1、1.1机械振动的运动学概念机械振动是一种特殊形式的运动。在这种运动过程中,机械振动系统将围绕其平衡位置作往复运动。从运动学的观点看,机械振动是研究机械系统的某些物理量在某一数值附近随时间t变化的规律。可用函数表示为x=x(t);对于周期运动,表示为x(t)=x(t+nT) 其中T为振动的周期,其倒数即为f=1/T1.1机械振动的运动学基本概念)2sin()2cos(tTAtTAxT21.简谐振动位移和时间可以用时间表示:角速度称为简谐运动的角频率或圆频率,单位为rad/s,可表示为它与频率f有关系式:f21-1)sin()cos()(tjAtAAeztj)sin()sin()2sin()cos
2、(22tAtAxatAtAxv 简谐振动的速度和加速度是位移表达式关于时间t的一阶和二阶导数:在振动分析中。有时我们用旋转矢量来表示简谐振动,旋转矢量的模为振幅A,角速度为角频率。若用复数来表示,则有:(1-2)(1-3)Im)(tjAex这时,简谐振动的位移x可表示为:ImImImIm)()2()(2)(tjtjeAAexaeAAejxvtjtj 简谐运动的速度和加速度表示为:(1-4)(1-5)tjtjjeAeAez式(13)还可改为:jAeA 式中:是一复数,称为复振幅。它包含振动的振幅两个信息。(16)2.周期振动任何周期函数,只要满足条件(1)函数在一个周期内连续或只有有限个间断点,
3、且间断点上函数左右极限存在;(2)在一个周期内,只有有限个极大小值;则可展开为Fourier级数的形式。.2sinsin.2coscos2)(21210tbtbtataatxtdtntxTbdttntxTbdttxTaTnTTsin)(2cos)(2)(200000此时:其中:(1-7)sin(2)(tan)sin(sincos1022nnnnnnnnnnnnntnAatxbabaAtnAtnbtna对于特定的n,我们可得式中:于是,方程(1-7)又可表示为:(1-8)sin()sin(222111tAxtAx3.简谐振动的合成u两个同频率振动的合成有两个同频率的简谐振动22112211222
4、1122211coscossinsintan)sinsin()coscos()sin(AAAAAAAAAtAx它们的合成运动为:式中:u两个不同频率振动的全成有两个不同频率的简谐振动tAtAxxxtAxtAx22112121222111sinsinsinsin若则合成运动为:对于,这时有tAAAAAtAAAAAtAxtAxtAxAAcos2)(1cos2sin)sin(sin122121212221112211112合成运动可表示为:式中:1.2构成机械振动系统的基本元素构成机械振动系统的基本元素有惯性、恢复性和阻尼。u惯性就是能使物体当前运动持续下去的性质。u恢复性就是能使物体位置恢复到平衡
5、状态的性质。u阻尼就是阴碍物体运动的性质。从能量角度看,惯性是保持动能的元素,恢复性是贮存势能的元素,阻尼是使能量散逸的元素。当物体沿x轴作直线运动时,惯性的大小可用质量来表示。根据牛顿第二定律,有:质量的单位是KG。物体的质量是反映其惯性的基本元件,质量的大小是反映物体惯性的基本物理参数。22dtxdmF 典型的恢复性元件是弹簧,该恢复性元件所产生的恢复力Fs是该元件位移x的函数,即: Fs Fs(x)其作用方向与位移x的方向相反。当Fs(x)为线性函数时,即Fskx比例常数K称为弹簧常数或刚度系数,单位为N/m。阻尼力Fd反应阻尼的强弱,通常是速度的函数。当阻尼力Fd与速度成正比时,有:x
6、cFd这种阻尼称为粘性阻尼或线性阻尼,比例常数c称为粘性阻尼系数,单位为N.s/m质量,弹簧和阻尼器是构成机械振动系统物理模型的三个基本元件。质量大小、弹簧常数和阻尼系数是表示振动系统动特性的基本物理参数。1.3自由度和广义坐标为了建立振动系统的数学模型,列出描述其运动的微分方程,必须确定系统的自由度数和描述系统运动的坐标。物体运动时,受到各种条件的限制。这些限制条件称为约束条件。物体在这些约束条件下支边动时,用于确定其位置所需的独立坐标数就是该系统的自由度数。一个质点在空间作自由运动,决定其位置需要三个独立的坐标,自由度数为3。而由n个相对位置可变的质点组成的质点系,其自由度数为3n。刚体运
7、动可以分解为随质心的平动和绕质心的转动,需要确定其沿直角坐标x,y,z的三个平动位移和绕x, y, z的三个转角,所以其自由度数为6。弹性体、塑性体和流体等变形连续体,由于由无限个质点所组成,其自由度数有无限多个。),.,(111nnnzyxzyx当系统受到约束时,其自由度数为系统无约束时的自由度数与约束数之差。对于n个质点组成的质点系,各质点的位移可用3n个直角坐标来描述。当有r个约束条件,约束方程为:rkzyxzyxfnnnk,.,2 , 10),.,(111为了确定各质点的位置,可选取N3n-r个独立的坐标:来代替3n个直角坐标。这种坐标叫做广义坐标。在广义坐标之间不存在约束条件,它们是独立的坐标。广义坐标必须能完整地描述系统的运动,其因次不一是长度。因为选取了个数为自由度数N的广义坐标,运动方程就能写成不包含约束条件的形式。Njzyxzyxqqnnnjj,.,3 , 2 , 1),.,(111