《受迫振动用》课件

受迫振动导论探讨受迫振动系统的基本原理和动力学特性,包括频率响应、稳定性、谐振等关键概念通过理解这些基础知识,为后续分析和应用受迫振动提供坚实的理论基础什么是受迫振动定义特点驱动力应用受迫振动是指受到外部周受迫振动的频率完全服从产生受迫振动的外部周期受迫振动广泛应用于机械期性力作用而产生的振动,于外部作用力的频率,振动性作用力可以是机械的、、电子、建筑等领域,需要与系统自身属性无关它的幅度和相位也依赖于系电磁的、流体动力学的等,谨慎分析和控制以避免危是一种被迫产生的振动形统的特性具有多种形式害式受迫振动的特点外部驱动力振荡频率受迫振动是由外部加加加在系统的振荡频率与驱动力的系统上的周期性驱动力引起频率相同,而不同于自由振动的,而不是由系统本身的自然的固有频率特性引起的振动幅度能量耗散振动幅度受驱动力大小和系受迫振动需要持续消耗外部统阻尼等因素的影响,可能远能量以克服系统的阻尼,因此大于自由振动的幅度在振动过程中会不断耗散能量受迫振动的方程受迫振动的动力学方程可表示为:自由振动与受迫振动的关系自由振动系统自身具有的固有频率会引起自由振动,受外力影响较小受迫振动受到周期性外力驱动的振动,频率与外力频率相关共振现象当外力频率接近系统固有频率时,会产生共振,振幅大幅增大谐波振动的特点正弦波形单一频率稳定幅值谐波振动的驱动力是正弦波形，会导谐波振动只有一个单独的频率成分，稳定的驱动力会使得振动响应的幅值致系统的振动响应也呈现正弦波形而不是多个频率成分的复合振动也保持稳定不变不会发生振幅增大或减小的现象谐波振动的频率响应特性频率响应典型特点幅频特性振幅随驱动频率的变化而变化,在共振频率附近振幅达到最大值相频特性振动系统的相位差随驱动频率的变化而变化,在共振频率附近相位差等于90度谐波振动的频率响应特性主要体现在幅频特性和相频特性两个方面系统的振动幅值和相位差会随着驱动频率的变化而发生显著变化,尤其是在共振频率附近这些特性是分析和设计机械振动系统的重要依据谐波振动的幅频特性11/2最大响应半功率频率在共振频率时幅值达到最大值幅值下降到最大值的1/2的频率3dB

0.707带宽增益特性半功率频率之间的频率差共振频率处幅值为最大值的

0.707倍谐波振动的幅频特性反映了振动系统的频率响应在共振频率处，振幅值达到最大，之后随频率偏离共振频率而迅速减小半功率频率和带宽是描述幅频特性的重要指标阻尼受迫振动的频率响应阻尼受迫振动的频率响应曲线显示了振动系统在不同频率下的振幅变化情况关键参数包括共振频率、最大振幅以及振幅与频率的关系阻尼的存在会影响这些特征,并带来独特的动态行为特征参数不同的阻尼范围共振频率随着阻尼增大而降低最大振幅随着阻尼增大而降低振幅-频率关系更宽的频带通过范围阻尼受迫振动的幅频响应共振现象及其工程应用共振概念共振是指系统在外力频率与本身固有频率相符时,振幅急剧增大的现象这是由于能量的有效耦合导致的共振危害共振会导致系统性能下降、损坏乃至崩溃因此必须掌握共振的规律,采取有效的控制措施共振应用合理利用共振现象在工程中有很多应用,如振动筛分设备、力传感器、动力发电等但要防止意外共振危害共振衰减的方法质量阻尼刚度阻尼12在系统中添加合适的质量调整系统的刚度,使其远离阻尼元件,可以有效降低共共振频率,可避免产生严重振振幅共振动态吸振器被动阻尼34设计动态吸振器来吸收系在系统中添加粘滞阻尼或统的共振能量,从而达到降摩擦阻尼元件,可以有效抑低振动的目的制共振振幅非谐波受迫振动复杂性非周期性非谐波振动具有更复杂的频率特征,通常包含多个频率成分,分析非谐波振动的动态响应是非周期性的,难以确定稳定的频率特性和预测更加困难强非线性工程应用非谐波驱动力通常包含强非线性项,使系统的动力学行为更加复非谐波振动广泛存在于机械、建筑、电力系统等工程领域,需要杂多样特别关注非谐波振动的频率响应非谐波振动是指驱动力不是单一频率的正弦波形,而是包含多个频率成分的复合波形这种情况下,系统的频率响应会出现多个尖峰,对应于驱动力中各个频率成分的共振点3频率峰值非谐波振动下,系统的频率响应会出现3个以上明显的尖峰20%幅值增益每个共振频率处,系统的振幅增益可达原驱动力幅值的20%以上$10K设计成本针对非谐波振动的系统设计需要额外$10K以上的投入非谐波振动的幅频响应与谐波振动不同,非谐波振动的幅频响应曲线显示了更加复杂的特征它不再是一条平滑的曲线,而是出现了多个峰值和谷值,反映了不同谐波成分的影响3峰值数量非谐波振动的幅频响应通常包含3个或更多个明显的峰值频率,与驱动力的频谱特性有关20%幅值变化与谐波振动相比,非谐波振动的幅值变化可达20%或更大,对系统的稳定性构成了更大的威胁3-5共振带宽非谐波振动的共振带宽通常在3-5个固有频率宽度范围内,远大于谐波振动的窄带特性不同驱动源的受迫振动机械驱动电磁驱动液压驱动气动驱动由机械执行机构如曲轴、凸利用交变电磁场产生的周期通过液压油缸、液压马达等利用压缩空气产生的周期性轮等产生的周期性力作用性力作用广泛应用于电机产生的周期性压力载荷应压力载荷用于气动马达、例如柴油机的连杆、轮毂等、电磁铁等用于工程机械、航天设备振动筛等设备电磁力驱动的受迫振动电磁力驱动的原理电磁振动台电磁减振器电磁力是由永磁铁或电磁铁产生的力,电磁振动台利用电磁力作为驱动源,可电磁减振器利用电磁力对振动系统施可以驱动振动系统产生受迫振动这以模拟各种复杂的振动环境,广泛应用加阻尼力,可以有效吸收和消除振动,广种驱动方式精度高、响应快、可控性于机械设备的动态性能测试泛应用于机械设备的减振降噪强水力驱动的受迫振动水压驱动频率响应控制与抑制水力驱动的受迫振动通常水力驱动的受迫振动的频要有效控制和抑制水力驱发生在水力机械和装置中,率响应特性复杂,需要考虑动的受迫振动,需要采取结例如水轮机、水泵和水力水流动力学、结构动力学构优化、阻尼增加和振动执行器等这类设备会受和耦合效应特别是在共隔离等措施,确保设备的可到水压力的影响而产生周振频率附近,振动幅度可能靠运行期性的振动会显著放大气动力驱动的受迫振动气流激励力周期性特征12气动力驱动的受迫振动源气动力驱动的受迫振动往自于气流对物体的激励力,往具有周期性特征,如涡激如风力、风压或涡激力等振动就是由于气流脱落时产生的规律性周期性力多模式共振工程应用34气动力驱动的系统可能出气动力驱动的受迫振动广现多种振动模式之间的共泛存在于高层建筑、桥梁振耦合,从而放大振动响应、航空航天等工程领域受迫振动的工程应用机械系统结构系统受迫振动广泛应用于柴油机桥梁、高层建筑等结构系统曲轴系统、航空发动机、电在受外部荷载作用时会产生机转子系统等机械系统的设受迫振动,需要进行动力学分计和故障诊断析微纳米系统能源装备微纳米机械系统如MEMS传新能源装备如风电机组、太感器等也存在受迫振动问题,阳能电池组件等在运行过程需要通过精细建模和优化设中也会产生受迫振动,需要进计来抑制行动力学分析柴油机曲轴系统的受迫振动柴油机曲轴系统受迫振动分析谐波特性分析柴油机曲轴系统是一个复杂的机械系通过有限元分析和动力学建模,可以预由于柴油机气缸内燃烧事件的周期性,统,由柴油机缸体、曲轴、连杆、飞轮测柴油机曲轴系统在各种工况下的振曲轴系统受到的激励具有明显的谐波等部件组成在运转过程中,各部件受动响应,并优化设计以降低振动水平,提特性了解系统的谐波频响特性对于到气体压力、惯性力等多种激励,产生高系统可靠性控制共振振动至关重要复杂的受迫振动航空发动机的受迫振动高速旋转件气流激励燃烧振动涡轮叶片和压缩机叶片等高速旋转部件会产来自气流的激励会引起结构的受迫振动,特燃烧室内的脉动燃烧会产生强烈的受迫振动生强烈的受迫振动别是在发动机进气和喷气过程中,威胁发动机的稳定性航空发动机在高速和高功率工况下会产生复杂的受迫振动问题,涉及多种激励源,如高速旋转部件、气流急剧变化和脉动燃烧等这些振动会严重影响发动机的可靠性和使用寿命,需要采取多种抑制措施电机转子系统的受迫振动电磁力驱动转子失衡12电机转子系统主要受到电转子质量不均匀或安装偏磁力的驱动,产生复杂的受差会导致重大的失衡振动迫振动行为转动不平稳机械共振34电机启动、加载变化以及电机转子系统各部件的固电网电压波动等都会引起有频率与驱动频率重合会转子的不平稳振动产生共振放大桥梁的受迫振动桥梁受力特点共振效应结构响应防控措施桥梁既承受自重载荷,又承当外力频率与桥梁的固有桥梁的受迫振动会造成梁通过调整桥梁结构参数、受外界动态力的作用,如风频率接近时,就会产生共振柱及连接部位的应力和变设置阻尼装置等方式,可以力、交通荷载等,因此容易效应,导致桥梁振幅过大,形增大,从而影响结构的安有效降低桥梁的受迫振动产生受迫振动严重影响使用安全全和服役寿命响应高层建筑的受迫振动建筑物受外界荷载振动复杂的内部结构减振技术是关键高层建筑受自身重力、风荷载、地震高层建筑内部通常由基础、承重框架采用液压阻尼器、质量阻尼器等减振等外部振动源的影响,会产生复杂的受、连梁等组成,这些部件之间存在相互装置,可有效抑制高层建筑的受迫振动,迫振动响应这种振动可能会对建筑耦合的振动响应,对整体振动行为产生提高使用安全性和舒适性物结构和居民造成不利影响重大影响机床系统的受迫振动高速转动复杂动力学精度问题安全隐患机床在高速运转时会产生机床系统由多个部件构成,机床振动会影响加工精度,过度的振动会导致机床零强烈的振动,如主轴转动、存在许多自由度,呈现出复造成表面粗糙度增加、尺件磨损加剧,甚至出现故障工件加工等过程中,都会导杂的动力学特性,难以准确寸偏差等问题,严重影响产,威胁设备安全稳定运行致系统受迫振动预测受迫振动的规律品质量工程机械的受迫振动高强度运转复杂载荷条件12工程机械在高强度的工况工程机械承受来自多个方下长时间运转,容易产生剧向的复杂载荷,加之地形等烈的受迫振动环境因素,更易引发共振疲劳故障隐患性能恶化问题34剧烈的受迫振动会加速机受迫振动会导致工程机械械零部件的疲劳损坏,危及的工作精度和能源利用效设备安全率下降家电产品的受迫振动电冰箱洗衣机电冰箱的压缩机启动和运转洗衣机脱水过程中高速转动过程中会产生受迫振动,导致会产生强烈的振动,需要设计机身振动和噪音需要采取合理的减振支撑系统合理的减振措施空调压缩机电磁炉空调压缩机启动和运转过程电磁炉采用电磁感应加热,会中会产生机械受迫振动,需要产生振动和噪音,需要进行电采取合理的减震措施磁屏蔽和机械减振新能源装备的受迫振动风力涡轮机光伏太阳能电池板风力涡轮机叶片和轴承会产生复太阳能电池板安装时会受到环境杂的受迫振动,需要精细的振动建振动,影响发电效率和组件可靠性模和分析新能源汽车储能系统电机、驱动电池和悬架系统的振大型电池储能系统需要考虑环境动对新能源汽车性能和舒适性有振动,以确保安全可靠的运行重要影响微纳米系统的受迫振动纳米尺度的挑战高精度测量可靠性要求高微纳米系统由于体积小、质量轻,受外微纳米系统通常用于精密测量,受迫振微纳米电子设备对振动的抗扰性要求界环境变化的影响非常敏感,极易产生动会严重影响测量精度,需要采取特殊很高,受迫振动会导致元器件损坏,影响受迫振动的抑制措施寿命受迫振动问题的解决策略动态建模与仿真合理选择驱动参数12建立精准的动力学模型,利通过调整驱动频率、振幅用仿真分析预测与诊断系等关键参数,调控受迫振动统的受迫振动特性的幅值和频率响应采用减振措施优化结构设计34合理设计减振器和阻尼装调整系统的质量、刚度和置,有效降低关键部位的振阻尼分布,提高自然频率与动响应驱动频率的隔离总结与展望在本课程的最后部分,我们对受迫振动系统的总体特性以及在工程应用中的重要性进行了全面的概括展望未来,受迫振动理论将继续在航天、机械、建筑等领域发挥重要作用,并将与智能控制、人工智能等新兴技术深度融合,推动科技创新和可持续发展。