第三章动态载荷分析
在工程中如何进行动态载荷分析？
在工程中如何进行动态载荷分析？在各类工程领域中，动态载荷分析是一项至关重要的任务。
它能够帮助工程师准确了解结构或系统在实际运行过程中所承受的载荷变化，从而为设计的优化、可靠性的评估以及故障的预防提供关键的依据。
那么，在工程实践中，究竟如何有效地进行动态载荷分析呢？首先，要明确什么是动态载荷。
动态载荷与静态载荷相对，不是恒定不变的，而是随时间变化的力、压力、扭矩等作用在结构或系统上。
例如，汽车在行驶过程中受到的路面颠簸和加速、减速产生的惯性力，飞机在飞行中遇到的气流冲击，桥梁在风中的振动所承受的风力等，都属于动态载荷。
进行动态载荷分析的第一步是对载荷特性的准确测量和获取。
这往往需要借助各种先进的测量设备和技术。
常见的测量方法包括应变片测量、加速度传感器测量、力传感器测量等。
以汽车为例，在底盘关键部位安装应变片可以测量结构的应变，进而推算出所受的载荷；在车身安装加速度传感器能够获取振动的加速度信息，通过相关的分析方法转化为载荷。
获取到测量数据后，接下来就是对这些数据的处理和分析。
数据处理的目的是去除噪声、修正误差，并提取出有用的载荷特征。
常用的数据分析方法有傅里叶变换、小波变换等。
傅里叶变换可以将时域的载荷信号转换到频域，帮助我们了解载荷的频率成分；小波变换则能够在时频域同时对信号进行分析，更准确地捕捉到载荷的瞬态特征。
在实际工程中，由于直接测量往往受到条件限制，有时还需要通过间接的方法来估算动态载荷。
一种常用的间接方法是基于系统的动力学模型。
通过建立结构或系统的数学模型，结合已知的边界条件和输入输出关系，可以反推出作用在系统上的载荷。
例如，对于一个机械传动系统，可以根据电机的转速、扭矩以及各部件的转动惯量等参数，利用动力学方程计算出传动轴所承受的动态载荷。
此外，数值模拟也是进行动态载荷分析的重要手段。
有限元分析（FEA）和多体动力学分析等技术在工程中得到了广泛应用。
通过建立结构或系统的数字化模型，施加相应的边界条件和载荷，利用计算机进行仿真计算，可以预测其在不同工况下的动态响应和所受的载荷。
第三章 起重机械的计算载荷与计算方法
一、起重机械的计算载荷
作用在起重机上的外载荷有：起升载荷、自重载荷、动
载荷、风载荷、货物偏摆载荷、碰撞载荷、安装和运输载荷
等。
1、起升载荷 P Q
是由起升机构吊起的货物和取物装置及其它随同升降的
装置重量的总合。
对抓斗起重机，P Q =Q·g，Q——起重量
对吊钩起重机， =P Q （Q+
— 1 —起升冲击系数， 0.9。1当1.1对要计算P G 的零件起
增大应力作用时，
，反1之1.，0~ 起1减.1小应力作用时，
取
。 10.9~1.0
--
★ 起升动力载荷 F Q 动： FQ动 2PQ
—2 —起升载荷动载系数， 1.0。2其2估.0算公式为：
2 1cv
1
g0 y0
c——操作情况系数，安装用c=0.25，吊钩式起重机
F 风 I I ——工作状态下作用在物品上的最大风力； F 切 ——回转机构起、制动时的切向惯性力； F 离 ——回转机构起、制动时的回转离心力。
其中，F 切 和 F 风 II 起主要作用。
--
假定动力系数为2，回转起、制动时间为4s，则：
tgI I 2 切 /g 2 v /( g t) 0 .0 5 v
<二>传动机构零件的动载荷
用零件所在轴的扭矩表示。
（1）疲劳计算载荷
① 运行和回转机构： MImax 8Mn
M—n —电机额定转矩传到计算零件的扭矩。
—8 —刚性动载系数， 1.2，8 2.0 8/1
J，II / JI ，Mq /Mn Mj /Mn J—I —主动侧转动惯量；
J—I I —被动侧转动惯量；
2 10；.35v
材料力学课件-动载荷
材料力学课件-动载荷是一门关于结构承受动态荷载的力学课程。本课程包括 动载荷的定义、分类以及动力学分析的方法与应用等内容。
引言
动载荷是指作用在结构上的具有变化的力、加速度或位移。了解动载荷的特 点对于结构设计与分析至关重要。
单自由度系统动力学
1
自由振动
当结构受到激励时，会出现自由振动，即结构围绕着自身固有频率振动。
2
非自由振动
在存在阻尼的情况下，结构会出现非自由振动，时间的影响让振动不再是简单的周期 性。
3
减振措施
为了减少结构的振动响应，可以采取各种减振措施，例如引入阻尼器或减振器。
多自由度系统动力学
简化模型
多自由度系统可以用简化模型 进行分析，将结构转化为一系 列简谐振动的叠加。
模态分析
通过模态分析可以确定结构的 固有频率和振型，对于地震分 析和结构设计至关重要。
结构地震响应
地震动的特点
地震动具有复杂的时程特征， 包括频率、幅值、相位和持 续时间等方面的变化。
结构地震响应分析
通过结构地震响应分析可以 评估结构在地震作用下的振 动性能和安全性，以指导工 程设计与抗震设计。
结构抗震设计原则
结构抗震设计的原则包括提 高结构的刚度和强度、控制 位移和引入阻尼等方面的考 虑。
1 冲击响应定义
冲击响应是指结构在突然受到冲击载荷时的振动响应，常见于爆炸、碰撞或地震等情况。
2 冲击响应的计算
通过冲击响应计算可以预测结构在冲击载荷下的应力、变形和破坏情况，以评估结构的 安全性。
3 冲击响应的控制措施
为了减少冲击响应的影响，可以采取一些控制措施，如增加结构的刚度和引入冲击吸收 器。
地震反应分析
第三章 起重机械的计算载荷与计算方法
M Q——起升载荷折算到计算零件的静力矩；
6 ——动态试验动载系数，6 12 / 2 ；
其他零件：M Imax (1.3 ~ 1.4)M n ③平衡变幅机构
制动器后的零件： M Imax M j 其他零件： M Imax (1.3 。~ 1.4)M n
m—2—额定起重量。
0 ——在额定起升载荷作用下，取物装置的位移量，
单位：m。0 0.0029H
—y0—在额定起升载荷作用下，物品悬挂处的结构静变
位量，单位：m。对桥架型起重机，y0 L /(700 ~；10对00 )
臂架型起重机，y0 R /(200 。~ 250 )
的2初步估算公式： 使用轻闲的安装用臂架型起重机， 2 1；0.17v
Ⅱ类载荷组合，是基本载荷加附加载荷。
③ Ⅲ类载荷组合（非工作最大载荷组合或验算载荷组 合）：主用于验算起重机在非工作状态下整体抗倾覆稳 定性，安全装置、支承零部件和金属结构的静强度、稳定性 和可靠性。它包含基本载荷加特殊载荷。
注意：一般，载荷组合Ⅱ对起重机任何部分都应计算满 足，但载荷组合I和Ⅲ只部分零件才必须计算。
—8 —刚性动载系数， 1.2 ，8 2.0 8 / 1
J，II / JI ， M q / M n M j / M n J—I —主动侧转动惯量； J—II —被动侧转动惯量；
M—q —驱动力矩； M—j —阻力矩。
②起升和非平衡变幅机构
（2）强度计算载荷
①运行和回转机构： M II max 58M n
—5 —弹性振动增大系数， 5 2， / 1。.1 5 1.7
②起升和非平衡变幅机构
海洋工程结构动力分析课件第三章环境载荷
其中： S ——圆柱体表面积
FFK
p dV V x
du dV V dt
Vu&
单位长度柱体上的Froude-Krylov力
FFK Au&
3、Morison公式
F
1 2
CD D
u
u
mu&
Au&
1 2
CD
D
u
u
Ca
Au&
Au&
1 2
CD
D
u
u
Ca
1
Au&
令 CM Ca 1
则：
赛车
卡车 摩托车
0.7-1.3
0.5 0.2 - 0.3 0.8 - 1.0 1.8
2、升力(lift force)
FL
CL
D 2
u2
其中：
CL CL (Re, Kc, ks D , e)
——升力系数(lift coefficient)
33, 000 Re 66, 000
104 Re 3104
入射波势函数
i
i
gH 2
cosh[k (z d )] ei(kxt) cosh(kd )
或
i
i
gH 2
cosh[k (z d )] eiteikr cos cosh(kd )
eikrcos cos kr cos i sin kr cos
J0 (kr) 2 (1)m J2m (kr) cos(2m ) i 2 (1)m J2m1(kr) cos(2m 1)
t
Ur0
cos
r0 cos
U t
其合力为：
P
材料力学之动载荷
1 U Fd d 2
2013-8-19 27
F 根据力和变形之间的关系：d k d
F
Fd Fd ：冲击物速度为0时，作用于杆之力。
Q
被冲击构件增加的变形能U，应等于冲击 Fd 载荷在冲击过程中所作的功。
st d
Fd d Q st
于是变形能为
根据能量守恒：
1 1 Q 2 U Fd d d 2 2 st
2013-8-19
3
动应力：在动载荷作用下构件内产生的应力，记为 d 。 实验证明：在静载荷下服从虎克定律的材料，在承受 动载荷时，只要动应力小于等于比例极限( d < p ),胡克
定律仍然有效，而且弹性模量E也与静载荷下的数值相同 (即 d = E d )。
四类问题：
作匀加速直线运动和匀角速旋转的构件； 在冲击载荷下构件的应力和变形的计算； 交变应力。 震动。
0.04
0.6 4
N /m N /m
A
60面处：
0.6
Dx
B
600
62700 xdx 7.8 10 0.08 2 (0.6 0.04) 0.04 4
11.451kN
则CD杆中最大的应力为 FNd ,max d max 2.28MPa [ ] A
2013-8-19 30
因为
Fd d d kd Q st st
所以冲击应力为
d kd st
强度条件为
d max kd ( st )max [ ]
2013-8-19 31
•关于动荷系数
kd 的讨论:
2h kd 1 1 st
动力载荷动力学环境下物体受到的载荷分析
动力载荷动力学环境下物体受到的载荷分析在动力载荷动力学环境下，物体受到的载荷分析是一个重要的工程问题。
载荷是指作用在物体上的外部力和力矩，这些力和力矩会导致物体发生形变、应力和变形。
在动力载荷动力学环境中，载荷通常具有以下特点：动态载荷、不稳定载荷、冲击载荷等。
1.定义问题：首先需要明确受载物体的几何形状、材料特性、边界条件等，以及受到的载荷的类型和作用方向。
这一步骤为后续的计算提供了必要的输入参数。
2.建立数学模型：将受载物体抽象为数学模型，通常使用有限元方法来进行模型的建立。
有限元方法是一种将复杂结构分割为有限数量的简单单元进行分析的方法。
在建立数学模型时，需要将物体划分为有限数量的单元，并对每个单元进行建模，包括定义单元几何形状、选择适当的数学表达式等。
3.定义载荷：将受到的载荷定义为分布载荷或者集中载荷。
对于分布载荷，可以通过力密度向量或者面积分布来定义。
对于集中载荷，可以通过力矢量或者力矩来定义。
4.确定边界条件：边界条件是物体表面上的约束或者力的施加，对于载荷分析来说，边界条件一般是受载物体的支撑条件或者约束条件。
5.求解：通过数值计算方法，如有限元方法，求解载荷分析问题。
在求解过程中，需要根据受载物体和载荷的特性选择适当的求解方法和计算算法。
6.分析结果：根据求解的结果，分析物体的各项性能指标，如应力、应变、变形等。
根据分析结果，可以对物体的结构进行优化，改进设计，以满足特定的工程要求。
总结：动力载荷动力学环境下物体受到的载荷分析是一个复杂的工程问题，需要对受载物体和载荷进行准确的建模和定义，利用数值计算方法进行求解。
通过分析结果，可以优化物体的设计，提高其性能和可靠性。
重载机械的动态载荷分析与结构优化
重载机械的动态载荷分析与结构优化重载机械普遍存在于现代工业生产的各个环节中，其具备高负载和高速度的特点，对设备的结构稳定性和可靠性提出了极高的要求。
因此，对于重载机械的动态载荷分析和结构优化是非常必要的，它能够帮助我们了解机械系统在负载作用下的工作状态，并进一步提高机械的性能和寿命。
本文将探讨重载机械的动态载荷分析与结构优化的举措和方法。
首先，我们需要了解重载机械的动态载荷分析是建立在静态载荷分析的基础上的。
静态载荷分析是指机械在静止状态下承受外部力的情况。
而动态载荷分析则更加复杂，因为机械在工作过程中不仅会受到外部力的作用，还会产生惯性力和振动力。
因此，我们需要综合考虑这些力的影响来进行动态载荷分析。
在进行动态载荷分析之前，首先需要对重载机械的负载进行测量和监测。
一种常用的方法是使用力传感器和加速度传感器等传感器来测量机械系统中的受力和振动情况。
通过分析传感器的信号，我们可以获取机械系统在工作状态下的负载情况。
此外，还可以通过数值仿真的方式来模拟机械在不同工作条件下的负载。
这些数据的准确获取对于加深对重载机械动态载荷的理解和分析非常重要。
动态载荷分析的下一步就是识别机械系统的共振频率。
当机械系统的共振频率与其激励频率相同时，机械系统会受到更大的振动力和应力，从而导致结构的疲劳和破坏。
因此，了解机械系统的共振频率并采取相应的措施来避免共振现象的发生非常重要。
一种常用的方法是通过有限元分析来计算机械系统的共振频率，并根据计算结果来调整机械系统的结构参数。
在进行动态载荷分析的基础上，我们可以进一步对重载机械的结构进行优化。
结构优化的目标是在保持机械系统的强度和刚度的前提下，尽可能减小机械系统的质量和体积。
优化的方法有很多，例如减少结构中的冗余部分、采用新材料和新工艺等。
此外，还可以通过改变机械系统的工作方式来降低对结构的负载。
例如，在重载机械中引入减振器或减震装置，可以有效地减小机械系统的振动和应力。
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3.3 冲击载荷
3.3.2 影响冲击性能的因素
1 缺口和应力集中
缺口尖角的曲率半径愈小，应力愈小，冲击强度愈低。
Kt=1+ 2 (h/r )1/2 h 为表面缺口的深度 r缺口尖角的曲率半径
若h>>r 时 Kt=2 (h/r )1/2
若作用于缺口或椭圆孔的载荷应力为σ，则他们的尖端的应力是：
3.2 力学致热
计算步骤： 1 根椐力学系统实际工作条件和可能，先设计该塑料
件的主要技术参数。由此计算该塑料件有关几何特性 参数：截面积、体积和抗弯截面模量。再次循环运行 时，逐次改变主要几何参数的大小。 2 根据该塑料件所受载荷，求出塑料件上产生滞后热 的峰值应力。
3.2 力学致热
3.1 疲劳强度
3.1.2 疲劳实验及影响因素 常用的疲劳实验机有拉压和弯曲两种。试样有：无缺口、有缺口
两种。 影响因素： 1 频率 较高的频率会产生热软化效应，应在较低载荷的频率
0.1-10Hz 2 平均应力和应力幅度 3 负荷的波形 4 大多数高分子材料在惰性环境中的疲劳寿命，比在化学浸蚀性
3.2 力学致热
3.2.3 防止热软化的方法
1 使用刚性大的材料；
2 降低工作应力。减慢载荷循环速度；
3 改变散热条件：采用金属嵌件导热
增加构件的表面积
设计散热孔
设计导流板
4将构件置于冷却介质中，并用热交换装置来调节
冷却介质温度。
Hale Waihona Puke 3.3 冲击载荷塑料制品在使用和运输过程中，经常或偶然的撞击会使其变形或
第三章 动态载荷分析
学习目的与要求： 1．了解疲劳实验及影响因素 2．掌握疲劳寿命及疲劳强度计算 3．掌握塑料件的热平衡计算 4．了解冲击实验和冲击强度及影响冲击
性能的因素 重点： 1、疲劳寿命及疲劳强度计算 2、塑料件的热平衡计算 课时 1h
第三章 动态载荷分析
线不重合，这是由于分子链的粘性阻力转变为磨檫热所致。 P50图3-11 在同等应力下，实验频率越高，塑料温度上升也愈多。
3.2 力学致热
3.2.2 塑料件的热平衡计算 热平衡计算的依据，是塑料件在交变应力作用下
所产生的滞后热量θp 应等于通过热传导和热对流所 散失的热量θ0 若θ1是塑料件或连接件通过热传导散失的热量， θ2为塑料件表面对流散失的热量，则θp=θ1+θ2 由于塑 料热传导很低，一般θ1=0，所以θp=θ2
平均应力
σm=（σmax+σmin）/2
应力幅度
σa=（σmax-σmin）/2
交变应力特征
Υ=σmin/σmax σmax=σm+σa σmin=σm-σa
3.1 疲劳强度
3.1.1 在实际工作中交变应力有几种情况 1 转动轴在弯曲交变应力工作 σmax=-σmin 对称情况
Υ=-1 σm=0 σmax=σa 2 对于脉动循环 Υ=0 σa =σm=σmax/2 Υ=1 σa =0 σmax=σmin=σm
3 根据峰值应力，读入每周期的能量数值。 4 由运动特性参数与几何参数，算出塑料件产生的滞后能量θp 5 根据塑料件的散热面积等几何特性，由传热性能参数计算出
塑料件的散热量θ0 6 计算机将本次计算的进行比较θp、θ0，若两次数值相差很大，
则返回1重新设计几何参数在进行计算。当θp、θ0与相等或接 近时，则计算终止。此次几何参数乃是达到热平衡的最佳设计。
裂。即使在同样的能量下，高的冲击速度易于使脆性材料断裂。 4 取向的影响 如果冲击力平行于材料取向方向，通常会使冲击强度增加，反
之，如果冲击力垂直于材料取向方向，则抗冲击性能变差。
3.3 冲击载荷
3.3.3 冲击疲劳
冲击疲劳是指单向的脉冲式循环载荷，使塑 料产生疲劳裂纹而断裂。
冲击疲劳的失效预测，对齿轮、杠杆、壳体 等塑料件可靠性设计有指导意义。
3.2 力学致热
在振动外力作用下，由于固态高聚物材料响应的粘滞效应和不 良的导热性能，最终塑料件产生“热软化”或“热疲劳”，对高 分子材料的动态热力学分析揭示了力学致热的实质和机理。防止 塑料制品热软化的重要方法是进行热平衡计算。
3.2.1 粘滞热效应 若实验速度较快，塑料材料加载后和立即卸载的应力和应变曲
3.1 疲劳强度
3.1.4 疲劳强度的计算 可利用材料的疲劳曲线和数据，确定塑件的疲劳寿命和疲劳极
限条件。对一些重要场合，直接对塑件进行疲劳强度实验。 塑料件的缺陷特征：表面的凹凸尖角、缺口、沟槽、圆孔和壁
厚突变外，还包栝切削痕、凹坑、流痕和擦伤等，都是形成应力集 中的因素。不考虑材料品种的几何应力集中系数K=实际状态有缺 陷制品的最大应力/理论状态试样的应力 见P4 图3-6和图3-7 应用见P49例题
断裂。冲击失效是高速负荷作用下发生的力学现象。
3.3.1 冲击实验和冲击强度
冲击实验是在高速冲击载荷作用下，用于测定材料抗冲击性能的 方法。
冲击强度是评价材料抵抗冲击能力或判断材料脆性于韧性程度的量 度。
高分子材料冲击试验的方法有摆锤式、落锤式、拉伸冲击式。
常用塑料的冲击强度见P57表3-1
3.1 疲劳强度
塑料件在周期性变化的载荷作用下，通常比金属材料所呈现的力学特性更为复
杂。这是由于它们有明显的粘弹性、导热性差所引起的。在动态载荷下，塑料件设
计必须首先考虑的是疲劳强度。
3.1.1 交变应力和持久极限
塑料件的疲劳破坏是由于交变应力引起的。如：齿轮、皮带传动。
交变应力与时间关系见P44图3-1
介质中的疲劳寿命长。
3.1 疲劳强度
5 实验环境温度提高会使疲劳寿命降低。 6 高分子质量的疲劳强度高；结晶度提高和交联度
降低会增加疲劳寿命。 7 加工后的塑件形态变化对疲劳寿命也有影响。茹
取向提高疲劳寿命。 8 在恒定应力下，在交变应变作用下的高聚物的疲
劳寿命，随着应变幅的提高而降低。 3.1.3 疲劳寿命计算 见P46-48
σtip= Ktσ=2σ (h/r )1/2 显然此σtip值应小于塑件允许的安全应 力。
3.3 冲击载荷
2 温度影响 塑料制品在低温下呈现冲击脆性。在湿度较高的环境下，吸水
率较高的聚酰胺比干燥状态下的冲击强度高几倍。 3 冲击速度 韧性塑料随着应变速度的提高。将由塑性断裂转变为脆性断