chp2-單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)-2-學(xué)生版

機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械裝備與控制工程系緒論單自由度線(xiàn)性系統(tǒng)的振動(dòng)兩自由度線(xiàn)性系統(tǒng)的振動(dòng)多自由度線(xiàn)性系統(tǒng)的振動(dòng)連續(xù)體振動(dòng)工程振動(dòng)及應(yīng)用《振動(dòng)理論及應(yīng)用》講授內(nèi)容TheoryofVibrationwithApplications

第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)

2.1振動(dòng)系統(tǒng)模型及其簡(jiǎn)化

2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)2.3有阻尼的自由振動(dòng)

2.4諧波激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)2.5周期激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)2.6任意激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.1無(wú)阻尼自由振動(dòng)的微分方程不考慮恒力和及由其引起的靜變形，將坐標(biāo)原點(diǎn)選在靜平衡位置，可以得到無(wú)阻尼自由振動(dòng)的一般微分方程：0mx靜平衡位置彈簧原長(zhǎng)位置0x靜平衡位置彈簧原長(zhǎng)位置m2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.1無(wú)阻尼自由振動(dòng)的微分方程方程的通解：特征值為純虛根：?jiǎn)挝唬夯《?秒（rad/s）固有圓頻率周期單位：秒（s）頻率單位：次/秒（1/s;Hz）2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.1無(wú)阻尼自由振動(dòng)的微分方程振動(dòng)位移：振動(dòng)速度：初始條件振幅初相位角單位：米（m）單位：弧度（rad）則初始條件下系統(tǒng)的自由振動(dòng)響應(yīng)：2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.2固有頻率的計(jì)算0mx靜平衡位置彈簧原長(zhǎng)位置在靜平衡位置：則有：對(duì)于不易得到m和k

的系統(tǒng)，若能測(cè)出靜變形，則用該式計(jì)算較為方便（靜變形法）方法一：公式法2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.2固有頻率的計(jì)算微幅擺動(dòng)m30o說(shuō)明：如果將m、k稱(chēng)為廣義質(zhì)量及廣義剛度，則角振動(dòng)與直線(xiàn)振動(dòng)的數(shù)學(xué)描述完全相同。2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.2固有頻率的計(jì)算例：如圖示復(fù)擺，剛體質(zhì)量m，重心C，對(duì)懸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為求：復(fù)擺在平衡位置附近做微振動(dòng)時(shí)的微分方程和固有頻率。

a0C解：由牛頓定律得運(yùn)動(dòng)微分方程為固有圓頻率：實(shí)驗(yàn)確定復(fù)雜形狀物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的一個(gè)方法工程中：由已測(cè)的固有頻率求出繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

再由移軸定理得出繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.2固有頻率的計(jì)算方法二：能量法(保守系統(tǒng))Lagrange函數(shù)：?jiǎn)巫杂啥缺Ｊ叵到y(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程：方法一：公式法能量法（Lagrange方程）也廣泛用于確定系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程。2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.2固有頻率的計(jì)算例題：如圖所示是測(cè)量低頻振幅用的傳感器的無(wú)定向擺，搖桿質(zhì)量不計(jì)，一端鉸接，另一端裝敏感質(zhì)量m，并在搖桿上連接剛度為k的兩彈簧以保持?jǐn)[在垂直方向的穩(wěn)定位置，求系統(tǒng)的固有圓頻率。lmak/2k/22.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.2固有頻率的計(jì)算解：零勢(shì)能位置lmakk廣義坐標(biāo)動(dòng)能勢(shì)能選取零勢(shì)能位置。固有圓頻率：思考：試寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)微分方程？牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律Lagrange方程2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.3無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性無(wú)阻尼的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)受到初始擾動(dòng)后，其自由振動(dòng)是以固有圓頻率為振動(dòng)圓頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，并且永無(wú)休止。因此，初始條件是外界能量輸入的一種方式：初始位移即輸入了勢(shì)能初始速度即輸入了動(dòng)能2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.3無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性初始條件：固有圓頻率從左到右：時(shí)間位置2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.3無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性自由振動(dòng)的固有頻率僅由系統(tǒng)本身的參數(shù)確定，與外界激勵(lì)和初始條件無(wú)關(guān)；對(duì)于確定的系統(tǒng)，自由振動(dòng)的振幅和初相位角由初始條件所決定；單自由度無(wú)阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)是等幅諧波振動(dòng)；兩種特殊的初始擾動(dòng)形式：在平衡位置給初速度推離平衡位置，不給初速度2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.3無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性例題：如圖所示提升機(jī)系統(tǒng)重物重量重物以的速度均勻下降求：繩的上端突然被卡住時(shí)：重物的振動(dòng)圓頻率；鋼絲繩中的最大張力。Wv鋼絲繩的彈簧剛度2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.3無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性解：W靜平衡位置kxWv振動(dòng)圓頻率重物勻速下降時(shí)處于靜平衡位置，若將坐標(biāo)原點(diǎn)取在繩被卡住瞬時(shí)重物所在位置，即靜平衡位置。

則t=0時(shí)，有：振動(dòng)解：繩中的最大張力等于靜張力與因振動(dòng)引起的動(dòng)張力之和：請(qǐng)思考：為了減少振動(dòng)引起的動(dòng)張力，應(yīng)當(dāng)采取什么措施？2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.3無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性例題：mh0l/2l/2重物落下，與簡(jiǎn)支梁做完全非彈性碰撞，梁長(zhǎng)l

，質(zhì)量不計(jì)，抗彎剛度EI。求：1.梁的自由振動(dòng)頻率

2.梁的最大撓度。2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.3無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性解：以梁承受重物時(shí)的靜平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系mh0l/2l/2x靜平衡位置計(jì)算靜變形：固有圓頻率為：撞擊時(shí)刻為零時(shí)刻，t=0

時(shí)，有：則自由振動(dòng)振幅為：梁的最大擾度：2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)2.2.1無(wú)阻尼自由振動(dòng)的微分方程2.2.2固有頻率的計(jì)算2.2.3無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性建立系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程求得固有頻率初始條件的確定求最大振幅或最大張力求響應(yīng)函數(shù)2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)課后作業(yè)2-3：如圖所示，定滑輪和鼓輪固結(jié)在一起，對(duì)O軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I,其半徑分別為r1和r2，質(zhì)塊的質(zhì)量為m，彈簧的剛度為k，試建立系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程，并求系統(tǒng)的固有頻率。2.2無(wú)阻尼的自由振動(dòng)第2章單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)課后作業(yè)2-4：如圖所示，一小車(chē)的質(zhì)量為m，自高度h處沿著斜面滑下，與緩沖器相撞后，隨同緩沖器一起做自由振動(dòng)。設(shè)彈簧剛度為k，斜面傾角為α，小車(chē)與斜面之間的摩擦力忽略不計(jì)，求系統(tǒng)振動(dòng)的周期和振幅，并寫(xiě)出振動(dòng)運(yùn)動(dòng)函數(shù)。mThe