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isbn号码:9787111039976

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机械动力学与振动控制 本书深度聚焦于现代机械系统设计与运行中至关重要的两个核心领域：机械动力学分析与主动/被动振动控制技术。 随着工业设备向高精度、高速度、轻量化方向发展，传统的设计方法已难以满足可靠性与舒适性的严苛要求。本书旨在为机械工程师、结构设计师、振动分析专家以及相关领域的研究人员提供一套系统、全面且极具实践指导意义的理论框架与工程应用方法。 第一部分：机械动力学基础理论的深化解析 本部分将从最基本的运动学和动力学原理出发，逐步深入到复杂系统的建模与分析。我们首先回顾经典牛顿-欧拉定律在离散系统中的应用，并详细阐述拉格朗日方程和哈密顿原理在处理多自由度系统时的优势与技巧。 1.1 系统的自由振动分析： 详细介绍单自由度（SDOF）和多自由度（MDOF）系统的自由振动特性，包括特征值问题（固有频率）和特征向量（振型）的求解方法。重点讨论数值解法，如子空间迭代法和QR分解法在大型稀疏矩阵上的高效应用。对于MDOF系统，深入分析模态叠加法在响应预测中的准确性与局限性。 1.2 强迫振动与响应分析： 系统分析外部周期性激励（如旋转不平衡、往复运动机构产生的激振力）对机械系统的影响。阐述谐响应分析（Harmonic Response Analysis）在确定共振区特性和系统阻尼比设计中的作用。此外，本书将引入随机振动理论的基础知识，讨论白噪声、随机过程的功率谱密度（PSD）在评估设备长期运行可靠性上的应用，例如对随机载荷下的疲劳寿命预测。 1.3 非线性动力学入门与挑战： 在现代精密设备中，摩擦、间隙、材料的非线性弹性等因素不可避免。本章将系统介绍如何对含非线性项的动力学方程进行建模，包括接触非线性、阻尼的非线性特性等。重点讨论非线性系统的周期解、准周期解以及混沌现象的识别与分析方法，例如庞加莱截面法和李雅普诺夫指数的计算。 1.4 接触动力学与碰撞分析： 针对机器人、自动化装配线和发动机等存在频繁冲击的系统，本书提供了详细的接触动力学建模方法。讨论赫兹接触理论的推广应用，并详细解析基于能量吸收和恢复系数的碰撞响应计算模型，这对冲击载荷下的结构安全评估至关重要。 第二部分：先进振动控制理论与工程实践 现代工程要求设备不仅要能承受载荷，更需要在运行中主动抑制振动、提高精度。本部分将从理论到实践，详尽介绍主流的振动控制技术。 2.1 振动隔离与被动控制设计： 深入探讨隔振器的选择、设计与优化。内容涵盖弹簧、阻尼器（如粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器）的性能参数选择，以及针对宽频带激励的隔振系统设计（如基于传递矩阵法的隔振性能评估）。详细分析隔振系统在传递率曲线上的优化目标，并讨论主动隔振系统对低频振动的抑制效果。 2.2 结构被动减振技术： 重点介绍两种主要的被动减振器：调谐质量阻尼器（TMD）和管道式阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）。本书提供了TMD的原理推导、优化设计公式，特别是针对多模态激励下的广义调谐质量阻尼器（GTMD）的设计策略。此外，还涵盖了材料阻尼（如阻尼涂层）在提高结构固有阻尼比上的工程应用。 2.3 状态空间法与线性最优控制： 引入控制工程的核心工具——状态空间表示法，用于描述复杂机械系统的动态行为。基于此，详细阐述线性二次调节器（LQR）的设计流程，解释如何根据系统状态和控制输入的代价函数来确定最优反馈增益。这为后续的主动控制设计奠定了坚实的理论基础。 2.4 主动振动控制（AVC）策略： 系统介绍基于反馈控制的主动减振技术。详述力控制、位移控制和混合控制方案的实现细节。特别关注基于传感器反馈的现代控制算法，如鲁棒控制（H$infty$控制）在应对系统不确定性时的优势，以及滑模控制（SMC）在强非线性系统中的应用。 2.5 智能材料与智能结构在振动控制中的应用： 本书的前沿章节探讨了压电材料（PZT）、磁流变（MR）阻尼器等智能执行器的集成应用。详细分析如何利用这些材料的特性，设计出响应速度快、控制效率高的主动或半主动减振系统。讨论了分布式传感器网络在实时状态估计中的作用。 第三部分：计算方法与工程实例 为了弥补理论与实际应用的鸿沟，本书的第三部分专注于数值模拟和工程案例分析。 3.1 有限元法（FEM）在模态分析中的应用： 回顾结构离散化的基本步骤，重点讨论如何在商业软件中正确建立和求解动力学模型。详细阐述处理边界条件、接触单元和材料非线性对模态分析结果的敏感性。提供针对大型结构（如桥梁、大型机座）的子结构法在模态分析中的应用范例。 3.2 时域与频域的数值模拟： 讲解求解非线性动力学问题的时域积分方法，如Newmark-$eta$法和中心差分法的稳定性和精度分析。同时，深入探讨如何利用快速傅里叶变换（FFT）和谱分析技术，将时域响应转化为频域信息，以便于故障诊断和系统识别。 3.3 故障诊断与健康监测（PHM）的基础： 将动力学知识应用于实际的设备维护。介绍基于振动信号特征提取的经典方法，如包络解调分析，用于早期检测轴承和齿轮的损伤。讨论基于模型的状态估计技术，例如卡尔曼滤波在状态重构与参数辨识中的应用，以实现对设备健康状况的实时、精确监测。 全书特点： 本书的叙事结构逻辑严密，从基础理论稳步攀升至尖端控制技术。每个章节均配有大量的数学推导、清晰的物理图像解释，并穿插了源自航空航天、高速铁路、精密机床等行业的真实工程案例，使读者能够将抽象的数学模型与具体的机械问题紧密结合。本书特别强调了数值模拟与工程实践的紧密联系，是寻求系统化、深度理解机械振动问题的工程师和研究人员不可或缺的工具书。

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