机械振动 第5版PDF电子书下载

第1章 振动理论基础 1

1.1 前言 2

1.2 振动研究简史 2

1.2.1 振动研究的起源 2

1.2.2 从伽利略（Galileo）到瑞利（Rayleigh） 5

1.2.3 近代之贡献 7

1.3 振动研究的重要性 9

1.4 振动的基本概念 11

1.5 振动的分类 14

1.5.1 自由振动与受迫振动 14

1.5.2 有阻尼振动与无阻尼振动 14

1.5.3 线性振动与非线性振动 14

1.5.4 确定性振动与随机振动 15

1.6 振动分析的一般步骤 15

1.7 弹簧元件 18

1.7.1 非线性弹簧 19

1.7.2 非线性弹簧的线性化 21

1.7.3 弹性元件的弹簧常数 22

1.7.4 弹簧的组合 25

1.7.5 与由重力引起的恢复力有关的弹簧常数 31

1.8 质量或惯性元件 32

1.9 阻尼元件 36

1.9.1 黏性阻尼器的结构 37

1.9.2 非线性阻尼器的线性化 41

1.9.3 阻尼器的组合 42

1.10 简谐运动 43

1.10.1 简谐运动的矢量表示 44

1.10.2 简谐运动的复数表示 44

1.10.3 复数的代数运算 46

1.10.4 简谐函数的运算 46

1.10.5 定义和术语 48

1.11 谐波分析 51

1.11.1 傅里叶级数展开 52

1.11.2 傅里叶级数的复数形式 53

1.11.3 频谱 53

1.11.4 时域表示法与频域表示法 54

1.11.5 奇函数和偶函数 54

1.11.6 半区间展开 56

1.11.7 系数的数字计算 56

1.12 利用MATLAB求解的例子 60

1.13 振动方面的文献 64

本章小结 65

参考文献 65

思考题 67

习题 71

设计题目 92

第2章 单自由度系统的自由振动 96

2.1 引言 97

2.2 无阻尼平动系统的自由振动 99

2.2.1 根据牛顿第二定律建立系统的运动微分方程 99

2.2.2 用其他方法建立系统的运动微分方程 100

2.2.3 铅垂方向上弹簧-质量系统的运动微分方程 101

2.2.4 运动微分方程的解 102

2.2.5 简谐运动 103

2.3 无阻尼扭转系统的自由振动 111

2.3.1 运动微分方程 112

2.3.2 运动微分方程的解 113

2.4 一阶系统的响应与时间常数 115

2.5 瑞利能量法 117

2.6 黏性阻尼系统的自由振动 120

2.6.1 运动微分方程 120

2.6.2 方程的解 120

2.6.3 对数缩减率 124

2.6.4 黏性阻尼消耗的能量 125

2.6.5 有黏性阻尼的扭振系统 126

2.7 特征根的图解表示及相应的解 131

2.7.1 特征方程的根 131

2.7.2 根的图解表示及相应的解 132

2.8 参数变化与根轨迹表示 133

2.8.1 s平面中ωn、ωd、ζ与τ的说明 133

2.8.2 根轨迹与参数变化 136

2.9 库仑阻尼系统的自由振动 141

2.9.1 运动微分方程 142

2.9.2 方程的解 143

2.9.3 有库仑阻尼的扭振系统 145

2.10 滞后阻尼系统的自由振动 146

2.11 系统的稳定性 151

2.12 利用MATLAB求解的例子 154

本章小结 159

参考文献 160

思考题 160

习题 165

设计题目 191

第3章 单自由度系统在简谐激励下的振动 193

3.1 引言 194

3.2 运动微分方程 194

3.3 无阻尼系统在简谐力作用下的响应 195

3.3.1 总响应 197

3.3.2 拍振现象 198

3.4 阻尼系统在简谐力作用下的响应 200

3.4.1 总响应 203

3.4.2 品质因子与带宽 205

3.5 F（t）＝Feiωt作用下阻尼系统的响应 206

3.6 基础作简谐运动时阻尼系统的响应 208

3.6.1 所传递的力 210

3.6.2 相对运动 211

3.7 具有旋转不平衡质量的阻尼系统的响应 212

3.8 库仑阻尼系统的受迫振动 217

3.9 滞后阻尼系统的受迫振动 220

3.10 其他类型阻尼系统的受迫振动 221

3.11 自激振动与稳定性分析 222

3.11.1 动力稳定性分析 222

3.11.2 流体导致的动力不稳定 224

3.12 传递函数法 230

3.13 利用拉普拉斯变换求解 232

3.14 频率传递函数 235

3.14.1 一般传递函数T（s）与频率传递函数T（iω）的关系 236

3.14.2 频响特征的表示 237

3.15 利用MATLAB求解的例子 240

本章小结 246

参考文献 246

思考题 247

习题 250

设计题目 267

第4章 单自由度系统在一般激励下的振动 268

4.1 引言 269

4.2 一般周期力作用下的响应 269

4.2.1 一阶系统 270

4.2.2 二阶系统 275

4.3 不规则形式的周期力作用下的响应 280

4.4 非周期力作用下的响应 281

4.5 卷积积分 282

4.5.1 对冲量的响应 282

4.5.2 对一般力的响应 285

4.5.3 对基础激励的响应 286

4.6 响应谱 291

4.6.1 基础激励对应的响应谱 293

4.6.2 地震响应谱 295

4.6.3 冲击环境下的设计 298

4.7 拉普拉斯变换 300

4.7.1 瞬态响应与稳态响应 301

4.7.2 一阶系统的响应 301

4.7.3 二阶系统的响应 302

4.7.4 阶跃激励的响应 307

4.7.5 阶跃响应的分析 311

4.7.6 瞬态响应的描述 312

4.8 数值方法 318

4.9 利用数值方法求不规则激励下的响应 321

4.10 利用MATLAB求解的例子 323

本章小结 327

参考文献 327

思考题 328

习题 332

设计题目 347

第5章 二自由度系统的振动 349

5.1 引言 350

5.2 受迫振动的运动微分方程 353

5.3 无阻尼系统的自由振动分析 354

5.4 扭振系统 361

5.5 坐标耦合与主坐标 364

5.6 受迫振动分析 368

5.7 半正定系统 371

5.8 自激振动与稳定性分析 373

5.9 传递函数法 374

5.10 利用拉普拉斯变换求解 375

5.11 利用频率传递函数求解 382

5.12 利用MATLAB求解的例子 384

本章小结 390

参考文献 391

思考题 391

习题 394

设计题目 411

第6章 多自由度系统 412

6.1 引言 413

6.2 连续系统模型化为多自由度系统 413

6.3 运用牛顿第二定律推导运动微分方程 414

6.4 影响系数 418

6.4.1 刚度影响系数 418

6.4.2 柔度影响系数 422

6.4.3 惯性影响系数 425

6.5 以矩阵形式表示的势能与动能 427

6.6 广义坐标与广义力 429

6.7 用拉格朗日方程推导运动微分方程 430

6.8 以矩阵形式表示的无阻尼系统的运动微分方程 433

6.9 特征值问题 434

6.10 特征值问题的解 435

6.10.1 特征方程的解 435

6.10.2 主振型的正交性 439

6.10.3 重特征值 442

6.11 展开定理 444

6.12 无约束系统 444

6.13 无阻尼系统的自由振动 447

6.14 用模态分析法求无阻尼系统的受迫振动 449

6.15 黏性阻尼系统的受迫振动 454

6.16 自激振动及其稳定性分析 458

6.17 利用MATLAB求解的例子 460

本章小结 468

参考文献 468

思考题 469

习题 473

设计题目 489

第7章 多自由度系统固有频率与振型的近似计算方法 490

7.1 引言 491

7.2 邓克莱公式 491

7.3 瑞利法 493

7.3.1 瑞利商的性质 494

7.3.2 基频的计算 495

7.3.3 梁和轴的基频 496

7.4 霍尔茨法 498

7.4.1 扭振系统 499

7.4.2 弹簧-质量系统 501

7.5 矩阵迭代法 502

7.5.1 收敛到高阶固有频率 503

7.5.2 中间某阶固有频率的计算 504

7.6 雅可比法 508

7.7 标准特征值问题 510

7.7.1 柯勒斯基分解 511

7.7.2 其他解法 512

7.8 利用MATLAB求解的例子 512

本章小结 515

参考文献 516

思考题 517

习题 520

设计题目 526

第8章 连续系统的振动 527

8.1 引言 528

8.2 弦或索的横向振动 528

8.2.1 运动微分方程 528

8.2.2 初始条件与边界条件 529

8.2.3 等截面弦的自由振动 530

8.2.4 两端固定弦的自由振动 531

8.2.5 行波解 533

8.3 杆的纵向振动 534

8.3.1 运动微分方程及其解 534

8.3.2 振型函数的正交性 536

8.4 圆杆或轴的扭转振动 540

8.5 梁的横向振动 542

8.5.1 运动微分方程 542

8.5.2 初始条件 543

8.5.3 自由振动 544

8.5.4 边界条件 545

8.5.5 振型函数的正交性 547

8.5.6 受迫振动 549

8.5.7 轴向力的影响 550

8.5.8 转动惯量与剪切变形的影响 552

8.5.9 其他影响 555

8.6 薄膜的振动 555

8.6.1 运动微分方程 555

8.6.2 初始条件与边界条件 557

8.7 瑞利法 558

8.8 瑞利-李兹法 559

8.9 利用MATLAB求解的例子 561

本章小结 564

参考文献 564

思考题 566

习题 569

设计题目 577

第9章 振动控制 578

9.1 引言 579

9.2 振动列线图和振动标准 579

9.3 抑制振源强度 583

9.4 旋转机械的平衡 583

9.4.1 单面平衡 583

9.4.2 双面平衡 585

9.5 轴的涡动 589

9.5.1 运动微分方程 589

9.5.2 临界速度 591

9.5.3 系统的响应 591

9.5.4 稳定性分析 593

9.6 活塞式发动机的平衡 594

9.6.1 气体压力变化产生的不平衡力 594

9.6.2 运动部件的惯性产生的不平衡力 595

9.6.3 活塞式发动机的平衡 597

9.7 振动的控制 598

9.8 固有频率的控制 599

9.9 阻尼的应用 599

9.10 振动隔离 600

9.10.1 具有刚性基础的振动隔离系统 602

9.10.2 具有支撑运动的振动隔离系统 610

9.10.3 具有挠性基础的振动隔离系统 615

9.10.4 具有部分挠性基础的振动隔离系统 616

9.10.5 冲击隔离 617

9.10.6 主动振动控制 619

9.11 吸振器 623

9.11.1 无阻尼动力吸振器 624

9.11.2 有阻尼动力吸振器 627

9.12 利用MATLAB求解的例子 630

本章小结 639

参考文献 639

思考题 641

习题 644

设计题目 655

第10章 振动测量与应用 656

10.1 引言 657

10.2 传感器 658

10.2.1 变电阻传感器 658

10.2.2 压电传感器 660

10.2.3 电动式传感器 661

10.2.4 线性可变差动变压器传感器 661

10.3 拾振器 662

10.3.1 测振计 663

10.3.2 加速度计 664

10.3.3 速度计 666

10.3.4 相位失真 667

10.4 频率测量仪 669

10.5 激振器 670

10.5.1 机械式激振器 670

10.5.2 电动式激振器 671

10.6 信号分析 672

10.6.1 频谱分析仪 673

10.6.2 带通滤波器 673

10.6.3 恒百分比带宽滤波器和恒带宽滤波器 674

10.7 机械和结构的动态测试 675

10.7.1 利用测量运行时的变形 675

10.7.2 利用模态测试 676

10.8 实验模态分析 676

10.8.1 基本观点 676

10.8.2 所需仪器 676

10.8.3 数字信号处理 678

10.8.4 随机信号分析 679

10.8.5 从观察到的峰值确定模态数据 682

10.8.6 根据奈奎斯特图确定模态数据 683

10.8.7 模态形状的测量 685

10.9 机器运行状态监测与诊断 687

10.9.1 振动强度标准 687

10.9.2 设备检修技术 687

10.9.3 机械运行状况监测技术 688

10.9.4 振动监测技术 689

10.9.5 仪器系统 692

10.9.6 监测参数的选取 694

10.10 利用MATLAB求解的例子 694

本章小结 697

参考文献 697

思考题 698

习题 702

设计题目 705

第11章 振动分析中的数值积分法 707

11.1 引言 708

11.2 有限差分法 708

11.3 用中心差分法求单自由度系统的响应 709

11.4 用龙格-库塔法求单自由度系统的响应 711

11.5 用中心差分法求多自由度系统的响应 713

11.6 用有限差分法求连续系统的响应 716

11.6.1 杆的纵向振动 716

11.6.2 梁的横向振动 719

11.7 用龙格-库塔法求多自由度系统的响应 722

11.8 侯伯特法 723

11.9 威尔逊法 726

11.10 纽马克法 728

11.11 利用MATLAB求解的例子 730

本章小结 737

参考文献 737

思考题 738

习题 740

第12章 有限单元法 745

12.1 引言 746

12.2 单元的运动方程 746

12.3 质量矩阵、刚度矩阵以及载荷向量 748

12.3.1 杆单元 748

12.3.2 扭转单元 750

12.3.3 梁单元 751

12.4 单元矩阵和单元向量的变换 753

12.5 有限单元集成系统的运动方程 755

12.6 边界条件的引入 756

12.7 一致质量矩阵和集中质量矩阵 764

12.7.1 杆单元的集中质量矩阵 764

12.7.2 梁单元的集中质量矩阵 764

12.7.3 集中质量矩阵与一致质量矩阵的关系 765

12.8 利用MATLAB求解的例子 766

本章小结 771

参考文献 772

思考题 772

习题 775

设计题目 785

第13章 非线性振动 787

13.1 引言 788

13.2 非线性振动问题的例子 788

13.2.1 单摆 788

13.2.2 机械颤振，皮带摩擦系统 789

13.2.3 变质量系统 790

13.3 精确解法 790

13.4 近似分析方法 791

13.4.1 基本原理 792

13.4.2 林兹泰德（Lindstedt）摄动方法 794

13.4.3 迭代法 795

13.4.4 李兹-伽辽金法 798

13.5 亚谐振动和超谐振动 800

13.5.1 亚谐振动 800

13.5.2 超谐振动 802

13.6 变参数系统（马休方程） 803

13.7 图解法 807

13.7.1 相平面法 807

13.7.2 相速度 810

13.7.3 绘制相轨迹的方法 811

13.7.4 根据相轨迹求时域解 812

13.8 平衡状态的稳定性 813

13.8.1 稳定性分析 813

13.8.2 奇点的分类 814

13.9 极限环 816

13.10 混沌 817

13.10.1 具有稳定轨道的函数 818

13.10.2 具有不稳定轨道的函数 819

13.10.3 没有激励项时达芬方程的混沌行为 820

13.10.4 有激励项时达芬方程的混沌行为 822

13.11 数值方法 824

13.12 利用MATLAB求解的例子 824

本章小结 833

参考文献 833

思考题 835

习题 838

设计题目 844

第14章 随机振动 845

14.1 引言 846

14.2 随机变量与随机过程 847

14.3 概率分布 847

14.4 均值与标准差 848

14.5 几个随机变量的联合概率分布 849

14.6 随机过程的相关函数 851

14.7 平稳随机过程 852

14.8 高斯随机过程 854

14.9 傅里叶分析 855

14.9.1 傅里叶级数 855

14.9.2 傅里叶积分 857

14.10 功率谱密度 859

14.11 宽带和窄带随机过程 861

14.12 单自由度系统的响应 862

14.12.1 脉冲响应函数法 862

14.12.2 频响函数法 863

14.12.3 响应函数的特点 864

14.13 平稳随机激励下的响应 864

14.13.1 脉冲响应函数法 865

14.13.2 频响函数法 865

14.14 多自由度系统的响应 869

14.15 利用MATLAB求解的例子 874

本章小结 877

参考文献 877

思考题 878

习题 881

设计题目 887

附录A 数学关系和材料属性 888

附录B 梁和板的挠度 891

附录C 矩阵 894

C.1 定义 894

C.2 矩阵的基本运算 897

参考文献 898

附录D 拉普拉斯变换 899

D.1 定义 899

D.2 导数的拉普拉斯变换 900

D.3 移位定理 900

D.4 部分分式法 901

D.5 卷积积分 902

附录E 单位 906

参考文献 908

附录F MATLAB简介 909

F.1 变量 909

F.2 数组和矩阵 910

F.3 特殊结构的数组 910

F.4 特殊矩阵 911

F.5 矩阵运算 911

F.6 MATLAB中的函数 911

F.7 复数 912

F.8 M文件 912

F.9 绘图 913

F.10 非线性方程的根 914

F.11 线性代数方程组的解 914

F.12 特征值问题的解 915

F.13 微分方程的解 916

部分习题答案 918