机械振动噪声与控制课件.ppt
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- 机械振动 噪声 控制 课件
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1、pagepage 1授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering 本节考虑的杆假设是细杆,且沿其长度方向是均质的。由于轴向力的作用,横截面沿着杆的轴向产生位移u ,这个位移是位置x和时间t的函数。设u(x,t)是杆的微元dx的左横截面的轴向位移。Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rods杆微元dx的隔离体图pagepage
2、2授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering根据牛顿第二定律 ,有PdxxPPtuAdx)(22xuEAP由虎克定律得应力应变关系为其中P是x处的轴向力,A是横截面积,E是杨氏弹性模量。式中是杆单位体积的质量。Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rodspagepage 3授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程
3、学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering由前页两式得到即设 ,则有dxxuAExtuAdx)(222222xuEtuEa 222222xuatu其中a是杆中纵波沿轴向传播的速度Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rodspagepage 4授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy En
4、gineeringPower and Energy Engineering利用分离变量法,设 代入上述一维波的方程,得到 即 tGxUtxu,22222dxUdGadtGdU2222211dxUdUadtGdG 上述方程左边的值依赖于时间变量,而右边的值依赖于空间变量,因此,只有当方程的左边和方程的右边等于同一个常数,才能成立。为了使解在时域内是有限的,并且可得到满足边界条件的非零解,设常数为-2,则有Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rodspagepage 5授课人柳贡民2022年3
5、月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering0222GdtGd02222UadxUd tBtAtGcossin xaDxaCxUsincos这两个方程的一般解为其中A、B、C、D4个常数由边界条件和初始条件确定。系统的解为)sin()cossin()cossin)(cossin(,txaCxaDtBtAxaCxaDtxuChapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration
6、of Rodspagepage 6授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy EngineeringType Boundary ConditionFixed EndFree EndSpring LoadInertial Load0 xuxuEAkuxuEAtum220uChapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rodspagepage 7授课人柳贡民20
7、22年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering 在实际应用中,边界条件一般很难确定。杆的几种典型边界条件是:0, 0tu0,tlu0 xu0 xu杆端条件 左端边界条件 右端边界条件xuEAkuxuEAkuxuEAtum22xuEAtum22固定端 自由端 应力为零xuAEF弹性载荷惯性载荷Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rodspagep
8、age 8授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering例4-1 针对两端自由的杆,其边界条件为在任何时刻杆的两端应变为零,即将上述边界条件代入解中,得到)sin()cossin(,txaCxaDtxu这里用到解的表达式Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rodspagepage 9授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能
9、源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering因此;0D 此时C不能为零,否则就得到u(x,t)0的非振动解,因此必有 上式为杆纵向振动的频率方程,它有无限多个固有频率。由上式可得 杆的固有角频率为(实际上还有对应于刚体运动的零频率):Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rodspagepage 10授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College o
10、fCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering由于X(x)幅值的任意性,对应于i的振型可取 令i=1、2、3,分别代入前两式,求得前3个非零阶固有频率和相应的主振型,即cosii xXl1231,( )cos222,( )cos333,( )cosExiXxllExiXxllExiXxll123当时,当时,当时,Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rodspagepage 11授课人柳贡民2022年3
11、月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering这三阶主振型如下图所示。1-1-1-1-111Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.2 Longitudinal Vibration of Rodspagepage 12授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engi
12、neeringChapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Torsional Vibration of Rods 本节讨论等截面直圆轴的扭转振动。除了理想弹性体假设之外,我们还假设轴的横截面在扭转振动过程依然保持为平面。 如图所示长度为dx的等截面直圆微轴段,(x,t)为扭转角,T(x,t)为扭矩。另外设J为单位长度轴段绕纵轴的转动惯量,Ip为轴截面极惯性矩,为单位体积质量,G为材料的剪切弹性模量。pagepage 13授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy
13、 EngineeringPower and Energy Engineering由材料力学可知,扭矩与扭转应变之间的关系为由以上两式可得xGITp根据动力学方程,有TdxxTTtdxIp)(222222xGItIppChapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Torsional Vibration of Rodspagepage 14授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering 令Gc
14、 上式化为22222xct 式中c为扭转波的传播速度。该方程与杆作纵向振动的方程形式上完全相同,因此解的形式也一样。)sin(cossin),(tcxBcxAtxChapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Torsional Vibration of Rodspagepage 15授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering 例 如图表示的系统中,长度为L的等截面圆轴两端带有两个圆盘,
15、它们的转动惯量分别为J1和J2,轴的扭转刚度为GIP,轴两端都是自由边界条件。计算轴系扭转振动的固有频率和主振型。xoChapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Torsional Vibration of Rodspagepage 16授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering解:按照前面的介绍,轴运动的微分方程为(b为波速)22222xbt)sin(cossin),(tbxBbx
16、Atx其解为 本题边界条件为轴的端部带有集中质量,类似于杆的纵向振动的边界条件,针对其两端可列方程有21200( , )( , )pxxx tx tJGItx222( , )( , )px lx lx tx tJGItx Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Torsional Vibration of Rodspagepage 17授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering将
17、所得边界条件代入运动方程中,有从式中消去A、B,得112212000(ppJJJJlRRJbJlIJlI令,是轴绕自身中心线的转动惯量),于是有Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Torsional Vibration of Rodspagepage 18授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering或 此式为轴扭转振动的频率方程。这个超越方程有无穷组解,即为系统的固有频率。把各
18、阶频率代入振型方程,就可得到系统的各阶主振型。 可见连续系统的各阶固有频率和主振型完全取决于系统的边界条件,亦即边界条件决定弹性体自由振动的解。Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Torsional Vibration of Rods(cossin)(1,2,)ixixiiiiBRibb pagepage 19授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy EngineeringHome Works1.
19、1. 求两端固定的等截面均匀杆纵向振动的固有角频求两端固定的等截面均匀杆纵向振动的固有角频率和主振型函数,并画出前四阶振动的主振型率和主振型函数,并画出前四阶振动的主振型2.2. 确定悬臂确定悬臂均匀圆杆的自由扭振特性均匀圆杆的自由扭振特性. .pagepage 20授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy EngineeringThank you and have a nice day!pagepage 21授课人柳贡民2022年3月24日星期四动
20、力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy EngineeringChapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Bending Vibration of Beams 本节考虑等截面细长梁的横向振动,假设梁的长度与截面高度的比相当大,截面在弯曲时保持平面。同时假设梁具有对称平面。A、梁的横向振动微分方程pagepage 22授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energ
21、y EngineeringPower and Energy Engineering 若梁的横向位移yy(x,t)仅由弯曲引起,这种梁模型称为“欧拉一伯努利梁”。设:Q(x,t)为剪力,M(x,t)为弯矩,I(x,t)为梁截面绕中性轴的惯性矩,A(x)为梁的截面积,为材料的质量密度,E为材料的杨氏模量。对上图中梁的微单元体,按牛顿第二定律有整理后得到Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Bending Vibration of Beamspagepage 23授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofColle
22、ge of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering由梁微元体对右端面任意点的力矩平衡,有021),(),(),(dxdxtxqdxxtxMdxtxQ即xtxMtxQ),(),(由此式可得22),(),(xtxMxtxQ22),(xtxyEIM由材料力学,有式中EI为梁的抗弯刚度。由以上三式,得),(),(),(2244txqttxyAxtxyEIChapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Bending Vibration of Beamspagepage 24授课人柳贡民2
23、022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering定义AEIa2当梁作自由振动时,有上述欧拉伯努利方程化为42242( , )( , )1( , )y x ty x taq x txtEI42242( , )( , )0y x ty x taxtChapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Bending Vibration of Beamspagepage 25授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与
24、能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy EngineeringB、运动微分方程的解 利用前面用过的分离变量法,设上述四阶偏微分方程解的形式为)()(),(txYtxy)(xY)(t其中 为振型函数, 为同步谐振动函数。 将上式代入梁作自由运动的微分方程中,0)()(1)()(22244dttdxYadxxYdt044222xyaty得到Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Bending Vibration of Beamspagepage
25、 26授课人柳贡民2022年3月24日星期四动力与能源工程学院College ofCollege of Power and Energy EngineeringPower and Energy Engineering或22442)()(1)()(1dttdtdxxYdxYa2令方程两边都等于 , 为常数,得到 0)()(2244xYadxxYd0)()(222tdttd令 ,上面(a)化为2242AEIa 0)()(444xYdxxYd(a)(b)(c)Chapter 4 Vibration of Continuous Systems4.3 Bending Vibration of Beams
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