单自由度及多自由度系统模态分析

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单自由度及多自由度系统模态分析讲诉

单自由度及多自由度系统模态分析
结构振动分析基本理论
• 振动分析的“理论路线”
空间模型模态模型响应模型
（质量、阻尼、刚度）
（固有频率，模态振型）
（频率响应、脉冲响应）
• 空间模型——用于描述结构的物理特性，即质量、刚度和阻尼特性。 • 模态模型——一系列固有频率及相应的模态阻尼系数和模态振型。 • 响应模型——一系列响应函数组成 • 在理论分析中，首先从空间模型开始最终到响应模型。 • 在实验分析中，首先从响应特性开始，最终推求空间模型。
• 将0i代入：
([ K ] [ 2 ][M ])[] {0}
• 解得n个线性无关非零矢量i的比例解，通常选择一定方法进行归一化，称为模态振型（特征方程的特征向量）
[] [{1},{2 }, {n }]
• 模态振型具有正交性
i j 0, {i } [ M ]{ j } mi , i j i j 0, T {i } [ K ]{ j } ki , i j
单自由度系统脉冲响应函数
• 单自由度系统，承受单位脉冲荷载(t)时，响应为h(t)——单位脉冲响应函数（脉冲响应函数）
mx cx kx (t )
单自由度系统脉冲响应函数
mx cx kx (t )
• 该式的解为
1 t e sin D t , t 0 x(t ) h(t ) mD 0, t 0
线性系统的输入与输出关系
• 根据傅里叶变换时域卷积性质，在时域的卷积在频域应为乘积
x(t ) h(t ) * f (t )
单位力作用下的系统时域与频域的响应
X ( ) H ( ) F ( )
不同激励下频响函数表达式

结构动力学课后习题答案

结构动力学课后习题答案结构动力学是研究结构在动态载荷作用下的响应和行为的学科。

它涉及到结构的振动、冲击响应、疲劳分析等方面。

课后习题是帮助学生巩固课堂知识、深化理解的重要手段。

以下内容是结构动力学课后习题的一些可能答案，供参考：习题1：单自由度系统自由振动分析解答：对于一个单自由度系统，其自由振动的频率可以通过以下公式计算：\[ f = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}} \]其中，\( k \) 是系统的刚度，\( m \) 是系统的总质量。

系统自由振动的振幅随着时间的衰减可以通过阻尼比 \( \zeta \) 来描述，其衰减系数 \( \delta \) 可以通过以下公式计算：\[ \delta = \sqrt{1-\zeta^2} \]习题2：单自由度系统受迫振动分析解答：当单自由度系统受到周期性外力作用时，其受迫振动的振幅可以通过以下公式计算：\[ A = \frac{F_0}{\sqrt{(k-m\omega^2)^2+(m\zeta\omega)^2}} \] 其中，\( F_0 \) 是外力的幅值，\( \omega \) 是外力的角频率。

习题3：多自由度系统模态分析解答：对于多自由度系统，可以通过求解特征值问题来得到系统的模态。

特征值问题通常表示为：\[ [K]{\phi} = \lambda[M]{\phi} \]其中，\( [K] \) 是系统的刚度矩阵，\( [M] \) 是系统的质量矩阵，\( \lambda \) 是特征值，\( {\phi} \) 是对应的特征向量，即模态形状。

习题4：结构的冲击响应分析解答：对于结构的冲击响应分析，通常需要考虑冲击载荷的持续时间和冲击能量。

结构的冲击响应可以通过冲击响应谱（IRF）来分析，它描述了结构在不同频率下的响应。

冲击响应分析的结果可以用来评估结构的耐冲击性能。

习题5：疲劳分析解答：结构的疲劳分析需要考虑结构在重复载荷作用下的寿命。

工程振动——模态分析、多自由度系统振动响应

1.复习模态分析理论1.1单自由度系统频响函数（幅频、相频、实频与虚频、品质因子等）系统的脉冲响应函数h(t)与系统的频响函数H()是一对傅里叶变换对，与系统的传递函数H(s)是一对拉普拉斯变换对。

即有：复频率响应的实部复频率响应的虚部单自由度系统频响函数的各种表达式及其特征，对频响函数特征的描述采用的几种表达式1）幅频图：幅值与频率之间的关系曲线2）相频图：相位与频率之间的关系曲线3）实频图：实部与频率之间的关系曲线4）虚频图：虚部与频率之间的关系曲线5）矢端轨迹图（Nyquist图）1.2单自由度结构阻尼系统频响函数的各种表达形式频响函数的基本表达式：频响函数的极坐标表达式：，—幅频特性，—相频特性。

频响函数的直角坐标表达式：，—实频特性，—虚频特性频响函数的矢量表达式：1.3单自由度结构阻尼系统频响函数各种表达式图形及数字特征Nyquist图：无论阻尼多大，半功率点总位于水平直径两端，半功率点之间的曲线范围相当大，共振区在Nyquist图上最易反映出来，故用Nyquist图作参数识别较好。

对数幅频图：Bode图不仅能在很宽频段内反映系统的幅频特性而且能将低频段和高频段内幅频特性用最突出的特征反映出来。

2.预习多自由度系统振动响应2.1实模态分析对一个有n个自由度的振动系统，需用n个独立的物理坐标描述其物理参数模型。

在线性范围内，物理坐标系中的自由振动响应为n个主振动的线性叠加，每个主振动都是一种特定形态的自由振动（简谐振动或衰减振动），振动频率即系统的主频率（固有频率或阻尼固有频率），振动形态即系统的主振型（模态或固有振型），对应每个阻尼系统的主振型有相应的模态阻尼。

本节用模态坐标法研究模态参数模型和非参数模型。

坐标变换法的基础是求解系统特征值问题。

特征值与模态频率和模态阻尼有关（不一定就是模态频率）特征矢量与模态矢量相联系（不一定就是模态矢量）。

对无阻尼和比例阻尼系统，表示系统主振型的模态矢量实数矢量，故称实模态系统，相应的模态分析过程是实模态分析。

单自由度模态分析理论

要点二
非线性模态分析的研究
目前，大多数模态分析研究都集中在线性系统上。然而，在许多工程应用中，非线性因素对结构振动的影响是不可忽视的。因此，未来可以进一步研究非线性模态分析方法，以更准确地描述这些非线性效应。
要点三
智能材料和结构的应用
随着智能材料和结构的发展，它们在许多领域的应用越来越广泛。这些材料和结构具有独特的动态特性，需要新的模态分析方法来描述。因此，未来的研究可以探索适用于智能材料和结构的模态分析方法。
背景
随着工程结构的日益复杂化，模态分析在结构健康监测、振动控制、地震工程等领域的应用越来越广泛。单自由度模态分析作为模态分析的基础，为多自由度模态分析提供了理论支持。
模态分析的定义
模态
模态是结构的固有振动特性，包括频率、阻尼比和振型。
模态分析
模态分析是通过试验或数值方法识别结构的模态参数的过程。
模态振型之间具有正交性，即不同模态的振动不会相互干扰。
选择性
在实际工程中，可以根据需要选择特定的模态进行分析，以简化计算和提高分析效率。
Part
03
单自由度系统的01
激振器激励
STEP 02
自由衰减振动
通过激振器对系统施加激励，使其产生振动响应，然后采集响应信号进行分析。
04
单自由度系统的模态特性分析
模态正交性分析
模态正交性是指在模态空间中，不同的模态之间相互独立，没有耦合关系。在单自由度系统中，模态正交性表现为各模态振型函数的正交性，即它们的内积为零。
模态正交性的意义在于，它使得各模态之间互不干扰，各自独立地响应外部激励，从而使得系统的响应可以通过叠加各模态的响应得到。

振动学知识点总结

振动学知识点总结振动学知识点总结如下：一、振动的基本概念1. 振动的定义：指物体在某一平衡位置附近作来回运动的现象。

2. 振幅：振动物体在做往复运动时，离开平衡位置的最远距离。

3. 周期：振动物体完成一个完整的往复运动所需要的时间。

4. 频率：振动物体每秒钟完成的往复运动次数。

5. 相位：描述振动物体在振动周期中的位置关系。

二、单自由度振动系统1. 单自由度振动系统的概念：由一个自由度由一个自由度运动的质点和它的运动机构构成。

2. 自由振动：指单自由度振动系统在没有外力作用下的振动。

3. 阻尼振动：指单自由度振动系统的振动受到阻尼力的影响。

4. 强迫振动：指单自由度振动系统受到外力作用的振动。

三、非线性振动1. 非线性振动的概念：指振动系统的振动特性不满足线性振动方程的振动现象。

2. 非线性系统的分类：按系统的非线性特征分为几何非线性、材料非线性和边界非线性等。

3. 非线性振动的分析方法：包括解析法和数值法等。

四、多自由度振动系统1. 多自由度振动系统的概念：由多个自由度组成的振动系统。

2. 自由振动：指多自由度振动系统在没有外力作用下的振动。

3. 阻尼振动：指多自由度振动系统的振动受到阻尼力的影响。

4. 特征值问题：多自由度振动系统的固有振动特征。

5. 模态分析：多自由度振动系统振动特征的分析方法。

五、控制振动1. 振动控制的目的：减小系统振动、防止系统振动引起的损伤。

2. 主动振动控制：通过主动装置对系统进行振动控制。

3. 被动振动控制：通过被动装置对系统进行振动控制。

4. 半主动振动控制：融合了主动和被动振动控制的特点。

六、振动信号与分析1. 振动信号的特点：包括时间域特征、频域特征和相位特征等。

2. 振动信号采集与处理：使用传感器采集振动信号，并通过信号处理方法对其进行分析。

3. 振动分析方法：包括频谱分析、波形分析、振动模态分析和振动信号诊断分析等。

七、振动与工程应用1. 振动在机械领域的应用：包括减振、振动吸收、振动监测及振动诊断等。

结构动力学习题答案

结构动力学习题答案在结构动力学中，习题答案通常涉及对结构在动态载荷下的行为进行分析和计算。

这些习题可能包括自由振动分析、受迫振动分析、随机振动分析、模态分析、响应谱分析等。

以下是一些典型的结构动力学习题答案示例。

习题一：单自由度系统的自由振动问题：一个单自由度系统具有质量m=2kg，阻尼系数c=0.5N·s/m，弹簧刚度k=800N/m。

初始条件为位移x(0)=0.1m，速度v(0)=0。

求该系统自由振动的位移时间历程。

答案：首先，确定系统的自然频率ωn：\[ \omega_n = \sqrt{\frac{k}{m}} = \sqrt{\frac{800}{2}}\text{ rad/s} \]然后，计算阻尼比ζ：\[ \zeta = \frac{c}{2\sqrt{mk}} = \frac{0.5}{2\sqrt{2 \cdot 800}} \]由于ζ < 1，系统将进行衰减振动。

可以使用以下公式计算位移时间历程：\[ x(t) = A e^{-\zeta \omega_n t} \cos(\omega_d t + \phi) \] 其中，\( \omega_d = \sqrt{\omega_n^2 - \zeta^2 \omega_n^2} \) 是阻尼频率，A是振幅，\( \phi \)是相位角。

初始条件给出x(0)=0.1m，v(0)=0，可以解出A和\( \phi \)。

最终位移时间历程的表达式为：\[ x(t) = 0.1 e^{-\zeta \omega_n t} \cos(\omega_d t) \]习题二：单自由度系统的受迫振动问题：考虑上述单自由度系统，现在施加一个简谐力F(t)=F_0sin(ωt)，其中F_0=100N，ω=10 ra d/s。

求系统的稳态响应。

答案：稳态响应可以通过傅里叶级数或直接应用受迫振动的公式来求解。

对于简谐力，系统的稳态响应为：\[ x_{ss}(t) = \frac{F_0}{k - m\omega^2} \sin(\omega t + \phi) \]其中，\( \phi \) 是相位差，可以通过以下公式计算：\[ \phi = \arctan\left(\frac{2\zeta\omega}{\omega_n^2 -\omega^2}\right) \]习题三：多自由度系统的模态分析问题：考虑一个二自由度系统，其质量矩阵M和刚度矩阵K如下：\[ M = \begin{bmatrix} m_1 & 0 \\ 0 & m_2 \end{bmatrix},\quad K = \begin{bmatrix} k_1 & -k_c \\ -k_c & k_2\end{bmatrix} \]其中，\( m_1 = 2kg \)，\( m_2 = 1kg \)，\( k_1 = 800N/m \)，\( k_2 = 1600N/m \)，\( k_c = 200N/m \)。

机械振动学基础知识振动系统的瞬态响应分析

机械振动学基础知识振动系统的瞬态响应分析引言机械振动学是研究物体在受到外力作用时产生的振动现象以及振动特性的一门学科。

振动系统在受到外部激励时会产生瞬态响应，瞬态响应是指系统在初始时刻受到外部干扰后，振动幅值和相位都发生变化的过程。

了解振动系统的瞬态响应对于分析系统的动态特性和设计控制策略至关重要。

一、单自由度系统的瞬态响应分析单自由度系统是机械振动学中最基本的振动系统之一，通常由质点和弹簧-阻尼器构成。

在受到外部激励时，单自由度系统的瞬态响应可以通过拉普拉斯变换等方法进行分析。

振动系统的瞬态响应主要包括自由振动和受迫振动两种情况，其中自由振动是指在没有外部激励的情况下系统的振动响应，而受迫振动是指在受到外部激励时系统的振动响应。

二、多自由度系统的瞬态响应分析多自由度系统是由多个质点和弹簧-阻尼器构成的振动系统，具有更加复杂的动力学特性。

在受到外部激励时，多自由度系统的瞬态响应需要通过矩阵计算等方法进行分析。

多自由度系统的振动模态是研究系统振动特性的重要方法，通过振动模态分析可以得到系统的固有频率和振动模型。

三、瞬态响应分析在工程应用中的意义瞬态响应分析在工程实践中具有重要的应用意义，可以帮助工程师了解系统在受到外部干扰时的振动特性，并设计合适的控制策略。

工程领域中的许多振动问题都需要进行瞬态响应分析，例如建筑结构的地震响应、风力作用下桥梁的振动响应等。

结论机械振动学是一门研究物体振动现象和振动特性的重要学科，瞬态响应分析是分析振动系统动态特性的关键方法。

通过对振动系统的瞬态响应进行深入研究，可以更好地理解系统的振动机制，为工程实践提供重要参考依据。

我们需要不断深化对振动系统的瞬态响应分析，推动机械振动学领域的进步与发展。

模态分析与振动测试技术

模态分析与振动测试技术固体力学S0902015李鹏飞模态分析与振动测试技术模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。

近二十多年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理数理统计以及自动控制理论中的有关“营养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数识别技术的发展奠定了理论基础。

一、单自由度模态分析单自由度系统是最基本的振动系统。

虽然实际结构均为多自由度系统，但单自由度系统的分析能揭示振动系统很多基本的特性。

由于他简单，因此常常作为振动分析的基础。

从单自由度系统的分析出发分析系统的频响函数，将使我们便于分析和深刻理解他的基本特性。

对于线性的多自由度系统常常可以看成为许多单自由度系统特性的线性叠加。

二、多自由度系统模态分析对于多自由度系统频响函数数学表达式有很多种，一般可以根据一个实际系统来讨论，给出一种形式；也可根据问题的要求来讨论，给出其他不同的形式。

为了课程的紧凑，直接联系本课程的模态分析问题，我们就直接讨论多自由度系统通过频响函数表达形式的模态参数和模态分析。

即多自由度系统模态参数与模态分析。

多自由度系统模态分析将主要用矩阵分析方法来进行。

我们以N个自由度的比例阻尼系统作为讨论的对象。

然后将所分析的结果推广到其他阻尼形式的系统。

设所研究的系统为N个自由度的定常系统。

其运动微分方程为：MX CX KX 二F （2—1）式中M , C，K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵。

均为（N N ）阶矩阵。

并且M及K矩阵为实系数对称矩阵，而其中质量矩阵M是正定矩阵，刚度矩阵K对于无刚体运动的约束系统是正定的；对于有刚体运动的自由系统则是半正定的。

当阻尼为比例阻尼时，阻尼矩阵C为对称矩阵（上述是解耦条件）X及F分别为系统的位移响应向量及激励力向量，均为N 1阶矩阵。

即X（2— 1）式是用系统的物理坐标X 、X 、X 描述的运动方程组。

在其每一个方程中均包含系统各点的物理坐标，因此是一组耦合方程（请大家想象一下其展开式）。

nastran模态分析理论及实例

25
模态计算结果
● .f06文件显示的频率结果
特征值
圆频率 (弧度/秒)
周期频率 (Hz)
26
Patran模态分析设置
设置正则模态分析
27
Patran模态分析设置(2)
点击求解类型并选择正则模态分析点击求解参数 Wt.Generator的节点ID。这里将计算这个节点的质量属性。输入0 选择基础坐标系的原点
– 默认情况下，WTMASS=1.0
● 例子
– MAT1卡片上使用重量密度N/m3，则需要设置PARAM,WTMASS,0.102
– 转换因子WTMASS=1/g (= 1/9.8=0.102 m/sec2)
21
WTMASS 参数示例
● 例如, 在美国常用inch-pound-second单位体系中建立一个钢结构模型。从手册中得到的密度为:
1 23 4 5
6
7
8
9 10
EIGRL SID V1 V2 ND MSGLVL MAXSET SHFSCL NORM
EIGRL 1 0.1 3.2 10
字域 SID V1, V2
ND
内容兰索斯标识号(唯一整数> 0) 设定模态分析时的频率范围或屈曲分析时的特征值范围实数或空白，V1<V2）。所需特征值数量 (整数 > 0 或者空白)
4
5
质量矩阵（续）
● 耦合质量与集中质量对比
– 耦合质量通常情况比集中质量更加准确。 – 集中质量在动力学计算更加迅速。
● 对模型单元，用户选择耦合质量方法:
– PARAM,COUPMASS,1 选择耦合质量，针对所有的 BAR, ROD, 和 PLATE 单元，这些包含弯曲刚度。

模态分析基本理论

得到拉氏域的系统方程(假定初始位移和速度为0)：
2 0 4 - 1 6000 - 2000 [z (P)][x (P)] = (P + P + - 2000 6000 )[x (P)] = [F(P)] 1 5 0 2
2
第三节多自由度振动系统举例二传递函数矩阵
λ *N {ψ}N {ψ}*N
*
第三节多自由度振动系统举例四留数：定义与单自由度系统类似
[H(P)] = [z (P)]−1 = adj ([z (P)])
Q
∴
[H(P)] =
z (P) adj ([z (P)])
r
λ1 , λ *r (r = 1, L , N )是 z (P) 的根
& & & x M1& 1 (t) + (C1 + C 2 ) x 1 (t) - C 2 x 2 (t) + ( K 1 + K 2 ) x 1 (t) - K 2 x 2 (t) = f1 (t) & & & x 2 (t) + (C 2 + C 3 ) x 2 (t) - C 2 x 1 (t) + ( K 2 + K 3 ) x 2 (t) - K 2 x 1 (t) = f 2 (t) M 2 &
λ1{ψ}1 L [φ ] = {ψ}1 L λ N {ψ}N
{ψ}N
{ψ}1 L λ* 1 {ψ}*
1
L

L λ1{ψ}1 L {ψ} = L 1 L

L λ 2 {ψ}2 L {ψ} = L 2 L

结构动力学中的模态分析和多自由度系统

结构动力学中的模态分析和多自由度系统
结构动力学是力学中的一个分支，研究的是结构在外界载荷作
用下的动力响应和变形。

而模态分析是结构动力学中常用的分析
方法之一，它可以帮助我们深入了解结构的固有特性和动力响应。

在多自由度系统中，模态分析更是必不可少的方法之一。

一、模态分析的原理和方法
模态可以理解为结构在其内部和外部刺激或载荷下，自然振动
的特征方程根的值，也叫固有频率。

模态分析旨在通过求解结构
的特征值和特征向量来研究结构的固有特性。

具体的分析方法可
以分为三步：建立结构模型，求解结构特征值和特征向量，利用
特征值和特征向量进行分析。

二、模态分析的应用
在结构工程中，模态分析有广泛的应用。

首先，在结构设计阶段，我们可以通过模态分析确定结构的自然振动模型，确保结构
固有频率超出工作载荷频率，避免发生共振。

此外，模态分析还
可以帮助优化结构材料、结构形式及构件设计等方面。

在结构运
行和维护阶段，模态分析可以用于诊断结构的损伤，预测结构的
剩余寿命等。

三、多自由度系统和模态分析
多自由度系统指的是系统中有多个自由度，其模态分析和单自
由度系统有相似之处，但分析复杂度更高，需要运用更复杂的数
学模型和方法。

对于多自由度系统，我们可以利用有限元法建立
数学模型进行模拟分析，求解结构特征值和特征向量。

总之，在结构设计、分析和维护过程中，模态分析是一种十分
重要的手段。

通过模态分析，我们可以深入了解结构的固有特性，为结构设计和运行提供更可靠的保障。

模态分析理论

精心整理模态分析指的是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法。

首先建立结构的物理参数模型，即以质量、阻尼、刚度为参数的关于位移的振动微分方程；其次是研究其特征值问题，求得特征对（特征值和特征矢量），进而得到模态参数模型，即系统的模态频率、模态22¨330m 0z k 2k k z 000m 0k k z 0z +--=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦（9）定义主振型由于是无阻尼系统，因此系统守恒，系统存在振动主振型。

主振型意味着各物理坐标振动的相位角不是同相（相差0o ）就是反相位（相差180o ），即同时达到平衡位置和最大位置。

主振型定义如下：()i i j ωt+i i sin ωt+=Im(e )φφi mi mi z =z z （10）其中为第i 阶频率下，各自有度的位移矢量，为第i 个特征矢量，表示第i 阶固有频率下的振型，i ω为第i 阶频率下的第i 个特征值，i φ为（去除项化简得以矩阵的形式展开得：2i 2i mi 2i k-ωm -k 0-k 2k-ωm -k z =00-k k-ωm ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦（15）有非零解，则2i 2i 2i k-ωm -k 0-k 2k-ωm -k =00-k k-ωm ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦（16）即()234222ω-m ω+4km ω-3k m =0（17）阶固有频率，每一个特征根对应一个特征矢量，表示对应模态下该由式3i i 21=z k 如果设定了1z 值，则就可以求出三个特征根值下，2z 和3z 相对于1z 的位移。

假设m=k=1，一阶模态，1ω=0：21z =1z ，31z =1z ，即；二阶模态，223kω=m ：21z=0z，31z=-1z，即；三阶模态，23kω=m ：21z=-2z，31z=1z，即。

运动方程的解耦图错误！未指定顺序。

运动方程解耦过程在进行坐标变换之前需对刚度矩阵和质量矩阵进行归一化。

振动学知识点总结归纳

振动学知识点总结归纳一、振动学基础知识1.1 振动的基本概念振动是物体在某一平衡位置附近来回作周期性运动的现象。

当物体在平衡位置周围出现微小偏离时，物体受到恢复力的作用，使其朝着平衡位置运动，从而形成振动。

1.2 振动的分类振动可分为自由振动和受迫振动。

自由振动是指物体在没有外力作用下的振动，而受迫振动是指物体受到外力作用下的振动。

1.3 振动的描述振动可以通过振幅、周期、频率等指标进行描述。

振幅是指振动过程中物体偏离平衡位置的最大距离，周期是指物体完成一次完整振动所需的时间，频率是指单位时间内振动的次数。

1.4 振动的动力学方程物体在振动过程中受到恢复力和阻尼力的作用，可以通过动力学方程进行描述。

动力学方程可以用来描述物体的振动规律，求解物体的振动响应。

二、单自由度系统2.1 单自由度系统的基本模型单自由度系统是指只有一个自由度可以发生振动的系统，它是振动学研究的基本模型之一。

单自由度系统的受力分析和振动方程可以通过牛顿定律和动能定理进行推导。

2.2 单自由度系统的自由振动单自由度系统在没有外力作用下的振动是自由振动，它可以通过解振动方程得到振动的时间变化规律。

自由振动的特点是振幅不变，频率固定。

2.3 单自由度系统的受迫振动单自由度系统受到外力作用时会发生受迫振动，外力的作用使得系统产生特定的振动响应。

受迫振动可以通过傅立叶分析和频谱分析进行研究，得到系统的振动响应特性。

2.4 单自由度系统的阻尼振动单自由度系统在振动过程中会受到阻尼力的作用，阻尼振动是指系统在振动过程中能量不断减少的现象。

阻尼振动的特点是振幅逐渐减小，频率不变。

2.5 单自由度系统的参数对振动的影响单自由度系统的质量、刚度和阻尼等参数对振动的影响是振动学研究的重要内容。

通过改变系统的参数，可以调控系统的振动特性，实现对系统振动的控制和优化。

三、多自由度系统3.1 多自由度系统的基本概念多自由度系统是指具有多个自由度可以发生振动的系统，它是振动学研究的扩展和深化。

弹性力学在机械振动分析中的应用

弹性力学在机械振动分析中的应用弹性力学是应用于机械振动分析的重要理论。

在机械工程领域，通过弹性力学可以研究物体在受到外力作用下的变形和振动情况。

本文将探讨弹性力学在机械振动分析中的应用。

一、弹性力学基础概念弹性力学是研究物体在受力作用下的变形和应力分布规律的学科。

它建立了物体的应力和应变之间的关系，包括胡克定律、杨氏模量、泊松比等基本概念。

在机械振动分析中，弹性力学提供了重要的理论基础。

二、物体的弹性振动弹性振动是物体受到外力作用后回复原状的振动过程。

对于一个弹性体，它具有固有的振动频率和振动模态。

利用弹性力学理论可以求解物体的固有频率和模态，并且预测物体在受到外力刺激时的振动响应。

三、单自由度振动系统单自由度振动系统是研究最为简单和基础的机械振动系统。

它包括一个质点和一个劲度系数，通过分析质点的运动方程，可以得到系统的固有频率和振动模态。

四、多自由度振动系统多自由度振动系统是包含多个质点和多个劲度系数的振动系统。

利用弹性力学理论，可以推导出系统的固有频率、模态形式以及相应的模态质量等关键参数。

多自由度振动系统常用于分析复杂的机械结构的振动响应。

五、模态分析模态分析是多自由度振动系统中常用的方法之一。

它通过求解系统的特征方程，得到系统的固有频率和振型。

通过模态分析，可以确定结构中的关键振型，了解结构的振动特性，并对结构进行优化设计。

六、有限元方法有限元方法是一种常用的工程计算方法，它将结构划分为有限个单元，通过求解单元的力学方程，得到整个结构的响应。

在机械振动分析中，有限元方法可以较为准确地模拟复杂结构的振动响应，并得到各个节点的加速度、速度和位移等参数。

七、材料的动力学性能在机械振动分析中，除了考虑结构的刚度和质量等因素外，材料的动力学性能也是重要的参考因素。

通过弹性力学理论，可以计算材料的刚度、杨氏模量和泊松比等参数，从而对结构的振动性能进行预测和优化。

八、振动控制与减振机械振动控制与减振是工程实践中的重要课题。

模态分析理论

模态分析指的是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法。

首先建立结构的物理参数模型，即以质量、阻尼、刚度为参数的关于位移的振动微分方程；其次是研究其特征值问题，求得特征对（特征值和特征矢量），进而得到模态参数模型，即系统的模态频率、模态矢量、模态阻尼比、模态质量、模态刚度等参数。

特征根问题以图3所示的三自由度无阻尼系统为例，设123m =m =m =m ，123k =k =k =k ，图 1 三自由度系统其齐次运动方程为：（8）其中分别为系统的质量矩阵和刚度矩阵，123m 00m 00m=0m 0=0m 000m 00m ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦，11212221k -k 0k -k 0k=-k k +k -k =-k 2k -k 0-k k 0-k k ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦，则运动方程展开式为： ¨11¨22¨33z m 00k k 0z 00m 0z k 2k k z 000m 0k k z 0z ⎡⎤⎢⎥-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+--=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦（9）定义主振型由于是无阻尼系统，因此系统守恒，系统存在振动主振型。

主振型意味着各物理坐标振动的相位角不是同相（相差0o ）就是反相位（相差180o ），即同时达到平衡位置和最大位置。

主振型定义如下：()i ij ωt+i i sin ωt+=Im(e)φφi mi mi z =z z （10）其中为第i 阶频率下，各自有度的位移矢量，为第i 个特征矢量，表示第i 阶固有频率下的振型，i ω为第i 阶频率下的第i 个特征值，i φ为初始相位。

对于三自由度系统，在第i 阶频率下，等式可以写成1m1i 2m2i i i 3m3i z z z =z sin(ωt+)z z φ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦（11）mki z 表示第k 个自由度在第i 阶模态下的模态矩阵。

机械振动原理

机械振动原理机械振动原理是研究物体在特定条件下的振动特性的科学。

机械振动在实际生活和工程中有着广泛的应用，例如汽车发动机的振动、楼梯的震动以及地震引起的结构振动等。

本文将介绍机械振动的基本原理和相关的振动特性。

一、振动的基本概念振动是指物体在平衡位置周围作往复运动的现象。

振动可分为自由振动和受迫振动两种形式。

自由振动是指物体在无外界干扰下自发地振动，受迫振动是指物体受到外力驱动而进行振动。

二、单自由度系统的振动单自由度系统是指只有一个自由度的振动系统，如简谐振动和阻尼振动。

简谐振动是指在没有外力的情况下，被考虑的系统能够以恒定频率进行振动。

而阻尼振动则是考虑了阻尼因素，振动的幅值随时间逐渐减小。

三、多自由度系统的振动多自由度系统是指具有复杂结构和多个自由度的振动系统。

其动力学方程可以通过矩阵方法求解。

多自由度系统的振动行为包括模态分析，即求解各个振动模态的频率和振型。

四、振动的传递与控制振动的传递与控制是指在机械振动中，振动能量的传递和对振动进行控制的问题。

振动传递的路径通常包括机械结构和材料，在设计和制造过程中需要考虑结构的刚度和材料的阻尼特性。

而振动控制可以通过结构的优化设计、振动吸收器等手段来实现。

五、应用领域机械振动原理在许多领域都有广泛的应用。

例如，振动传感器可以用于测量机械设备的振动情况，以及监测地震等自然灾害引起的振动。

同时，机械振动原理也是汽车设计、航天工程、建筑结构等领域中不可或缺的一部分。

结论本文简要介绍了机械振动原理及其应用。

机械振动是研究物体在特定条件下的振动特性的科学，包括单自由度系统和多自由度系统的振动行为。

理解机械振动原理对于解决实际工程问题以及改善产品性能都具有重要的意义。

第二章振动结构模态分析

x(t) Acos(t )
2.2 单自由度系统自由振动 ——有阻尼
m x(t) c x(t) k x(t) f (t)
mx cx kx 0
x Aet
m2 c k 0
2 2 2 0
1,2 2 1
2 k
m
c 2
m
2.2 单自由度系统自由振动——有阻尼
n
x(t) qi (t)i q(t) i1 T M q(t) T Cq(t) T Kq(t) T f (t)
miqi (t) ciqi (t) kiqi (t) iT f (t)
2.6 多自由度系统振动响应
频响函数：
Mx(t) Cx(t) K x(t) f (t)
x(t) Xeit
m x(t) c x(t) k x(t) f (t)
t
x(t) 0 f (t )h( )d
2.3 单自由度系统强迫振动——频响函数与单位脉冲函数
m x(t) c x(t) k x(t) f (t)
定义：
(1)简谐激励时，稳态输出相量与输入相量之比。
(2)瞬态激励时，输出的傅里叶变换与输入的傅里叶变换之比。
表示体系可能存在的n个振型
对应的频率。具有最低频率的阵型称之为第一阶振型，第二低频率
对应的振型为第二阶振型。
2.5 多自由度无阻尼系统自由振动
振型分析：Mx(t) K x(t) 0
x(t) Xsin( t )
1
(K 2M)X 0 1.特征向量，或振型，
一般用i来表示；
(K i2M)Xi 0
/
2.3 单自由度系统强迫振动——简谐激励
x(t) 2 x(t) 2 x(t) F0 sin t
m
通解： xc (t) A1 cosdt A2 sin dtexp(t)

模态分析理论

机械模态分析理论基础假设：系统是线性、定常与稳定的线性时不变系统线性：描述系统振动的微分方程为线性方程，其响应对激励具有叠加性;定常：振动系统的动态特性（如质量、阻尼、刚度等）不随时间变化，即具有频率保持性;如系统受简谐激励-响应的频率必定与激励一致。

稳定：系统对有限激励必将产生一个有限响应，即系统满足傅氏变换和拉氏变换的条件。

振动系统分类：空间角度：离散（有限自由度）系统和连续（无限自由度）系统时间角度：连续时间系统和离散时间系统连续模拟信号--离散数字信号研究步骤：（1）建立结构的物理参数模型（以质量、阻尼、刚度为参数的关于位移的振动微分方程）（2）研究其特征值问题，求得特征值和特征矢量，得到结构的模态参数模型（模态频率、模态矢量、模态阻尼比、模态质量、模态阻尼、模态刚度等参数）。

正则化，解耦。

（3）通过研究受迫动力响应问题，可得到系统的非参数模型（频响函数和脉冲响应函数）。

频响函数和脉冲响应函数是试验模态分析系统识别模态参数的基础。

根据阻尼模型的不同，分为：无阻尼系统、比例阻尼系统、结构阻尼系统、粘性阻尼系统1、单自由度系统的振动粘性阻尼系统的振动微分方程：)(t f kx x c x m =++&&&自由振动：0=++kx x c x m &&&正则形式：0220=++x x x ωσ&&&其中：m c 2=σ：衰减系数（衰减指数）；mk =0ω：无阻尼固有频率（固有频率）引入阻尼比（无量纲阻尼系数）：mkc 20==ωσζ运动微分方程可写成：02200=++x x x ωζω&&&特解为：t e xλϕ=，λ为方程的特征值，因此： 0)(2=++ϕλλk c m为使系统有非零解，很显然：02=++k c m λλ因此可得到λ的解为：d j ωσλ±-=2,1 式中：201ζωω-=d 成为阻尼固有频率。

各种模态分析方法总结与比较

各种模态分析方法总结与比较一、模态分析模态分析是计算或试验分析固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数的过程。

模态分析的理论经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。

坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。

这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。

通常，模态分析都是指试验模态分析。

振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。

如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。

因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。

模态分析最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

二、各模态分析方法的总结（一）单自由度法一般来说，一个系统的动态响应是它的若干阶模态振型的叠加。

但是如果假定在给定的频带内只有一个模态是重要的，那么该模态的参数可以单独确定。

以这个假定为根据的模态参数识别方法叫做单自由度(SDOF)法n1。

在给定的频带范围内，结构的动态特性的时域表达表示近似为：h t r e r tT2-1 QRR而频域表示则近似为：Q r t LRrrUR2-2h j2j r单自由度系统是一种很快速的方法，几乎不需要什么计算时间和计算机内存。

这种单自由度的假定只有当系统的各阶模态能够很好解耦时才是正确的。

多自由度体系模态分析Matlab编程

多自由度体系模态分析1. 模态分析原理单自由度体系运动方程为()()()()10D s f t f t f t P t +++= (1)其中()()1g f t m u u =-+ (2)()D f t cu =- (3) ()()1g f t m u u =-+ (4)由单自由度体系运动方程推广到多自由度体系，则有(){}(){}(){}(){}{}10Dsf t f t f t P t +++= (5)其中(){}[]{}{}()1()()gf t M u t ut I =-+ (6)(){}[]{}()Df t C u t =- (7)(){}[]{}()Sf t K u t =- (8)综合上式并忽略阻尼项和外力项，可得到无阻尼多自由度体系自由振动方程：[]{}[]{}{}()()0M u t K u t += (9)设方程的解为如下简谐振动形式：{}{}()sin()u t t φωθ=+ (10)式中{}φ是与时间无关的N 阶向量，N 是体系自由度数量，ω是振动圆频率，θ是相位。

对式(10)求二阶导数，可得到结构的加速度：{}{}(){}22()sin()u t t u t ωφωθω=-+=- (11)将式(10) 和式(11)带入式(9)中，可得到：[]{}[]{}{}0K M φλφ-= (12)上式称为N 阶广义特征值问题，式中2λω=，刚度矩阵[]K 和质量矩阵[]M 是N 阶正定或半正定的对称矩阵。

上式也可以写为：[][](){}{}0K M λφ-= (13)根据齐次非线性方程组的特性，上式有非零解的充要条件是系数行列式等于零，即：()[][]0p K M λλ=-= (14)式(14)是一个关于λ的一元N 次方程，称为多自由度体系的频率方程。

求解可得N 个特征根()1,2,...,i i N λ= 。

将N 个特征根i λ分别代入式(13)，可求得相应的N 个特征向量{}()1,2,...,i i N φ=。

单自由度及多自由度系统模态分析