机械系统动力学绪论资料

机械动力学第一章绪论§1－1机器动态性能广义讲：动刚度动精度热稳定性习惯讲：动力特性动刚度具体讲：抵抗振动的能力抗振性加工质量稳定性切削效率[1-1]§1－2机械动力学的基本内容屈维德说：振动设计、系统识别和环境预测三者可概括为现代机械动力学研究的基本内容1.振动设计（动态设计）：已知激励，规定响应要求，设计系统的振动特性●又称动力学的逆问题●反复试凑修改的过程[1-2]2.系统识别：已知激励，给定系统，测试响应用测试数据与数学分析相结合方法确定振动系统数学模型●已知机械结构运动方程一般形式时，系统识别简化为参数识别●又称动力学的正问题●系统识别属动力分析范围●动力分析研究三方面问题：固有特性问题（系统识别参数识别）动力响应问题动力稳定性问题[1-3]3.环境预测：已知系统（特性）、响应，研究激励（振源分析故障诊断）§1－3动态问题的特点1.振动学科：物理或力学分枝基础学科解决工程中动力学问题--工程学科--振动工程2.振动工程：解决工程中动态问题3.动态问题：动态载荷作用于动态系统，构成动态问题[1-4]4.动态载荷：迅速变化（交变突变）的载荷5.工程中许多问题必须作为动态问题处理6.动态问题的特点a.复杂性：载荷作用的“后效性”响应对过去载荷经历的“记忆性”静载荷静变形与加载过程无关[1-5]b.危险性：共振现象自激振动（颤振）c.超常性：其现象、规律及防治方法超越生活常识（削边镗杆动力减振器）先有严谨完善理论后有工程应用参考书昆明工学院《机床动力学》ⅠⅡ清华大学《机械振动》S．A．TOBAIS《机床动力学》WILLIAMT.THOMSON《TheoryofVibrationwithApplications》师汉民等《机械振动系统》[1-6]§1－5振动的控制一.振动控制实现途径1.振动工程重要分支出发点和归宿2.振动控制：利用抑制3.振动控制的五个环节(1).确定振源特征：振源位置激励特性振动特征：受迫自激振动(2)确定振动控制水平:衡量振动水平的指标（位移速度加速度应力）量（最大值均方根值）(3)确定振动控制方法：隔振吸振阻振消振结构修改(4)振动分析与设计：建立受控对象和控制装置的力学模型，设计控制装置参数和结构控制装置：吸振器隔振器阻尼器等(5)实现[1-7]机床的振源分析框图[1-8]二.振动控制的分类1.按不同性质的振动分(1)动力响应的控制：受迫振动的控制（共振）(2)动力稳定性的控制：自激振动的控制2.按不同抑制振动手段分（5种）(1)消振：消除或减弱振源（治本）●动平衡方法消除质量不平衡引起的离心力及力矩●车刀颤振冷却剂减少车刀后刀面与工件间磨擦力（破坏产生颤振的条件）●抵消振动：由控制引起的振动抵消未加控制的原振动(2)隔振：振源与受控对象之间串加一个子系统(3)吸振：动力吸振—-受控对象上附加一个子系统[1-9](4)阻振：阻尼减振---受控对象上附加阻尼器或阻尼元件（消耗能量）(5)结构修改：修改受控对象的动力学特征参数（质量刚度阻尼参数）实际存在的受控对象：结构修改问题设计阶段的受控对象：动态设计问题3.按是否要能源分(1)无源控制：被动控制(2)有源控制：主动控制[1-10]三、振动主动控制1.两类控制方式：开环闭环开环控制闭环控制开环控制：控制器中的控制规律是预先设置好，与振动状态无关闭环控制：控制器按受控对象的振动状态为反馈信息而工作2.振动主动控制系统的组成(1)受控对象：控制对象（产品结构或系统的总称）(2)作动器：又称作动机构。提供作用力（或力矩）的装置[1-11]直接施加在受控对象或通过附加子系统作用受控对象常用作动器：伺服液压式伺服气动式电磁式电动式电压式(3)控制器：核心环节实现所需的控制律其输出是驱动作动器动作的指令开环：其输入是按程序预先设置闭环：其输入通过测量系统感受受控对象的振动信息控制律：模拟电路----模拟控制数字计算机----数字控制(4)测量系统：振动信息转换并传输到控制器（传感器适调器放大器滤波器）(5)能源：为作动器提供外界能量（液压油源气源电源）(6)附加子系统：有些系统没有[1-12]3.两类振动主动控制问题:动力响应的主动控制动稳定性的主动控制四、振动主动控制的应用简介1.二十世纪20年代电磁阀控制的缓冲器（雏型）2.1960年前后出现复杂振动主动控制系统---解决航空工程的振动问题59年对B—52型飞机机身侧向弯曲模态进行主动控制美国空军飞行动力实验室两项结构模态控制的研究，一项66年开始“载荷减轻与模态镇定”另一项67年开始“突风减缓与结构动力增稳系统”为飞机颤振主动抑制的研究创造了条件3.1971年9月止,B-52G、H型飞机都装上了抑制低频结构模态振动的系统.4.1980年振动主动控制的研究从航空工程扩展到其它工程领域航天工程领域：大柔性结构(大型天线太阳能电池板空间站)其模态频率低且密集、阻尼小在太空运行时,一旦受外干扰,大幅度的自由振动要延续很长时间.由此提出许多主动控制的新方案.机械工程领域：采用主动控制技术消除柔性机器人臂在终端位置处的振动抑制挠性转轴通过临界转速的主动控制研究,是当今转子动力学研究热点交通运输工程领域：车辆主动隔振、半主动隔振方面,已研制出主动支承元件.[1-13]五、振动主动控制的近期新进展1.受控对象与控制器的联合优化设计有三种不同的解法：(1)串行(顺序)解法：受控结构优化与控制器优化设计分成两个”独立”阶段进行.在完成一次循环迭代后,与前一次循环迭代结果进行比较,以决定需再从哪个阶段进行设计.(2)并行(同时)解法：受控结构与控制器设计参数都等同地视为设计变量,同时进行优化.(3)多级分解的一体化设计方法：把整个优化过程分为系统级和子系统级的优化[1-14]2.新型作动器及其它主动元件作动器是影响主动控制实现的重要环节.目前重点在对不需要固定基础的轻型作动器的研究。主要有反作用式作动器压电陶瓷形状记忆合金电/磁致伸缩材料电流变液等构成的作动器或主动元件。(1)反作用式作动器控制作动器中某一部件的运动,使其产生的反作用力作用于受控对象,以控制受控对象的振动水平.对线位移振动有惯性质量型作动器角位移振动有反作用轮型作动器(Reactionwheel)(2)压电式作动器压电式作动器利用压电材料的逆压电效应,通过施加外部电场,将电能转换成机械能的装置。压电材料有：压电陶瓷压电高分子材料(聚氟乙烯聚偏氟乙烯)它们均可制成任意形状,易于与其它材料复合应用范围：柔性结构天线柔性机器人手臂的振动与形状控制中;作为自适应智能结构的作动器;[1-15](3)形状记忆材料作动形状记忆效应（ShapeMemoryEffectSME）指某些具有热弹性或应力诱发马氏体相变的材料处于马氏体状态，并进行一定限度的变形后，在随后加热并超过马氏体相消失温度时，材料能完全恢复到变形前的形状和体积。经过处理,材料能记忆其在相变前后的形状.可加工成片材、丝线、薄膜，特别是产生大的应力或应变包括形状记忆合金(NiTiCuZnAlCuAlNi最具实用价值)。应用范围：低频振动的控制(形状记忆材料响应慢)[1-16](4)磁致伸缩材料作动器磁致伸缩材料在外加磁场的作用下,其尺寸、体积等会发生改变,能提供较大控制力,并且在低压电流产生的磁场中具有很好的线性度和电场变化的响应能力.如纯镍NiFeNiCo等应用范围：高精度微幅隔振和自适应结构(5)电流变流体由不导电流体和细小的悬浮状可极化的粒子组成.在通电状况下在极短的时间内,粒子极化,液体变成固体,悬浮粒子极化形成很强的静电引力链,这种链即使断开,仍能重新结合起来。当电场撤消后,材料又恢复液态玉米油中加入玉米淀粉矿物油中加入硅胶变压器油中加入纤维素硅油中加入沸石都可形成电流变流体.我校研究的电流变流体减振器采用由聚苯胺/钛酸钡纳米复合粒子与降粘的甲基硅油组成的电流变流体应用范围:用于自适应结构.灌入某些重要结构中,使结构受到冲击时能自动加固,能减振和防断裂可控型动态阻尼器●智能材料：压电材料形状记忆材料磁致伸缩材料电流变流体统称智能材料目前正尝试将几种材料复合在一起成最佳性能组合●智能结构：集智能传感元件、智能作动元件、微型计算机控制芯片于一体的结构[1-17]第二章振动分析基础§2－1概述振动分析的研究思路：一·动力学模型●任何实际的振动系统是无限复杂的,为了便于分析,要作简化,在简化的基础上建立动力学模型●振动系统的力学模型由三种理想化元件组成：质量m阻尼c弹性k●系统简化的程度取决于考虑问题的复杂程度、计算精度、计算条件●实际结构两种简化处理方式：对实际结构质量、刚度、阻尼线性化处理对其分布规律作离散化处理●动力学模型采用的正确与否要由实践检验●动力学模型分三类：a集中参数模型(常微分方程)b有限元模型(常微分方程)c连续弹性体模型(偏微分方程)[1-18]EIPl3333lEIk33lEIk1·弹性元件：只有弹性,无惯性、阻尼(理想化元件)●弹簧所受外力Fx是位移x的函数：Fx=f(x)●在线性范围内Fx=kx(对弹簧的线性化处理)●通常假定弹簧没有质量若：弹簧质量相对小,可忽略弹簧质量相对较大,一定要处理●实际工程结构中许多构件在一定范围内所受作用力与变形是线性关系,可作线性弹性元件处理.例图示悬臂梁根据材力P与变形δ的关系杆长E材料弹性模量I抗弯截面惯性矩设则P=kδ因此悬臂梁相当一个刚度为的线性弹簧[1-19]GJML●角振动系统：弹簧为扭转弹簧M=kθM外力矩θ转角k刚度扭振系统G轴材料剪切模量J轴截面极惯性矩M扭矩因此扭转刚度：●从能量角度：弹性元件不消耗能量,而是以势能方式贮存能量.●等效刚度：复杂弹性元件组合形式,可用等效弹簧取代等效弹簧的刚度用等效刚度表示(等于组合弹簧的刚度)并联弹簧：比各组成弹簧”硬”共位移串联弹簧：比各组成弹簧”软”共力确定弹性元件组合方式是”并联”还是”串联”关键看是”共位移”还是”共力”[1-20]见下例：例1a.两弹簧共位移(x)并联b.两弹簧共力(Fs)串联例2确定阶梯轴的等效扭转刚度解共力矩M为串联由扭振LGJM2221111JGLJGLkeq2．阻尼元件:只有阻尼无惯性,弹性(理想元件)●振动系统的阻尼特性及模型是振动分析最困难问题之一,也是最活跃的研究方向之一●阻尼力是振动速度的函数对线性阻尼器C:阻尼系数●阻尼元件消耗能量以热能声能等方式耗散系统的机械能●角振动系统:有以上类似关系为阻尼力矩)(xfFdxxcFdcMddM[1-21]●非粘性阻尼:与速度成正比的阻尼为粘性(Viscous)阻尼,又称线性阻尼其它性质的阻尼统称非粘性阻尼工程中将非粘性阻尼折算成等效粘性阻尼系数Ceq○折算原则:一个振动周期内非粘性阻尼所消耗的能量等于等效粘性阻尼一周期所消耗的能量○非粘性阻尼种类：a.库仑(Coulemb)阻尼即干磨擦阻尼b.流体阻尼:物体以较大速度在粘性很小的流体(空气液体)中运动.阻尼力与速度平方成正比:c.结构阻尼：材料内磨擦产生的阻尼(又称材料阻尼)由结构各部件连接面之间相对滑移而产生的阻尼:滑移阻尼结构阻尼=材料阻尼+滑移阻尼(两项统称)3.质量元件只有惯性无弹性和阻尼的理想元件.(略)[1-22].二.动力学模型的建立举例说明:南京工学院(东南大学)为无锡机床厂外园磨床作振动分析:[1-23]§2—2单自由度系统一.自由振动自由振动的基本振动特性只决定系统本身的参数,因此是在理论上十分重要的一种振动形式.系统自由振动所表现出的一些规律能反映出系统本身的一些”固有特性”或”固有参数”.反映了系统内部结构的所有信息,是研究强迫振动的基础.1.单自由度自由振动概述当外界对系统没有持续的激励即F(t)=0但系统仍可以在初速度或初位移的作用下发生振动,称为自由振动其运动微分方程为:二阶常系数齐次微分方程,方程还可其中（衰减系数）（固有频率）方程特征方程通解其中:022xwxxn0kxxcxmmc2mkwn20222nwss)()(222221nnss