机械工程中的非线性振动问题

机械工程中的非线性振动问题

在对一个振动系统进行研究时,一般情况下其阻尼力和弹性力有时可线性化,但有时则必须考虑其非线性性质。在工程实际问题中也存在着一些不能线性化的系统。在机械系统中非线性力有非线性势力、非线性阻尼力和混合型非线性力

下表为机械工程中的非线性振动问题的典型例子

类型

力学模型及非线性力曲线

运动微分方程及非线性力表达式

非

线

性

恢

复

力

b18d4d1a

单摆运动微分方程:18-049-1,当摆角θ较大时,将sinθ展成幂级数,即

18-049-2

如果只取前两项,则非线性运动微分方程:

18-049-3

这种恢复力的系数随着角位移幅值增大而减小的性质,称为“软特性”

b18d4d1b

非线性运动微分方程:

18-049-4

其弹性恢复力:

18-049-5

这里K' 为软弹簧刚度,K" 为两个硬弹簧的刚度和。这种弹性恢复力为分段线性的非线性恢复力,这种弹性恢复力的系数随着位移幅值的增长而分段(或连续)增长的性质称为“硬特性”

非

线

性

阻

力

b18d4d1c

非线性运动微分方程:18-049-9

库仑(干摩擦)阻尼:

18-049-7

μ——摩擦因数;m——质量,kg

非

线

性

惯

性

力

b18d4d1d

振动落砂机上质量为mm的铸件做抛掷运动时,系统的运动微分方程:

18-050-01-1

其分段线性的非线性惯性力为:

18-050-01-2

φa——mm的抛始角;φd=φa+2π;φc-φb=ωΔt;

Δt——冲击时间(很短);

——分别为mm和m的运动速度

注:1.严格说,振动系统都是非线性的,只有在微幅振动时系统才能被简化为线性系统,上述各例微幅振动分别在如下的范围时,可简化为线性计算:-φ0≤θ0≤φ0(θ=θ0sinωt,sinφ0≈φ0);-e≤B≤e[x=Bsin(ωt-ψ)];-A0≤

A≤A0[x=Asin(ωt-ψ),ωA0≈A0];18-050-01-3。

当振动幅值超出上述范围,则系统产生的振动为非线性振动。

2.θ0、B、A—各自的振幅。