第四章单自由度系统振动分析

单自由度无阻尼自由振动的系统分析在结构动力学之中，单自由度体系的振动是最简单的振动，但单自由度体系的频率计算在结构动力学计算中有着十分重要的意义，因为从中我们能得到关于振动理论的一些最基本的概念和分析方法同时也为更复杂的多质点多自由度体系振动问题奠定基础，同时现实工程中也有许多振动问题可以简化为单自由度问题近似的利用单自由度振动理论去分析解决。

在单层厂房、水塔等建筑物中得到有效的利用结构的自由振动是指结构受到扰动离开平衡位置后，不再受到任何外力影响的振动过程，此处动力系统是否有阻尼项，会直接影响到动力系统的反应。

在此，我们把自由振动分为无阻尼自由振动与有阻尼的自由振动。

一、无阻尼自由系统的振动分析目前，以弹簧-质量系统为力学模型，研究单自由度系统的振动具有非常普遍的实际意义，因为工程中许多问题简化后，用单自由度体系的振动理论就能得到很好的解决。

而对多自由度系统和连续振动，在特殊坐标的考察时，也会显示出与单自由度系统类似的振动。

进行无阻尼自由振动分析的主要目的是为了获得系统固有振动的特性，只有充分地了解系统的自身振动特性才能有效的计算系统的动力响应，目前在单质点单自由度无阻尼自由振动体系中我们的运动方程为：0)()(..=+t ku t um （1） 或 0u(t))(=+ωt u （2）其中的ω是振动圆频率，是反应系统动力的重要参数，其计算公式为：m k m ==δω12 (3)由上式可以看出，ω只和系统的刚度及质量有关，而与系统所受到的初始受力状态无关。

ω的量纲与角速度相同为rad/s ，它反映了系统自由振动的快慢。

自由振动系统的这一特性，我们在日常生活中司空见惯。

比如，键盘类乐器标定后，按动某一个琴键，不管你按动的轻重如何，琴键所发出的声音的频率是一定的，按得轻或按得重仅影响声音的强弱。

（2）式经过三角函数的转换可表示为：)sin()(νω+=t A t u （4）其通解为t A t A t u ωωsin cos )(21+= 常数A 1与A 2与初始条件有关，01χ=A ωχ/02 =A式（4）是标准的简谐方程其中A 是其振幅，则ν是其初相角，他们的计算公式2020)(ωx x A += ，00arctan x x v ω=对于质点振动系统，质量越大，则系统的固有频率越低；刚度越大，则系统的固有频率越高。

单自由度振动系统的运动方程解析解的应用案例分析单自由度振动系统是机械工程中非常重要的一类振动系统。

它的运动方程可用解析解表示，这在许多实际问题的解决中发挥着重要作用。

本文将通过分析两个应用案例，展示单自由度振动系统运动方程解析解的实际应用。

案例一：弹簧振子考虑一个弹簧振子系统，由一个质量为m的物体通过一个弹簧与固定支撑相连。

假设摩擦系数为零，物体只有沿水平方向的振动。

根据牛顿第二定律可以得到以下运动方程：m a=−aa其中a是物体的加速度，k是弹簧的劲度系数，x是物体的位移。

通过简单的求解可以得到该系统的解析解为：a = a cos(a_0 t + a)其中A和a分别是振幅和相位，a_0 是系统的固有角频率，有关常数可以通过初始条件来确定。

这个方程给出了振子在任意时间点的位移，通过振幅和相位可以描述振动的特征。

在实际应用中，我们可以利用这个方程来分析弹簧振子的运动规律，如计算特定时刻的位移、速度和加速度等。

案例二：简谐受迫振动考虑一个简谐受迫振动系统，它除了由弹簧力驱动外，还受到外部激励力F(t)的作用。

运动方程可以表示为：m a=−aa +F(t)其中F(t)是外部激励力的函数形式，可以是任意周期性函数。

在这种情况下，运动方程没有解析解，但我们可以通过变换方法将其转化为解析解出现的形式。

一个常见的方法是利用复指数形式的解，并通过计算使运动方程等号两边的实部和虚部相等。

通过求解可以得到：a = a cos(a_0 t + a) + a_p其中a_p是该系统的稳态解，表示受迫振动的特定解，由外部激励力决定，A和a是自由振动的振幅和相位。

这个方程描述了受迫振动系统的运动，可以用于分析系统在不同激励力下的响应，如共振频率、相位差等。

总结起来，单自由度振动系统运动方程解析解的应用案例分析有助于我们深入理解振动系统的运动行为。

通过解析解，我们可以更好地预测和控制系统的振动特性，为相关工程问题提供解决思路。

单自由度系统自由振动（简支梁）一、　实验目的　１、测定简支梁的等效弹簧常数k ；　２、记录简支梁的自由振动曲线，用分析仪测定系统的有阻尼时的固有频率d ω及相对阻尼系数ζ；　３、用附加质量法测定简支梁的等效质量m ；　４、初步了解振动测试的一些仪器设备及测试方法。

　 二、　实验装置及原理　１、　实验装置　一根均匀的、截面为矩形的简支梁，其简图如图１所示。

这个系统可看作如图２所示的，有阻尼的单自由度弹簧质量系统，有阻尼时的振动微分方程为：　0=++kx x c xm &&&　（１）　令m c n =2，mk n =2ω　（２）　则（１）式为：022=++x x n x n ω&&& （３）　再令nn ωζ=　（４）　则式（３）为：022=++x x x n n ωςω&&&　（５）　其中：　m ：为简支梁系统的等效质量；　k ：为简支梁系统对于跨度中点的等效弹簧常数；　c ：为简支梁下的阻尼常数，n 称为衰减系数，ζ称为相对阻尼系数；　n ω：为简支梁系统固有频率，n n f πω2=，d ω为系统的有阻尼固有频率，d d f πω2=。

　２、　实验原理　（１）　等效弹簧常数的测定　由于梁在弹性范围内的挠度与梁所受载荷成正比，因此只要在简支梁的跨中点加载，同时图2用百分表读出该点的挠度值，即可测出等效弹簧常数。

　（２）记录简支梁系统的自由振动曲线　在简支梁跨度中点贴应变片作用是使梁在振动时的应变量变化转化成电阻量的变化，再将应变片按半桥接法接到动态应变仪上，把电阻量的变化信号放大，并转化成电压量的变化信号，输出到示波器或分析仪，这样即可观察和记录波形。

测试系统框图如图３所示。

（３）附加质量法测等效质量　根据式（２），因为()222n n f m k πω==，21ζωω−=n d ，d d f πω2=要测出简支梁的等效质量m ，只要在原来的简支梁上附加一个已知质量∆，再次求得带有附加质量∆时的固有频率2∆n ω，然后通过下式计算得到m ：　()()()()22222222∆∆∆==∆+=n n n n n n f f f f m m ππωω　（６）　()()1111222222−∆=−−−∆=∆∆∆d d d d f f f f m &ζζ　（７）　　三、　实验步骤　１、　测定简支梁系统的等效弹簧常数　在简支梁跨中点处用砝码加载（ｉ＝１，２，　…．，　５），同时用百分表读出该点相对应的挠度值，并记录表１中，按公式算出。

y sy(t)机械振动分析------单自由度无阻尼系统的自由振动机械振动是物体(或物体的一部分)在平衡位置（物体静止时的位置）附近作的往复运动。

可分为自由振动、受迫振动。

又可分为无阻尼振动与阻尼振动。

常见的简谐运动有弹簧振子模型、单摆模型等。

振动在机械中的应用非常普遍,例如在振动筛分行业中基本原理系借电机轴上下端所安装的重锤（不平衡重锤），将电机的旋转运动转变为水平、垂直、倾斜的三次元运动，再把这个运动传达给筛面。

若改变上下部的重锤的相位角可改变原料的行进方向。

物体受到初干扰后，仅在系统的恢复力作用下在其平衡位置附近的振动称为无阻尼自由振动。

其中仅需用一个独立坐标就可确定振体位置的系统为单自由度系统。

单自由度系统的振动理论是振动理论的基础。

研究单自由度系统的振动有着非常普遍的实际意义，因为工程上有许多问题通过简化，用单自由度系统的振动理论就能得到满意的结果。

而同时对多自由度系统和连续系统的振动，在特殊坐标系中考察时，显示出与单自由度系统类似的性态。

因此，揭示单自由度振动系统的规律、特点，为进一步研究复杂振动系统奠定了基础。

影响振动作用的因素是振动频率、加速度和振幅。

现在我们就此方面展开对单自由度无阻尼振动的讨论。

主要包括两部分：单自由度无阻尼系统的自由振动和单自由度无阻尼系统的受迫振动。

一、单自由度无阻尼系统的自由振动如下图，设此梁上的集中质量为m ，其重量为W mg ，梁由于质量的重力引起的质量处的静力位移用s y 表示，与s y 相应的质量位置称为质量的静力平衡位置。

若此质量受到扰动离开了静力平衡位置，当扰动除去后，则体系将发生振动，这样的振动称为体系的自由振动。

由于振动的方向与梁轴垂直，故称为横向振动。

在此，只讨论微小振幅的振动，由振动引起的内力限于材料的弹性极限以内，用以表示质量运动的方程将为线性微分方程。

1、建立运动方程建立运动方程常用的基本原理是达朗伯原理（亦称惯性力法或动静法）。

振动理论(4-2)第四章单自由度受迫振动陈永强北京大学力学系●谐变化的力在谐位移上的功是●运动较慢时，＝, 外力主要用于克服弹簧力，一周中所作功为零●运动较快时，, 外力分量克服阻尼力，一部分功转变为热能●共振时，，外力平衡阻尼力，功全部消耗于阻尼⏹阻尼振幅⏹阻尼消耗的功=外力功⏹⏹共振●这是相位差为的频率下的振幅，接近于最大振幅的频率能量法求解共振振幅每周的能量振幅外力阻尼力0A B C共振时的放大因子共振另一方面，有阻尼振动的对数衰减率近似为 共振时的放大因子用对数衰减率表示为瞬态振动和稳态振动瞬态振动稳态振动特解例题汽车重千克，装在四只弹簧上，在车身重量作用下弹簧下压厘米，四只缓冲器，每只在1厘米/秒的速度时具有阻尼系数千克。

把车子和四只车轮一起安装在一个试验台上，实验台以共振速率上下运动，振幅为厘米。

假定中心时在轴距中心处，试求车身在弹簧上的振幅。

解：rad具有振幅的弹簧顶部的运动相当于在质量上具有振幅的力kgcm●假定弹簧质量体系，由旋转机械的不平衡运动激励，只能竖向运动●不平衡部分用一个离心质量表示，离心距为，角速度为●表示非旋转部分的位移(以静平衡位置为参考)，的运动可以表示为考虑阻尼影响的转动失衡2014/10/2232运动平衡方程sinsin这个方程与具有振幅的弹簧顶部运动导致的振动方程是一样的,令, 可直接得到振动的振幅tan332014/10/22进一步，可以写成如下的无量纲关系tan342014/10/22转动失衡受迫振动幅频和相频特性352014/10/22●前面的例子是旋转不平衡发生在单一平面内，现在讨论在几个平面内的平衡情况●静不平衡⏹不平衡质量都在同一平面内，合力是一个单一的径向力⏹这种不平衡可以用静态试验测出来，即把轮-轴架在轨道上，使其停留在某个位置：重心在轴的下方⏹不用转动轮子就可以测得不平衡位置●动不平衡⏹不平衡出现在多个平面内⏹合力是一个集中力和一个摇摆力矩⏹通过旋转转子才能测出转子失衡2014/10/2236平衡机一般来讲，比较长的转子，例如马达的电枢或者汽车的发动机的机轴，汽车的轮毂和轮胎，都可以认为是一系列薄盘组成，每个薄盘都带有不同程度的失衡⏹用于检测并修正转子失衡的机器叫平衡机⏹平衡机包含弹性支承用于通过运动检测不平衡力⏹测得支承振动幅度和相对相位，进而确定转子的不平衡量并进行修正⏹这是一个二自由度问题：转子的平动和转动是同时发生的372014/10/22●在设计机械具体实施上述原理的检测过程的时候，会采用各种振动传感器、光电传感器，测量其振动情况和转速同步信号，确定失衡重点的位置，然后根据需要对转子进行加重法和去重法的对转子进行平衡加工⏹加重法：在不平衡相反方向配上校正重块。

（弹簧质量系统的固有频率和自激振动、自由振动、受迫震动）一、实验目的通过单自由度振动系统的弹簧刚度，掌握固有频率n??与振动质量m和系统弹簧刚度k 之间的一个极为重要的关系mk??n??。

演示自激振动现象及其与自由振动和强迫振动的区别。

因为平时人们往往常遇见或能理解的自由振动和强迫振动的现象比较多，如单摆的振动、汽车的振动、电机由于转子不平衡引起的振动等等。

但自激振动的现象又很难被人们所认识，如比较典型的自激振动有钟表、电铃等。

前者的摆轮和后者的摆锤的振动容易被理解是强迫振动。

因此，我们把演示自激振动作为理论力学一个实验从反面让学生搞清自激振动和强迫振动的概念。

二、实验原理（一）单自由度线性系统的自由振动由一个质量块及弹簧的系统，在受到初干扰（初位移或初速度）后，仅在系统的恢复力作用下在其平衡位置附近所作的振动称为自由振动。

其运动微分方程为：0kxxm（无阻尼）其解为：sinntA 其中：2n2020??vxA，00narctanvx （二）单自由度线性系统的强迫振动在随时间周期性变化的外力作用下，系统作持续振动称为强迫振动，该外力称为干扰力。

其振动微分方程为thxxnxmsin22n（有阻尼）方程全解为：sinsin220BtnAext 强迫振动的振幅B可以表示为2020220041 nBB 式中：kHhB200?? 称为静力偏移，表示系统在干扰力的幅值H 的静力作用下的偏移。

（三）自激振动的基本特性：自激振动是一种比较特殊的现象。

它不同于强迫振动，因为其没有固定周期性交变的能量输入，而且自激振动的频率基本上取决于系统的固有特性。

它也不同于自由振动，因为它并不随时间增大而衰减，系统振动时，维持振动的能量不象自由振动时一次输入，而是象强迫振动那样持续地输入。

但这一能源并不象强迫振动时通过周期性的作用对系统输入能量，而是对系统产生一个持续的作用，这个非周期性作用只有通过系统本身的振动才能不断输入振动才能变为周期性的作用，也只用成为周期性作用后，能量才能不断输入振动?低常 佣 窒低车淖约ふ穸 Ｒ虼耍 肭科日穸 囊桓鲋匾 鹪谟谙低趁挥谐跏荚硕 筒换嵋 鹱约ふ穸 科日穸 虿蝗弧?三、实验项目：（一）.求单自由度系统的振动频率已知：高压输电模型的质量kgm138.0??，砝码规格分别为100克和200克。

汽车振动分析之单自由度汽车振动是指汽车行驶过程中，由于路面不平、车身和悬挂系统的振动传递等因素引起的振动现象。

汽车振动对车辆性能和乘坐舒适度有很大影响，因此对汽车振动进行分析和研究具有重要意义。

在汽车振动分析中，单自由度是一种常用的方法。

单自由度是指将整个车身视为一个自由度的振动系统。

通过对车身进行建模，分析和计算出车身在不同工况下的振动特性，可以得到车身的共振频率、加速度和振幅等参数，为汽车设计和改进提供依据。

在单自由度振动系统中，主要有四个关键参数需要确定：质量、阻尼、刚度和外力。

质量是指车身的质量及其分布情况，通常可以通过质量补偿法或试验方法进行测量。

阻尼是指车身受到的阻尼力，包括震动吸收器的阻尼和内部摩擦阻尼等。

刚度是指车身对应的刚度系数，用来描述车身对外力的反应能力。

外力可以是路面的不平度、车轮的不平衡力、发动机的振动力等。

在进行单自由度振动分析时，可以采用模型简化和计算机仿真的方法。

通过建立合适的数学模型，可以得到车身的振动方程，并通过求解方程得到车身的振动响应。

在模型简化过程中，通常采用等效刚度法将车身简化为一个理想的弹簧-质量-阻尼系统。

通过调整刚度和阻尼参数的数值，可以模拟出不同车身的振动特性。

在振动分析过程中，可以通过求解振动方程得到车身的固有频率和振动模态。

固有频率是指汽车振动系统在自由振动状态下，振动频率不随外力的作用而改变的特征频率。

振动模态是指在固有频率下，车身各部分振动的空间分布特征。

通过分析固有频率和振动模态，可以找出对车辆乘坐舒适度影响最大的频率段和振动模态，从而进行有目的的改进和优化。

除了固有频率和振动模态，还可以通过求解振动方程得到车身的加速度和振幅等振动参数。

加速度是指车身振动速度变化率，是评价车辆乘坐舒适度的重要指标之一、振幅是指车身在振动过程中的最大位移变化，也是车辆乘坐舒适度的重要指标之一、通过分析和计算这些振动参数，可以评估车身在不同工况下的振动性能，并对车身进行优化设计。

单自由度振动系统的运动方程及其解析解单自由度振动系统是指只有一个自由度的振动系统，其运动方程可以用一个二阶常微分方程表示。

在这篇文章中，我们将讨论单自由度振动系统的运动方程及其解析解。

1. 引言振动是自然界中一种常见的现象，也是物体在受到扰动后产生的周期性运动。

单自由度振动系统是研究振动现象的基本模型，它可以用来描述弹簧振子、摆锤等物理系统的振动。

2. 运动方程的建立对于单自由度振动系统，其运动方程可以通过牛顿第二定律推导而来。

假设系统的质量为m，位移为x，系统受到的外力为F，弹性系数为k，则可以得到如下的运动方程：m*x'' + k*x = F3. 简谐振动的解析解当外力为零时，即F=0，单自由度振动系统的运动方程简化为：m*x'' + k*x = 0这是一个常系数线性齐次二阶常微分方程，可以通过特征方程的方法求解。

假设解为x(t) = A*cos(ωt + φ)，代入方程中可以得到：-m*ω^2*A*cos(ωt + φ) + k*A*cos(ωt + φ) = 0整理得到：(ω^2*m - k)*A*cos(ωt + φ) = 0由于A*cos(ωt + φ)不为零，所以可以得到特征方程：ω^2*m - k = 0解特征方程可以得到系统的固有频率：ω = sqrt(k/m)因此，单自由度振动系统的解析解为：x(t) = A*cos(ωt + φ)其中A和φ为待定常数，分别表示振幅和相位。

4. 非简谐振动的解析解当外力不为零时，即F≠0，单自由度振动系统的运动方程为：m*x'' + k*x = F这是一个非齐次线性二阶常微分方程，可以通过特解和通解的方法求解。

首先求解齐次方程，得到通解：x_h(t) = A*cos(ωt + φ)然后求解非齐次方程的特解，可以通过待定系数法或者复数法得到特解。

最后将通解和特解相加，得到系统的解析解：x(t) = x_h(t) + x_p(t)其中x_h(t)为齐次方程的通解，x_p(t)为非齐次方程的特解。

单自由度振动系统m质量，k刚度，c阻尼，有时有p激振力单自由度振动系统，指用一个独立参量便可确定系统位置的振动系统。

只要以它的平衡位置取为坐标原点，任一瞬时的质点坐标x（线位移)或 （角位移）就可以决定振动质点的瞬时位置。

根据牛顿定律：mx+cx+kx=F1.单自由度系统无阻尼自由振动mx+kx=0；x+kmx=0；令w m2=k/m，求微分方程的解，得x=c1e iw n t+c2e−iw n t=c1+c2cosw n t+i c1−c2sinw n t=b1cosw n t+b2sinw n t将其合成一个简谐振动，并代入初始条件：t=0时，x=x0,x=x0x=Asin(w n t+φ); A=x2+x02w n2; φ=tg−1x0w nx01.1固有频率系统的圆频率和频率只与系统本身的物理性质（弹性和惯性）有关，因此当振动系统的结构确定后，系统的振动频率就固定不变，而不管运动的初始条件如何，也和振幅的大小无关，因此成为固有圆频率和固有频率。

w n=km ；f n=12πkm1.2固有频率计算方法1）公式法。

根据公式w n=km计算2）静变形法。

根据质量块所处平衡位置的弹簧变形计算。

3）能量法。

根据能量守恒定律，由于无阻尼，无能量损失，12mx2+12kx2=E，将x的方程代入上式，系统的最大动能等于系统的最大弹性势能，计算求出。

4）瑞利法。

考虑到系统弹簧质量的计算方法，如假设系统的静态变形曲线作为假定的振动形式，根据推倒，得出系统的固有频率为w n=km+ρl3，式中加入的部分为“弹簧等效质量”不同振动系统的等效质量不同，只需先算出弹性元件的动能，根据T s =12m s x 2，计算即可。

1.3扭转振动根据扭转运动的牛顿定律 M =I θ，M 为施加到转动物体上的力矩，I 转动物体对于转动轴的转动惯量，θ角加速度。

圆盘转动惯量为I ，轴的转动刚度为kθ。

系统受到干扰后做扭转自由振动，振动时圆盘上受到一个由圆轴作用的与θ方向相反的弹性恢复力矩-K θθ。