最新机械振动试题及参考答案-1
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中南大学考试试卷(A 卷)
2015 - 2016学年上学期 时间110分钟
《机械振动基础》 课程 32 学时 2 学分 考试形式:闭 卷 专业年级: 机械13级 总分100分,占总评成绩 70 %
注:此页不作答题纸,请将答案写在答题纸上
1、简述机械振动定义,以及产生的内在原因。 (10分) 答:机械振动指机械或结构在它的静平衡位置附近的往复弹性运动。(5分) 产生机械振动的内在原因是系统本身具有在振动时储存动能和势能,而且释放动能和势能并能使动能和势能相互转换的能力。(5分)
2、简述随机振动问题的求解方法,随机过程基本的数字特征包括哪些? (10分) 答:随机振动问题只能用概率统计方法来求解,只能知道系统激励和相应的统计值(5分)。 随机过程基本的数字特征包括:均值、方差、自相关函数、互相关函数。(5分)
3、阻尼对系统的自由振动有何影响?若仪器表头可等效为具有黏性阻尼的单自由度系统,欲使其在受扰动后尽快回零,最有效的办法是什么? (10分) 答:阻尼消耗振动系统的能量,它使自由振动系统的振动幅值快速减小(5分)。增加黏性阻尼量,可使指针快速回零位(5分)。
4、简述求解周期强迫振动和瞬态强迫振动问题的方法。 (10分) 答:求解周期强迫振动时,可利用傅里叶级数将周期激励力转化为简谐激励力,然后利用简谐激励情况下的周期解叠加,可以得到周期强迫振动的解(5分)。求解瞬态强迫振动的解时,利用脉冲激励后的自由振动函数,即单位脉冲响应函数,与瞬态激励外力进行卷积积分,可以求得瞬态激励响应(5分)。周期强迫振动和瞬态强迫振动,也可以通过傅里叶积分变换、拉普拉斯积分变换来求解。
5、如图1所示,系统中质量m 位于硬质杆2L (杆质量忽略)的中心,阻尼器的阻尼系数为c ,弹簧弹性系数为k ,
(1)建立此系统的运动微分方程; (5分) (2)求出临界阻尼系数表示式; (5分) (3)阻尼振动的固有频率表示式。 (5分) 答:(1)可以用力矩平衡方法列写平衡方程,也可以用能量方法列写方程,广义坐标可以选质
量块的垂直直线运动,也可以选择杆的摆角,以质量块直线运动坐标为例,动能21
2
T E mx =,
势能2
1(2)2U k x =,能量耗散212D cx =,由222,,T T ij ij ij i j i j i j
E D U m c k x x x x x x ∂∂∂===
∂∂∂∂∂∂,得到:40mx cx kx ++=;
(2
)e c ==
(3
)d n ω==
6、如图2所示系统,两个圆盘的直径均为r ,设I 1=I 2=I ,k 1=k 2=k ,k 3=3k ,
(1)选取适当的坐标,求出系统动能、势能函数; (5分) (2)求出系统的质量矩阵、刚度矩阵; (5分) (3)写出该系统自由振动时运动微分方程。 (5分)
图1 图2
答:(1)取θ1, θ2,x 位描述系统运动的广义坐标,即:{X }={θ1, θ2,x }T ,各个自由度的原点均取静平衡位置,分别以顺时针方向旋转、垂直向下为坐标正方向。
222222112211212321111111111
;()()()2222222222
T E I I mx U k r k r r k x r θθθθθθ=++=++++;
(注:如果同学将r 当成半径,或者注明r 为半径,可不扣分)
(2)2
2
;;T ij ij i j i j
E U
m m x x x x ∂∂==∂∂∂∂2
21
22211024001
30
0;420
3032
kr
kr I M I K kr kr kr m kr k ⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢
⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎣⎦
⎢⎥⎣
⎦
。 (3){0};MX KX +=其中,12{,
,}T X x θθ=。
7、如图3所示,由一弹簧是连接两个质量1m ,2m 构成的系统以速度v 撞击制动器1k ,求1m 与2m 之间弹簧k 所受到的最大压缩力。设v 为常数且弹簧无初始变形,并设12m m =与12k k =。(30分)
图3
答:设1m ,2m 的坐标1()x t ,2()x t 向左运动为正方向,碰撞时刻为原点。碰撞后,按照线性系统规律运动。
1031;;{0}011
1M m K k MX KX -⎡⎤⎡⎤
==+=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦
(5分)
系统固有频率:
12ωω=
=(5分)
振型:
1112212211;
11u
u U u u ⎡⎤⎡⎤==⎥⎢⎥⎣⎦⎦
(5分)
系统振动的初始条件:
11220;;0x x v x x v ⎧⎫⎧⎫⎧⎫⎧⎫==⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎩⎭⎩⎭⎩⎭⎩⎭
(5分)
按照振型叠加法求解:
1111211122222122sin()sin()x u u c t c t x u u ωϕωϕ⎧⎫⎧⎫⎧⎫
=-+-⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎩⎭⎩⎭⎩⎭
(2分)
将初始条件代入可以得到:
1212120;0;;;22v v c c ϕϕωω===
=
(3分)
得到解:
12121211sin sin ;221111cos cos ;
22211v v X t t v v X t t ωωωωωω⎧⎫⎧⎫⎪⎪⎪⎪
=
+⎬⎨⎬+
⎪
⎪⎪
⎭⎩⎭
⎧⎫⎧⎫⎪⎪⎪⎪
=+⎨
⎬⎨⎬+⎪⎪⎪⎪⎭⎩
⎭
求弹簧k 的压缩量
21()()x x t x t ∆=-最大值,令
0d
x dt
∆=,得到:
121
2
sin sin 22x t t ωωωω∆=
-
;
12()0d
x t t dt ωω
∆=-=
1212
212112
cos cos 0;cos cos ;2;
2sin sin ;t t t t t t t t t ωωωωωπωπ
ωωωω-===-=-=
+
12111
2
1
2
11212
max()sin sin sin sin 2222112()sin 2x t t t t
ωωωωωωωωωπωωωω∆=
-
=
+
=
++
(4分)
因此,1m 与2m 之间弹簧k 所受到的压缩力的最大值: