振動(dòng)學(xué)前沿講座

振動(dòng)學(xué)前沿講座一、振動(dòng)問(wèn)題可以分為以下三類(lèi)：1.振動(dòng)分析—在激勵(lì)和系統(tǒng)特性已知的情況下，求系統(tǒng)的響應(yīng)問(wèn)題；2.振動(dòng)環(huán)境預(yù)測(cè)—在系統(tǒng)特性和響應(yīng)已知的情況下，反推系統(tǒng)的激勵(lì)問(wèn)題；3.系統(tǒng)識(shí)別—在激勵(lì)和響應(yīng)已知的情況下，確定系統(tǒng)的特性問(wèn)題。（用試驗(yàn)?zāi)B(tài)技術(shù)識(shí)別方法，識(shí)別出系統(tǒng)。若對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)有部分了解，稱(chēng)為灰箱問(wèn)題，若對(duì)系統(tǒng)一無(wú)所知，稱(chēng)為黑箱問(wèn)題）。二、振動(dòng)的分類(lèi)1.根據(jù)系統(tǒng)的激勵(lì)類(lèi)型分為：a自由振動(dòng)；b強(qiáng)迫振動(dòng)；c自激振動(dòng)；d參數(shù)振動(dòng)。2.根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)（輸出）特性（振動(dòng)規(guī)律）分為：a簡(jiǎn)諧振動(dòng)；b周期振動(dòng)；c瞬態(tài)振動(dòng)；d隨機(jī)振動(dòng)。3.根據(jù)描述系統(tǒng)的微分方程分類(lèi)：a單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)；b多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)；c無(wú)限多自由度系統(tǒng)的震動(dòng)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，振動(dòng)及設(shè)備動(dòng)態(tài)特性引起的問(wèn)題受到各行各業(yè)的高度關(guān)注。例如：導(dǎo)彈、飛機(jī)和火箭在飛行中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和氣流擾動(dòng)及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性所造成的振動(dòng)直接影響到飛行安全和控制精度；車(chē)輛在凹凸不平的路面上行駛時(shí)的振動(dòng)直接關(guān)系到駕駛性能與乘坐的舒適性；機(jī)械加工設(shè)備的振動(dòng)直接影響到加工的精度和有效性；大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)直接反映了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的主要信息；高層建筑、橋梁由于風(fēng)載和地震所產(chǎn)生的振動(dòng)直接關(guān)系到這些結(jié)構(gòu)的安全。

要解決各種各樣的振動(dòng)及動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題，研究系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，分析產(chǎn)生振動(dòng)的原因，考核設(shè)備適應(yīng)振動(dòng)與環(huán)境的關(guān)系，除了理論分析外，對(duì)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試與信號(hào)分析是必不可少的重要手段。振動(dòng)測(cè)試與信號(hào)分析技術(shù)是機(jī)械動(dòng)力學(xué)學(xué)科的重要分支之一，是機(jī)械動(dòng)力學(xué)工程應(yīng)用的一個(gè)極為普遍的方面。

一般振動(dòng)測(cè)試技術(shù)大致可分為兩類(lèi)。：一類(lèi)是測(cè)量設(shè)備和結(jié)構(gòu)工作或?qū)嶒?yàn)時(shí)所存在的振動(dòng)，這種測(cè)量可以利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)設(shè)備和結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估和故障診斷；另一類(lèi)是系統(tǒng)特征參數(shù)的測(cè)試，包括系統(tǒng)的頻響函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)、模態(tài)參數(shù)和物理參數(shù)等。這類(lèi)測(cè)試往往要對(duì)設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)或利用環(huán)境自然激勵(lì)，使其產(chǎn)生振動(dòng)，然后測(cè)量其振動(dòng)，此類(lèi)測(cè)振的目的是研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的力學(xué)動(dòng)態(tài)特性。

要研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，通常需要通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)即固有頻率、阻尼比和振型。模態(tài)實(shí)驗(yàn)的方法可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是經(jīng)典的純模態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，該方法是通過(guò)多個(gè)激振器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，當(dāng)激振頻率等于結(jié)構(gòu)的某階固有頻率，激振力抵消結(jié)構(gòu)內(nèi)部阻尼力時(shí)，結(jié)構(gòu)處于共振狀態(tài)，這是一種物理分離模態(tài)的方法。

另一類(lèi)是數(shù)學(xué)上分離模態(tài)的方法，最常見(jiàn)的方法是對(duì)結(jié)構(gòu)施加激勵(lì)，測(cè)量系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣，然后再進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。

在有些情況下，無(wú)法施加人工激勵(lì)，比如大型橋梁，這時(shí)利用自然激勵(lì)，比如風(fēng)載、地震等自然激勵(lì)來(lái)識(shí)別模態(tài)參數(shù)的方法就顯得重要了。機(jī)械振動(dòng)研究分為振動(dòng)理論、振動(dòng)控制和振動(dòng)利用三大塊。

對(duì)機(jī)械工程而言，振動(dòng)工程學(xué)的前沿問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：振動(dòng)利用技術(shù)；振動(dòng)控制技術(shù)；工程非線(xiàn)性振動(dòng)技術(shù)；反共振技術(shù)等。下面就幾個(gè)重要的發(fā)展方向簡(jiǎn)要介紹一下。1、振動(dòng)利用技術(shù)----振動(dòng)發(fā)電、振動(dòng)摩擦等振動(dòng)利用工程是近幾年發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科。2、振動(dòng)控制技術(shù)（振動(dòng)主動(dòng)控制）

振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)最引人注目的進(jìn)展是集傳感器、控制器、作動(dòng)器與結(jié)構(gòu)為一體，以減振和降噪為目標(biāo)的智能結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前，研究的熱點(diǎn)是基于壓電傳感器和作動(dòng)器的智能結(jié)構(gòu)，控制策略則來(lái)自自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、非線(xiàn)性控制、混合控制等控制理論的新成果。隨著對(duì)振動(dòng)控制要求的提高，非線(xiàn)性控制和時(shí)滯控制正日益引起人們的注意。

無(wú)論是受迫振動(dòng)、自激振動(dòng)，還是隨機(jī)振動(dòng)（主要研究動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在隨機(jī)性激勵(lì)下的響應(yīng)特性），非線(xiàn)性振動(dòng)技術(shù)都是需要解決的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題。在工程系統(tǒng)中，有許多動(dòng)力學(xué)問(wèn)題都是非線(xiàn)性的，它們的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程可以用非線(xiàn)性動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)描述。3、工程非線(xiàn)性振動(dòng)有限元分析在大型振動(dòng)篩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用一、研究背景及方法二、有限元模型的建立三、有限元模型的處理及模態(tài)分析四、結(jié)果分析五、結(jié)論一、研究背景及方法

以往，建造一座一定規(guī)模的選煤廠需要將大量中、小型規(guī)格的振動(dòng)篩分設(shè)備并聯(lián)使用才能滿(mǎn)足篩分作業(yè)的生產(chǎn)要求。普通直線(xiàn)振動(dòng)篩處理能力低，篩分效率只有60％～70％，這不僅造成選煤廠占地面積龐大，而且還有設(shè)備能耗高、維護(hù)量大等一系列問(wèn)題。隨著我同選煤廠建設(shè)規(guī)模趨向大型化，選煤工作者設(shè)計(jì)出了一種各項(xiàng)指標(biāo)先進(jìn)的大型香蕉型直線(xiàn)振動(dòng)篩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“香蕉篩”)。與同規(guī)格的其他類(lèi)型的篩機(jī)相比，該機(jī)處理能力增加了40％～60％，篩分效率在90％～95％之間，不僅滿(mǎn)足了大型選煤廠工藝需要，還簡(jiǎn)化了選煤廠工藝系統(tǒng)，節(jié)省了建設(shè)投資，減少了篩分設(shè)備的使用數(shù)量，降低了能耗、設(shè)備維護(hù)量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。但是，目前國(guó)產(chǎn)大型振動(dòng)篩在可靠性方面與國(guó)際先進(jìn)水平還有差距，因此，研究和解決大型振動(dòng)篩的可靠性問(wèn)題勢(shì)在必行。二、有限元模型的建立

對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，建立有限元模型十分重要，為使該模型能很好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，利用有限元分析軟件ALGOR對(duì)SXJ426l型香蕉篩進(jìn)行建模分析。以整個(gè)篩箱建立的有限元模型(圖1)，模型主要由體單元、質(zhì)量單元和彈性單元組成。整個(gè)篩箱是由橫梁、驅(qū)動(dòng)梁、加強(qiáng)梁、前后端梁及側(cè)板構(gòu)成一種空間金屬桁架結(jié)構(gòu)。三、有限元模型的處理及模態(tài)分析1.有限元網(wǎng)格劃分;2.邊界條件的確定;3.擾力分析;4.模態(tài)分析.四、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算

本篩機(jī)采州有限元分析軟件ALCOR來(lái)求其應(yīng)力值的數(shù)值解。在分析中，同樣SXJ4261型香篩篩箱離散為空問(wèn)梁?jiǎn)卧?、殼單元、彈簧單元。篩箱整體應(yīng)力分布如圖8所示。結(jié)論：通過(guò)對(duì)篩箱的實(shí)際應(yīng)力測(cè)試來(lái)驗(yàn)證計(jì)算出的結(jié)果，測(cè)試表明理論算和實(shí)際測(cè)試的應(yīng)力值基本接近。計(jì)算值和測(cè)試值之問(wèn)的誤差，主要由于在建立模型時(shí)，作了一些結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化。當(dāng)然在測(cè)試過(guò)程中的有些素也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的精度產(chǎn)生影響。測(cè)試的應(yīng)力值也列于表3，測(cè)試點(diǎn)的位置見(jiàn)圖9。

從篩箱的理論計(jì)算應(yīng)力分布圖可知，篩箱最大=20.2MPa；而制作篩箱所使用的材料的力學(xué)性能為：強(qiáng)度極限值：=375M