Simulink机械振动仿真简例分析
基于Simulink的振动模态分析
基于Simulink的振动模态分析引言振动模态分析是一种常用的工程分析方法，用于研究结构体在不同频率下的振动特性和模态。
本文将介绍如何使用Simulink软件进行振动模态分析。
Simulink简介Simulink是一种基于模型的设计和仿真工具，常用于解决动态系统建模和仿真问题。
该软件提供了丰富的工具箱，便于用户搭建模型和进行模拟实验。
振动模态分析步骤1. 结构体建模：首先，需要将待分析的结构体进行建模。
在Simulink中，可以使用各种元件来描述结构体的物理特性，例如质量、弹性等参数。
2. 模态分析设置：在建模完成后，可以设置模态分析的参数，包括分析频率范围、模态数量等。
这些参数会影响模态分析的精度和计算效率。
3. 模型求解：通过在Simulink中运行模型求解器，可以得到结构体在不同频率下的振动模态。
求解过程可以得到每一个模态对应的频率、振型和阻尼比等信息。
4. 结果分析：最后，可以对求解得到的振动模态进行进一步分析和可视化。
比如，可以绘制模态频率与振型的关系图，用于评估结构体的振动特性。
模态分析应用领域振动模态分析在工程领域有着广泛的应用。
它可以帮助工程师了解结构体的固有振动特性，从而优化设计和改进结构体的性能。
在航空航天、汽车工程、建筑设计等领域，振动模态分析被广泛应用于结构体的优化和故障诊断。
结论通过Simulink软件进行振动模态分析是一种简单而高效的方法。
它可以帮助工程师更好地理解结构体的振动特性，并在实际工程项目中起到重要作用。
在使用Simulink进行振动模态分析时，合理设置参数和精确分析结果对于获得准确的振动特性信息尤为重要。
Simulink机械振动仿真
③
：分子分母为多项式形式的传递函数。 双击该模块，弹出传递函数的参数对话框，设置框图中的参 数后，该传递函数显示如下：
：零极点增益形式的传递函数。 双击该模块，弹出传递函数的参数对话框，设置框图中 的参数后，该传递函数显示如下：
Math 库 该库包含描述一般数学函数 的模块。双击 即弹出右 图。 该库中模块的功能就是 将输入信号按照模块所 描述的数学运算函数计 算，并把运算结果作为 输出信号输出。
[说明]若不设置仿真参数,则采用Simulink缺省设置.
1 Simulink 基本操作
1.3 系统仿真运行 1. Simulink模型窗口下仿真 步骤 ③ 仿真运行和终止：在模型窗口选取菜单【Simulation: Start】， 仿真开始，至设置的仿真终止时间，仿真结束。若在仿真过程 中要中止仿真，可选择【Simulation: Stop】菜单。也可直接点 击模型窗口中的 （或 ）启动（或停止）仿真。
Simulink下的机械振动仿真
主要内容如下：
1 2 3 4 Simulink基本操作 基本模块 系统仿真 Simulink仿真举例
Simulink 中的“Simu”一词表示可用于计算机仿真，而 “Link”一词表示它能进行系统连接，即把一系列模块 连接起来，构成复杂的系统模型。作为MATLAB的一 个重要组成部分，Simulink由于它所具有的上述的两大 功能和特色，以及所提供的可视化仿真环境、快捷简 便的操作方法，而使其成为目前最受欢迎的仿真软件 。 介绍Simulink的基本功能和基本操作方法，并通过举例 介绍如何利用Simulink进行系统建模和仿真。
当设置幅值为0.8,阶跃时间 为1秒时，阶跃波形如下图 所示：
Sinks 库
基于Matlab_Simulink的多自由度机械振动系统仿真
基于Matlab/Simulink的多自由度机械振动系统仿真作者：曾德惠， 黄松和， ZENG De-hui， HUANG Song-he作者单位：曾德惠,ZENG De-hui(湖北民族学院,理学院,湖北,恩施,445000;西南交通大学,机械工程学院,四川,成都,610031)， 黄松和,HUANG Song-he(西南交通大学,机械工程学院,四川,成都,610031)刊名：湖北民族学院学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF HUBEI INSTITUTE FOR NATIONALITIES（NATURAL SCIENCES EDITION）年，卷(期)：2008,26(1)被引用次数：1次1.郝桐生理论力学 20032.李兴玮.邱晓刚计算机仿真技术基础 20063.蒋志峰.楼易用 MATLAB进行单自由度系统机械振动试验[期刊论文]-力学与实践 2004(03)4.杨立主计算机控制与仿真技术 20035.王积伟.吴振顺控制工程基础 20016.商大中.李宏亮.韩广才结构动力分析 20057.沈辉精通SIMULINK系统仿真与控制 20038.王文娟机械振动分析的Matlab/Simulink 仿真研究[期刊论文]-现代电子技术 2006(24)9.欧进萍结构振动控制-主动、半主动和智能控制 200310.薛定宇.陈阳泉基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用 200211.刘明精通Matlab7 20061.曾德惠粘滞阻尼器被动振动控制仿真研究[期刊论文]-湖北民族学院学报（自然科学版） 2009(2)本文链接：/Periodical_hbmzxyxb-zrkx200801017.aspx。
Matlab作业Simulink 振动仿真
山东大学Ｍatｌａb 课程作业学院：机械工程学院专业：姓名:学号:基于Simｕｌink仿真得振动学问题解决实例1.单自由度无阻尼自由振动仿真表达式：仿真框图：参数设置：k=1０0N/m m＝4kｇ初始状态：初速度为0 初始位移为５仿真结果：2.简谐波形得里沙茹图形分析仿真框图：参数设置：K=100m＝４→raｄ／ｓSin wａve参数设置：Ａｍplｉtｕde1 ；Fｒeqｕencｙ 5 １０15初始状态：①→φ=②→φ=③＝１，=5→φ=45；④＝1，＝−5→φ=135;⑤＝0,=−1→φ=１80ＸY Graph参数x-mｉn －2；x-max 2；y－min—2; y-ｍａx 2Frｅquency 5时仿真结果:Ｆrｅquenｃy 1０时仿真结果：Ｆreｑｕency 15时仿真结果：3.单自由度有阻尼自由振动表达式:仿真框图：参数设置：ﻫ令k=１00,m＝１0，ｃ=10 初始状态：ﻫ初始速度为0，位移为1仿真结果：４、衰减振荡得阻尼比得估计参数：ｋ=1００,m=10，c=２初始条件:x0=1，v0＝0仿真图框：初始振幅为1，约7个周期时衰减为０、25,对数减幅：δ＝（ｌn４）/７≈0、０99阻尼比§≈δ/2≈0、0３2理论值§＝0、5c(km)−0、5≈0、０325、单自由度有阻尼+正弦激励表达式：令激励则方程变形为参数设置：令k=４，ｍ=1，c=０、2初始状态：ﻫ初始速度为0,位移为0、０5 仿真框图：仿真结果：6、利用速度共振得里沙茹图进行固有频率与阻尼系数分析仿真框图:改变激励频率：=1、２；1、6;1、8；１、9;１、95；2；2、05;2、1;2、2等7、两自由度无阻尼系统自由振动表达式:参数设置:m1=１，m2=2 k１=1,ｋ2=1，k３=2初始状态:①速度0，ｍ1、m2位移均为１②速度0，m１位移1，m2位移−0、5③速度0,m1位移1，m2位移0 仿真结果：①②③。
基于Simulink的列车垂向振动仿真分析
关键词：垂向振动模型；Simulink 仿真；动力吸振器；运行平稳性
中图分类号：U270
文献标识码：A
文章编号：1003-5168（2020）14-0008-03
Simulation Analysis of Train Vertical Vibration Based on Simulink
KONG Chengcheng ZHANG Jing HUANG Bing
总 712 期第十四期 2020 年 5 月
河南科技 Journal of Henan Science and Technology
信息技术
基于 Simulink 的列车垂向振动仿真分析
孔程程 张 静 黄 兵
（重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074）
摘 要：为研究轨道车辆在轨面激扰下的运行平稳性，根据车辆运行特性与车辆构造原理，本文建立列车转
（School of Mechatronics and Vehicle Engineering, Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074）
Abstract: In order to study the running stability of rail vehicles under the disturbance of the track surface, according to the vehicle operating characteristics and vehicle construction principles, a four-degree-of-freedom vertical vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱbra⁃ tion model of train bogie-body coupling was established, Simulink was used to establish the simulation model of the system, and the response of each performance index of the vehicle body when the vehicle passed the track distur⁃ bance at two speeds was studied in this paper. In addition, in order to suppress the elastic vibration of the rail car body, a dynamic vibration absorber was installed under the chassis of the car body, an optimized vibration model of the dynamic vibration absorber was established, and the influence of the dynamic vibration absorber on the vertical vibration performance of the train was analyzed. By analyzing the simulation results, it can be seen that the optimized vibration model can effectively reduce the vertical vibration of the vehicle and further improve the stability of the rail vehicle operation. Keywords: vertical vibration model；Simulink simulation；dynamic vibration absorber；running stability
机械振动分析的Matlab_Simulink仿真研究
王文娟 : 机械振动分析的 Matlab /Simulink 仿真研究
机械振动分析的 Matlab /Simulink 仿真研究
王文娟
( 西安工业大学 陕西 西安 710032)
摘 要 : 振动在工程实际中普遍存在 。为了研究和掌握振动规律 ,利用功能强大的仿真软件 Matlab/ Simulink 对一个三 自由度系统进行仿真 ,介绍 Matlab/ Simulink 在机械振动分析中的 3 种建模方法 ,并针对第 3 种建模方法编写了相应的 S 函 数和程序 ,可快速而有效地进行不同物理常数时的模态分析 。该方法简单易行 、 准确可靠 。 关键词 :Matlab/ Simulink ; 机械振动 ; 建模 ; 模态分析 中图分类号 : TP391. 9 文献标识码 :A 文章编号 :1004 373X ( 2006) 24 046 03
嵌入式与单片机
此 ,在 Matlab 命令窗口中要写出计算 A ,B ,C ,D 的程序代
0 1 0
0 0 1 2
¨ x1 ¨ x3
- 1
2 0 #43; x3
码 , 或者新建一个 M 文件来计算 A ,B ,C ,D 的值 。后者较 前者使用更方便 , 但是在每次仿真前 , 都必须先在 Matlab 命令窗口输入 M 文件的名称 , 才能开始仿真 , 使用起来还 是不方便 。
1 引 言 振动在日常生活和工程实际中普遍存在 。为了认识 振动现象 , 有必要研究和掌握振动规律 , 掌握他的益处来 为生产和生活服务 ,同时在生产和日常生活中有效地避免 振动造成的危害 。随着计算机技术的不断发展 , 人们研究 事物的手段也在发生着变化 ,一批卓越的现代化工程应用 分析软件纷纷占领市场 ,给人们在解决工程实际问题时带 来了极大的优越性 ,机械振动分析领域也不例外 。在众多 的软件中以 Matlab/ Simulink 仿真软件最为亮眼 。利用
基于Matlab_Simulink的多自由度机械振动系统仿真
写成矩阵的形式为 : M X + CX + KX = F ( t) . 应用文献 [ 6 ]中的影响系数法建立系统的质量矩阵 、 刚度矩阵和阻尼矩阵如下 :
・
¨
・
X = ( x1 , x2 , x3 , x4 ) ; X = ( x1 , x2 , x3 , x4 ) ;
Abstract: Taking a four DOF mechanical vibrating system as an examp le, this paper discusses the mod2 elling method and sim ulation analysis of multi - degree - of - freedom m echanical vibration system s by u2 sing M atlab / Si m ulink soft w are, and focuses on the establishment method and utilization of the vibration differential equation and the state - space sim ulation model . The m ethod not only sim p lifies the p rocess of p rogramm ing, and imp roves the quality and reliability of p rogramm ing, but also offers effective reference for the sim ulation of the si m ilar multi - degrees of freedom vibrating system. Key words: M atlab / Sim ulink; mechanical vibration system; model; sim ulation
基于Simulink的多自由度系统振动仿真研究
0引言在实际工程中，许多物体都涉及到振动问题，比如在行驶过程中的汽车、城市轨道车辆、高速运行的动车等。
但是对于很多复杂物体的振动分析较为困难，因此在分析的过程中要加以简化才可以。
通常而言，大部分物体振动可以简化为简单的三自由度系统，这样更加方便计算和分析。
比如现在的汽车在满足安全的同时追求更好的驾驶舒适性，其车的结构也是越来越复杂。
大多数汽车座椅下面使用了弹簧和橡胶来吸收振动、缓解冲击，同时在汽车底盘和轮胎处都采用了减振装置，这所有就可以看成一个三自由度的系统。
简化模型来解决复杂振动问题，可以采用理论分析和数值仿真，数值仿真通常用Matlab 。
本文主要针对工程中常用的三自由度系统的简化模型进行了分析，综合采用理论计算和数值仿真。
理论计算做了三自由度的运动微分方程、固有频率和主振型的计算，数值仿真做了系统的模型用来分析各部分在外界激励的作用下的位移响应曲线。
本文用的是Simulink 动态分析，它可以在做出实际系统之前，预先对设计的系统进行仿真分析，并可以根据仿真结果随时进行参数的修正，提高系统的性能和稳定性，以减少对实际系统的设计与修改，实现高效率的开发和设计分析系统的目的。
1三自由度振动系统理论计算本节用一个三自由度有阻尼系统来近似模拟简化的机械物体在运动过程中的振动。
问题描述：已知一个系统刚度K=500N/m ，系统质量M 3=20kg 、M 2=20kg 、M 1=20kg ，阻尼器系数C=2Ns/m ，弹簧和质量块为蓄能元件，阻尼器为耗能元件。
三个质量块的位移分别为X 1、X 2和X 3，外部激励X （t ）为，系统初值为零。
图1多自由度系统实物图具体分析过程如下：根据对质量块受力分析，可以得到系统的动力学方程如下：（1）整理为下面的形式方便建模：（2）矩阵形式为：（3）即振动系统可以表示为：式中：、、下面进行系统的模态分析：系统矩阵可以写为（4）其中M -1表示系统质量逆矩阵，K 表示刚度矩阵，可以表示为：系统矩阵为：（5）令，则有———————————————————————作者简介:黄兵（1998-），男，重庆人，本科，重庆交通大学机电与车辆工程学院，研究方向为城市轨道交通车辆。
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1.单自由度无阻尼自由振动
运行仿真，查看示波器显示的结果
曲 线 不 光 滑 ？
1.单自由度无阻尼自由振动
打开仿真参数对话框 Ctrl+E 修改最大步长为0.01
1.单自由度无阻尼自由振动
再次运行，曲线明显光滑了许多
1.单自由度无阻尼自由振动
• 用到的模块：
积分模块，将输入信号经过数值 积分，在输出端输出相应结果。 增益模块，在输入信号基础上乘 以一个特定数据，然后输出。 示波器模块，将输入信号输入到 示波器显示出来。
据此在Simulink中画出框图
5.单自由度有阻尼+正弦激励
• 参数设置： 令k=4，m=1，c=0.2 • 初始状态： 初始速度为0，位移为0.05 • 在框图中： 分别修改对应模块的数值
5.单自由度有阻尼+正弦激励
Hale Waihona Puke • 响应趋于稳态的过程5.单自由度有阻尼+正弦激励
示波器输出为质量块的位移信号
• 参数设置：k=100N/m, m=1kg →n=10rad/s • sin wave参数：Amplitude 1; Frequency 8,10,12 • 初始状态：①x0=1, v0=0→=90； ②x0=0, v0=1→=0； ③ x0=1, v0=10→=45； ④ x0=1, v0=−10→=135； ⑤ x0=0, v0= −1→=180 Sine Wave XY Graph • XY Graph参数 1 1 s s x-min -2; x-max 2; Integrator Integrator1 Gain Scope y-min -2; y-max 2
4.衰减振荡的阻尼比的估计
• 参数：k=100，m=10, c=2 • 初始条件：x0=1, v0=0 • 初始振幅为1，约7个周期时衰减 为0.25，对数减幅： =(ln4)/70.099 阻尼比/20.032 • 理论值=0.5c(km)−0.5 0.032
5.单自由度有阻尼+正弦激励
椭圆方程——与两信号间的 相位差有关，特别当φ =90° ， 图像是正椭圆。
2.简谐波形的里沙茹图形分析
• 利用示波器上的里沙茹图进行频 率分析： X轴=已知简谐信号（可由信号发 生器提供） Y轴=待分析简谐信号 改变X轴信号频率→里沙茹图形成 为稳定椭圆→信号发生器输出频 率=待测信号频率
2.简谐波形的里沙茹图形分析
单自由度有阻尼 系统简图如右图 所示： 根据牛顿定律列 出运动微分方程
mx cx kx f (t )
5.单自由度有阻尼+正弦激励
微分方程变形为 令激励
f (t ) c k x x x m m m
f (t ) 2sin(2t / 3)
2sin(2t / 3) c k x x 则方程变为 x m m m
• 同频简谐信号的里沙茹图
x X m sin t x y x y 2 2 cos sin y Ym sin t X Y X Y m m m m
2 2
-10
2.简谐波形的里沙茹图形分析
• 仿真结果示例
3.单自由度有阻尼自由振动
单自由度有阻尼 系统简图如右图 所示： 根据牛顿定律列 出运动微分方程
mx cx kx 0
3.单自由度有阻尼自由振动
k c 微分方程变形为 x x x m m 据此在Simulink中画出框图
dan_zu_2
建立微分方程要点：
① 描述系统运动的坐标系原点取为静 平衡位置时质量所在位置 ② 在质量沿坐标正向有一位移的情况 下考察质量的受力情况
1.单自由度无阻尼自由振动
微分方程变形为
x
kx m
据此在Simulink中画出框图
dan_wuzu_1
1.单自由度无阻尼自由振动
• 参数设置： 令k=100，m=10， • 初始状态： 初始速度为0，位移为1 • 在框图中： 修改乘法器的值为-10 修改Integrator1的Initial condation 为1（双击修改）
Gain c 0.2
1 Sine Wave Add Gain 1/m
1 s Integrator
1 s Integrator1 Scope
Gain1 k 4
dan_zu_ji_3
5.单自由度有阻尼+正弦激励
程序可以有很多种，只要最终满 足所列数学方程就行
dan_zu_ji_4
5.单自由度有阻尼+正弦激励
Simulink振动仿真实验
1.单自由度无阻尼自由振动
如图所示的单自 由度无阻尼振动 的模型，即为弹 簧振子。 在零时刻给一个 向右的位移信号 ，求小球的振动 曲线。
1.单自由度无阻尼自由振动
单自由度系统简 图如右图所示：
根据牛顿定律列 出运动微分方程
mx kx 0
1.单自由度无阻尼自由振动
3.单自由度有阻尼自由振动
• 参数设置： 令k=100，m=10，c=10 • 初始状态： 初始速度为0，位移为1 • 在框图中： 分别修改对应的常数值
3.单自由度有阻尼自由振动
运行仿真，查看示波器显示的结果
3.单自由度有阻尼自由振动
• 用到的模块：
叉除模块，对数据进行相乘相除 运算，双击可添加、修改符号。 相加模块，对输入进行相加运算 ，双击可添加、修改符号。 常数模块，产生不变常数，双击 设置值的大小。
程序可以有很多种，只要最终满 足所列数学方程就行
dan_zu_ji_5
5.单自由度有阻尼+正弦激励
仿真结果都一样
5.单自由度有阻尼+正弦激励
为了更好的对比输入输出信号， 可以增加示波器通道数
dan_zu_ji_6
5.单自由度有阻尼+正弦激励
Scope1输出结果为
2.简谐波形的里沙茹图形分析
• 里沙茹原理 ：在示波器的x轴和y轴上 分别加上简谐振动信号，只要两信号 频率之比ωx:ωy是正有理数，示波器上 便可显示出一个稳定的合成运动轨迹 图形；并且，若图形与y轴的交点数为 m，与x轴的交点数为n，则其频率比为 ωx : ωy=m : n
2.简谐波形的里沙茹图形分析