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1、机械动力学机械动力学第一章第一章 绪论绪论111 1机器动态性能机器动态性能广义讲：动刚度 动精度 热稳定性习惯讲：动力特性 动刚度具体讲：抵抗振动的能力抗振性 加工质量稳定性 切削效率1-1112 2 机械动力学的基本内容机械动力学的基本内容屈维德说：振动设计、系统识别振动设计、系统识别和和环境预测环境预测三三 者可概括为现代机械动力学研究者可概括为现代机械动力学研究 的基本内容的基本内容1.1.振动设计（动态设计）：已知振动设计（动态设计）：已知激励激励，规定，规定 响应响应要求，设计要求，设计系统系统的振动特性的振动特性 又称动力学的又称动力学的逆问题逆问题 反复试凑修改的过程反复试凑修
2、改的过程1-22.2.系统识别：给定系统识别：给定系统系统,已知已知激励激励，测试，测试响应响应 用测试数据与数学分析相结合方用测试数据与数学分析相结合方 法确定振动系统数学模型法确定振动系统数学模型 已知机械结构运动方程一般形式时，系已知机械结构运动方程一般形式时，系 统识别简化为统识别简化为参数识别参数识别 又称动力学的又称动力学的正问题正问题 系统识别属动力分析范围系统识别属动力分析范围 动力分析研究三方面问题：动力分析研究三方面问题：固有特性问题（系统识别固有特性问题（系统识别 参数识别）参数识别）动力响应问题动力响应问题 动力稳定性问题动力稳定性问题1-3 3.环境预测：已知环境预测
3、：已知系统系统（特性）、（特性）、响应响应 ，研研 究究 激激 励励（振源分析（振源分析 故障诊断）故障诊断）113 3动态问题的特点动态问题的特点 1.1.振动学科：物理或力学分枝振动学科：物理或力学分枝 基础学科基础学科 解解 决工程中动力学问题决工程中动力学问题-工程学科工程学科-振动振动 工程工程 2.2.振动工程：解决工程中动态问题振动工程：解决工程中动态问题 3.3.动态问题：动态载荷作用于动态系统，构动态问题：动态载荷作用于动态系统，构 成动态问题成动态问题 1-44.4.动动态态载载荷荷：迅迅速速变变化化（交交变变 突突变变）的载荷的载荷 5.5.工程中许多问题必须作为动态问题
4、处理工程中许多问题必须作为动态问题处理 6.6.动态问题的特点动态问题的特点 a.a.复复杂杂性性：载载荷荷作作用用的的“后后效效性性”响应响应 对过去载荷经历的对过去载荷经历的“记忆性记忆性”静载荷静变形与加载过程无关1-5b.b.危险性：共振现象危险性：共振现象 自激振动（颤振）自激振动（颤振）c.c.超常性：其现象、规律及防治方法超越生活超常性：其现象、规律及防治方法超越生活 常识常识 （削边镗杆（削边镗杆 动力减振器）动力减振器）先有严谨完善理论后有工程应用先有严谨完善理论后有工程应用参考书参考书昆明工学院机床动力学昆明工学院机床动力学 清华大学清华大学 机械振动机械振动S SA AT
5、OBAISTOBAIS机床动力学机床动力学WILLIAM T.THOMSONWILLIAM T.THOMSONTheory of Vibration with ApplicationsTheory of Vibration with Applications师汉民等机械振动系统师汉民等机械振动系统1-6115 5 振振 动动 的的 控控 制制一一.振动控制实现途径振动控制实现途径 1.振动工程重要分支振动工程重要分支 出发点和归宿出发点和归宿 2.振动控制：振动控制：利用利用 抑制抑制3.振动控制的五个环节振动控制的五个环节(1).确定振源特征：振源位置确定振源特征：振源位置 激励特性激励特性
6、 振动特征：受迫振动特征：受迫 自激振动自激振动(2)确定振动控制水平确定振动控制水平:衡量振动水平的指标（位移衡量振动水平的指标（位移 速度速度 加速度加速度 应力）应力）量（最大值量（最大值 均方根值）均方根值）(3)确定振动控制方法：隔振确定振动控制方法：隔振 吸振吸振 阻振阻振 消振消振 结构修改结构修改(4)(4)振动分析与设计：建立受控对象和控制装置的力学模型，振动分析与设计：建立受控对象和控制装置的力学模型，设计控制装置参数和结构设计控制装置参数和结构 控制装置：吸振器控制装置：吸振器 隔振器隔振器 阻尼器等阻尼器等(5)实现实现1-7 机床的振源分析框图机床的振源分析框图1-8
7、 二二.振动控制的分类振动控制的分类1.按不同性质的振动分按不同性质的振动分(1)动力响应的控制：受迫振动的控制（共振）动力响应的控制：受迫振动的控制（共振）(2)动力稳定性的控制：自激振动的控制动力稳定性的控制：自激振动的控制 2.按不同抑制振动手段分（按不同抑制振动手段分（5种）种）(1)消振：消除或减弱振源（治本）消振：消除或减弱振源（治本）动平衡方法消除质量不平衡引起的离心力及力矩动平衡方法消除质量不平衡引起的离心力及力矩 车刀颤振车刀颤振 冷却剂减少车刀后刀面与工件间磨擦力冷却剂减少车刀后刀面与工件间磨擦力 （破坏产生颤振的条件）破坏产生颤振的条件）抵消振动：由控制引起的振动抵消未加
8、控制的原振动抵消振动：由控制引起的振动抵消未加控制的原振动(2)隔振：振源与受控对象之间串加一个子系统隔振：振源与受控对象之间串加一个子系统(3)吸振：动力吸振吸振：动力吸振-受控对象上附加一个子系统受控对象上附加一个子系统1-9 (4)阻振：阻尼减振阻振：阻尼减振-受控对象上附加阻尼器或阻尼元件（消受控对象上附加阻尼器或阻尼元件（消 耗能量）耗能量）(5)结构修改：修改受控对象的动力学特征参数（质量结构修改：修改受控对象的动力学特征参数（质量 刚度刚度 阻阻 尼参数）尼参数）实际存在的受控对象：结构修改问题实际存在的受控对象：结构修改问题 设计阶段的受控对象：动态设计问题设计阶段的受控对象：
9、动态设计问题3.按是否要能源分按是否要能源分(1)无源控制：被动控制无源控制：被动控制(2)有源控制：主动控制有源控制：主动控制1-10三、振动主动控制三、振动主动控制1.两类控制方式：开环两类控制方式：开环 闭环闭环 开环控制开环控制 闭环控制闭环控制 开环控制：控制器中的控制规律是预先设置好，与振动状开环控制：控制器中的控制规律是预先设置好，与振动状 态无关态无关 闭环控制：控制器按受控对象的振动状态为反馈信息而工作闭环控制：控制器按受控对象的振动状态为反馈信息而工作2.振动主动控制系统的组成振动主动控制系统的组成(1)受控对象：控制对象（产品受控对象：控制对象（产品 结构或系统的总称）结
10、构或系统的总称）(2)作动器：又称作动机构。提供作用力（或力矩）的装置作动器：又称作动机构。提供作用力（或力矩）的装置 1-11 直接施加在受控对象或通过附加子系统作用受控对象直接施加在受控对象或通过附加子系统作用受控对象 常用作动器：伺服液压式常用作动器：伺服液压式 伺服气动式伺服气动式 电磁式电磁式 电动式电动式 电压式电压式(3)控制器：核心环节控制器：核心环节 实现所需的控制律实现所需的控制律 其输出是驱动作其输出是驱动作 动器动器 动作的指令动作的指令 开环：其输入是按程序预先设置开环：其输入是按程序预先设置 闭环：其输入通过测量系统感受受控对象的振动信息闭环：其输入通过测量系统感受
11、受控对象的振动信息 控制律：模拟电路控制律：模拟电路-模拟控制模拟控制 数字计算机数字计算机-数字控制数字控制(4)测量系统：振动信息转换并传输到控制器（传感器测量系统：振动信息转换并传输到控制器（传感器 适调器适调器 放大器放大器 滤波器）滤波器）(5)能源：为作动器提供外界能量（液压油源能源：为作动器提供外界能量（液压油源 气源气源 电源）电源）(6)附加子系统：有些系统没有附加子系统：有些系统没有1-123.两类振动主动控制问题两类振动主动控制问题:动力响应的主动控制动力响应的主动控制 动稳定性的主动控制动稳定性的主动控制四、振动主动控制的应用简介四、振动主动控制的应用简介1.二十世纪2
12、0年代 电磁阀控制的缓冲器（雏型）2.1960年前后 出现复杂振动主动控制系统-解决航空工程的振动问题 59年对B52型飞机机身侧向弯曲模态进行主动控制 美国空军飞行动力实验室两项结构模态控制的研究：一项 66年开始“载荷减轻与模态镇定”另一项67年开始“突风减缓与结构动力增稳系统”为飞机 颤振主动抑制的研究创造了条件3.1971年9月止,B-52G、H型飞机都装上了抑制低频结构模态 振动系统.1-13-1航天工程领域：大柔性结构(大型天线 太阳能电池板 空间站)其模态频率低且密集、阻尼 小 在太空运行时,一旦受外干扰,大幅度的自由振动要延续很长时间.由此 提出许多主动控制的新方案.机械工程领
13、域：采用主动控制技术消除柔性机器人臂在终端位置处的振动 抑制挠性转轴通过临界转速的主动控制研究,是当今转子动力学研究热点交通运输工程领域：车辆主动隔振、半主动隔振方面,已研制出主动支承元件.4.1980年振动主动控制的研究从航空工程扩展到其它 工程领域1-13-2五、振动主动控制的近期新进展五、振动主动控制的近期新进展1.受控对象与控制器的联合优化设计受控对象与控制器的联合优化设计有三种不同的解法：有三种不同的解法：(1)串串行行(顺顺序序)解解法法：受受控控结结构构优优化化与与控控制制器器优优化化设设计计分分成成两两个个”独独立立”阶阶段段进进行行.在在 完成一次循环迭代后完成一次循环迭代后
14、,与前一次循环迭代结果进行比较与前一次循环迭代结果进行比较,以决定需再从哪个阶段以决定需再从哪个阶段 进行设计进行设计.(2)并行并行(同时同时)解法：受控结构与控制器设计参数都等同地视为设计变量解法：受控结构与控制器设计参数都等同地视为设计变量,同时进同时进 行优化行优化.(3)多级分解的一体化设计方法：把整个优化过程分为系统级和子系统级的优化多级分解的一体化设计方法：把整个优化过程分为系统级和子系统级的优化1-142.新型作动器及其它主动元件新型作动器及其它主动元件作动器是影响主动控制实现的重要环节作动器是影响主动控制实现的重要环节.目前重点在对不需要固定基础目前重点在对不需要固定基础的轻
15、型作动器的研究的轻型作动器的研究。主要有反作用式作动器。主要有反作用式作动器 压电陶瓷压电陶瓷 形状记忆合形状记忆合金金 电电/磁致伸缩材料磁致伸缩材料 电流变液等构成的作动器或主动元件。电流变液等构成的作动器或主动元件。(1)反作用式作动器反作用式作动器 控制作动器中某一部件的运动控制作动器中某一部件的运动,使其产生的反作用力作用于受控对象使其产生的反作用力作用于受控对象,以控制受控对象的振动水平以控制受控对象的振动水平.对线位移振动对线位移振动 有惯性质量型作动器有惯性质量型作动器 角位移振动角位移振动 有反作用轮型作动器有反作用轮型作动器(Reaction wheel)(2)压电式作动器
16、压电式作动器 压电式作动器利用压电材料的逆压电效应压电式作动器利用压电材料的逆压电效应,通过施加外部电场通过施加外部电场,将电能将电能 转换成机械能的装置。转换成机械能的装置。压电材料有：压电陶瓷压电材料有：压电陶瓷 压电高分子材料压电高分子材料(聚氟乙烯聚氟乙烯 聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯)它它 们们 均可制成任意形状均可制成任意形状,易于与其它材料复合易于与其它材料复合 应用范围：应用范围：柔性结构柔性结构 天线天线 柔性机器人手臂的振动与形状控制中柔性机器人手臂的振动与形状控制中;作作 为自适应智能结构的作动器为自适应智能结构的作动器;1-15(3)形状记忆材料作动形状记忆材料作动 形形状状记
17、记忆忆效效应应（Shape Memory Effect SME）指指某某些些具具有有热热弹弹性性或或应应力力诱诱发发马马氏氏体体相相变变的的材材料料处处于于马马氏氏体体状状态态，并并进进行行一一定定限限度度的的变变形形后后，在在随随后后加加热热并并超超过过马马氏氏体体相消失温度时，材料能完全恢复到变形前的形状和体积。相消失温度时，材料能完全恢复到变形前的形状和体积。经过处理经过处理,材料能记忆其在相变材料能记忆其在相变 前后前后 的形的形 状状.可加工成片材、可加工成片材、丝线、薄膜，丝线、薄膜，特别是产生大的应力或应特别是产生大的应力或应 变变 包括形状记忆合金包括形状记忆合金(NiTi C
18、uZnAl CuAlNi最具实用价值最具实用价值)。应用范围：低频振动的控制应用范围：低频振动的控制(形状记忆材料响应慢形状记忆材料响应慢)1-16(4)磁致伸缩材料作动器磁致伸缩材料作动器 磁致伸缩材料在外加磁场的作用下磁致伸缩材料在外加磁场的作用下,其尺寸、体积等会发生改变其尺寸、体积等会发生改变,能提供较大能提供较大 控制力控制力,并且在低压电流产生的磁场中具有很好的线性度和电场变化的响应能力并且在低压电流产生的磁场中具有很好的线性度和电场变化的响应能力.如纯镍如纯镍 NiFe NiCo等等 应用范围：高精度微幅隔振和自适应结构应用范围：高精度微幅隔振和自适应结构(5)电流变流体电流变流
19、体 由不导电流体和细小的悬浮状可极化的粒子组成由不导电流体和细小的悬浮状可极化的粒子组成.在通电状况下在通电状况下 在极短的在极短的 时间时间 内内,粒子极化粒子极化,液体变成固体液体变成固体,悬浮粒子极化形成很强的静电引力链悬浮粒子极化形成很强的静电引力链,这这 种链即使断开种链即使断开,仍能重新结合起来。当电场撤消后仍能重新结合起来。当电场撤消后,材料又恢复液态材料又恢复液态 玉米油中加入玉米淀粉玉米油中加入玉米淀粉 矿物油中加入硅胶矿物油中加入硅胶 变压器油中加入纤维素变压器油中加入纤维素 硅油硅油 中加入沸石都可形成电流变流体中加入沸石都可形成电流变流体.我校研究的电流变流体减振器采用
20、由聚苯胺我校研究的电流变流体减振器采用由聚苯胺/钛酸钡纳米复合粒子与降粘的钛酸钡纳米复合粒子与降粘的 甲基硅油组成的电流变流体甲基硅油组成的电流变流体 应用范围应用范围:用于自适应结构用于自适应结构.灌入某些重要结构中灌入某些重要结构中,使结构受到冲击时能使结构受到冲击时能 自自 动加固动加固,能减振和防断裂能减振和防断裂 可控型动态阻尼器可控型动态阻尼器 智能材料：智能材料：压电材料压电材料 形状记忆材料形状记忆材料 磁致伸缩材料磁致伸缩材料 电流变流体统称智能电流变流体统称智能 材料材料 目前正尝试将几种材料复合在一起成最佳性能组合目前正尝试将几种材料复合在一起成最佳性能组合 智能结构：集智能传感元件、智能作动元件、微型计算机控制芯片于一智能结构：集智能传感元件、智能作动元件、微型计算机控制芯片于一 体的结构体的结构1-17