梁等建筑物就是由于振动而塌毁；,引起噪声污染；,影响精密仪器设备的功能，降低机械加工的精度和
3、光洁度；,加剧构件的疲劳和磨损，缩短机器和结构物的使用寿命；,消耗机械系统的能量，降低机器效率；,机翼的颤振、机轮的摆振和航空发动机的异常振动，曾多次造成飞行事故；,恶化飞机和车船的乘载条件，等等。,地震，群灾之首。强烈的破坏性地震瞬间将房屋、桥梁、水坝等建筑物摧毁，直接给人类造成巨大的灾难，还会诱发水灾、火灾、海啸、有毒物质及放射性物质泄漏等次生灾害。,地震的破坏,唐山大地震,振动引起的转子系统破坏,风机用消声器,大型风机用消声器进风口结构,红色为防锈漆， 白色为孔内装有 消声纤维玻璃,电话亭内装超细 吸声棉的吸声平板,会议室用的隔声吸声屏风,车间顶上的吸声屏障,汽车排气管用消声器,法国VO
4、LVO客车内的吸声毛绒,一种吸声型的声屏障结构,利用声屏障将声源 和保护目标隔开,高架桥上的吸声屏障,高架桥上的吸声 与隔振组合屏障,美国高速公路用混凝土板墙做声屏障，声衰减710dB,日本 吸声 型声 屏障,中国第一座公路声屏障，降噪量为10.5dB,振动的利用,“振动利用工程学” 是20世纪后半期逐渐形成和发展起来的一门新学科，振动利用工程的发展使世人瞩目。就振动机械来说，目前已成功应用于工矿企业中的振动机器已发展到数百种之多，在许多部门，如采矿、冶金、煤炭、石油化工、机械、电力、水利、土木、建筑、建材、铁路、公路交通、轻工、食品和谷物加工、农田耕作以及在人类日常生活过程中，数以万计的振动
5、机器和振动仪器已成功用来完成许多不同的工艺过程，如给料、上料、输送、筛分、布料、烘干、冷却、脱水、选分、破碎、粉磨、光饰、落砂、成形、整形、振捣、夯土、压路、摊铺、钻挖、装载、振仓、犁土、沉桩、拔桩、清理、捆绑、采油、时效、切削、检桩、检测、勘探、测试、诊断等等。,振动传输,振动造型,振动打桩,振动筛选,振动破碎,振动研磨,振动抛光,振动采油,海浪发电,钟表,音乐,振动时效,振动烘干,超声电机（ultrasonic motor ，USM）技术是振动学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控制、新材料和新工艺等学科的交叉结合的新技术。超声电机不像传统的电机那样，利用电磁力来获得其运动和力矩。
6、超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的。在这种新型电机中，压电陶瓷材料盘代替了许许多多的铜线圈。,海浪发电的基本原理是气室将海浪的波能转换成空气往复运动，利用这一气流带动发电机发电。,超声诊断仪产生超声，并发射到人体内，在组织中传播，遇到正常与有疾病的组织时，便会产生反射与散射，仪器接到这种信号后，加以处理，显示为波形、曲线或图像等，就可以供医生做判断组织或器官健康与否的依据。,利用振动监测机器设备的运行,故障诊断或健康检测原理示意图,在实际工程和日常生活中，振动问题随处可见,工程系统如机械、车辆、船舶、飞机、航天器、建筑、桥梁等都经常处在各种激励的作用下，因而会不可
7、避免地产生各种各样的振动，可见振动力学在工程实际中有着广泛的应用。例如在机械、电机工程中，振动部件和整机的强度和刚度、大型机械的故障诊断、精密仪器设备的防噪和减振等问题；在交通运输、航空航天工程中，车辆舒适性、操纵性和稳定性等问题，海浪作用下船舶的模态分析和强度分析，飞行器的结构振动和声疲劳分析等问题；在电子电信、轻工工程中，通信器材的频率特性、音响器件的振动分析等问题；在土建、地质工程中，建筑、桥梁等结构物的模态分析，地震引起结构物的动态响应，矿床探查、爆破技术的研究等问题；在医学、生物工程中，脑电波、心电波、脉搏波动等信号的分析处理等问题。,潮汐是一种周期性振动。虽然引起潮汐的原因很复杂，
8、目前公认的是月球引潮观点，构成“引潮力”的两个因素为：(1)月球的引力；(2)地球绕地月公共质心转动而产生的离心力。除月球外太阳的“引潮力”是比较突出的，日月引潮力影响天气气候，特别当日、月、地同处一条直线上时，引潮力的共振减压效应最为显著，几乎所有的突发性特大自然灾害，都是在内部条件基本具备情况下遇到此种触发因素而发生的。潮汐的研究对航海与船舶进出港、渔业、潮汐发电等十分有用。,自然界中的振动现象,人们可以根据逐年的气象情况统计出气候周期性的振动规律，根据这一规律可预估气候趋势，对生产与生活、抗洪和抗旱、防灾及减灾等有着重要的意义。,树木年轮中的一疏一密是由气候的周期变化而引起的，从广义角度
9、来看，也是一种振动现象，这一振动特征，多应用于考古学、地质学和水文学的研究之中，同时年轮学在环境污染、森林更新、冰川进退、考古断年、灾害、地震、雪崩、医疗、地方病、农牧业产量预测等都有着广阔的发展前景。,车辆减振系统,船只的振动,航空和航天,车载火炮稳定系统,在坦克炮塔内，陀螺仪、加速度计及角度传感器不断地测定各种运动载荷，车载计算机根据这些信息计算并发出抵消这些运动的控制指令，通过伺服系统使炮塔相对于底盘水平转动、火炮相对于炮塔高低俯仰，从而使坦克即使在不断颠簸的运动中也能将火炮准确地对准目标。,飞机的振动模拟,硬盘振动,压气机的振动通过地面会影响到周围的仪器设备,缆车上装有减振器,采用振动
10、沉管混凝土灌注桩的徐州黄河东岸美化工程,振动系统模型按系统的不同性质可分为：,离散系统与连续系统,常参数系统与变参数系统,线性系统与非线性系统,确定系统与随机系统,1.2 振动系统模型,1离散系统与连续系统,离散系统是由集中参数元件组成的，基本的集中参数元件有三种：,(1)质量(包括转动惯量)模型只具有惯性。,(2)弹簧模型只具有弹性，其本身质量可以 略去不计。,(3)阻尼模型既不具有弹性，也不具有惯性。它是耗能元件，在有相对运动时产生阻力。,质量m、弹簧k 、阻尼c。,连续系统是由弹性体元件组成的，弹性体的惯性、弹性与阻尼是连续分布的，故亦称为分布参数系统。,杆、梁、轴、板、壳等,如果一个振
11、动系统的各个特性参数（质量、刚度、阻尼系数等）都不随时间而变化，即它们不是时间的显函数，这个系统就称为常参数系统（或不变系统）。,否则，称为变参数系统(或参变系统)。,2. 常参数系统与变参数系统,3线性系统与非线性系统,如果一个振动系统的质量不随运动参数(坐标、速度、加速度)而变化，而且系统的弹性力和阻尼力都可以简化为线性模型，即： 弹性力和变形成线性关系； 阻尼力与速度成线性关系； 则称为线性系统。,凡是不能简化为线性系统的振动系统都称为非线性系统。,4确定系统和随机系统,确定系统的系统特性可用时间的确定性函数给出。,随机系统的系统特性不能用时间的确定性函数给出，只具有统计规律性。,简单的
12、振动模型,汽车车身的振动模型,有限元模型图示,振动筛筛框模态分析及动态响应,有限元模型图示,一个实际振动系统，在外界激励的作用下，会呈现出一定的振动响应。这种激励就是系统的输入，响应就是输出，二者通过振动系统联系起来(如下图）。,1.3 激励与响应,一.系统激励可分为两大类,1.确定激励,可以用时间的确定函数来描述的激励属于确定激励。,2随机激励,随机激励不能用时间的确定函数来描述，但它们具有一定的统计规律性，因而可以用随机过程来描述。,二.系统响应同样可以分为两大类,1.确定响应,系统的响应是时间的确定函数。,(1)根据响应存在时间分为：,瞬态振动的响应在较短的时间中会逐渐消失。,瞬态响应和
13、稳态响应。,稳态振动的响应可持续充分长时间。,(2) 根据响应是否有周期性还可分为：,简谐响应，周期响应，非周期响应和混沌。,2随机响应,系统的响应为时间的随机函数，只能用概率统计的方法描述。,无论是确定系统，还是随机系统，在随机激励的作用下，振动系统的响应一定为随机响应。,如果是随机系统，即使在确定激励的作用下，系统的响应亦是随机的。,两组天气模式是怎样分道扬镳的。两条曲线表示的初始条件仅相差0.0001。起初它们看来要重合，但不久混沌动力学特性导致独立的、十分歧异的轨线。,1961年Lorenz和Edward从几乎相同的出发点开始计算出的天气模式的差别愈来愈大，终至毫无相似之处。真是“失之
14、毫厘，谬以千里。”,振动现象按系统相应的性质可分为两大类:,确定振动与随机振动。,1对于一个确定系统，在受到确定激励时，响应也是确定的。这类振动称为确定振动。,2对于确定系统，在受到随机激励时，系统的响应是随机的。这类振动称为随机振动。,随机振动只能用概率统计的方法来描述。,对于随机结构系统来说，无论是受到确定激励，还是随机激励，其响应均为随机的，这类振动称为随机结构(系统)振动。,1.4 振动的分类,此外，还可以按激励的控制方式分类如下：,1自由振动：系统受初始激励后不再受外界激励的振动。,2强迫振动：系统在外界控制的激励作用下的振动。,3自激振动：系统在自身控制的激励作用下的振动。,4.
15、参激振动： 系统自身参数变化激发的振动。,1. 振动问题,不论是确定的还是随机的振动问题，一般说来，无非是在激励、响应和系统特性三者之中已知两者求第三者。,(1)振动分析：,(2)系统识别：,在激励条件与系统特性已知的情形下，求系统的响应，就是所谓振动分析。,在激励与响应已知的情形下，来确定系统的特性，就是所谓振动特性测定或系统识别。,1.5 振动问题及其解决方法,(3)振动设计：,(4)振动环境预测：,实际的振动问题往往是错综复杂的，它可能同时包含识别、分析和设计等几个方面的问题。,在一定的激励条件下，如何来设计系统的特性，使得系统的响应满足指定的条件，这就是所谓振动综合或振动设计。,在系统
16、特性和响应已知的情形下，求激励，即判别系统的环境特性，就是所谓 振动环境预测。,2解决振动问题的方法,理论分析主要体现在“计算”,实验研究有虚拟“试验”,计算技术在振动力学中的应用,工程实际振动问题的计算结构动力学,计算技术在汽车振动分析中的应用,用计算机模拟整车的动力学特性,计算工程软件在振动分析中的应用,发动机的有限元分析的动态演示,计算技术在飞机振动分析中的应用,飞机机翼的振动演示,计算结构动力学在振动分析中的应用,工程实际振动问题的动态演示,计算工程软件在振动分析中的应用,桥梁振动的动态演示,第 一 阶 振 型 图,第 二 阶 振 型 图,风 振 响 应 图,有 限 元 图,计算工程软件在振动分析中的应用,北京植物园展览温室风振响应,计算工程软件在振动分析中的应用,涡轮机频率分析的动态演示,振动在汽车碰撞中的应用,汽车侧面碰撞变形的动态演示,振动在汽车碰撞中的应用,汽车正面碰撞的演示,振动在汽车碰撞中的应用,汽车碰撞实景以及前后分析图解,纳米管的 1阶(A)、2阶(B)、3阶(C)振动的振型与 悬臂梁振型相同。纳米管的截面尺度约1纳米(nm) =10-3微米(m)= 10-6毫米(mm)。 1999年Science 杂志,
