机构设计技术
第十五讲
15.1 机械平衡的相关概念
因此，研究机械平衡的目的是根据惯性力的变化规律，采用平衡设计和平衡实验方法，消除或减少构件所产Th的惯性力，提高机械系统的工作性能，延长机械使用寿命。
机械在运转时，构件的不平衡惯性力将在运动副中产Th附件动压力。
增大运动副中的摩擦力和构件中的内应力，降低机械效率和使用寿命。
由于这些惯性力的大小和方向一般都是周期性变化的，将会引起机械及其基础产Th强迫振动。
转子平衡
先来了解机械平衡是什么？ 1. 机械平衡的目的 2. 机械平衡的分类与简述 15.1 机械平衡的相关概念
工作转速与一阶临界转速之比小于 0.7的平衡
机 转子的平衡械 （本讲重点 ） 平 衡 机构的平衡
刚性转子的平衡挠性转子的平衡
静不平衡动不平衡
作往复移动或平面复合运动的构件，其所产Th
的惯性力无法在该构件上平衡，而必须就整个机构加以平衡。 工作转速与一阶临界转速之比大于 0.7的平衡 当 时，可不考虑转子
的宽度影响，惯性力偶距可忽略
不计 ，转子质量分布可认为在
同一平面内，属于静不平衡问题。
转子的宽度不能
忽略，惯性力偶
矩的影响也不能忽略不计。属动 不平衡问题 时， 当 如图（a）所示的内燃机曲轴，结构上对回转轴线不对称。图（b）所示盘状零件，由于尺寸、重量较大，设计时要留有穿钢丝绳的起吊孔，从而造成了转子的不平衡。
在设计过程中，可利用在转子上加减配重的方法，使转子上的惯性力和惯性力偶矩的合力为零，从而使其回转轴线与中心主惯性轴线重合。 15.1 机械平衡的相关概念
（b）
（a） 15.2.1 刚性转子的静平衡设计 15.2 刚性转子的平衡设计
现对宽径比 的圆盘状转子进行静平衡设计。
在图a所示的转子上，已知三个不平衡质量的大小分别为：m1、m2、m3；
相对直角坐标yOz的方位为r1、θ1，r2、θ2。设应加的配重的质量为m，
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第九章 结构动力学
§9.1概述
一、结构动力计算的特点和内容
前面各章讨论了结构在静力荷载作用下的计算问题。它研究的是当结构处于静力平衡位置时，外荷载对结构的影响。此时，荷载的大小、方向和作用点以及结构产生的内力、位移等均看作是不随时间t变化的。本章将讨论结构在动力荷载作用下的计算问题。
所谓动力荷载，亦称为干扰力，是指大小、方向和作用位置等随时间ｔ变化，并且使结构产生不容忽视的惯性力的荷载。与静力计算所不同的是，结构在动力荷载作用下，其质量具有加速度，计算过程中必须考虑惯性力的作用。结构的内力和位移是位置和时间ｔ的函数，称为动内力和动位移，统称为结构的动力反应。
在实际工程中，绝大多数荷载都是随着时间变化的。从工程实用角度来说，为了简化计算，往往将使结构产生的振动很小以至于惯性力可以略去不计的荷载视为静力荷载。例如当人群缓慢行走在桥梁上时，桥梁不会产生明显的振动，这时人群的自重可以作为静力荷载考虑；当人群跑动通过时，桥梁将产生明显的振动，其上各质量将产生不容忽视的惯性力，因而，人群的自重必须作为动力荷载来考虑。显然，区分静力荷载和动力荷载，主要是看其对结构产生的影响。本章内容只将不仅随时间变化而且使结构产生较大动力反应的荷载作为动力荷载来考虑。
随着科学技术的迅速发展，研究动力荷载作用下结构的计算方法具有十分重要的工程意义。在结构设计中，如何减小机器振动对现代化厂房的影响，如何减小风荷载及地震作用引起的高层建筑的动力反应等，都需要对动力荷载的作用进行深入的研究。
结构的动力反应与结构本身的动力特性和动力荷载的变化规律密切相关。研究结构的自 －193－ 由振动，得到的结构自振频率、振型和阻尼参数等正是反应结构动力特性的指标。因此，研究结构的动力计算方法，需要分析结构的自由振动和动力荷载作用下的受迫振动两种情况，前者计算结构的动力特性，后者进一步计算结构的动力反应。
二、动力荷载的分类
第 1 页/ 共 3 页 结构动力学
一、课程说明
课程编号： 120737Z10
课程名称：结构动力学/Structural Dynamics
课程类别：学科基础课
学时/学分：32/2
先修课程：理论力学，结构力学
适用专业：土木天佑班
教材、教学参考书：
1.包世华编著，结构动力学.武汉理工大学出版社，2005年;
2.R.克拉夫，J.彭津 著；王光远 译，结构动力学（第2版）.高等教育出版社，2007年;
3.[美] Roy R. Craig, Jr著，常岭、李振邦翻译，人民交通出版社，1996年;
4.邹经湘主编，结构动力学.哈尔滨工业大学出版社，1996年。
二、课程设置的目的意义
结构动力学是土木工程天佑班学科基础课，它是结构动力响应分析与计算、动力学建模、振动控制等的基础，在土木、交通、机械、航空航天等工程领域中展示了广阔的应用前景。课程设置目的是使是使学生掌握结构动力学基本原理、概念、分析方法，了解土木工程中常用的各类结构的动力性能与分析，加强动力学分析和计算能力，为相关专业课程及研究工作打下必要的力学基础，为设计和科研提供必要的计算手段。
三、课程的基本要求
知识：了解动力问题的基本特性，掌握动力问题与静力问题的主要差别，掌握单自由度体系及多自由度体系的动力学建模及各种激励作用下结构响应的计算，连续分布参数体系的动力学分析方法。学会不同的方法建立体系动力学方程，为有关专业课程及研究工作打下必要的力学基础。
能力：利用力学定律如牛顿定律、刚度法、柔度法、达朗伯原理等，建立单自由度体系、多自由度体系及连续分布参数体系动力学方程，学会将多自由度体系转化为单自由度体系求解的分析方法，培养解决工程问题的能力，培养创新意识，提高分析、研究和解决问题的能力。
素质：通过课程学习，培养分析、沟通、交流素质，建立动力学分析到应用的思维模式。通过课外导学的模式，提升自主学习和终身学习的意识，形成不断学习和适应发展素质。
1 结构动力学与稳定复习
1.1 结构动力计算与静力计算的主要区别是什么？
答：主要区别表现在：(1) 在动力分析中要计入惯性力，静力分析中无惯性力；(2) 在动力分析中，结构的内力、位移等是时间的函数，静力分析中则是不随时间变化的量；(3) 动力分析方法常与荷载类型有关，而静力分析方法一般与荷载类型无关。
1.2 什么是动力自由度，确定体系动力自由度的目的是什么？
答：确定体系在振动过程中任一时刻体系全部质量位置或变形形态所需要的独立参数的个数，称为体系的动力自由度（质点处的基本位移未知量）。
确定动力自由度的目的是：(1) 根据自由度的数目确定所需建立的方程个数（运动方程数=自由度数），自由度不同所用的分析方法也不同；(2) 因为结构 的动力响应（动力内力和动位移）与结构的动力特性有密切关系，而动力特性又与质量的可能位置有关。
1.3 结构动力自由度与体系几何分析中的自由度有何区别？
答：二者的区别是：几何组成分析中的自由度是确定刚体系位置所需独立参数的数目，分析的目的是要确定体系能否发生刚体运动。结构动力分析自由度是确定结构上各质量位置所需的独立参数数目，分析的目的是要确定结构振动形状。
1.4 结构的动力特性一般指什么？
答：结构的动力特性是指：频率（周期）、振型和阻尼。动力特性是结构固有的，这是因为它们是由体系的基本参数（质量、刚度）所确定的、表征结构动力响应特性的量。动力特性不同，在振动中的响应特点亦不同。
1.5 什么是阻尼、阻尼力，产生阻尼的原因一般有哪些？什么是等效粘滞阻尼？
答：振动过程的能量耗散称为阻尼。
产生阻尼的原因主要有：材料的内摩擦、构件间接触面的摩擦、介质的阻力等等。当然，也包括结构中安装的各种阻尼器、耗能器。
阻尼力是根据所假设的阻尼理论作用于质量上用于代替能量耗散的一种假 2 想力。粘滞阻尼理论假定阻尼力与质量的速度成比例。
粘滞阻尼理论的优点是便于求解，但其缺点是与往往实际不符，为扬长避短，按能量等效原则将实际的阻尼耗能换算成粘滞阻尼理论的相关参数，这种阻尼假设称为等效粘滞阻尼。
