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1、 任何具有质量和弹性的系统都能产生振动，若不外加激励的作用，振动系统对初始激励的响应，通常称为自由振动。 保守系统在自由振动过程中，由于总机械能守恒，动能和势能相互转换而维持等幅振动，称为无阻尼自由振动。 实际系统不可避免存在阻尼因素，由于机械能的耗散，使自由振动不能维持等幅而趋于衰减，称为阻尼自由振动。第二章第二章 单自由度系统的自由振动单自由度系统的自由振动 最简单的单自由度振动系统就是一个弹簧连接一个质量的系统，如图2.1-1所示的弹簧-质量系统。 弹簧-质量系统有一个共同的特点：当受扰动离开平衡位置后，在恢复力作用下系统趋于回到平衡位置，但是由惯性它们会超越平衡点。超越后，恢复力再次作
2、用使系统回到平衡位置。结果系统就来回振动起来。2.1 简谐振动简谐振动 图 2.1-1 (2.1-1) 设在某一瞬时t，物体的位移为x，则弹簧作用于物体的力为-kx，以 和 分别表示物体的速度与加速度。由牛顿定律，有 根据常微分方程理论，式(2.1-3)的解具有下面的一般形式式中A1和A2是取决于初始条件 t=0, , 的积分常数。(2.1-4)这里 为系统的固有频率。令(2.1-2)(2.1-3)这是二阶常系数线性齐次常微分方程。 方程(2.1-1)改写为设 或 (2.1-5)(2.1-6)得 或 式中常数A和(=/2-)分别称为振幅和相角。方程(2.1-7)说明该系统以固有频率n作简谐振动
3、。解为(2.1-7)或 凡是系统响应可以用时间的正弦函数(或余弦函数)表示的振动。简谐振动： 矢量A与垂直轴x的夹角为nt-，A在x轴上的投影就表示解x(t)=Acos(nt-) 。当nt-角随时间增大时，意味着矢量A以角速度n按逆时针方向转动，其投影成谐波变化。 图 2.1-2 振动重复一次所需要的时间间隔。振动周期T： 在简谐振动的情况下，每经过一个周期，相位就增加2，因此n(t+T)+-(nt+)=2故有(2.1-9) 实际上T代表发生一次完整运动所需要的时间，周期通常以秒(s)计。 在单位秒时间内振动重复的次数。振动频率f：(2.1-10)频率的单位为次/秒，称为赫兹(Hz)。 设在初
4、瞬时t=0，物体有初位移 与初速度 ，则代入式(2.1-4)及其一阶导数，振动系统对初始条件 的响应为(2.1-10) 比较方程(2.1-4)和(2.1-10)，并利用方程(2.1-6)可以得到振幅A和相角的值。(2.1-11)或 现在来看由弹簧悬挂的物体(图2.1-3)沿铅直方向的振动。 当振动系统为静平衡时弹簧在重力mg的作用下将有静伸长(2.1-12) 在重力与弹簧力的作用下，物体的运动微分方程为(2.1-13)因为mg=ks，上式仍可简化为图 2.1-3 从弹簧的静变形可以方便的计算出振动系统的固有频率。(2.1-14) 例例2.1-1 均匀悬臂梁长为l，弯曲刚度为EJ，重量不计，自由
5、端附有重为P=mg的物体，如图2.1-4所示。试写出物体的振动微分方程，并求出频率。 解：解：由材料力学知，在物体重力作用下，梁的自由端将有静挠度则频率为图 2.1-4 这里，悬臂梁起着弹簧的作用，自由端产生单位静变形所需要的力就是梁的弹簧系数 物体梁端的振动微分方程为即则频率为 例例2.1-2 可绕水平轴转动的细长杆，下端附有重锤(直杆的重量和锤的体积都可以不计)，组成单摆，亦称数学摆。杆长为l，锤重为P=mg，试求摆的运动微分方程及周期。 假定角不大，可令sin，则上式简化为 解：解：取偏角为坐标。从平衡位置出发，以逆时针方向为正，锤的切向加速度为 ，故有运动微分方程为图 2.1-5故则振
6、动周期为 例例2.1-3 可绕水平轴摆动的物体，称为复摆(亦成为物理摆)。设物体的质量为m，对轴O的转动惯量为I，重心G至轴O的距离为s，如图2.1-6所示，求复摆微幅振动的微分方程及振动周期。 解：解：取偏角为坐标，以逆时针方向为正，复摆绕定轴转动的微分方程可列为 假定角不大，可令sin，则上式简化为这就是振动微分方程。图 2.1-6故固有频率为则振动周期为 解：解：设为圆盘相对于静平衡位置的角坐标。微分方程为 例例2.1-4 铅垂圆轴，上端固定，下端装有水平圆盘，组成扭摆，如图2.1-7所示。设有力矩圆盘及圆轴下端绕有转过某一角度后突然释放，则圆盘将在水平面内进行扭转振动。已知圆轴的扭转弹
7、簧系数(使轴的下端产生单位所需的扭矩)为k(Nm/rad)，质量不计，圆盘对转轴的转动惯量为I，求扭摆的振动微分方程及周期与频率。图 2.1-7 可见扭摆的自由振动也是简谐振动，其周期与频率为故或 对于能量无耗散的振动系统，在自由振动时系统的机械能守恒。(2.2-1)(2.2-2)(2.2-3)对时间求导，得 如果取平衡位置为势能零点，由机械能守恒定律，有2.2 能量法能量法 例例2.2-1 有一个重量为W，半径为r的实心圆柱体，在半径为R的圆柱形面上无滑动地滚动，如图2.2-1所示。假设该滚动的圆柱体进行简谐运动，试求它绕平衡位置作微小摆动时的固有频率n。 解：解：圆柱体在摆动时有两种运动：
8、移动和滚动。设坐标如图2.2-1所示。摆动时圆柱体中心C点的速度及圆柱体的角速度分别为图 2.2-1系统的动能T为 若选圆柱体中心C在运动过程中的最低点为零势能点，则系统的势能为圆柱体的势能为相对于最低位置O的重力势能。由式(2.2-2)，有上式可以简化为 当圆柱体作微摆动时， ，因此系统的势能为故系统固有频率为 系统的固有频率也可以用Tmax=Umax来计算，设系统作自由振动时的变化规律为则系统的最大动能为 系统的最大势能为则得固有频率n同前。 解解：在杆有微小偏角时，弹簧的伸长及锤的位移与速度可以近似的表示为a，l与 。故振动系统的动能与势能可以表示为 例例2.2-2 细杆OA可绕水平轴O
9、转动，如图2.2-2所示，在静平衡时成水平。杆端锤的质量为m，杆与弹簧的质量均可略去不计，求自由振动的微分方程及周期。 图 2.2-2代入方程(2.2-2)有由此可得固有频率为周期为，平衡时 。)（平衡位置为零势能点, 在前面的讨论中，都忽略了弹簧的质量。这样的简化，已经足够满足许多工程实际问题的需要了。 在一些工程实际问题中弹簧本身的质量可能占系统总质量的一定比例，而不能被忽略。 如何考虑弹簧本身的质量，以确定其对振动频率的影响，瑞利(Rayleigh)提出的一种近似方法。 如果忽略这部分弹簧的质量，将会导致计算出来的固有频率偏高。 2.3 瑞利法瑞利法 现以图2.3-1所示的弹簧质量系统为
10、例说明瑞利法的应用。 设为弹簧单位长度的质量，则弹簧微段du的动能为 设弹簧在振动过程中变形是均匀的，即弹簧在联结质量块的一端位移为x，弹簧(处于平衡位置时)轴向长度为l，则距固定端u处的位移为 。因此，当质量块m在某一瞬时的速度为 时，弹簧在u处的微段du的相应速为 。 图 2.3-1整个弹簧的动能为(2.3-1) 整个系统的总动能为质量块m的动能和弹簧质量的动能之和。在质量块经过静平衡位置时，系统最大动能为(2.3-2)系统的势能将仍和忽略弹簧质量时一样为(2.3-3)由Tmax=Umax可得(2.3-3)对于简谐振动代入得(2.3-4)式中l为弹簧的总质量。可见弹簧质量对于频率的影响相当
11、于在质量m上在加上1/3弹簧质量的等值质量，这样就可以把弹簧质量对系统的固有频率的影响考虑进去。 例例2.3-1 设一均质等截面简支梁，如图2.3-2所示，在中间有一集中质量m，如把梁本身质量考虑在内，试计算此系统的固有频率和梁的等效质量。 解解：假定梁在自由振动时动挠度曲线和简支梁中间有集中静载荷mg作用下的静挠度曲线一样。图 2.3-2式中ym为中点挠度。根据材料力学有设为梁单位长度的质量，整个梁的动能为可见梁的等效质量为因为是简谐振动，设则系统的最大总动能为梁的最大弹性势能仍为由Tmax=Umax，得得下面证明一个等截面悬臂梁(见图2.3-3)在自由端的等效质量为 。假定梁自由振动时的振
12、动形式和悬臂梁在自由端加一集中静载荷时的静挠度曲线一样。 由材料力学知，在梁端静载荷P的作用下，悬臂梁自由端的挠度为 ，截面x处的挠度为 。图 2.3-3假定在自由振动中，梁各点的振幅仍近似的按比例，即设 其中y0为梁自由端的振幅。设质量m的自由振动可表示为 ；而梁的振动可表示为 全梁动能的最大值为 故整个系统动能的最大值为 而系统势能的最大值为 由 可得 弹簧刚度系数就是使弹簧产生单位变形所需要的力或力矩。(2.4-1) 同一弹性元件，根据所要研究振动方向不同，弹簧刚度系数亦不同。 以一端固定的等直圆杆为例加以说明，如图2.4-1所示。2.4 等效刚度系数等效刚度系数图 2.4-1 确定沿x
13、方向的刚度时，在B处沿x方向加一垂直力F。B点在x方向的刚度系数为 根据材料力学知，B点在x方向的位移为图 2.4-1 确定沿y方向的刚度时，在B点沿y方向加一横向力P。 杆作弯曲变形，根据材料力学知，B点沿y方向的位移B点沿y方向的刚度系数为 杆件作转扭，产生扭角，根据材料力学知，B点沿x轴的扭角为 确定绕x轴的转动方向的刚度，需要在B端绕x轴转动方向加一扭矩M。B点绕x轴转动方向的刚度系数为 对于螺旋弹簧，在承受轴向拉伸或压缩、扭转与弯曲变形时，刚度系数分别为 式 中 E为 弹 性 模 量 ， G为 剪 切 模 量 ， d、 D分 别 为簧丝、簧圈直径，n为弹簧有效圈数。 工程中用到的弹簧
14、类型很多，计算时需要其刚度系数，一般可以根据等效刚度系数的推证方法加以推导。 图2.4-2(a)是两个串联弹簧，刚度系数分别为k1和k2。B点的位移及等效刚度系数为 串、并联弹簧的等效刚度的计算。串联弹簧的作用使系统中的弹簧刚度降低。 如果有n个弹簧串联，刚度系数分别为k1, k2, , kn，则等效刚度系数k应满足关系式(2.4-2)图 2.4-2 图2.4-2(b)是两个并联弹簧，刚度系数分别为k1和k2。两个弹簧所受的力分别为k1xB、k2xB 并联弹簧的系统刚度是原来的弹簧刚度的总和，比原来各弹簧的刚度都要大。 如果有n个弹簧并联，其弹簧刚度系数分别为k1, k2, , kn， 则等效
15、刚度系数为(2.4-3)B点的等效刚度：根据静力平衡条件得：图 2.4-2 弹簧的并联与串联，不能按表面形式来划分，应从力的分析来判断 。 图2.4-3(a)与(b)中的弹簧为串联，而(c)与(d)中的弹簧则属于并联。 图 2.4-3 因为如果车轮轴有损伤或有小裂纹，用掷头一敲，车轮轴系统将发生自由振动，其振动的频率与轮轴材料的弹性有关，损伤或有裂纹的部位会引起材料的弹性发生改变，这样固有频率也将发生变化，听到的声音频率也就不一样。单自由度系统的自由振动应用 榔头敲击车轮检测火车故障 检修工人手持榔头敲击火车的车轮等部位，这就是通过听敲击后车轮等部位发出的声音来检测列车的关键部位是否有损伤。
16、阻力可能来自多方面。例如，两物体之间在润滑表面或干燥表面上相对滑动时的阻力;物体在磁场或流体中运动所遇到的阻力;以及由于材料的粘弹性产生的内部阻力等等。在振动中,这些阻力称为阻尼。2.5 有阻尼系统的自由振动有阻尼系统的自由振动1干摩擦阻尼干摩擦阻尼2结构阻尼结构阻尼3流体阻尼流体阻尼4粘性阻尼粘性阻尼阻尼的分类：阻尼的分类：(2.5-1) 两接触面之间有润滑剂，摩擦力则决定于润滑剂的“粘性”和运动的速度。两个相对滑动面之间有一层连续的油膜存在，阻力与润滑剂的粘性和速度成正比，其速度的方向相反，即 (2.5-2)粘性阻尼粘性阻尼： 阻尼的存在将消耗振动系统的能量。消耗的能量转变成热能和声能(噪声)传出去。在自由振动中，能量的消耗导致系统振幅的逐渐减小而最后使振动停止。式中c称为粘性阻尼系数，单位为Ns/m。
