第2章第234节.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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 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,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,A,1,和,A,2,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。,解为,(2.1-7),或,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,=,k,s,，,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,2.1-1,均匀悬臂梁长为,l,，弯曲刚度为,EJ,，重量不计，自由端附有重为,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：,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,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：,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,则振动周期为,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：,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：,设,为圆盘相对于静平衡位置的角坐标。微分方程为,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,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：,圆柱体在摆动时有两种运动：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,T,max,=,U,max,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：,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,2.2-2,细杆,OA,可绕水平轴,O,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,现以图,2.3-1,所示的弹簧质量系统为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,d,u,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,d,u,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,T,max,=,U,max,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,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：,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,y,m,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,T,max,=,U,max,，,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,y,0,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,图,2.4-1,确定沿,x,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,k,1,和,k,2,。,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,k,1,k,2,k,n,，,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,k,1,和,k,2,。,两个弹簧所受的力分别为,k,1,x,B,、,k,2,x,B,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,k,1,k,2,k,n,，,则等效刚度系数为,(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。,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,1,干摩擦阻尼,2,结构阻尼,3,流体阻尼,4,粘性阻尼,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,：,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,。,