工程中的振动问题分解教学内容
工程中的振动问题及处理方法
工程中的振动问题及其处理在讲之前，首先介绍一下中冶集团建筑研究总院（原冶金工业部建筑研究总院）对振动问题进行过40年的研究，曾主持编制了两本振动设计规范：1.《制氧机等动力机器基础勘察设计暂行条例》（1977.1）2.《机器动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程》（YBJ55-90）, 1990年一、振动中的几个基本概念1.振动问题和静力问题的区别：（A）振动变位与振动力的方向永远不一致。
在扰频/自频>1时，出现变位与扰力的方向相反的现象。
静力问题中，变位与作用力的方向总是一致的。
（B）振动与质量有关。
静力问题中与质量不发生关系。
（C）振动是时间的函数，静力与时间无关。
（D）振动有共振现象。
发生共振时振动要放大。
对钢结构，振动可放大200~300倍；对混凝土结构，振动可放大10~20倍。
对动力设备基础：对于水平和旋转振动，可放大7-10倍对于垂直振动，可放大4-8倍对于桩基础，只放大1.5-4倍对于静力问题，变形无放大问题。
2.关于自由度、自振频率和振型什么叫自由度：决定振动体系全部质点位置的独立变数的数目，φ，所以有二个振型。
也有二个自振频率。
5个，也可选10个，也可选100个。
但选的原则是：“选定结构”的最高自振频率要大于1.2倍的激振频率。
注意，振型与外力无关，与地震地面运动无关，只与m、k有关。
3.关于自由振动和强迫振动简单的说：在振动过程中，没有外力作用的振动称为自由振动，否则为强迫振动。
在自由振动时，振动的大小只取决于物体的初位移和初速度，此时无共振现象。
在工程中，像锻锤、落锤，火箭发射，爆炸，冲床，冲击式打入桩均可近似看作自由振动。
而强迫振动都是在外力作用下发生的，例如：压缩机，电动机，火车和地震等引起的结构振动均属强迫振动。
强迫振动的反应主要取决于力的大小和力的时间函数。
此时有共振问题。
4. 阻尼振动和无阻尼振动阻尼系数是振动中的一个重要指标，因为阻尼作用，所以在共振时，振幅不会无限放大，锻锤等在冲击力作用下，砧座会很快趋于平稳。
力学振动的教学设计方案
总评成绩达到60分以上为通过。其中，期末考试和课程设计大作业必须分别达 到各自成绩的60%以上。
THANKS
感谢观看
通过案例学习与实践操作相结合的教学方式，学生应能够培养创新思维和实践能力 ，为未来的学习和工作奠定坚实基础。
06
学生自主实践活动安排
活动主题和目标设定
主题：探索力学振动现象及 其在生活中的应用
目标
01
让学生了解力学振动的基本
原理和概念
02
03
培养学生的动手实践能力和 科学探究精神
04
05
引导学生将理论知识应用于 实际生活中，提高解决问题
建立数学模型
根据受力分析，选择合适的数 学模型描述振动系统的运动规 律，如常微分方程、偏微分方 程等。
确定模型参数
通过实验测量或理论计算，确 定数学模型中的各项参数，如
质量、刚度、阻尼等。
线性振动系统分析方法
模态分析法
时域分析法
通过求解系统的特征值和特征向量， 得到系统的固有频率和振型，进而分 析系统的振动特性。
简谐振动及其特性
01
02
03
04
简谐振动的定义
物体在受到与位移成正比的恢 复力作用下的振动称为简谐振
动。
周期性
简谐振动具有周期性，即物体 在振动过程中会不断重复其运
动状态。
对称性
简谐振动的运动轨迹关于平衡 位置对称。
能量守恒
在简谐振动过程中，物体的动 能和势能相互转化，但总能量
保持不变。
阻尼振动与受迫振动
受迫振动的频率等于驱动力的频率。
振幅与驱动力频率有关
当驱动力频率接近物体的固有频率时 ，振幅最大，称为共振现象。
5-3 工程实际中的振动
5—3 工程实际中的振动一、教学目标1．了解阻尼振动和受迫振动现象。
2．了解共振现象，掌握共振条件。
3．了解振动图像的物理意义。
4．了解共振在实际中的应用。
二、教学重点难点重点：共振现象及变化规律。
难点：共振振幅与驱动力频率的关系。
三、教学器材 共振摆演示器、图片 四、教学建议教法建议观察、演示实验、讨论。
教学设计方案（一） 引入新课物体在平衡位置附近来回往复的运动称为机械振动，它是物体的一种重要运动形式。
从日常生活到生产技术以及自然界中到处都存在着振动。
一切发声体都在振动，机器的运转总伴随着振动，海浪的起伏以及地震也都是振动，就是晶体中的原子也都在不停的振动着。
（二） 引出课程内容 1．振动分类自由振动 阻尼振动自由振动：只受回复力作用的振动是自由振动。
作自由振动的系统，没有阻力做功，其机械能守恒, 因而振动振幅保持不变，其振动图像如图1 。
阻尼振动：实际的振动因为有摩擦等阻力作用， 系统的机械能总会发生损失，变得越来越小，系统 不会持续的振动下去。
如实际的弹簧振子在阻力的 作用下，其振幅越来越小，最后趋于零。
这种由于阻力的存在，振幅随时间不断减小的振动称为阻尼 振动。
其振动图像如图2。
在工程实际中，如果希望振动很快消失，就常 采用增大阻尼的方法，如安装减震垫和减震弹簧。
如A AOt图1xO果希望振动连续不断的持续下去，就要补偿由阻尼消耗掉的能量，这时所作的振动称为受迫振动。
2．受迫振动振动系统在周期性外力的作用下所进行的振动，称为受迫振动。
这种周期性的外力称为驱动力，受迫振动是阻尼振动和驱动力引起的振动的叠加。
持续工作的振动系统，其振动一般都是受迫振动。
如钟摆的振动，汽缸中活塞的运动等。
图3中的振子在摇把的带动下所作的振动就是受迫振动。
3．共振由物体本身结构和特征决定的振动称为固有振动，其频率称为固有频率。
观察图3所示的装置，先让弹簧下面悬挂的重物作自由振动，记录 它的振动频率（或周期），其频率是系统的固有频率；然后转动摇把，转动摇把的频率是驱动力频率。
工程中的振动问题 ppt课件
PPT课件
16
海洋平台的减震（1983年）
渤海公司埕北油田A平台。 钻机开动时，平台振动强烈，生活区工人
很难入睡。 强烈振动有可能影响平台的寿命。 要求分析原因，采取有效的减震措施。
PPT课件
17
海洋平台的结构示意
钻机转速有三档，现用 一档。
三档转速为： n=90，120，150r/min
PPT课件
3
矿山通风机叶片开裂的治理（1990年）
平顶山矿 2K58-30通风机。 沈阳风机厂生产。 1988年11月至1989年10月，14支叶片开裂，
故被煤炭部冻结销售。 要求分析开裂原因，提出根治的措施。
PPT课件
4
2K58-30通风机的结构示意
转速 600r/min。
11 19
中导叶数 z2 =19, 机器转速为
n=10Hz。
扰动频率为nz1和 nz2。
0 50 100 150 200 250 300 Hz
扰动频率带为绿色区，不会激起叶片 共振。
改进工艺，减小叶片制造质量和频率
分散度。
PPT课件
10
风机的减震和隔震（1996年）
北京燕山石化一厂聚苯一烯车间，屋顶 上装有三台通风机F-730、731、732。
平台高度为 20多米，面 积有如半个足球场。
PPT课件
18
海洋平台的减震分析
初步观察：
走廊作水平转动，平台四角作 切向运动，故平台作扭转振动。
有限元计算：
第一阶扭振固有频率1.12Hz
实测：
固有频率1.1Hz。 扭转扰动频率：1.5Hz
结论： 平台为处于扭转共振中。
PPT课件
如何在工程力学中处理振动问题？
如何在工程力学中处理振动问题？在工程领域中，振动问题是一个常见且关键的挑战。
从大型的桥梁、建筑物到精密的机械部件，振动都可能对其性能、安全性和寿命产生显著影响。
理解并有效地处理振动问题，对于确保工程结构和系统的正常运行至关重要。
要处理振动问题，首先得清楚什么是振动。
简单来说，振动就是物体在平衡位置附近的往复运动。
这种运动可能是周期性的，也可能是随机的。
在工程力学中，我们通常用振幅、频率、周期和相位等参数来描述振动。
那么，振动是如何产生的呢？这通常源于外力的作用、不平衡的质量分布、弹性元件的存在或者系统的共振等原因。
例如，在旋转机械中，如果轴的质量分布不均匀，就会产生离心力，从而导致振动。
又如，当外部激励的频率与系统的固有频率接近时，会发生共振现象，此时振动的幅度会急剧增大。
在处理振动问题时，我们首先要进行振动分析。
这包括对系统的建模，确定其质量、刚度和阻尼等参数。
建模的方法有很多种，比如集中质量法、有限元法等。
集中质量法将系统简化为几个集中的质量点，通过弹簧和阻尼器连接；而有限元法则将系统离散成许多小单元，通过求解这些单元的力学方程来得到系统的振动特性。
确定了系统的模型后，我们就可以计算其固有频率和振型。
固有频率是系统自身的特性，与外部激励无关。
振型则描述了系统在各固有频率下的振动形态。
通过计算固有频率和振型，我们可以了解系统的振动特性，判断是否可能发生共振等问题。
接下来是振动控制。
振动控制的方法主要有被动控制、主动控制和半主动控制。
被动控制是通过在系统中添加阻尼器、弹簧等元件来消耗或转移振动能量，从而减小振动。
例如，在桥梁结构中安装阻尼器，可以有效地减小风振或地震引起的振动。
主动控制则是通过外部能源输入来产生控制力，主动地抑制振动。
这种方法通常需要传感器、控制器和作动器等设备，成本较高，但控制效果较好。
半主动控制则介于被动控制和主动控制之间，通过调整控制参数来实现振动控制。
在实际工程中，选择合适的振动控制方法需要综合考虑多种因素，如控制效果、成本、可行性等。
土木工程结构振动控制基础理论教案
土木工程结构振动控制基础理论教案一、引言结构振动控制是土木工程领域中重要的研究方向之一。
随着工程结构的不断发展和需求的变化，对结构振动控制的需求越来越迫切。
本教案旨在介绍土木工程结构振动控制的基础理论，帮助学生掌握相关知识和技能。
二、教学目标1. 理解结构振动及其控制的基本概念和原理；2. 掌握常见的结构振动控制方法和技术；3. 能够运用基本理论和方法解决实际工程问题；4. 培养学生的创新意识和实践动手能力。
三、教学内容1. 结构振动基础理论概述1.1 结构振动的定义和分类结构振动是指结构在受到外界激励或自激励下发生的振动现象。
根据激励类型和结构响应特点，结构振动可分为自由振动、强迫振动和受迫振动三种类型。
1.2 结构振动的原因和危害结构振动的原因包括环境荷载、人为激励以及结构本身固有频率等。
不适当的振动会引发疲劳破坏、结构破坏甚至崩塌等危害。
1.3 结构振动控制的作用和意义结构振动控制可以减小结构振动对人类的不良影响，延长工程结构的使用寿命，提高结构的稳定性和安全性。
2. 结构振动控制方法2.1 主动振动控制主动振动控制是通过添加控制装置，实时监测结构响应并提供相应的控制力，以抑制结构振动。
2.2 被动振动控制被动振动控制是利用被动装置（如减震器、阻尼器等）对结构振动进行控制。
2.3 半主动振动控制半主动振动控制是结合主动和被动控制的优点，通过调节控制装置的参数，实现对结构振动的控制。
3. 结构振动控制技术3.1 模态分析与控制模态分析是结构振动控制的基础，通过对结构的模态进行分析，可以确定振动模态和主要振型，帮助选择合适的控制方法和参数。
3.2 智能材料在振动控制中的应用智能材料具有自适应和响应特性，在结构振动控制中具有广泛的应用前景。
3.3 传统控制技术在结构振动控制中的应用传统控制技术如PID控制、模糊控制等在结构振动控制中有其独特的优势和应用场景。
四、教学方法1. 理论讲解与案例分析相结合，提高学生对振动控制理论的理解和应用能力。
土木工程中的桥梁振动分析与改善
土木工程中的桥梁振动分析与改善桥梁作为重要的交通基础设施，承载着车辆和行人的重量，其结构安全性和稳定性对交通运输的顺畅性具有重要影响。
而振动问题是桥梁设计与施工过程中常见的关键问题之一。
本文将重点讨论土木工程中的桥梁振动分析与改善。
一、桥梁振动的类型及原因1.自然振动：桥梁作为一个巨大的弹性体，受到外界自然环境的作用时，会产生自然振动。
例如，地震、风力和水流等自然力对桥梁的振动产生显著影响。
2.人为振动：由于交通工具的行驶和行人的行走引起的振动也对桥梁的结构造成一定的影响。
尤其是在大桥上，车辆的高速行驶和集中负荷对桥梁的振动产生明显影响。
二、桥梁振动分析方法1.理论模型法：通过建立桥梁的动力学方程和运用相关物理原理，采用数学方法对桥梁的振动进行分析和计算。
该方法适用于简化、规则的振动分析。
2.有限元法：有限元法是目前最为普遍和有效的桥梁振动分析方法之一。
它将整个桥梁系统离散化为许多小单元，建立数值模型进行计算，并通过数值方法求解桥梁的模态振动和应力应变状态。
三、桥梁振动改善方案1.结构设计优化：在桥梁设计初期，根据桥梁的实际应用环境和条件，合理选择桥梁的结构形式和材料，以减少振动的发生。
例如，通过改善桥梁横断面形状、增加支座刚度和设置振动吸收器等方法来降低振动响应。
2.减振措施：对于已经存在振动问题的桥梁，可以采取减振措施来降低振动响应。
例如，在桥梁的关键部位设置阻尼器、调整振动频率等，以减少振动的幅值和对桥梁结构的影响。
3.维护管理：定期维护对于控制桥梁振动也起到重要作用。
通过桥梁的定期巡检、维护和加固，保证桥梁的结构稳定和安全性，降低振动问题的发生。
四、案例分析以某城市的一座大型悬索桥为例，该桥在通车后出现了较大的振动问题，对行驶的车辆和行人造成了不良的影响。
为了解决该问题，工程师采用了有限元法进行振动分析，并结合实际情况提出了以下改善方案：调整桥塔的刚度，增加桥墩的阻尼器，加固桥面结构等措施。
工程振动分析基础教学设计 (2)
工程振动分析基础教学设计一、项目背景工程振动是工程结构与机械系统等其它物理系统在运动中由于外界影响或系统内在因素而产生的一种物理现象。
它在实际工程中具有广泛的应用，涉及到工程设计、工程结构优化、控制系统等多个领域。
工程振动分析是工程师和科学家进行工程振动研究、振动控制以及振动分类的基础和前置技能。
二、教学目标本次教学旨在让学生系统地掌握和了解工程振动的基础知识，包括振动的产生、传播以及基础特性；学生能够熟练运用振动分析的相关方法和工具；学生能够对振动现象进行定性以及定量分析，达到工程实践应用的基本要求。
三、教学内容3.1 工程振动基础概念对工程振动概念进行讲解，内容包括振动基础术语、振动产生的基本原理和常见的振动类型。
3.2 工程振动分析方法介绍振动分析的基础方法，包括自由振动、强迫振动和固有频率等，让学生了解振动分析的基本框架和思路。
3.3 工程振动控制讲解振动控制的基本概念和方法，包括主动控制和被动控制等，使学生了解工程振动在工程设计和制造中的重要性。
3.4 工程振动应用案例通过工程振动在振动测量、振动分析和振动控制等方面的应用实例，让学生了解实践中的振动问题和挑战，并掌握如何解决实际振动问题。
四、教学模式以理论授课和实践操作相结合的方式来进行教学。
4.1 理论授课通过PPT课件介绍理论知识和案例，让学生了解工程振动的基本术语、基础原理和分析方法，并通过理论知识的分析和演示，帮助学生了解工程振动在理论与实践中的应用。
4.2 实践操作结合实际振动测量和分析，通过钙钛矿发光校正、振动参数的测量、测量曲线的绘制等实验，让学生对振动现象有更深刻的认识，并能独立进行振动分析和控制设计。
五、教学评估采用随堂测验、课堂讨论、实验操作等方式进行教学评估。
主要考察学生掌握工程振动基本概念、理解振动分析方法和应用技巧，以及是否能够在实践中熟练操作。
六、教学资源通过教学电子平台提供PPT课件、实验操作指导书和相关教学视频等教学资源，让学生能够在课堂外自主学习和掌握振动分析的相关技能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
海洋平台的减震（1983年）
渤海公司埕北油田A平台。 钻机开动时，平台振动强烈，生活区工人
很难入睡。 强烈振动有可能影响平台的寿命。 要求分析原因，采取有效的减震措施。
海洋平台的结构示意
钻机转速有三档，现用 一档。
三档转速为： n=90，120，150r/min
平台高度为 20多米，面 积有如半个足球场。
裂纹长度 30~90mm，最长 达190mm。
叶片模态分析的实验框图
用实验方法得到叶片的各阶固有频率、振型和阻尼
固定 力传 支座 感器
加速 度计
电荷放大器
力锤
叶片
电荷放大器
动态信号 分析仪
绘图仪 打印机 存储器
叶片的前四阶模态参数
模态 No.1:弯曲型 模态 No.2:扭转型 模态 No.3:壳体型 模态 No.4:壳体型
风机的减震和隔震（1996年）
北京燕山石化一厂聚苯一烯车间，屋顶 上装有三台通风机F-730、731、732。
振动强烈，电机多次烧毁、零部件损坏、 厂房开裂、恶化环境。
要求分析原因，采取有效的减震和隔震 措施。
2
改造前风机的安装布置
风机参数 F-730：25.0HP 2940r/min ， 铝质叶轮 F-731：18.5kW 2970r/min ， 钢质叶轮 F-732：18.5kW 2993r/min ， 钢质叶轮
频率：79.69Hz 频率：146.87Hz 频率：232.81Hz 频率：265.63Hz
阻尼：0.10%
阻尼：0.46%
阻尼：0.76% 阻尼：0.99%
叶片开裂原因分析
改造前：
No.1
前导叶数 z1 =13，
No.2 No.3
后导叶数 z1 =13， No.4
中导叶数 2 =17, No.5
故被煤炭部冻结销售。 要求分析开裂原因，提出根治的措施。
2K58-30通风机的结构示意
转速 600r/min。 动叶片两级，各12
片。 前、后导叶 13片。 中导叶 17片。
通风机叶片的结构示意
叶片中空，用钢 板卷成，然后铆 上支杆。
开裂部位在叶片 下边(轴向)，铆 钉孔处(45度向)。
海洋平台的减震分析
初步观察：
走廊作水平转动，平台四角作 切向运动，故平台作扭转振动。
有限元计算：
第一阶扭振固有频率1.12Hz
实测：
固有频率1.1Hz。 扭转扰动频率：1.5Hz
结论： 平台为处于扭转共振中。
海洋平台的减震措施
措施： 钻机改用第二档。
后果： 振动大大减小。 生产效率提高近50%。
改造前风机的模型和特性
改造后风机的安装布置
改造措施 制一公共机架，增加机架质量。 改善电机和风机的对中，对风机作动平衡。 用减振器支承机架，隔离机架与屋顶钢架。
改造后风机的模型和特性
风机的改造效果
振动减为原来的1/2至1/3。 环境大大改善。 零部件不再意外损坏。 耗电为原来的70%。
工程中的振动问题分解
振动问题的几个实例
矿山通风机叶片开裂的治理 风机的减震和隔震 海洋平台的减震 200MW汽轮发电机油膜振荡的根治 大型球磨机端盖开裂原因分析和治理措施
矿山通风机叶片开裂的治理（1990年）
平顶山矿 2K58-30通风机。 沈阳风机厂生产。 1988年11月至1989年10月，14支叶片开裂，
200MW汽轮发电机组 示意图
发电机
低压缸转子
中压缸转子 高压缸转子
200MW机组轴系的计算模型
全长约30米 7个轴承支承
椭圆轴瓦
三油楔轴瓦
轴系的前6阶计算模态
模态 模态 模态频率Ω 对数衰减率 失稳阈速nt
序号 型式 / c·min-1
δ
/ r·min-1
1 G1 2 IP 3 HP 4 LP 5 CP 6 G2
200MW汽轮发电机组 油膜振荡的根治（1992年）
200MW机组全国有100多台在运行。 由于历史原因，该机设计工作做得不充分。 新乡电厂、秦岭电厂曾先后发生毁机事故。 运行中表现出稳定性较差。西安熱工所普
查发现，三分之一机组有低频振动成分。 要求对该机组作稳定性校核分析，并提出
提高机组稳定性的措施。
1188 1572 1881 1919 3218 3285
0.0106 0.123 0.259 0.407 2.100 1.402
3062 3709 >4000 >4000 >4000 >4000
第1阶模态(G1型)的阻尼太小，易引起失稳。 第2阶模态(IP型)次之。
机组的前 6 阶模态
IP型模态 G1型模态
到 0.366 。 更换更多的瓦，没有必要。 已由电力部下指导性文件，要求各厂根据情况改瓦。
轴承油膜的刚度系数和阻尼系数
椭圆轴瓦
三油楔轴瓦
轴承油膜的特性可用4个刚度系数和4个阻尼系数来代表。
轴承油膜对转子的动特性有重要影响。
各个更换轴瓦方案的比较
更换几个轴瓦？更换哪几个轴瓦？
G1型模态 对数衰 阈速nt
减率δ /r·min-1 原有轴系 0.0106 3062 更换6、7瓦 0.233 >4000 更换3、6、7瓦 0.233 >4000 更换3至7瓦 0.236 >4000
No.3
前导叶数 z1 =11， No.4 后导叶数 z1 =11， No.5
11 19
中导叶数 z2 =19, 机器转速为
n=10Hz。
扰动频率为nz1和 nz2。
0 50 100 150 200 250 300 Hz
扰动频率带为绿色区，不会激起叶片 共振。
改进工艺，减小叶片制造质量和频率 分散度。
13 17
机器转速为 n=10Hz。
0 50 100 150 200 250 300 Hz
扰动频率为nz1和 扰动频率带为红色区，能激起叶片第二
nz2。
阶频率（扭转）共振。
再要考虑15%的 叶片开裂的形态和扭转疲劳破坏相吻合。
安全裕度。
叶片开裂的根治
改造后
No.1
更改导叶的数目 No.2
IP型模态 对数衰 阈速nt
减率δ /r·min-1 0.123 3709 0.123 3709 0.366 >4000 0.366 >4000
提高机组稳定性的措施
把部分椭圆轴瓦更换为三油楔轴瓦。
更换第 6、7瓦，把第1阶模态(G1型)的 从0.0106提
高到 0.233。
更换第 3瓦，可把第2阶模态(IP型)的 从0.123提高