机械阻抗的研究现状及应用

朱川

摘 要：随着科学技术的进步和发展，人们对机械阻抗概念的认识和理解，也在不断地延伸、扩大和丰富。该文概括了国内外机械阻抗技术的主要研究方法与应用。针对在不同领域的研究现状及优缺点进行评述，并对机械阻抗的研究方向做出了展望，指出了与工程实际模型及其他研究方法相结合将是今后研究的主要方向。

关键词：机械阻抗 广义机械阻抗 振动分析

中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（c）-0033-02

机械阻抗的概念是20世纪30年代根据机电类比而提出的，迄今已有半个世纪的历史了。随着科学技术的进步和发展，各门学科之间的相互渗透，人们对于机械阻抗概念的认识和理解也在不断延伸、扩大和丰富。特别是近20多年来，由于机械阻抗测试技术和数字处理技术的重大突破与迅速发展，现代控制理论和从最优化理论以及估计理论以派生出来的系统识别技术，在机器与结构动力分析中的成功应用，促使振动理论及其分析方法发生了巨大而深刻的变化。与此同时，各种阻抗名词及术语应运而生，阻抗分析法的面貌亦随之焕然一新。

1 机械阻抗的基本定义

对于稳定的、定常的、线性振动系统而言，机械阻抗即等于激励与其所引起的稳态响应的复数比，或复幅值之比。

激励与响应之间的幅值比及其相位差，不仅与激振频率的大小有关，更主要的是取决于系统本身的固有特性，因此，可以采用上述两个相对量来综合描述各种线性振动系统在激振频率下的传递特性。所谓机械阻抗，指的就是这两个参数，故机械阻抗数据亦可称为频率响应数据，它包含了与系统本身固有属性有关的极其丰富的信息，根据实验测定的机械阻抗数据，提取或识别人们所需要的各种有用的信息量。

2 机械阻抗的分类

2.1 位移、速度及加速度阻抗

由于系统的振动响应量，可以是位移、速度或加速度，因此，机械阻抗和导纳亦有3种不同的形式，并分别为位移、速度及加速度阻抗和导纳（见表1）。

2.2 原点阻抗和传递阻抗

若激励和响应是在同一个点，则称为原点阻抗；若激励和响应不是在同一个点，则称为跨点阻抗或传递阻抗。此外，原点阻抗又分为直接阻抗和交叉阻抗，前者表示振动响应与激励力同方向，后者表示振动响应与激励力方向不同。

2.3 传递率

系统的输入与输出可能是力，也可能是运动，因此，机械阻抗还有另外两种形式。

（1）力——传递率。

（2）运动——传递率。

3 机械阻抗的研究现状及应用

机械阻抗及其参数识别技术是近代分析和研究机器与结构动力学问题的有效手段，是理论分析和试验研究结合的新技术。该技术已经应用于机械设备的设计与开发、调试与诊断等许多工程技术领域，并已取得了很大的进展。机械阻抗法在实际工程中的应用主要集中在以下几个方面。

3.1 隔振器的隔振问题

将隔振器简化为弹簧和阻尼器的模型，不能反映其动态特性随频率的变化而变化的特点，对隔振器的机械阻抗特性进行了理论计算和实验研究，在安装基座、测试系统、激勵系统、加载系统等满足要求的前提下，对隔振器进行空载和加载两种情况下的测量，并按一定的方法对数据进行处理，将理论计算和实验得到的结果进行比较，表明了测量方法的普遍适应性，以阻抗为基本手段进行机械系统振动噪声传递特性预报与声学优化设计是可行的[1]。但是复杂载荷对机械阻抗的影响规律分析还有待今后深入研究。

3.2 机械构件的损伤评价

根据压电材料的压电效应和压电耦合效应，利用机电阻抗分析法进行机械损伤检测具有响应快、频带宽、集传感激励于一体、对早期损伤敏感等特点，从而成为了健康监测领域的一个研究热点。但是其中也存在着一些问题，可操作性和环境变化对其的影响尚不清晰，传感器位置和机电阻抗谱的关系还没有完全掌握等。未来的研究更应该集中在测试真实结构在其操作条件和环境下的情况，并在信号处理，对损伤敏感的频谱特性鉴定和充足的建模和仿真上做更多的研究[2]。

3.3 设备的强度、刚度或抗振性能分析

将设备模型分成若干基本的机械元件，通过对机械结构的机械阻抗的机理进行分析，并对组合元件的机械阻抗进行计算，给出设备机械阻抗在不同频段的数学物理模型，绘制出机械阻抗线路图，根据基本机械元件的机械阻抗求解振动位移[3，4]。利用阻抗法，可以容易地得到设备的频率响应特性，分析过程也很简单[5]。

3.4 基于有限元仿真的机械阻抗的分析

利用有限元软件（如ANSYS）对机械设备进行模态分析得到固有频率及振型，在此基础上进一步做动态响应仿真分析，通过数据后处理得到设备的机械阻抗的频率特性及其对数幅频特性。基于有限元仿真的机械阻抗分析可以充分考虑其他因素的影响，例如：在对船舶的机械阻抗进行分析时，可以综合考虑附连水的影响，从而提高分析精度，满足工程需求[6]。

4 结语

综上所述，目前机械阻抗的应用主要集中在隔振器的隔振问题，机械构件的损伤识别，设备的强度、刚度或抗振性能分析，以及基于有限元仿真的机械阻抗的分析等这几个方面，机械阻抗法虽然在很多行业得到了应用，但是与工程实际模型及其他研究方法相结合将是今后研究的主要方向。

参考文献

[1] 王锁泉，周庆云，席亦农，等.隔振元件机械阻抗测量与数据处理方法研究[J].舰船科学技术，2006（2）：107-111.

[2] 申耀国.基于阻抗的混凝土结构损伤评估方法研究[D].大连理工大学，2012.

[3] 王一丁，韩致信.机械阻抗法在往复泵基础振动中的应用[J].新技术新工艺，2008（12）：81-83.

[4] 田国成，毕忠波.汽轮发电机密封油系统的阻抗分析及应用研究[J].山东电力技术，2008（4）：13-17.

[5] 王丹生，朱宏平，金柯，等.压电智能梁的阻抗分析与损伤识别[J].固体力学学报，2008（4）：402-407.

[6] 叶永林，唐建飞，陈斌，等.波浪中船体结构机械阻抗的分析方法研究[J].船海工程，2013（2）：22-25.