电子设备振动环境设计之理论基础02

§2.电子设备振动理论基础振动系统按其力学模型特点分为离散系统和连续系统。离散系统具有有限个自由度，连续系统具有无限个自由度。振动系统的自由度数定义为完全描述其运动状态所需的独立坐标的个数。单自由度线性振动系统是离散振动系统中最简单的一种。尽管将复杂系统简化为最简单的数学模型来分析具有较大的近似性，但是对单自由度系统深入研究不仅可以建立振动理论分析的基本概念，而且也为研究线性多自由度振动系统和连续系统打下了基础。在求解大多数线性多自由度系统振动特性时，我们往往可通过模态分析技术将它们简化为一组互不相关的二阶线性微分方程，并且其中每一个方程均类似于单自由度系统的方程。系统对仅受初始激励的响应称为自由振动；系统受连续振动激励而对外部作用力的响应称为强迫振动，系统受到瞬态激励，其力、位置、速度或加速度响应发生突然变化的现象称为冲击。2.1单自由度系统振动２．１．１离散振动系统的力学模型任何一个离散振动系统均由三个基本部分组成：振动位移与弹性恢复力相联系的弹性元件(k)、振动速度与阻尼力相联系的阻尼元件(c)和振动加速度与惯性力相联系的质量(m)。安装在线性隔振器上的电子设备(图2．1所示)，如仅讨论设备垂向振动特性时，便可以将它简化为(图2．2所示)的力学模型。设备的总质量m和隔振器弹簧刚度k、阻尼c便分别构成图2．2所示的由一个质量m、一个线性阻尼元件c和一个线性弹簧k组成的单自由度系统。图2．1安装在线性隔振器上的电子设备图2．2电子设备的力学模型如需进一步讨论设备中各个插箱(1，2,3,4)和机架(5)各自的振动特性，便成为图2.3所示的离散多自由度系统。由于该系统具有5个质量，并需要5个独立座标才能确定它们的振动状态，故它们是五自由度线性系统。２．１．２单自由度系统的自由振动单自由度系统在初始位移或初始速度激励下的振动称为自由振动．如将图2．2中的阻尼c略去，便构成了无阻尼单自由度系统(如图2．4a所示)。图2．3五自由度系统图2．4无阻尼单自由度系统1)无阻尼单自由度系统的自由振动a)运动微分方程线性弹簧k加上质量m自原始位置被重力压缩s后，处于静平衡位置，此时skmg。取该位置为座标原点o(图2．4a)，若使质量m有一向下的位移z(图2.4b)，则由牛顿第二定律得mgzkzms)(（2.1）将静平衡位置时的skmg关系式代入上式，得振动微分方程如下：0kzzm令2/nmk，则上式可写为讨论单位质量运动状态的归一化方程：02zzn（2.2）式中n系统固有振动角频率（srad/）。系统振动频率)(2/Hzfnn，系统振动周期)(/2/1sfTnn。b)运动微分方程式通解设通解为)cos(tAzn(2．3a)式中A是响应振幅；是相位角。A和由初始位移和初始速度确定：2020)/(nzzA00/zztgn(2．3b)2）有阻尼单自由度系统的自由振动系统的阻尼一般可分为结构阻尼、粘性阻尼、干摩擦阻尼和电磁阻尼等几类。本节主要讨论存在粘性阻尼时的振动情况。a)粘性阻尼系统粘性阻尼振动系统如图2.2所示,其振动微分方程为0kzzczm(2.4)式中,c阻尼系数(msN/)。定义为系统（设备）有单位速度变化量时/ms所受到的阻力（N）。令btbtbtebzbezez2,,。代入式(2-4)中有特征方程0/2mkbmcb(2.5)令,/),(22mkmcn阻尼系数则式2.4a可改写为0222nbb(2.6)其根为222,1nb则有tbtbececz2211(2.7)讨论：①小阻尼情况（n）图2.5小阻尼系统振动特点tnitniececz222221（2.8）确定和时由初始条件和000021,0zzzztcctt。整理后有tBezdtcos（2.9a）式中2020/dzzB00220/zzztgn（2.9b）22nd小阻尼系统的振动（如图2.5所示）具有下列二个特点：(a)振动频率d减小，似周期dT略有增大。20201/1/2/2DTDTdd(2.10)(b)振幅按指数衰减，其表示式为11tBeB12tdTBeB相邻振幅比为dTeBB21（2.11a）对数减幅系数为dTln（2.11b）因此有dT（2.11c）且n为)/(422sradTdn(2.12)当系统质量为m时，则可由(2.11)和(2.12)两式求得系统的刚度k，阻力系数c和阻尼比D222)4(dTmk（mN/）dTmc/2(msN/)224//nD②大阻尼情况(n)当n时，特征方程(2.6)有两个不相等的实根。此时的系统不再振动，其通解为)(22tshBeznt(2.13)式中222020nzzB0220zzarcthn（度）③临界阻尼情况(0)当0时，特征方程有二个相等的实根,即2,1b。此时系统也不会振动。其通解为)(21tccezt由初始条件可确定00201,zzczc。故有tzzzezt000(2.14)本书中阻尼符号及定义归纳如下：阻力系数c牛顿·秒／米(N·s／m)阻尼系数mc2/弧度／秒(rad／s)阻尼比0/D无量纲临界阻力系数kmcc2(N·s／m)２．１．３单自由度系统的强迫振动本节主要讨论单自由度系统受谐和周期激励和一般周期激励的强迫振动。单自由度系统直接受谐和激励力作用其力学模型如图2.6所示。图2.6单自由度强迫振动图2.7曲线图2.6系统的运动微分方程为tFkzzczmcos0(2.15)令ssAkAF,0称为当量静变形，则式(2.15)的归一化方程为tAzzDzsnnncos222(2.16)上式的通解为)cos()1cos(21tAtDeAznnDt包含1z的振动状态称为强迫振动的瞬态过程。在时间t足够长后，1z衰减为零，系统进入强迫振动的稳态过程．此时，剩下的2z便是强迫振动的稳态解z，故有)cos(2tAzz(2.17)式中：复振幅DrjrAAs212，其模A22224)1(rDrAAs(2.18a)复相位角212rDrjarctg，其模由下式给出：212rDrarctg(2.18b)式中阻尼比D=kmc2/频率比r=nff/它们具有相同的表达形式。r曲线如图2.7所示。由图2.7可见，不论D为何值，在n(即1r)时，均有相位角2存在。这便是利用相位计测量系统固有频率n的理论依据。显然在测得了n、和后，也可以计算系统的阻尼比D：tgrrD212（2.19）因此，相位法也是系统参数识别的基本方法之一。２．１．４设备受基础位移激励的振动隔离被动隔振当电子设备在运载工具上工作时，可将运载工具自身的振动视为对设备的基础激励（图2.8a）。质量m上受力状况见(图2.8b)所示。图中00002jtjtjtozAezjAezAe1)运动微分方程及其响应运动微分方程:0)()(00zzkzzczm(2.20a)(a)响应的解为:tjnnnneADjDjz022222Re(2.20b)2)复频特性是H、动力放大因子和传递函数Ga)在复数座标系内，当量静变形sA与激励振幅0A之比称为复频特性H，(b)DrjrAAHs21120(2.21)图2.8基础激励力学模型b)动力放大因子是H的模222411rDrH(2.22)由式2.22可获得图2.9曲线。由图2.９可见，在1,5.0接近时r，且与阻尼比D关系不大。/0.5,nrff图2.9动力放大因子2nff即。当固有频率nf大于扫频激励上限频率f2倍(2nff)时,，系统接近为刚体，这就是著名的二倍频规则。在传力杆件和结构设计中应尽量满足二倍频规则。c)传递函数sG传递函数sG定义为响应tx和激励tF的单边拉普拉斯变换之比：HkcsmssFsXsG21（2.23a）若令js并将式（2.23a）两边乘以k有HDjkcsmskGknn21122（2.23b）简化后有HksG1（2.23c）由式(2.23c)可知,当系统的,,kmc确定后，其复频特性H和传递函数均视为已知。3)隔振传递率曲线,振动传递率v22222204)1(41rDrrDAAv(2.24a)由式(2.24)可画出r曲线图(图2.10)。图2.10传递率曲线如图2.11理想传递率曲线/n讨论：①不论D为何值，r曲线具有1的二个频率点(0r和2r)。②在20r时，1，称为放大区；在2r时，1，称为隔振区。③在1.18.0r时，称为共振区。在此区间．阻尼比D增大对抑制共振有益。D趋向于无穷大时，在20r区间必有1。④在2r后，阻尼比D增大，对隔振效果有害。这是因为通过阻尼器传递的阻力增大所造成。因此在隔振区当D=0时，有最小传递率min。4）理想的隔振传递率通过上述讨论，不难规定隔振系统理想隔振传递率的阻尼特性和弹性特性。①隔振器刚度应尽可能低，从而可以在较低的频率点进入隔振区。②隔振器应具有变阻尼特性，在20r区间，D，使1；而当2r进入隔振区后，应使OD，从而向min逼近。理想传递率曲线如图2.11所示,在这种情况下，通带中没有共振放大现象出现，其传递率≤1。具有这种特性的传递率曲线称为“无谐振峰传递率曲线”，具有这种传递率特性的隔振器称为“无谐振峰隔振器”。国家军用标准GJB510-88《无谐振峰隔振器总规范》规定了该类隔振器的参数、特性和试验方法。２．１．５主动隔振用隔振元件将振源（设备）与基础隔离,以减少或避免振源振动对基础或其附近设备的有害影响,称之为主动隔振.5.主动隔振传递率为:222222014(1)4trFDrFrDr（2.24b）上式与式2.24a完全相同,但物理意义是有区别的。式（2.24a）表示的是振幅比)/(0AA，而式2.24b表示的是力幅比)/(0FFtr,但它们具有相同的表达式。[例]某机载电子设备，质量为4kg，质心在底部平面上的投影与底部几何形心重合。该设备的允许垂向响应加速度为z=2g，设备垂向自由位移量z=5mm。现需对该设备进行正弦扫频试验，在5~35Hz频带内有等位移激励mmz10，在35~200Hz频带内有等加速度激励gz50。试为该设备设计一满足要求的隔振系统。解由于隔振器的种类繁多，为了有目的地选取隔振器，首先必须确定隔振系统对隔振器的加载质量1m(现有标准中称为公称载荷)、动刚度dK、固有频率nf和阻尼比)(/Dccc的要求(即满足隔振系统设计要求的参数取值范围)，然后在众多的隔振器品种中选取合适的规格。通常，其设计步骤如下：1.取双对数座标。以加速度为纵座标，激励频率pf为横座标，将激励条件和允许的响应值画于图2.12中。图中EFG表示激励条件；DH设备与支架之间Z向允许变形差z=5mm表示，ocgz2表示许用设备响应值。由图2.12可知，在A点(Af)有22Azzf。在激励频率，Apff时，尽管设备的加速度响应为gz2，但其位移响应受z=5mm的限制。反之当Apff时，