只有在已知
机械设备
的动力学模型、外部激励和
工作条件
的基础上,才能分析研究机械设备的
动态特性
。动态分析包括:①计算或测定机械设备的各阶固有频率、
模态振型
、刚度和阻尼等
固有特性
。根据固有特性可以找出产生振动的原因,避免共振,并为进一步动态分析提供
基础数据
。②计算或测定机械设备受到激励时有关点的位移、速度、
加速度
、相位、频谱和振动的时间历程等
动态响应
,根据动态响应考核机械设备承受振动和冲击的能力,寻找其
薄弱环节
和浪费环节,为改进设计提供依据。还可建立用
模态参数
表示的机械系统的
运动方程
,称为模态分析。③分析计算机械设备的
动力稳定性
,确定机械设备不稳定,即产生自激振动的
临界条件
。保证机械设备在充分发挥其性能的条件下不产生自激振动,并能稳定的工作。
最简单的机械振动是质点的
简谐振动
。简谐振动是随时间按
正弦
函数变化的运动。这种振动可以看作是垂直平面上等速
圆周运动
的点在此平面内的铅垂轴上投影的结果。它的振动位移为
x
(
t
)=
Acosωt
式中
A
为
振幅
,即偏离
平衡位置
的
最大值
,亦即振动位移的最大值;
t
为时间;
ω
为
圆频率
(
正弦量
频率的2π倍)。它的振动速度为
d
x
/d
t
=
ωA
sin(
ωt
+π/2)
它的
振动加速度
为
d2x/dt2=ω2Asin(ωt+π)
振动也可用向量来表示。向量以等
角速度
ω
作反时针方向旋转,位移向量的模(向量的大小)就是振幅
A
,速度向量的模就是速度的幅值
ωA
,
加速度
向量的模就是加速度的幅值
ω
2A。速度向量比位移向量超前90°,加速度向量比位移向量超前180°。如振动开始时此质点不在平衡位置,它的位移可用下式表示
x
(
t
)=
A
sin(
ωt
+ψ)
式中ψ为
初相位
。完成一次振动所需的时间称为周期。周期的倒数即单位时间内的振动次数,称为频率。具有固定周期的振动,经过一个周期后又回复到周期开始的状态,这称为
周期振动
。任何一个
周期函数
,只要满足一定条件都可以展开成
傅里叶级数
。因此,可以把一个非简谐的周期振动分解为一系列的简谐振动。没有固定周期的振动称为
非周期振动
,例如旋转机械在起动过程中先出现非周期振动,当旋转机械达到匀速转动时才产生周期振动。
由质量、刚度和阻尼各元素以一定形式组成的系统,称为
机械系统
。实际的机械结构一般都比较复杂,在分析其振动问题时往往需要把它简化为由若干个“无弹性”的质量和“无质量”的
弹性元件
所组成的
力学模型
,这就是一种机械系统,称为弹簧质量系统。弹性元件的特性用弹簧的刚度来表示,它是弹簧每缩短或伸长
单位长度
所需施加的力。例如,可将汽车的车身和前、后桥作为质量,将板簧和轮胎作为弹性元件,将具有耗散振动能量作用的各环节作为阻尼,三者共同组成了研究汽车振动的一种机械系统。