開題報告是畢業論文答辯委員會對學生答辯資格審查的一個重要依據材料，下面是小編蒐集整理的機械工程學院畢業論文開題報告，供大家閱讀參考。
課題名稱： 理論力學創新應用ZME型多功能實驗臺單自由度振動系統的測試
一、選題的目的及意義：
科學和經濟的發展，人才聘用的市場化，都對畢業生的實際能力提出了很高的要求。培養和訓練畢業生的應用所學知識的能力、分析及解決問題的能力、實踐動手能力和創新能力，是課題研究的基本目的。
機械振動是在日常生活和工程實際中普遍存在的一種現象，也是整個力學中最重要的研究領域之一。機械振動指機器或結構物在平衡位置附近所做的“往復運動”。在工程中，存在着很多振動現象。如飛行器與船舶的振動、機牀與刀具的振動、各種動力機械的振動等。機械振動降低了機器的動態精度和性能，機械振動會使機器產生交變載荷，這將導致機器使用壽命的降低甚至釀成災難事故。共振現象是工程中需要研究的重要課題，在共振區內振動都很強烈，會導致機器或結構過大變形，造成破壞。因此有效地進行振動隔離或減振設計，消除和抑制振動的消極影響，是機械振動的一個主要研究方向之一。研究機械振動的意義體現在發展振動理論、防範有害振動和利用有益振動等方面。
機械工業的技術水平和現代化程度極大地影響整個國民經濟的技術水平。現代化的工業、農業、交通等各個領域的發展要求設計出性能更好的機械設備，由此導致機械振動力學的發展和研究。研究機械振動學的理論與方法，解釋機械結構系統中各種複雜運動現象，實現大型複雜裝備振動與噪聲的有效控制，充分利用振動現象，是提升機械裝備性能的重要手段，而機械振動系統測試是研究機械振動的重要手段。
機械振動測試是研究和解決工程技術中許多動力學問題必不可少的手段，可以用來求解機械結構的動力學參數：阻尼、固有頻率等。其目的：一是尋找振源，減少或消除被測量設備和結構所存在的振動;二是測定結構或系統的動態特性以便改進結構設計，提高抗震能力。
研究機械振動是防範有害振動的迫切要求。工程中有大量的振動問題需要人們研究、分析和處理，特別是現代機械產品向着高速化、精密化、輕型化、微型化和大型化等方向發展，使得振動問題更加突出，對防範振動提出了更高的要求。在高速化的機械產品設計中，爲了滿足高速化機械產品的設計質量，動力學分析方法從動態靜力分析發展到動力分析和彈性動力分析。例如，汽車的高速化推動了對整車振動和傳動系統振動與噪聲的研究等。在精密加工領域，機械振動是影響加工質量和表面質量的主要因素之一，嚴重時會影響系統的穩定性。
研究機械振動是振動利用工程的迫切要求。在許多行業，振動機器和儀器已經用來完成各種不同的工藝過程，如成形、篩分、整形、診斷等。電話機、諧振器、各部門使用的各種類型的振動機、醫療設備中的核磁共振、振動診斷技術等都是對振動原理的實際有利應用。對這些振動現象進行研究,找出其內在規律,並進行有效的利用,則會對社會產生重大的社會效益與經濟效益。目前振動利用工程學科取得了一系列研究成果，但仍然需要發展和開拓新的領域。
對機械振動的研究不僅有利於改善人們的生活環境和水平，也有助於提高機械設備的使用壽命，提高生產效率。正因如此，機械振動系統測試實驗在生產和科研等多方面都有着十分重要的作用。爲了控制振動，將振動給人們帶來的危害降至最低，就需要我們瞭解振動的特性和規律，對振動進行測試和研究。
許多工程實際振動系統夠可簡化爲單自由度振動系統來研究，它是研究複雜振動系統的基礎。進行單自由度振動系統測試研究的最終目的就是透過其來研究複雜振動，進行機械或結構的振動分析和振動設計，來控制振動的危害，利用有益的振動，合理利用機械振動特性，創造性地設計動力機械，造福人類，也是爲以後的進一步學習研究機械力學奠定良好的基礎。因此，研究單自由度振動系統振動具有很大的現實意義和應用前景。
二、國內外機械振動理論的進展概況
(I) 機械振動概述：在機械動力學領域，機械振動理論是一個重要的研究方向，許多研究人員己經進行了大量卓有成效的研究，並有許多成熟的理論技術己經應用到實際中，出現了大量的優秀的振動產品及技術成果。如機械錶、光導纖維通信技術、醫用CT、振動診斷技術、振動輸送機、 振動篩、激振器及振動控制技術等。這些產品及技術主要應用於機械製造、地質、能源化工、核工業、土木建築、海洋、航空航天、交通運輸以及其它領域和各個技術部門。
對機械振動的研究起始於17世紀60年代對鐘擺微振動機理的探索。在隨後的兩個世紀中，樑和板等結構件的振動是力學界研究的熱門。20世紀初，人們關心的機械振動問題主要集中在如何避免共振，因次，研究的重點是機械結構的固有頻率和振型的確定。在第二次工業革命中，電動機、發電機和汽輪機的出現，高速轉子引起的振動問題變得突出起來。20世紀60年代，線性振動基本理論已經建立起來。20世紀30年代，機械振動的研究開始由線性振動發展到非線性振動。20世紀下半葉，非線性振動理論得到飛速發展。到20世紀中葉，線性離散系統的基本理論已經建立起來。20世紀50年代以來，機械振動的研究從規則的振動發展到用概率和統計的方法才能描述其規律的隨機振動。
在最近一個時期，科技工作者對許多非線性振動問題進行了深入研究，在定量研究或定性研究方面都提出了一些新的研究方法。特別是在近30年來，對混沌運動現象的揭示及對其展開的研究工作，被認爲是當今科學領域的重大發現和重要成就之一。此外，隨着自動控制理論和電子計算機技術的發展，也爲多自由度系統的計算和非線性振動系統的研究提供了技術基礎，許多非線性振動問題可以藉助數值計算與數值模擬方法予以解決使得非線性振動問題的解法向前推動了一大步。振動理論和實驗技術的發展，使振動分析成爲機械設計中的一種重要工具。信號分析方法，尤其是快速傅立葉變換的出現成爲現代振動測試、故障診斷技術的基礎。現代的振動測試技術是20世紀70年代以後隨着信號分析方法的出現而發展起來的。1988年，美國National Instruments公司提出了“軟件即儀器”的概念，開啓了虛擬儀器研究的先河。20世紀60-70年代專家系統出現，其首要目標就是用於基於振動檢測的故障診斷。振動主動控制技術的研究始於20世紀50年代末期，80年代後已經進入蓬勃發展階段，不僅取得了豐富的理論研究成果，而且成功應用於航天、土木及車輛結構的振動控制領域。
20世紀以來,迅猛發展的航空、航天、機械、車輛、船舶、土木、控制、通訊等工業,促使人們對機械、結構、電路中的振動現象進行深入研究。這使得線性時不變系統的振動理論形成了完整體系,非線性振動理論得到了很大發展,隨機振動、流固耦合振動、振動與噪聲控制、振動測量與系統建模、轉子動力學、包裝動力學等一批分支學科從無到有,形成了廣大工程師可用來解決問題的振動學。
目前，線性振動理論的研究已經很成熟了，已經建立了完整的理論體系，爲非線性振動，甚至是混沌的研究奠定了基礎。非線性振動的研究工作已取得許多重要成果，並且已經解決了理論上和工程應用方面的諸多問題。但是還有很多問題還沒有徹底解決。需要對其進行更深的研究。
國內振動研究概況：早在戰國時期《莊子》就已經明確記載了共振現象。20世紀60年代初期，國內學者張阿舟同研究生聯名發表《頻率辨》論文，對單自由度粘性阻尼線性系統的各種特性頻率：固有頻率、自然頻率、(位移)振幅共振頻率和加速度振幅共振頻率作了精闢的分析，從理論上澄清了它們各自的含義和特定的界限。
我國學者陳予恕院士是非線性動力學及其工程應用在中國發展的主要代表。他和加拿大學者ford在1988年提出了C-L方法可求出整個參數空間中的週期解。該方法的理論意義在於：統一了世界文獻對非線性參數激勵系統似乎矛盾的結果，建立起系統分岔解的拓撲結構和系統參數之間的全面聯繫，從而突破了非線性振動理論發展的瓶頸。
我國學者朱位秋院士在1998年撰寫的專著是當代關於隨機振動的代表性著作之一。他關於非線性隨機振動的研究構成了一個非線性隨機動力學與控制的Hamilton理論體系框架，爲解決工程中一系列非線性隨機動力學與控制的關鍵問題提供了一整套全新而有效的理論方法。張廣軍等透過雙穩Duffing 振子的隨機共振及其矩方程的分岔之間的關係研究了隨機共振的機制。
1999年，我國學者劉世齡、張佑啓、陳樹輝和徐兆四人提出了“強非線性振動的增量諧波平衡法和推廣的攝動方法”。謝建華等建立了兩自由度含間隙振動系統對稱週期碰撞運動的Poincare映射方程。張天俠等在同步振動系統耦合效應研究中匯出了系統形成同步的耦合條件，給出了振動同步系統結構參數設計和選擇的工程方法。
(II)單自由度振動系統：任何一個實際的振動系統都是無限複雜的，爲了能對之進行分析，一定要加以簡化，並在簡化的基礎上建立合適的力學模型。在簡化模型中，振動體的位置或形狀只需用一個獨立座標來描述的系統稱爲單自由度系統。
單自由度系統是最簡單、最基本的振動系統。其重要性，一方面在於在很多實際問題都可簡化成一個單自由度系統，從而直接利用對這種系統的研究成果來解決問題;另一方面在於它具有一般振動系統的一些基本特性，是多自由度系統和連續系統乃至非線性系統振動理論和方法的基礎。在理論分析中，利用它的直觀、簡單，可以把握振動系統的許多基本性質。
以彈簧一質量系統爲力學模型，如圖1所示，對研究單自由度系統的振動有着非常普遍的實際意義，因爲工程上有許多問題透過簡化，用單自由度系統的振動理論就能得到滿意的結果。而同時對多自由度系統和連續系統的振動，在特殊座標系中考察時，顯示出與單自由度系統類似的性態。因此，揭示單自由度振動系統的規律、特點，爲進一步研究複雜振動系統奠定了基礎。
1.單自由度系統的無阻尼自由振動：是以正弦或餘弦函數或統稱爲諧波函數表示的，以其靜平衡位置爲振動中心的簡諧振動。
式(1)就是無阻尼自由振動的微分方程，是二階常係數線性齊次方程。
系統週期： (2)
系統頻率： (3)
系統固有頻率： (4)
2.單自由度系統的有阻尼自由振動：在自由振動中，物塊除受恢復力的作用外，還受到阻力的作用，振動過程中的阻力通稱阻尼。產生阻尼的因素比較多，例如在流體介質中運動時，會產生介質的粘性阻尼(如空氣阻尼、油的阻尼)等，總是有能量的散逸，系統不可能持續作等幅的自由振動，而是隨着時間的推移振幅將不斷減小。這種自由振動叫做有阻尼自由振動。有阻尼自由振動固有頻率： 。有阻尼自由振動週期： ，阻尼自由振動的週期大於無阻尼自由振動的週期。
3.單自由度系統的受迫振動：在持續的外部激勵作用下所產生的振動稱爲受迫振動。自由振動成分在阻尼作用下迅速衰減，振動的頻率最終取決於激勵的頻率。受迫振動包含瞬態振動和穩態振動，在振動開始一段時間內所出現的隨時間變化的振動，稱爲瞬態振動。經過短暫時間後，瞬態振動消失。系統從外界不斷地獲得能量來補償阻尼所耗散的能量，因而能夠作持續的等幅振動，這種振動的頻率與激勵頻率相同，稱爲穩態振動。
4.單自由度系統的自激振動：自激振動指在非線性振動中，系統只受其本身產生的激勵所維持的振動。自激振動系統本身除具有振動元件外,還具有非振盪性的能源、調節環節和反饋環節。因此，不存在外界激勵時它也能產生一種穩定的週期振動，維持自激振動的交變力是由運動本身產生的且由反饋和調節環節所控制。自激振動的頻率基本上取決於系統的固有特性。自激振動與初始條件無關，其頻率等於或接近於系統的固有頻率。如飛機飛行過程中機翼的顫振、鐘錶擺的擺動和琴絃的振動都屬於自激振動。
自激振動特徵：
(1)振動過程中，存在能量的輸入與耗散，因次其爲非保守系統;
(2)能源恆定，能量的輸入僅受運動狀態，即振動系統的位移和速度的調節，因次其不含時間變量，爲自治系統;
(3)振動的特徵量，如頻率和振幅，由系統的物理參數確定，與初始條件無關;
(4)自治的線性系統只能產生衰減自由振動，吳耗散時也只能產生振幅由初始條件確定的等幅自由振動，因次自振系統爲非線性系統;
(5)自激振動的穩定性取決於能量的輸入與耗散的相互關係。
機械振動主要研究內容及方向
1、機械振動研究的內容及方向
(1)確定系統的固有頻率，預防共振的發生。隨着機械設備性能的高速重載化和結構、材質的輕型化，導致現代機械的'固有頻率下降，而激勵頻率上升。因次，有可能使得機器的運轉速度進入或接近機械的“共振區”，引發強烈的共振，從而破壞機械的正常運轉狀態，所以對高速機械裝置均應進行共振驗算，避免共振事故的發生。
(2)計算系統的動力響應，以確定機械或結構受到的動載荷或振動的能量水平。傳統機械設計方法中，對機械運動分析與載荷計算是建立在剛性假定的基礎上，按照靜力學或剛體動力學方法進行的分析設計，此種方法面臨現代機械輕型高速化趨勢的挑戰。而現代化機械設計方法正由靜態設計向動態設計過度，考慮到機械結構的彈性分析機械振動載荷。
(3)研究平衡、隔振和消振方法，消除振動的影響。現代機器與儀器的重要特徵之一就是高速和精密。高速容易導致振動，而精密設備卻往往對自身與外界的振動有極爲嚴格的限制。因次，對機械的減振、隔振技術提出了越來越高的要求。所以，隔振設備的設計、選用與配置、減振措施的採用也是機械動力系統研究的任務之一。
(4)研究自激振動及其他不穩定振動產生的原因，從而有效地加以控制。自激振動是一種恆定頻率和恆定振幅的週期運動，與其他受週期性外作用激勵的振動有本質區別。自激振動是有能源支援的非線性自治系統各個單元相互作用形成的穩態週期運動，是此類系統平衡狀態失穩後的一種終極狀態，描述其運動規律的數學模型都是非線性自治方程。對自激振動的研究必須解決兩個基本問題：如果自激振動是需要的，就要研究如何得到所需頻率、功率和波形的振動;如果自激振動是有害的，就要研究如何設法消除它。解決問題的關鍵在於相位關係和能量平衡。
(5)進行振動診斷，分析事故產生的原因及控制環境噪聲。機械故障診斷理論與技術在世界範圍內受到學術界和工業界的日益廣泛關注。在各種故障診斷技術中，基於振動分析判斷機械工作狀態、識別故障類型和位置、預測故障趨勢的振動診斷方法佔據着主導地位。振動診斷涉及兩類基本問題，即故障分析與故障診斷。機械故障診斷，就是透過檢測、提取、利用機械系統進行執行中所產生的相關資訊，識別其技術狀態，確定故障的性質，分析故障產生的原因，尋找故障部位，預報故障的發展趨勢，並提出相應的對策。
(6)振動技術的利用。作爲一種自然現象，振動存在着有利的一面，也存在着有害的一面。對於振動問題的研究，一方面要充分利用振動現象爲人類造福，如振動破碎、振動送料等都是振動正向應用的實例;另一方面，要系統分析機械設備止逆閥的振動機理，研究隔振和減振措施。
機械振動存在的理論與技術問題
1、機械振動理論在近年來雖然得到迅速發展，但仍有大量理論與技術問題等待人們去研究和探索：
(1)關於振動理論方面，目前線性振動理論發展較爲完備，但非線性振動理論還有許多問題尚需解決。工程上的非線性問題常常採用簡化的線性性化處理，或在計算機上進行分段線性化處理。在這方面有待於進一步探索。
(2)乘坐振動力學。一般固定式機械有較爲規律的激勵，研究較爲成熟。爲對於交通機械，如汽車、工程機械、艦船等，則受到的外界激勵往往是隨機激勵，需要根據載荷譜來進行分析。因此對於這類機械的整體結構設計，懸架設計、座椅設計以及隔振與減振設計等方面引入隨機振動理論，是一個廣闊與重大的課題。
(3)計算機應用於動態模擬。動態模擬是在計算機上顯示機械在各種參數與條件下的動態性能，從而實現在設計階段預測與控制機械的動態特性，進而取代樣機的中間試驗，大大降低機器的成本與試製週期。
(4)振動疲勞機理的研究。許多機械零部件的疲勞破壞是因振動產生的。如何把振動理論與疲勞強度理論結合起來，是一個新的課題。
(5)有關測試技術理論、故障診斷理論，以及實用、有效、廉價的測試、診斷設備與技術研究，距離生產急需尚有相當距離。
(6)流固耦合振動是指流體流過固體時會激發振動，而固體的振動又會反過來影響流場與流態，從而改變振動的形態。工程上這類問題很多，如導線舞動、卡門渦振動、軸承油膜振盪等，在學術上也是一個嶄新的分支，是一個急待研究與發展的領域。
三、課題的主要設計內容：
本課題主要設計單自由度振動系統測試，除了實驗計算出系統的固有頻率，還觀察瞭解自由振動和自激振動的現象和特點，比較它們的不同之處。首先是緒論部分，提出了論文的研究背景和意義，機械振動理論的研究現狀，並且對相關的文獻進行綜述;接着對理論力學ZME-1多功能實驗臺進行了概述，敘述了理論依據，研究方法等。本次畢業設計的主要任務是：理論力學創新應用多功能實驗臺單自由度振動系統測試的完整設計及其相關計算以及繪圖。主要設計內容如下：
1、理論力學ZME-1多功能實驗臺單自由度振動系統測試總體設計方案的分析與確定
2、單自由度振動系統測試實驗方法的選擇與實驗裝置
3、振動系統力學建模與實驗原理
4、實驗內容(自由振動和自激振動)及過程指導
5、實驗數據分析、計算及總結
6、確定計算單自由度振動系統的剛度及固有頻率參數，並完成設計和繪圖工作
7、設計總結，外文翻譯。
四、擬採用如下研究手段來完成此課題
首先，採用調研法，瞭解本課題。有計劃、有目的透過網上和圖書館收集、閱讀有關參考資料;瞭解國內外有關振動系統研究的最新成果和單自由度振動系統測試的原理、內容等，並對蒐集到的大量資料進行分析、綜合、比較、歸納，瞭解單自由度振動系統測試的原理、方法、存在的問題等，聽取老師的意見，克服其中的技術問題，理論計算與實驗數據比較，並寫出開題報告。
綜合上述收集到的相關資料、看到的此類實驗以及設計任務書的具體要求，制定出初步的整體設計方案。
分析設計方案的優缺點，經指導老師指導後確定最終設計方案。
根據設計任務書提供的主要技術參數及有關資料，設計實驗原理方法、實驗內容、實驗步驟、實驗分析，實驗數據等主要參數。
完成全部圖紙設計繪製和設計說明書的撰寫工作，並提供給指導老師審閱。
進一步修改，並最後成文完成全部設計工作，交給指導老師審閱定稿。
課題研究的條件：在我們學校現有的力學實驗室，建立高壓輸電線單自由度振動系統模型，在ZME-1型多功能實驗臺上測試系統的變形，進而計算出系統的剛度和固有頻率。
五、課題研究的理論依據、預期結果
1、理論依據：
1)、建立的高壓輸電線單自由度振動系統模型。系統在不同砝碼下拉下，會產生不同靜變形。系統平衡時： 可求出系統等效剛度 (W是模擬高壓輸電線的半圓形模型的重量， 是系統的靜變形)。則由 可計算出系統的固有頻率。
2)、對實驗室提供的自激振動系統模型的半圓形模型吹以與模型豎向振動方向垂直的氣流，在模型後面的氣流形成帶有間隙漩渦的流線，即不連續的卡門漩渦。當漩渦頻率與系統的固有頻率接近時，會造成共振，即自激振動。
調整不同電壓，可改變轉速及風速，造成系統振幅不同，用相應的測量工具可測出轉速、風速及振幅。同時還可觀察自激振動現象，系統會劇烈振動。
2、預期結果：1)、系統在不同砝碼下拉下，會產生不同變形，由此計算出的系統等效剛度，繼而可以計算出系統固有頻率。2)、隨着電壓的不同，則風機轉速會不同，風速也不同，造成系統振幅亦不同。透過記錄風速和振幅，畫出振幅與風速間的關係曲線圖，可以得到自激振動的振幅與風速之間的關係。可以觀察分析自激振動與自由振動和受迫振動的區別。
六、完成課題所需工作條件(如工具書、實驗、計算機等)及解決辦法
1、工作條件
1)工具書：單自由度振動系統及其測試相關資料及書籍;
2)實驗：校內的力學實驗室，理論力學ZME-1型多功能實驗臺。
3)計算機：自己購買
2、解決辦法
1)透過網上和校內圖書館獲得工具書;
2)實驗可以在校內的力學實驗室裏做，自己購買的計算機。
七、畢業設計(論文)進度計劃
本畢業設計的階段劃分與進度安排如下：
第一階段：第1 周～第2周 知識準備，收集資料，撰寫開題報告;
第二階段：第3 周～第5周 撰寫總論，制訂畢業設計計劃，外文翻譯;
第三階段：第6 周～第7周 擬出初步設計方案，確定總體結構方案設計;
第四階段：第8 周～第12周 主要的設計計算及繪圖;
第六階段：第13 周 整理撰寫說明書;
第七階段：第14周～第15周 審查並修改說明書，準備答辯;
第八階段：第16周 上交畢業設計資料及答辯;
八、參考文獻
[1]李惠彬.振動理論與工程應用.北京：北京理工大學出版社,2006(9):1-30.
[2]李有堂.機械系統動力學[M].北京：國防工業出版社，2005:1-12,52-105.
[3]張海軍,曹勤.工程機械動力學[M].北京：國防工業出版社，2014(4):1-25.
[4]胡準慶.機械振動基礎.北京：北京交通大學出版社，2013(2)：1-48.
[5]劉延柱，陳立羣.非線性振動.北京:高等教育出版社,2001(8)：1-8,126-260.
[6]張策.機械動力學史.北京：高等教育出版社, 2009(10):9-240.
[7]李有堂.機械振動理論與應用[M].北京：科學出版社，2012：3-18,45-65，185-264.
[8]聞邦椿，劉樹英，陳照波，李鶴.機械振動理論及應用.北京：高等教育出版社，2009(5)：1-60，294.
[9]李明成，陳建平，陶秋帆.扭轉振動實驗儀與單自由度系統振動實驗.南京：南京航空航天大學航空宇航學院，2010(4):1.
[10]陳樹輝.強非線性振動系統的定量分析方法.北京：科學出版社，2006:1-5,209-212.
[11] 張斌. 振動基礎理論的發展與現狀.鬆遼學刊，1997.7，第3期：91-94.
[12] 張策.機械動力學.2版.北京：高等教育出版社，2008(1)：4-19.
[13] 郭應徵，周志紅.理論力學[M].第2版.北京：高等教育出版社，2014:384-404.
[14]聞邦椿，劉樹英，張純宇.機械振動學.1版.北京：冶金工業出版社，2011(8)：1-56,183-209.