机械振动基础解析课件.ppt
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- 机械振动 基础 解析 课件
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1、1 振动是日常生活和工程实际中常见的现象。例如:钟摆的往复摆动,汽车行驶时的颠簸,电动机、机床等工作时的振动,以及地震时引起的建筑物的振动等。利利:振动给料机 弊弊:磨损,减少寿命,影响强度 振动筛 引起噪声,影响劳动条件 振动沉拔桩机等 消耗能量,降低精度等。3.研究振动的目的研究振动的目的:消除或减小有害的振动,充分利用振动 为人类服务。2.振动的利弊振动的利弊:1.所谓振动就是系统在平衡位置附近作往复运动。所谓振动就是系统在平衡位置附近作往复运动。动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础2 4.振动的分类振动的分类:单自由度系统的振动 按振动系统的自由度分类按振动系统的自由
2、度分类 多自由度系统的振动 弹性体的振动 按振动产生的原因分类按振动产生的原因分类:自由振动:无阻尼的自由振动 有阻尼的自由振动,衰减振动 强迫振动:无阻尼的强迫振动 有阻尼的强迫振动 自激振动本章重点讨论单自由度系统的自由振动和强迫振动。动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础3 191 单自由度系统无阻尼自由振动单自由度系统无阻尼自由振动 192 求系统固有频率的方法求系统固有频率的方法 193 单自由度系统的有阻尼自由振动单自由度系统的有阻尼自由振动 194 单自由度系统的无阻尼强迫振动单自由度系统的无阻尼强迫振动 195 单自由度系统的有阻尼强迫振动单自由度系统的有阻尼强
3、迫振动 196 临界转速临界转速 减振与隔振的概念减振与隔振的概念第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础4 19-1单自由度系统无阻尼自由振动单自由度系统无阻尼自由振动 一、自由振动的概念一、自由振动的概念:动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础5 动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础6 运动过程中,总指向物体平衡位置的力称为恢复力恢复力。物体受到初干扰后,仅在系统的恢复力作用下在其平衡位置附近的振动称为无阻尼自由振动无阻尼自由振动。)/(0 ,)/(0 ,)/(0 ,2222222JmgamgaJlg
4、mglmlmkxxkxxmnnnnnn 质量质量弹簧系统:弹簧系统:单摆:单摆:复摆:复摆:动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础7二、单自由度系统无阻尼自由振动微分方程及其解二、单自由度系统无阻尼自由振动微分方程及其解 对于任何一个单自由度系统,以q 为广义坐标(从平衡位置开始量取),则自由振动的运动微分方程必将是:0eeqkqm ke,me是与系统的物理参数有关的常数。令ee2n/mk则自由振动的微分方程的标准形式:则自由振动的微分方程的标准形式:02nqq 解解为:)sin(ntAq动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础8 00n2n2020arctg ,
5、qqqqA设 t=0 时,则可求得:00 ,qqqq 或:tCtCqn2n1sincosC1,C2由初始条件决定为n02 01/,q CqCtqtqqnn0n0sincos 动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础9 三、自由振动的特点三、自由振动的特点:A物块离开平衡位置的最大位移,称为振幅。n t+相位,决定振体在某瞬时 t 的位置 初相位,决定振体运动的起始位置。T 周期,每振动一次所经历的时间。f 频率,每秒钟振动的次数,f=1/T。固有频率,振体在2秒内振动的次数。反映振动系统的动力学特性,只与系统本身的固有参数有关。n2Tn动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机
6、械振动基础10 无阻尼自由振动的特点是无阻尼自由振动的特点是:(2)振幅A和初相位 取决于运动的初始条件(初位移和初速度);(1)振动规律为简谐振动;四、其它四、其它 1.如果系统在振动方向上受到某个常力的作用,该常力只影响静平衡点O的位置,而不影响系统的振动规律,如振动频率、振幅和相位等。动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础11 2.弹簧并联系统和弹簧串联系统的等效刚度21eq21stst21212211st ,)(,kkkkkmgkkmgFFmgkFkF并联2121eq21eqst21212stst1st )11()11(kkkkkkkmgkmgkkmgkmgkmg串联并
7、联串联动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础121.由系统的振动微分方程的标准形式由系统的振动微分方程的标准形式2.静变形法:静变形法:3.能量法能量法:19-2 求系统固有频率的方法求系统固有频率的方法02nqq stngst:集中质量在全部重力 作用下的静变形n由Tmax=Vmax,求出动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础13 如图表示一简支梁和悬臂梁各有一集中载荷,重量为F,位置如图所示。已知梁的跨度为l,材料的弹性模量为E,截面惯性矩为J,不计梁的质量,求梁的固有频率。动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础例例114简支梁中点和悬臂梁端
8、点的静挠度分别为FEJl482stFEJl32st和相当的弹簧系数分别为248lEJC 23lEJC 和则固有频率分别为204821FlEJg20321FlEJg和解:解:动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础15 无阻尼自由振动系统为保守系统,机械能守恒。当振体运动到距静平衡位置最远时,速度为零,即系统动能等于零,势能达到最大值(取系统的静平衡位置为零势能点)。当振体运动到静平衡位置时,系统的势能为零,动能达到最大值。mgAAkV)(212st2stmax2maxst21 kAVmgk222max2121nmAxmT如:动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础1
9、6 mkkAmAVTn22n2maxmax 2121 由 能量法是从机械能守恒定律出发,对于计算较复杂的振能量法是从机械能守恒定律出发,对于计算较复杂的振动系统的固有频率来得更为简便的一种方法。动系统的固有频率来得更为简便的一种方法。例例2 图示系统。设轮子无侧向摆动,且轮子与绳子间无滑动,不计绳子和弹簧的质量,轮子是均质的,半径为R,质量为m1,重物质量 m2,试列出系统微幅振动微分方程,求出其固有频率。动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础17解解1:以 x 为广义坐标(静平衡位置为 坐标原点)RkgRmm2)(st21gkmm221st则任意位置x 时:kxgmmxkFs
10、t22)2(21静平衡时:动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础18 应用动量矩定理:kxRRFgRmmMxRmmRxRmRxmRxmLAA42)()()23(2121212112F由 ,有)(ddFAAMtLkxRxRmm4)23(21 振动微分方程:固有频率:21212380238mmkxmmkxn 动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础A19 解解2:用机械能守恒定律 以x为广义坐标(取静平衡位置为原点)2212222121)23(21 21)(22121xmmxmRxRmxmT 以平衡位置为计算势能的零位置,并注意轮心位移x时,弹簧伸长2xgxmmxkk
11、xgxmmxkV)(22 )()2(221st2212st2st因平衡时gxmmxkt)(221s22kxV 动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础20 由 T+V=有:constconst2)23(212221kxxmm04)23(21kxxmm 21n212380238mmkxmmkx 对时间 t 求导,再消去公因子 ,得x 动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础21 如图所示两个相同的塔轮,相啮合的齿轮半径皆为R,半径为r的鼓轮上绕有细绳,轮连一铅直弹簧,轮挂一重物。塔轮对轴的转动惯量皆为J,弹簧刚度为k。重物质量为m,求此系统的固有频率。动力学动力学第十
12、九章第十九章 机械振动基础机械振动基础例例3 xRxxr22动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础23解:解:22)(21221rxJxmT 系统平衡处弹簧虽有拉长,但如前所述,从平衡位置起计算弹性变形,可以不再计入重力。由几何关系,当重物位于x处,弹簧由平衡位置计算的变形量也是x,则系统的势能为221kxV 以系统平衡时重物的位置为原点,取x轴如图。重物于任意坐标x处,速度为x的导数,两塔轮的角速度皆为 。系统动能为rx 动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础xRxxr24不计摩擦,系统的机械能守恒,有常数22222121kxxrJxmVT两端对时间取一阶导数
13、,得0)2(2kxxrJm 上式为自由振动微分方程,系统固有频率为Jmrkr2220 xRxxr动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础25 如图所示表示以质量为m,半径是r的圆柱体,在一半径是R的圆弧槽上作无滑动的滚动。求圆柱体在平衡位置附近做微小振动的固有频率。动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础例例4 26解:解:用能量法求解这个问题。)(1rRvO 设在振动过程中,圆柱体中心与圆槽中心的连线OO1与铅直线OA的夹角为。圆柱体中心O1的线速度为由运动学知,当圆柱体做纯滚动时,其角速度为rrR)(22222121)()2(21)(212121rrRmrrRm
14、JmvTOO因此系统的动能为动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础27整理后得22)(43rRmT 系统的势能即重力势能,圆柱在最低处平衡,取该处圆心位置C为零势能点,则系统的势能为2 sin)(2)cos1)(2rRmgrRmgV22 sin当圆柱体作微振动时,可认为动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础因此势能可改写成2)(21rRmgV28设系统做自由振动时的变化规律为)(sin0tA则系统的最大动能2202max)(43ArRmT2max)(21ArRmgV由机械能守恒定律,有Tmax=Vmax,解得系统的固有频率为)(320rRg系统的最大势能动力学动
15、力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础29 例例5 鼓轮:质量m1,对轮心回转半径,在水平面上只滚不滑,大轮半径R,小轮半径 r,弹簧刚度 ,重物质量为m2,不计轮D和弹簧质量,且绳索不可伸长。求系统微振动的固有频率。21,kk 解解:取静平衡位置O为坐标原点,取C偏离平衡位置x为广义坐标。系统的最大动能为:动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础30 )()()(21 )(21212st2max21max22st2stmax21maxRkkrRgmxkkxRrRgmxkkV2max2222122max22max212max1max 21 )(21 )(21)(21xr)
16、(Rm)R(mRxRrRmRxmxmT系统的最大势能为:动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础系统的最大动能为:31 设 则有)sin(n Axnmaxmax ,AxAx)(21 2)()(221max22n222221maxAkkVARrRmRmT根据Tmax=Vmax,解得22221221n)()()(rRmRmRkk动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础32 19-3 单自由度系统的有阻尼自由振动单自由度系统的有阻尼自由振动一、阻尼的概念一、阻尼的概念:阻尼阻尼:振动过程中,系统所受的阻力。粘性阻尼粘性阻尼:在很多情况下,振体速度不大时,由于介质粘性引起的
17、阻尼认为阻力与速度的一次方成正比,这种阻尼称为粘性阻尼。vFc投影式:xcFc c 粘性阻尼系数,简称阻尼系数。动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础33 二、有阻尼自由振动微分方程及其解二、有阻尼自由振动微分方程及其解:质量弹簧系统存在粘性阻尼:xckxxm 02 2 ,2n2nxxnx mcnmk 则令有阻尼自由振动微分方程的标准形式。动力学动力学第十九章第十九章 机械振动基础机械振动基础34 其通解分三种情况讨论:1、小阻尼情形、小阻尼情形mkcn2 )(n)sin(dtAexnt22ndn有阻尼自由振动的圆频率则时设 ,0 00 xxxxt0022n0122n20020
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