【摘 要】
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为了降低产品的振动和噪声,需要分析机械结构的振动特性并以此为依据对结构进行改进。现代的机械产品往往由许多部件所组成,部件和部件通过一定的方式装配在一起。不失一般性地,可以将这样的机械结构都看成是一种多点耦合系统。分析多点耦合系统的动力学理论十分丰富,其中振动传递路径分析是一种工程上广泛采用的分析振动传递特性的手段,通过分析每一条路径对于总响应的贡献量找出最主要的传递路径从而对结构进行改进。在产品被
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为了降低产品的振动和噪声,需要分析机械结构的振动特性并以此为依据对结构进行改进。现代的机械产品往往由许多部件所组成,部件和部件通过一定的方式装配在一起。不失一般性地,可以将这样的机械结构都看成是一种多点耦合系统。分析多点耦合系统的动力学理论十分丰富,其中振动传递路径分析是一种工程上广泛采用的分析振动传递特性的手段,通过分析每一条路径对于总响应的贡献量找出最主要的传递路径从而对结构进行改进。在产品被生产制造出来之前如果能够对产品的动态特性尤其是动态响应进行直接的预测将会大大提高产品设计的效率,同时响应预测还可以有效地对结构的改进进行评价。因此传递路径分析与响应预测技术相结合起来可以解决工程中许多与振动噪声有关的关键问题。现有的传递路径分析及响应预测技术还存在许多的不足之处。比如,传统的传递路径分析的效率比较低,一些改进的方法在提高效率的同时却降低了分析的精度,响应预测技术需要测量动态力等等,这些问题都造成了具体应用中的一些实际困难。本论文主要围绕传递路径分析以及响应预测中存在的一些问题,深入地开展多点耦合系统动力学的有关研究工作。论文的主要工作归纳如下:(1)为了解决传递路径分析中测量被动部分耦合点到目标响应点的频响函数时需要将被动部分从结构上拆除,从而严重影响测试效率的问题,深入研究了子系统频响函数和耦合系统的频响函数之间的关系,并提出了被笔者命名为虚拟解耦方法的有关理论,该方法能够在不解体耦合结构的前提下直接通过测量得到的耦合系统频响函数计算出传递路径分析中所需要的子系统频响函数。(2)深入研究了现有的工况传递路径分析方法,详细讨论了传递率的有关概念及其性质,提出了基于主被动侧耦合点响应差值的改进的工况传递路径分析方法。所提出的改进方法计算得到的路径贡献量与传统的传递路径分析具有相同的物理含义,其测试过程和工况传递路径分析基本相同,但该方法能够极大地减少工况传递路径分析中的路径串扰问题。所提出的改进方法测试精度高于工况传递路径分析,测试效率高于传统的传递路径分析。(3)针对现有的基于组件传递路径分析方法中需要测量子系统受挡力的难题,提出了改进的基于组件传递路径分析方法。所提出的方法可以根据子系统的受挡响应以及传递率矩阵来预测耦合系统的响应。和传统的基于组件传递路径分析相比,该方法只需要测量子系统的受挡响应和传递率矩阵,而不需要测量受挡力及频响函数矩阵,从而完全避免了对于力的测量,使得测试过程更加简便易行。(4)利用诺伊曼级数成功地解释了耦合的物理意义。机械系统中的耦合从数学上通常表示为动刚度矩阵中非对角线上的非零元素,但是从物理上则很难解释清楚这个问题。本论文在研究中将耦合系统的响应表示成诺伊曼级数的形式,诺伊曼级数中的每一项代表不同阶次的振动传递对最终响应的贡献量。耦合问题的诺伊曼级数解释对于理解耦合问题的本质有着十分重要的意义。(5)深入地研究了结构修改问题,系统地提出了根据现有的结构响应以及局部结构修改特性预测修改后结构响应的方法。首先,研究了七种典型的结构修改情况。然后,将这七种典型修改都等效成一些附加力,这些等效附加力可以由所做修改的动态特性及新结构的响应来表示。最后,将等效附加力表达式代入系统动力学方程可以很容易地获得新结构的动态响应表达式。论文不仅讨论了单一结构修改的情况,还研究了在多种修改同时发生时如何预测修改结构的响应。(6)在研究结构修改问题的基础上重新讨论了关于耦合和解耦的问题。两个子系统相互耦合在某种程度上就可以看成是在一个子系统的基础上所做的动力学修改,而解耦问题同样可以被看成是一类特殊的结构修改问题,即在耦合结构的基础上减去一部分子结构。从响应的角度推导了耦合系统和子系统之间的关系,并由此得出了它们的频响函数矩阵之间的关系。从耦合结构响应的表达式来看,耦合响应同样可以表示成诺伊曼级数的形式。从而更加深刻地剖析了耦合和解耦问题。综上所述,本论文系统地研究了多点耦合系统在传递路径分析以及响应预测中的一些关键问题,研究结果对于对于工程中分析振动噪声问题有着十分重要的价值,同时本论文还完善并丰富了多点耦合系统动力学的有关理论。
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