機(jī)械阻抗的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

朱川

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人們對機(jī)械阻抗概念的認(rèn)識和理解，也在不斷地延伸、擴(kuò)大和豐富。該文概括了國內(nèi)外機(jī)械阻抗技術(shù)的主要研究方法與應(yīng)用。針對在不同領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評述，并對機(jī)械阻抗的研究方向做出了展望，指出了與工程實(shí)際模型及其他研究方法相結(jié)合將是今后研究的主要方向。

關(guān)鍵詞：機(jī)械阻抗 廣義機(jī)械阻抗 振動(dòng)分析

中圖分類號：TB535 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0033-02

機(jī)械阻抗的概念是20世紀(jì)30年代根據(jù)機(jī)電類比而提出的，迄今已有半個(gè)世紀(jì)的歷史了。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，各門學(xué)科之間的相互滲透，人們對于機(jī)械阻抗概念的認(rèn)識和理解也在不斷延伸、擴(kuò)大和豐富。特別是近20多年來，由于機(jī)械阻抗測試技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的重大突破與迅速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論和從最優(yōu)化理論以及估計(jì)理論以派生出來的系統(tǒng)識別技術(shù)，在機(jī)器與結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的成功應(yīng)用，促使振動(dòng)理論及其分析方法發(fā)生了巨大而深刻的變化。與此同時(shí)，各種阻抗名詞及術(shù)語應(yīng)運(yùn)而生，阻抗分析法的面貌亦隨之煥然一新。

1 機(jī)械阻抗的基本定義

對于穩(wěn)定的、定常的、線性振動(dòng)系統(tǒng)而言，機(jī)械阻抗即等于激勵(lì)與其所引起的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的復(fù)數(shù)比，或復(fù)幅值之比。

激勵(lì)與響應(yīng)之間的幅值比及其相位差，不僅與激振頻率的大小有關(guān)，更主要的是取決于系統(tǒng)本身的固有特性，因此，可以采用上述兩個(gè)相對量來綜合描述各種線性振動(dòng)系統(tǒng)在激振頻率下的傳遞特性。所謂機(jī)械阻抗，指的就是這兩個(gè)參數(shù)，故機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)亦可稱為頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，它包含了與系統(tǒng)本身固有屬性有關(guān)的極其豐富的信息，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定的機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)，提取或識別人們所需要的各種有用的信息量。

2 機(jī)械阻抗的分類

2.1 位移、速度及加速度阻抗

由于系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)量，可以是位移、速度或加速度，因此，機(jī)械阻抗和導(dǎo)納亦有3種不同的形式，并分別為位移、速度及加速度阻抗和導(dǎo)納（見表1）。

2.2 原點(diǎn)阻抗和傳遞阻抗

若激勵(lì)和響應(yīng)是在同一個(gè)點(diǎn)，則稱為原點(diǎn)阻抗；若激勵(lì)和響應(yīng)不是在同一個(gè)點(diǎn)，則稱為跨點(diǎn)阻抗或傳遞阻抗。此外，原點(diǎn)阻抗又分為直接阻抗和交叉阻抗，前者表示振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)力同方向，后者表示振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)力方向不同。

2.3 傳遞率

系統(tǒng)的輸入與輸出可能是力，也可能是運(yùn)動(dòng)，因此，機(jī)械阻抗還有另外兩種形式。

（1）力——傳遞率。

（2）運(yùn)動(dòng)——傳遞率。

3 機(jī)械阻抗的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

機(jī)械阻抗及其參數(shù)識別技術(shù)是近代分析和研究機(jī)器與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題的有效手段，是理論分析和試驗(yàn)研究結(jié)合的新技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)、調(diào)試與診斷等許多工程技術(shù)領(lǐng)域，并已取得了很大的進(jìn)展。機(jī)械阻抗法在實(shí)際工程中的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面。

3.1 隔振器的隔振問題

將隔振器簡化為彈簧和阻尼器的模型，不能反映其動(dòng)態(tài)特性隨頻率的變化而變化的特點(diǎn)，對隔振器的機(jī)械阻抗特性進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，在安裝基座、測試系統(tǒng)、激勵(lì)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)等滿足要求的前提下，對隔振器進(jìn)行空載和加載兩種情況下的測量，并按一定的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行比較，表明了測量方法的普遍適應(yīng)性，以阻抗為基本手段進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳遞特性預(yù)報(bào)與聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的[1]。但是復(fù)雜載荷對機(jī)械阻抗的影響規(guī)律分析還有待今后深入研究。

3.2 機(jī)械構(gòu)件的損傷評價(jià)

根據(jù)壓電材料的壓電效應(yīng)和壓電耦合效應(yīng)，利用機(jī)電阻抗分析法進(jìn)行機(jī)械損傷檢測具有響應(yīng)快、頻帶寬、集傳感激勵(lì)于一體、對早期損傷敏感等特點(diǎn)，從而成為了健康監(jiān)測領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。但是其中也存在著一些問題，可操作性和環(huán)境變化對其的影響尚不清晰，傳感器位置和機(jī)電阻抗譜的關(guān)系還沒有完全掌握等。未來的研究更應(yīng)該集中在測試真實(shí)結(jié)構(gòu)在其操作條件和環(huán)境下的情況，并在信號處理，對損傷敏感的頻譜特性鑒定和充足的建模和仿真上做更多的研究[2]。

3.3 設(shè)備的強(qiáng)度、剛度或抗振性能分析

將設(shè)備模型分成若干基本的機(jī)械元件，通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗的機(jī)理進(jìn)行分析，并對組合元件的機(jī)械阻抗進(jìn)行計(jì)算，給出設(shè)備機(jī)械阻抗在不同頻段的數(shù)學(xué)物理模型，繪制出機(jī)械阻抗線路圖，根據(jù)基本機(jī)械元件的機(jī)械阻抗求解振動(dòng)位移[3，4]。利用阻抗法，可以容易地得到設(shè)備的頻率響應(yīng)特性，分析過程也很簡單[5]。

3.4 基于有限元仿真的機(jī)械阻抗的分析

利用有限元軟件（如ANSYS）對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行模態(tài)分析得到固有頻率及振型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步做動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析，通過數(shù)據(jù)后處理得到設(shè)備的機(jī)械阻抗的頻率特性及其對數(shù)幅頻特性。基于有限元仿真的機(jī)械阻抗分析可以充分考慮其他因素的影響，例如：在對船舶的機(jī)械阻抗進(jìn)行分析時(shí)，可以綜合考慮附連水的影響，從而提高分析精度，滿足工程需求[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，目前機(jī)械阻抗的應(yīng)用主要集中在隔振器的隔振問題，機(jī)械構(gòu)件的損傷識別，設(shè)備的強(qiáng)度、剛度或抗振性能分析，以及基于有限元仿真的機(jī)械阻抗的分析等這幾個(gè)方面，機(jī)械阻抗法雖然在很多行業(yè)得到了應(yīng)用，但是與工程實(shí)際模型及其他研究方法相結(jié)合將是今后研究的主要方向。

參考文獻(xiàn)

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