1~3自由度质量弹簧系统的固有振动数和振动模态实时计算。通过各模态的动画和频率响应图表直观理解振动行为。
汽车·飞机设计:发动机或螺旋桨的转速若与车体·机体的固有振动数相同,会产生共振导致大幅度振动、噪音或疲劳破坏。设计阶段用CAE(模态分析)掌握特征值,避开危险周频,通过调整质量和刚度来规避问题。
建筑·桥梁抗震设计:地震振动包含广泛的周频范围。建筑物的固有振动数若与地震主导周频重合,会共振放大,倒塌风险大增。通过特征值分析识别建筑最易摇动的模态,据此布置制振装置或结构加固。
工作母机·精密仪器:铣床等机械工具旋转时,若转速接近结构或工具自身的固有振动数,会产生"颤振"(chattering)现象,加工精度严重下降。调整工具长度或夹持方式来改变固有振动数的策略很常见。
家电静音化:洗衣机脱水或冰箱压缩机运行时的振动噪音,源自内部结构的固有模态被激发。用CAE可视化振动模形,优化防振橡胶位置和质量平衡,从而提升静音性能。
玩这个工具时容易出现几个认识误区。首先,别以为"固有振动数低(质量重·弹簧软)就危险"。实际上,问题关键在于"激励力周频"与"固有振动数"的接近程度。比如高速风扇(激励频率100Hz)对固有频率2Hz的机壳几乎没影响,但汽车怠速抖动(约20Hz)若与20Hz的支座固有频率巧合,即使周频本身不算高,共振也会很严重。
其次,本工具没有考虑"阻尼"(结构材料耗散能量的特性)。现实中所有结构都有阻尼,它会大大降低共振峰的响应幅度。本工具的频率响应图是"无阻尼"的理想情况,实务中需要加入阻尼模型进行重新评估。
最后,参数设置的陷阱。若多根弹簧是"串联"配置,合成弹簧常数k应该用 $1/k = 1/k_1 + 1/k_2$ 求得;若是"并联"才是直接相加。不注意这点的话,会导致刚度分布与实际不符。
3自由度系统(机械基础振动分析):m1=3kg、m2=2kg、m3=1kg、k1=15kN/m、k2=12kN/m、k3=8kN/m时,第1固有振动数约8.2Hz,第2约15.7Hz,第3约22.1Hz。第1模态全部质量同向振动,第2模态中间层反向振动。